Выхлопные газы автомашин являются одной из главных причин загрязнения воздуха. Особенно остро эта экологическая проблема ощущается в больших городах, где эксплуатируются миллионы автомобилей. Следовательно, важной задачей в работе современных автомобильных двигателей является контроль количества сжигаемого бензина, обеспечение соотношения «воздух-топливо» в той идеальной позиции, которая называется стехиометрической.
При работе двигателя образуется газообразный азот (N2), поскольку, через двигатель автомобиля проходит большая часть, из 78 процентов, азота, входящего в состав воздуха. Кроме того, при сгорании топлива выделяется углерод, который, соединяясь с кислородом, образует диоксид углерода – СО2. А водород, выделяющийся при сгорании бензина, вступает в реакцию с кислородом, и образует водяной пар - Н2О.
В основном, перечисленные продукты сгорания не опасны, при этом известно, что проблема глобального потепления связана с увеличением поступления углекислого газа в атмосферу. При работе двигателя автомобиля выделяются и более вредные вещества. На снижение их количества направлено действие несложного устройства, имеющего большое значение для обеспечения чистоты воздуха - каталитического преобразователя. Более подробно про катализатор в авто, назначение, срок службы - можно узнать из этой публикации.
- Каким образом катализаторы работают и снижают количество вредных выбросов?
Как известно, катализатор представляет собой химическое вещество, которое, не являясь ни реактивом, ни продуктом реакции, вызывает, или ускоряет химическую реакцию. Например, роль катализаторов биохимических реакций в организме человека выполняют ферменты.
В каталитических преобразователях автомобилей обычно применяются катализаторы двух типов: восстанавливающий и окислительный. И те, и другие представляют собой керамическую структуру, на которую нанесен металлический катализатор – платина, родий и \или палладий.
Целью является создание такой структуры, которая использовала бы небольшое количество катализатора, так как применяемые драгоценные металлы дороги, и при этом обеспечивала бы большую площадь катализатора, находящегося под потоком выхлопных газов.
В настоящее время в преобразователях иногда используют золото в сплаве с традиционно применяемыми катализаторами. Золото дешевле других катализаторов, и при этом может повысить степень окисления на 40%, что, в свою очередь, будет способствовать уменьшению количества выброса вредных веществ.
- Сегодня в выхлопных системах автомашин, как правило, устанавливаются три каталитических преобразователя, для каждого из трех веществ, выброс которых надо снизить.
Первым уровнем каталитического преобразователя является восстанавливающий катализатор, действие которого направлено на снижение выбросов оксидов азота. В результате взаимодействия молекул NO или NO2 с молекулами платины и родия катализатора, происходит высвобождение кислорода, а атом азота связывается с другим атомом азота, в результате чего образуется N2.
Вторым этапом каталитического преобразователя является окислительный катализатор, который с помощью соединений платины и палладия уменьшает количество оксида углерода и не сгоревшего топлива. В результате химической реакции оксида углерода с не сгоревшим кислородом образуется углекислый газ (СО2).
В каталитическом преобразователе используются конструкции двух видов – «соты» и «керамические бусины». Наиболее распространенными являются сотовые конструкции.
Посредством компьютерного управления регулируется количество воздуха, поступающее к топливу, за счет чего снижается или увеличивается содержание кислорода в выхлопных газах. Таким образом, создается возможность контролировать работу двигателя на соотношении, близком к стехиометрической позиции, а также обеспечивать достаточный уровень кислорода в выхлопных газах для действия окислительного катализатора в целях окисления углеводородов и оксидов углерода (СО).
Катализатор выполняет важную функцию снижения вредных выбросов автомобиля в атмосферу. При этом необходимо искать пути повышения эффективности его действия посредством преодоления недостатков. Так, главным минусом является то, что для работы каталитического преобразователя требуется высокая температура.
Эту проблему можно решить, передвинув катализатор ближе к двигателю. В этом случае катализатор нагреется быстрее потому, что поступающие выхлопные газы будут иметь более высокую температуру.
Недостаток этого способа заключается в сокращении срока службы конвертера вследствие воздействия высоких температур. Не случайно, для защиты катализатора от чрезмерного нагревания, он устанавливается обычно довольно далеко от двигателя, под передним пассажирским креслом.
- Хорошим методом уменьшить количество выбросов вредных веществ является подогрев катализатора посредством электрических нагревателей.
Обычно в автомобилях используют 12-ти вольтные электрические системы, которые нагревают катализаторы достаточно медленно. Быстрее работают высоковольтные батареи, устанавливаемые на гибридных машинах.
- Катализаторы дизельных двигателей незначительно снижают выбросы оксидов азота (NOx).
Прежде всего, это связано с тем, что оптимальная работа каталитических преобразователей достигается при нагреве, а дизельные двигатели работают при более низкой температуре, чем обычные.
Для устранения этого недостатка ряд специалистов, в сфере «экологичного» производства автомобилей, предложили новую конструкцию выхлопной системы. Она основана на химической реакции, уменьшающей выделение оксидов азота путем впрыскивания водного раствора мочевины в выхлопную трубу до того, как выхлопные газы попадут в преобразователь.
Мочевина, или карбамид, представляет собой органическое соединение углерода, азота, кислорода и водорода, вступает в химическую реакцию с оксидом азота, в результате которой выделяется азот и водяной пар. Тем самым, выделение оксидов азота в атмосферу снижается на 90 и более процентов.
- Срок службы каталитического преобразователя рассчитан на пробег от 70 000 - 80 000 до 100 000 - 120 000 километров, в зависимости от качества заливаемого топлива.
Чем выше качество бензина или дизельного топлива, тем дольше прослужит катализатор. По достижении указанных предельных сроков службы, эксплуатация катализатора также возможна, но его пропускная способность значительно уменьшается, свободное прохождение выхлопных газов затрудняется, что, в свою очередь, снижает мощность автомашины.
