дроссельной заслонки, что увеличивает общий выброс вредных СО и СНx с отработавшими газами.

Рециркуляция отработавших газов совместно с уменьшением степени сжатия, изменением фаз газораспределения и более поздним зажиганием может снизить содержание NOx на 80 %.

Окислы азота устраняют из отработавших газов, используя также и каталитические методы. В этом случае отработавшие газы вначале пропускаются через восстановительный катализатор, в котором происходит снижение содержания NOx, а затем вместе с добавочным воздухом — через окислительный катализатор, где устраняются СО и СНx.

10.5.2. Химические катализаторы

Несгоревшие компоненты в отработавшихИгазах можно окислить и без горения при помощи катализатораД. Для этого к отработав-

шим газам необходимо добавить вторичный воздух, нужный для

окисления, химическую реакцию которого проведет катализатор. При

когда содержание горючих органическихА продуктов в отходящих газах мало и невыгодноиспользовать для их обезвреживания метод прямого сжигания. В этом случае процесс протекает при 200–300 °С, что значительноСменьше температуры, требуемой для полного обезвреживания при прямом сж гании в печах и равной 950–1100 °С.

этом также высвобождается теплота. Катализатором служат обычно

редкие и драгоценные металлы, поэтому он весьма дорог. Каталитическое обезвреживание газовыхбвы росов используют обычно тогда,

Щелочные материалы и их соединения, нанесенные на различные носители (например, оксиды металлов), часто оказываются более эффективными и надежными, а также гораздо более дешевыми, чем катализаторы из благородных металлов. На таких катализаторах реакция окисления начинается при невысоких температурах (около 200 °С), что значительно повышает возможность их использования для каталитического сжигания газов.

В качестве носителя катализатора рекомендуются оксид алюминия, кизельгур и силикаты.

Катализаторы должны обладать высокой активностью и теплопроводимостью, развитой пористой структурой, стойкостью к ядам, механической прочностью, селективностью, термостойкостью, иметь

217

низкие температуры «зажигания», обладать низким гидравлическим сопротивлением, иметь низкую стоимость.

Схема очистки отработавших газов с помощью катализатора представлена на рис. 10.5.

StorageИ(λ>1):

2NO + O2 → 2NO2 BaO3 + 2NO2 + ½O2 → Ba(NO3)2 + CO2 ДRelease/regeneration (λ<1):

Ba(NO3)2 + CO → BaCO3 + 2NO + O2 2NO + 2CO → N2 + 2CO2

зов с высокой активностью о ладаютАкатализаторы на основе благородных металлов (плат на, палладий, серебро и др.), оксидов марган-

Рис. 10.5. Схема очистки отработавших газов с помощью катализатора

ца, меди, кобальта,иа такжебоксидные контактные массы, активированные благородными металлами (1,0–1,5 %).

В процессах санитарной каталитической очистки отходящих га-

алюминия и дрС.

Промоторы – вещества, усиливающие действие катализаторов. Например, платиновые катализаторы промотируют добавками железа,

Катализатор имеет удивительно простое устройство, но воздействие его очень велико. Если вспомнить химию, то катализатор – это вещество, которое ускоряет или вызывает химическую реакцию, само не входя в продукты реакции. Катализаторы участвуют в реакции, но не являются не реактивом, ни продуктом реакции. Так, для человеческого организма естественным катализатором многих важных биохимических реакций являются ферменты.

В каталитических преобразователях существует два различных типа катализаторов: восстанавливающий и окислительный. Оба типа состоят из керамической структуры, покрытой металлическим катализатором (обычно это платина, родий и/или палладий (рис. 10.6).

218

Идея заключается в том, чтобы создать структуру, которая подставляет под поток выхлопных газов максимальную площадь катализатора, и свести к минимуму задействованное при этом количество самого катализатора, так как используемые материалы весьма дороги. В некоторых преобразователях даже стали использовать золото с примесью более традиционных катализаторов. Золото дешевле по сравнению с остальными катализаторами и может повысить степень окисления на 40 %, что необходимо для снижения количества вредных газов.

Рис. 10.6. Внутренняя часть катализатора

Большинство современных выхлопных систем оснащены тремя каталитическими преобразователями, по одному для каждого из веществ, выброс которых необходимо уменьшить.

Восстанавливающий катализатор – первый этап каталитического преобразователя. Он использует платину и родий, чтобы уменьшить выбросы NOx. Когда молекула NO или NO2 встречается с молекулами катализатора, от нее отделяется атом азота, высвобождая кислород – O2. Атом азота же связывается с другим атомом азота, образуя N2.

219

Окислительный катализатор – второй этап каталитического преобразователя. Он снижает количество несгоревшего топлива и окиси углерода в результате их сжигания (окисления) с помощью таких катализаторов, как платина и палладий. Этот катализатор также помогает СО вступить в реакцию с несгоревшим кислородом, образуя углекислый газ СО2.

Существует два основных вида конструкций, используемых в каталитическом преобразователе, – это конструкция по типу «соты» и «керамические бусины». Большинство машин используют сотовые структуры.

Выпускной тракт представлен на рис. 10.6.

Приемная труба

Третьим этапом преобразования является система управления, которая контролирует поток выхлопных газов и использует эту информацию для управления системой впрыска топлива. Один датчик кислорода установлен выше автомобильного катализатора, то есть ближе к двигателю, чем сам преобразователь. Этот датчик говорит компьютеру двигателя, сколько кислорода содержится в выхлопе. Компьютер двигателя уменьшает или увеличивает количество кислорода в выхлопных газах за счет регулировки количества воздуха, поступающего к топливу. Эта схема позволяет контролировать двигатель компьютера, чтобы убедиться, что двигатель работает на соот-

220

ношении, близком к стехиометрической точке, а также, что в выхлопных газах достаточно кислорода для работы окислительного катализатора для окисления несгоревших углеводородов и СО.

Каталитический преобразователь проделывает большую работу по уменьшению загрязнения окружающей среды, но его производительность может быть существенно улучшена. Одним из недостатков является то, что каталитический преобразователь работает только при достаточно большой температуре. Когда вы только заводите машину, каталитический преобразователь почти не работает.

Простое решение этой проблемы состоит в том, чтобы передвинуть каталитический преобразователь ближе к двигателю. Тогда выхлопные газы, поступающие в каталитический преобразователь, бу-

ких температур. Большинство производителей размещает каталитиче-

дут более горячими, и он нагреется быстрее, но это одновременно сокращает срок службы конвертера из-за воздействияИчрезмерно высо-

ский преобразователь достаточно далекоДот двигателя именно для того, чтобы высокие температуры не вредили ему.

Подогрев каталитического преобразователя – хороший способ

снижения выбросов. Самый простой способ подогреть катализатор

использование электрических нагревателей. К сожалению, 12-вольтовая электрическаябсистема, установленная на большинстве

машин, не может нагреть каталитическийАпреобразователь достаточно быстро. Большинствоилюдей не удет ждать несколько минут, пока нагреется каталит ческ й прео разователь. Гибридные машины имеют большие, высоковольтныеС батареи, которые могут достаточно быстро нагреть катал затор.

Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NOx. Это одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем обычные, а преобразователи работают лучше при нагреве. Некоторые ведущие эксперты в области «зеленого» двигателестроения придумали новую выхлопную систему, которая помогает исправить этот недостаток. Они впрыскивают водный раствор мочевины в выхлопную трубу до того, как газы достигнут преобразователя. При этом возникает химическая реакция, которая уменьшает количество NOx. Карбамид, также известный как мочевина, – органическое соединение углерода, азота, кислорода и водорода. Его можно обнаружить в моче млекопитающих и земноводных, что и объясняет такое название. Мочевина реагирует с NOx с по-

221