Устройство и принцип действия автомобильного катализатора

Первые катализаторы автомобильной выхлопной системы были спроектированы в ответ на растущие опасения по поводу загрязнения окружающей среды. Современные преобразователи позволяют обезвреживать более 90% отработавших газов.

Понятие автомобильного катализатора

Все новые автомобили комплектуются катализаторами на этапе сборки.

Предназначение и функции

Каталитический нейтрализатор, или дожигатель, является в автомобиле компонентом выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания и нужен для снижения количества выбросов загрязняющих и ядовитых газов.

Устройство может выполнять одновременно 3 функции:

• восстанавливать оксиды азота до молекулярного азота с выделением кислорода;
• окислять угарный газ до углекислоты, углеводороды до двуокиси углерода и воды.

Устройство каталитического нейтрализатора

Конвертер состоит из изолирующей стальной камеры, оборудованной входным и выходным клапанами. Внутри устройства содержится керамический цилиндрический монолит, пористая структура которого увеличивает площадь соприкосновения паров с рабочей поверхностью. Его ячейки покрыты тонким слоем оксида алюминия, служащего носителем каталитических элементов: платины, палладия, родия. В новых моделях нередко используется золото, что позволяет снизить себестоимость производства нейтрализаторов.

Пространство между монолитом и корпусом заполнено герметизирующим материалом, изготовленным из термостойких керамических волокон и вспучивающихся минералов. Уплотнитель предназначен для фиксации хрупкого керамического блока, поглощения вибраций и предотвращения перегрева.

Конвертер сильно нагревается в процессе работы, поэтому его помещают в металлический кожух. Дополнительная оболочка служит термоэкраном, защищающим нижнюю часть кузова и соседние детали транспортного средства от теплового повреждения или возгорания.

Где находится в машине

Нейтрализатор работает наиболее эффективно при температуре выше +300°C, поэтому его устанавливают ближе к двигателю. В большинстве современных автомобилей устройство расположено в подкапотном пространстве между выхлопным коллектором и глушителем. При запуске мотора оно подвергается прямому воздействию горячего выхлопного газа и быстро нагревается.

Принцип действия

Газы из выхлопной трубы поступают во внутреннюю ячеистую полость керамического монолита конвертера, где вступают в окислительно-восстановительное взаимодействие при участии каталитических элементов.

Платиново-родиевый катализатор провоцирует реакции восстановления, в результате которых оксиды азота распадаются на свободные атомы азота и кислорода. Затем одноименные элементы взаимодействуют между собой и образуют молекулы газообразных веществ:

2NO → N2 + O2

2NO2 → N2 + 2O2

Катализатор на основе платины и палладия запускает реакции окисления оксидов углерода и углеводородов:

2CO + O2 → 2CO2

HC + O2 → CO2 + H2O

С помощью λ-зондов устройство контролирует поступление дополнительного кислорода в выхлопной поток, что позволяет управлять эффективностью окислительно-восстановительного взаимодействия.

Основные виды: классификация

История каталитического преобразователя насчитывает более 40 лет. За это время устройство прошло нелегкий эволюционный процесс, каждый раз адаптируясь ко все более сложным условиям.

Сегодня существует множество видов конвертеров, различающихся по базовым параметрам и эффективности.

Экологический класс

При проектировании нейтрализаторов производители подчиняются экологическим стандартам Euro, устанавливающим нормы выбросов выхлопных газов транспортными средствами. В Евросоюзе начальный регламент Euro-1 был принят в 1992 г. и постепенно ужесточался. Сегодня действуют стандарты Euro-6, которые накладывают строгие ограничения на все типы двигателей.

Система каталитической нейтрализации отвечает за соответствие норм выбросов угарного газа (CO), углеводородов (CH) и оксидов азота (NOX).

В РФ обязательные стандарты Euro 2 были введены в 2006 г. и несколько раз обновлялись. В 2014 г. вступил в силу регламент Euro 5, а с декабря 2019 г. рекомендован к исполнению Euro 6.

Стандартам Euro 5 или Euro 6 соответствуют иномарки моложе 2010 г. и отечественные автомобили, выпускающиеся с конца 2015 г. Согласно данным аналитического агентства «Автостат», сегодня на их долю приходится 21% российского автопарка.

По материалу изготовления

Нейтрализаторы могут быть металлическими или керамическими в зависимости от типа материала, используемого для изготовления пористого блока. Они похожи по функциональности, однако металлический агрегат устойчив к сильным механическим нагрузкам, больше весит и стоит.

По количеству каталитических блоков

В современных автомобилях используют двух- и трехходовые катализаторы. Первый тип устройства предназначен для окисления 2 типов соединений: углеводородов и угарного газа.

Трехходовый конвертер дополнен восстанавливающими катализаторами, позволяющими преобразовывать оксиды азота.

По месту установки в выхлопной системе авто

В 70% автомобилей устройство находится между выпускным клапаном и глушителем. Такой вариант оптимален, т.к. здесь поврежденный катализатор легкодоступен. Иногда конвертер устанавливают на коллекторной трубе, где он намного быстрее прогревается. В этом случае агрегат становится частью клапана и считается неремонтопригодным.

Спортивные

В таких конвертерах каталитические блоки имеют металлическую основу, изготовленную из высокопрочных марок стали с включением платины.

Такие преобразователи обладают несколькими преимуществами по сравнению со стандартными устройствами:

• повышенной пропускной способностью отработавших газов;
• пониженным противодавлением выхлопного потока;
• меньшим риском перегрева;
• более высокой производительностью;
• устойчивостью к экстремальному воздействию внешней среды.

Катализатор дизельного двигателя

В дизельном конвертере используется катализатор на основе платины и палладия, который запускает реакции окисления углеводородов и монооксида углерода. Однако агрегат плохо справляется с удалением окислов азота, т.к. работает в недостаточно высоком температурном диапазоне.

В современных дизельных нейтрализаторах реализована технология избирательного каталитического восстановления (SCR), которая позволяет снизить количество NOX более чем на 90%. Методика основана на использовании водного раствора мочевины в качестве восстанавливающего агента, который впрыскивается в поток отработавших газов. Высокая температура способствует испарению воды и разложению карбамида на аммиак и диоксид углерода.

Внутри конвертера оксиды вступают в реакцию с аммиаком при участии каталитических элементов и преобразуются в молекулярный азот и воду.

Критерии выбора

Устройство должно соответствовать марке и модели автомобиля. Необходимо обратить внимание на его экологический класс и дизайн.

Оригинал или аналог

Оригинальный катализатор дорог, однако он поддерживает все режимы работы мотора и позволяет эффективно использовать его ресурс. В отсутствие средств можно рассмотреть приобретение универсального аналога или сотового монолита. Первый вариант наиболее предпочтителен, т.к. легко реализуется и обеспечивает качественную работу системы отвода выхлопных газов.

Распространенные неисправности: причины и признаки

Поскольку конвертер не имеет подвижных деталей, он сохраняет работоспособность в течение длительного периода. Однако и в его работе могут возникнуть недостатки.

Разрушение

Сотовый керамический монолит прочно зафиксирован внутри корпуса изолирующим уплотнителем, который поглощает энергию колебаний и защищает блок от повреждений. Однако сильная ударная волна способна разрушить пористую структуру, что неминуемо приведет к прерыванию потока выхлопных газов, накоплению избыточного тепла и потере мощности двигателя.

Повреждение может быть вызвано ездой по бездорожью, попаданием мусора в конвертер, неустойчивостью подвески выхлопной системы.

Признаком разрушения керамической структуры являются вмятины на корпусе или дребезжание, издаваемое устройством во время движения транспортного средства.

Выплавление и выгорание

При перегреве преобразователя нередко наблюдаются оплавление и спекание сот монолита, что сопровождается нарушением проходимости газового потока. Такое явление наблюдается при температуре более +900°C, которая достигается вследствие попадания недогоревшего топлива в нейтрализатор. Причинами сбоя становятся неисправности различных элементов конвертера, некорректная работа топливных форсунок или свечей зажигания, использование некачественного бензина.

Образование нагара

Из-за неполного сгорания топлива или проникновения масла в конвертер на поверхности ячеек внутреннего блока образуется нагар, который усиливает горячую коррозию системы. Накопление налета происходит и вследствие окисления углеводородов. По мере утолщения слоя нагара увеличивается риск деактивации катализатора и остановки процесса преобразования газов.

Первыми признаками засорения устройства углеродистыми отложениями являются избыточный нагрев в подкапотном пространстве, темный цвет и серный запах выхлопных газов. О проблеме могут свидетельствовать вялая динамика разгона и снижение мощности двигателя.

Появление инородных частиц

Единственным посторонним предметом внутри нейтрализатора может стать металлическая стружка, которая проникает в агрегат в результате расслоения выхлопных труб. Иногда она используется в качестве набивного материала для вышедшего из строя конвертера. В этом случае стружка может попасть в резонатор или глушитель, забив выхлопные отверстия.

Диагностические мероприятия: как проверить состояние узла

При неисправном катализаторе на приборной панели может загореться лампочка Check Engine, при этом в электронном блоке управления будет записан код ошибки. Однако это не всегда указывает на фатальные проблемы конвертера. Есть несколько способов, позволяющих проверить состояние узла.

Визуальный осмотр

Например, обесцвечивание корпуса из-за перегрева или наличие деформаций указывает на повреждение керамического субстрата. Присутствие ржавчины на внешней оболочке говорит о неисправностях устройства или опасности их возникновения.

Температурный тест

Проверить эффективность узла можно с помощью инфракрасного термометра. Сначала необходимо запустить двигатель и прогреть его до рабочей температуры, на что потребуется около 20 минут. Затем следует снять показания на передней впускной и задней выпускной трубах. Совпадение значений будет свидетельствовать о наличии внутренних дефектов катализатора.

В исправном агрегате температура задней части должна быть выше минимум на 20°C.

Посторонние шумы

При разрушении пористой структуры нейтрализатор начинает дребезжать во время работы двигателя. Важно не спутать это со звуками трения и звона внутренних элементов.

В обход

При снижении тяги можно ослабить крепежные болты, соединяющие трубы катализатора и выпускного коллектора. В результате часть выхлопных газов будет направлена в обход. Повышение мощности двигателя после проведенных мероприятий указывает на то, что нарушена пропускная способность конвертера.

Проверка давления

Испытание противодавлением – это один из самых точных способов тестирования. Необходимо снять первичный кислородный датчик и установить на его место манометр. После запуска и разгона двигателя до 3000 оборотов в минуту следует зафиксировать показания прибора. Давление не более 0,3 кгс/кв.см свидетельствует об исправности узла, а значение выше 0,5 кгс/кв.см указывает на засоренность агрегата.

Способы промывки устройства своими руками

Существует несколько способов очистки узла, выбор которых зависит от степени загрязнения. При наличии незначительных отложений и небольших отклонений в работе выхлопной системы можно воспользоваться жидкими присадками. В случае поломок придется изъять устройство и провести его механическую чистку.

Механическая очистка

Показанием к ее проведению являются сильные загрязнения, блокирующие работу конвертера. Устройство вынимают из остывшей системы и помещают в контейнер, заполненный раствором горячей воды и обезжиривателя. Спустя 60 минут соты промывают под струей кипятка и продувают. Если воздушный поток плохо проходит сквозь пористую структуру, процедуру повторяют. После полной очистки конвертер просушивают и устанавливают в систему.

Жидкостная (без снятия катализатора с автомобиля)

Она проводится с помощью специализированных смесей на основе органических растворителей. Необходимо соединить очиститель с небольшим количеством топлива и влить полученный состав в автомобильный бак. Во время поездки средство будет циркулировать в выхлопной системе, растворяя углеродистые отложения и остатки масла.

Жидкостная очистка используется в профилактических целях и считается бесполезной в случае сильного загрязнения или разрушения керамического субстрата нейтрализатора.

Распространенные ошибки при очистке

Основной ошибкой при очистке катализатора является попытка механического пробития отверстий в керамическом монолите, которая приводит к разрушению пористой структуры и потере работоспособности конвертера. Необходимо защищать агрегат от ударных воздействий.

Зачем вырезают каталитический нейтрализатор

Конвертер помогает поддерживать здоровье окружающей среды, однако его удаление из системы имеет несколько положительных последствий:

• повышение мощности двигателя за счет устранения противодавления, сдерживающего поток газов;
• продление срока его службы вследствие снижения рабочей нагрузки;
• уменьшение расхода топлива.

Причиной удаления узла нередко становится его повреждение. Неработоспособный катализатор нарушает функциональность выхлопной системы, поэтому его заменяют новым устройством.

Полное удаление конвертера из системы считается внесением изменений в конструкцию автомобиля, что запрещено Постановлением Правительства РФ от 23.10.1993 № 1090 «О Правилах дорожного движения».

Нюансы удаления устройства из выхлопной системы

Несмотря на запрет, многие автомобилисты вынуждены вырезать или выбивать внутренности катализатора, т.к. на приобретение нового агрегата требуются немалые финансовые средства.

Основной проблемой при удалении устройства становится ошибка бортового компьютера, инициированная сигналами λ-зондов о неприемлемых концентрациях кислорода. Автомобиль переходит в аварийный режим работы с пониженной мощностью двигателя. Чтобы решить эту проблему, автовладельцы устанавливают пламегаситель в целях снижения температуры и резонанса отработавших газов. Наиболее простой вариант этого устройства выполнен в форме перфорированной трубы, которая вставляется в стальной корпус и обкладывается жаростойким материалом.

Зачем скупают автомобильные катализаторы

Каталитические нейтрализаторы имеют экономическую ценность, т.к. содержат драгметаллы, количество которых варьируется в зависимости от типа двигателя. В среднем в 1 устройстве содержится около 1,5 г/кг платины, 1,3 г/кг палладия и 0,15 г/кг родия.