Устройство и принцип работы автомобильного катализатора

Ужесточение экологических норм привело к внедрению электронных систем подачи топлива в цилиндры. Расположенный в выхлопной системе каталитический нейтрализатор дожигает остатки горючего, снижает токсичность газов. При разрушении наполнителя увеличивается расход топлива, в отдельных случаях керамическая пыль проникает в цилиндры и повреждает трущиеся детали.

Что такое катализатор и почему он необходим в автомобилях?

Каталитический нейтрализатор впервые появился на автомобилях с бензиновыми двигателями в США в середине 70–х гг. прошлого века. Устройство обеспечивает дожигание окислов азота, угарного газа и остатков углеводородов. Узел позволяет снизить количество вредных выбросов в атмосферу, образующих смог. Установка на входе и выходе катализатора датчиков кислорода обеспечивает непрерывную корректировку состава топливовоздушной смеси.

Конструкция нейтрализатора и системы впрыска горючего определяют соответствие двигателя международным нормам токсичности.

Устройство каталитического нейтрализатора

Узел интегрирован в выпускной коллектор или находится в начале выхлопной системы. Нейтрализатор располагают как можно ближе к мотору, обеспечивая быстрый прогрев и поддержание высокой температуры внутри устройства. Внутри корпуса, изготовленного из жаропрочной нержавеющей стали, установлен сотовый керамический наполнитель с покрытием из благородных металлов (родия, платины или палладия). Между вставкой и корпусом расположен слой теплоизоляции, на входе в нейтрализатор предусмотрена резьбовая втулка для первичного датчика концентрации кислорода.

Конструкция нейтрализаторов для дизелей несколько отличается от схемы, используемой на бензиновых установках. Внутри металлического кожуха расположены катализатор и блок сбора частиц сажи, на входе находятся лямбда-зонд и датчик температуры, а на выходе установлены вторичный сенсор нагрева и индикатор давления.

Подобный нейтрализатор используется на машинах Volkswagen с системой подачи топлива Common Rail. Для изготовления сотового наполнителя используется жаропрочная нержавеющая сталь с несущим слоем из оксида алюминия, покрытым платиной.

Нейтрализатор является одной из ступеней системы снижения токсичности отработавших газов. Например, в дизельных моторах используют систему рециркуляции выхлопа с охлаждением потока. Бензиновые двигатели настраивают на работу на обедненных смесях, повышая процент сгорания топлива в цилиндрах. Работа нейтрализатора жестко связана с функционированием прочих систем. Нанесенный на поверхность сотового наполнителя состав чувствителен к воздействию свинца (попадает в выхлоп при использовании этилированного бензина).

Изредка встречаются автомобили с карбюраторными двигателями, выпущенные в 80–х гг. прошлого века и оснащенные нейтрализаторами без обратной связи. Например, Volkswagen стал оснащать часть машин Golf катализаторами с 1985 г. Узел состоит из металлического корпуса, внутри которого расположен керамический сотовый наполнитель с покрытием на основе платины. Каталитическое дожигание выхлопа начиналось после прогрева, в случае неисправности карбюратора или системы зажигания нейтрализатор выходил из строя (что обусловливает редкость узла на машинах).

Основные типы катализаторов

Существуют 3 типа узлов, зависящих от способа воспламенения рабочей смеси и конструкции топливной системы двигателя:

1. Для дизельных двигателей с мочевиной используют восстанавливающий нейтрализатор, расположенный перед фильтром для улавливания частиц сажи. Нанесенные на поверхность сот родий и платина катализируют процесс разложения оксидов азота на безвредные для экологии компоненты. Для повышения эффективности работы устанавливают систему впрыска мочевины, которая разлагается на компоненты, участвующие в реакциях нейтрализации вредных веществ.
2. Для бензиновых агрегатов используют нейтрализаторы, поддерживающие окислительные и восстановительные реакции. На машинах, соответствующих Евро-3 и выше ставится модуль 3-компонентного типа (третьей зоной считается вторичный датчик концентрации кислорода).
3. Для дизелей без подачи мочевины применяют окислительный нейтрализатор, обеспечивающий дожигание угарного газа и остаточных углеводородов.

Принцип работы катализатора

При работе двигателя внутреннего сгорания в атмосферу выбрасываются выхлопные газы, состоящие из:

• паров воды, углекислого газа и азота (безвредные компоненты);
• оксидов азота, остатков углеводородов и угарного газа (вредные составляющие).

Поток газов попадает в нагретый керамический наполнитель с сотами, увеличивающими полезную площадь. Катализатор в автомобиле работает после прогрева до +300°С, время выхода в режим дожигания от 20 секунд до нескольких минут. Для минимизации времени достижения требуемой температуры нейтрализатор располагают ближе к камерам сгорания и уменьшают габариты и объем узла. Лямбда-зонды в бензиновых агрегатах определяют концентрацию кислорода перед нейтрализатором и после, контролируя работу узла и передавая данные в блок управления двигателем.

Каталитическая очистка выхлопа моторов с искровым зажиганием включает реакции:

• восстановления, позволяющая получить молекулярный кислород из оксидов азота;
• окисления, обеспечивающая дожигание углеводородов и угарного газа.

Дизельный мотор работает с избыточной концентрацией воздуха в горючей смеси, не требует контроля состава с помощью лямбда-зондов. Очистка выхлопа происходит за счет окислительных реакций, использующих остаточный кислород. Нейтрализаторы обеспечивают снижение концентрации углеводородов и угарного газа, образующаяся при сгорании топлива сажа улавливается специальным фильтром, а затем дожигается.

Подобные системы каталитической очистки используют на моторах легковых и коммерческих автомобилей, соответствующих нормативам не выше Евро-5.

В дизельных моторах с подачей мочевины нейтрализатор начинает работать при повышении температуры до +200°С. Встроенный датчик передает информацию о степени нагрева в блок управления. В полости катализатора имеется форсунка, через которую под давлением около 5 бар подается мочевина. Жидкое вещество попадает в поток, равномерно перемешивается с выхлопными газами.

Перед нейтрализатором имеется зона гидролиза, в которой под воздействием высокой температуры мочевина распадается на аммиак и углекислый газ. Затем компоненты попадают в полость восстановительного нейтрализатора. Аммиак используется в реакции разложения оксидов азота, на выходе образуется чистый азот и пары воды. Эффективность работы нейтрализатора определяется температурой в активной зоне и интенсивностью потока газов. Блок управления регулирует подачу мочевины, периодически отключая впрыск жидкости. На выходе из нейтрализатора установлен датчик концентрации оксидов азота, соединенный с контроллером. Подобная система используется на дизельных моторах Volkswagen стандарта Евро-6.

Срок службы катализатора

Производители не регламентируют ресурс узла, но при своевременном техническом обслуживании и использовании качественного топлива нейтрализатор выдерживает больше 200 тыс. км. При поломке керамического наполнителя увеличивается сопротивление потоку выхлопных газов, в отдельных случаях возможно попадание пыли в цилиндры мотора. Рассинхронизация сигналов от лямбда-зондов фиксируется блоком управления в виде ошибки, в комбинации приборов включается контрольная лампа Check Engine. Для считывания и расшифровки кодов используют диагностический тестер.

Причины преждевременного выхода автомобильного катализатора из строя:

• ударные нагрузки (например, при наезде днищем машины на камни);
• попадание потока воды при преодолении глубокой лужи на раскаленный корпус;
• поломка системы зажигания, вызывающая пропуски подачи искры и догорание выброшенного из цилиндров топлива в полости нейтрализатора;
• использование низкокачественного бензина (с пониженным октановым числом или с присадками на основе тетраэтилсвинца);
• износ поршневой группы или резиновых колпачков на клапанах, вызывающий выброс моторного масла в нейтрализатор;
• использование присадок для топлива.

Можно ли удалить катализатор?

Поврежденный или забитый продуктами сгорания нейтрализатор восстановить невозможно. Владелец машины может удалить модуль или установить новый катализатор, что связано с повышенными финансовыми затратами. Снятие нейтрализатора приводит к повышению токсичности отработавших газов, нарушению нормальной работы системы впрыска топлива.

Перепрограммирование блока управления или установка обманки вместо датчика кислорода позволяет эксплуатировать автомобиль дальше, но токсичность выхлопных газов будет выше заявленного производителем значения.

При снятии нейтрализатора машина удовлетворяет нормам токсичности не выше Евро-2, что может вызвать сложности при прохождении технического осмотра. Поскольку в РФ нет жестких требований к токсичности, то проблем с получением диагностической карты не возникает. Владелец машины может установить универсальный катализатор выхлопной системы, отличающийся сниженной ценой. Недостатками устройства являются небольшой ресурс и необходимость доработки корпуса. Оригинальные узлы обойдутся в 4-5 раз дороже, срок поставки запасных частей доходит до 3 месяцев.