СтатьиЧистый выхлоп: все о катализаторах

Чистый выхлоп: все о катализаторах

7:11, 9 августа 2018 г.

Любой двигатель внутреннего сгорания имеет один огромный недостаток – его выхлопные газы токсичны и вредят всему живому – в том числе, и здоровью людей. Конечно, во времена изобретения такого мотора и его практического применения на заре массовой автомобилизации о «грязном» выхлопе особо не задумывались. Вот и бегали по улицам автомобили, отнюдь не озонируя воздух бензино-масляным амбре. Авторы знаменитого романа «Золотой Телёнок» отнюдь не преувеличивали эффект от работы двигателя «Антилопы-гну»: «Козлевич открыл глушитель, и машина выпустила шлейф синего дыма, от которого зачихали бежавшие за автомобилем собаки».

2.jpg

У карбюраторной машины без каталитического нейтрализатора весьма "грязный" выхлоп.

Однако во второй половине ХХ века стало очевидно, что с токсичностью отработавших газов нужно что-то делать. В крупных городах мира вследствие большого количества автомобилей стало в прямом смысле нечем дышать, ведь в масштабе всего земного шара работающие двигатели вносят в атмосферу половину всех оксидов азота, 40% углеводородов, 65% угарного и 15% углекислого газа. Именно поэтому в конструкции выпускной системы появился новый элемент – каталитический нейтрализатор. Он способен заметно снизить содержание в выхлопных газах окиси углерода (CO), углеводородов (CH) и ядовитого диоксида NO2, в который превращается при охлаждении моноксид азота (NO).

Свежее дыхание

Пионером по очистке выхлопа стали США: еще в 1955 году Конгресс США принял акт о сохранении чистоты воздуха. Он получил практическую реализацию десять лет спустя после запуска национальной программы по ограничению токсичности выхлопных газов автотранспорта. Американцы быстро перешли от слов к делу: в 1970 году была принята Декларация о чистом воздухе, согласно которой все автомобили, выпускаемые с 1975 года, в обязательном порядке снабжаются устройствами очистки выхлопных газов. В 1953 г. американский инженер Юджин Хоудри создал каталитический конвертер, позволявший производить очистку выхлопных газов. Правда, Хоудри тут же столкнулся с проблемой – немалый процент свинца в составе бензина не позволял устройству эффективно снижать токсичность выхлопа. Однако спустя двадцать лет каталитический нейтрализатор стал серийной деталью на многих американских автомобилях. В отдельных штатах Северной Америки (например, в Калифорнии) уже в 1966 г. впервые в мире начали действовать ограничения концентрации вредных веществ в выхлопных газах, в которые укладывались далеко не все автомобили, а уже с 1975 г. калифорнийские нормы ужесточили настолько, что в них могли уложиться только автомобили с катализатором двойного действия.Именно стремление производителей продавать свои автомобили на американском рынке и привело к массовому распространению катализаторов. В Старом Свете «очищение выхлопа» начали практиковать лишь в середине 80-х годов прошлого века, хотя еще в 1972 году в странах Западной Европы впервые были утверждены предельные значения для автомобильных выхлопных газов на базе городского цикла. Они постепенно ужесточались, но первым реальным шагом на пути к чистому выхлопу стало введение в 1992 г. норм токсичности Евро-1, что потребовало сделать обязательной установку катализаторов на все выпускаемые автомобили. Одновременно был принят и новый испытательный цикл движения для легковых автомобилей, так называемый европейский (Neue Europaische Fahrzyklus, NEFZ). Он состоит из городского и загородного циклов. В 1995 г. был введён более жесткий стандарт Евро-2, в 1999-м – Евро-3, а в новом веке нормы токсичности также ужесточались дважды – в 2005 г. (Евро-4) и в 2009 г. (Евро-5). Сертификат Евро-5 был принят в большинстве странах Европейского союза и стал своеобразным экологическим стандартом нынешнего времени. Предполагалось, 31 декабря 2013 года в Европе вступит в силу стандарт Евро-6, но его введение отложили на 2015 год.

3.jpg

Удивительный факт: в Европе катализатор устанавливали даже на... экспортные Самары!

Нормы токсичности отличаются содержанием в выхлопных газах окиси углерода, углеводородов и диоксида NO2. Что даёт ужесточение экологических стандартов и применение катализатор вообще наглядно показывает простой пример: выхлоп исправных карбюраторных «жигулей» по уровню СО и СН примерно в 10 раз(!) грязнее, чем отработавшие газы современной иномарки, соответствующей стандарту Евро-4. Вдобавок сразу после запуска холодный двигатель с токсичным выхлопом (Евро-0) выделяет в атмосферу почти три сотни различных токсичных веществ, в том числе и окиси свинца, кадмия, меди, цинка, никеля, хрома…

4.jpg

Такая наклейка предупреждала владельца карбюраторной "Самары" с катализатором о том, что заливать можно только бензин без тетраэтилсвинца.

5.jpg

О том, что в бак можно заливать только неэтилированное топливо, когда-то указывали прямо на панели приборов.

В Украине выхлоп стал относительно чище лишь в 2006 г., когда как импортируемые, так и выпускаемые в стране автомобили законодательно обязали соответствовать требованиям Евро-2, зафиксированным в Правилах ЕЭК ООН №83-03. Именно это нововведение и поставило финальную точку в существовании карбюраторных автомобилей с «грязным» выхлопом на первичном украинском рынке. Архаичная система питания стала достоянием истории, а катализатор, напротив, стал неотъемлемым атрибутом любой новой машины.

Как это работает

Даже в двигателе с самой совершенной системой питания топливо сгорает не полностью. Из-за этого в выхлопных газах появляются вредные компоненты – СО и СН. Оксид углерода является очень ядовитым угарным газом без вкуса и запаха, который способен вызвать сильную головную боль, а в закрытом помещении при высокой концентрации – и летальный исход. Концентрация СО и СН в выхлопе резко увеличивается при работе мотора на слишком богатой смеси или переходных режимах. В результате сгорания топлива образуется также моноксид азота (NO), окисляющийся впоследствии до диоксида NO2, который и приводит к смогу в больших мегаполисах.

Каталитический нейтрализатор – это корпус, внутри которого расположен жаропрочный блок носителя с множеством продольных сот-каналов. На них нанесет активный каталитический слой из платины, палладия и родия. Специальный микрорельеф обеспечивает огромную площадь поверхности – вплоть до 20 тыс. кв. м.

Выхлопные газы проходят сквозь ячейки блока, превращаясь при этом в безопасные для окружающей среды двуокись углерода, водяной пар и азот. Чтобы это происходило, катализатор располагают как можно ближе к выпускному коллектору, поскольку процесс нейтрализации происходит примерно при температуре 250 градусов, а «рабочие» температуры в системе лежат в диапазоне 400-800 градусов.

Эффективнее всего очищает выхлоп трехкомпонентный двухсекционный каталитический нейтрализатор с обратной связью. Так называемый лямбда-зонд «следит» за концентрацией кислорода в выхлопе и подаёт электронике сигнал о том, как именно нужно корректировать состав смеси – в сторону обеднения или обогащения.

6.jpg

Снаружи катализатор классической конструкции выглядит так.

Во многих современных автомобилях предусмотрено несколько катализаторов – например, первый встроен прямо в выпускной коллектор (так называемый кат-коллектор), а второй установлен дальше.

Такая конструкция обеспечивает многоступенчатую очистку выхлопных газов с точной коррекцией рабочей смеси на каждом участке.

Экология на практике

За более чистый выхлоп приходится расплачиваться: в зависимости от того, каким нормам токсичности соответствует двигатель с катализатором, он теряет около 5-10% максимальной мощности.

7.jpg

Неправильное соотношение воздуха и топлива, а также присутствие в горючей смеси моторного масла может привести к выходу катализатора из строя.

Множество украинских автомобилистов познакомились с катализатором поближе без собственного желания благодаря нечистым на руку дельцам, добавляющим в топливо различные присадки. Ведь тетраэтилсвинец (ТЭС), который добавляют в бензин с целью повышения октанового числа, способен быстро уничтожить каталитический слой и циркониевое напыление датчика кислорода. Катализатор также плохо реагирует на наличие в выхлопных газах несгоревшего масла, которое обычно появляется в выхлопе из-за износа или неисправностей цилиндропоршневой группы. Все эти факторы могут привести к тому, что соты катализатора забьются или расплавятся. Проигнорировать неисправность «ката» не получится, поскольку двигатель сразу потеряет мощность и будет плохо набирать обороты, да и расход топлива увеличится.

8.jpg

При выходе из строя катализатора может загореться сигнализатор "check engine".

Распространённый в странах СНГ метод «ремонта» - банальное удаление внутренностей для того, чтобы освободить путь выхлопным газам. Конечно, при этом выхлоп станет «грязным», но вопросы экологии несильно заботят многих автомобилистов. Отсутствие предусмотренной производителем детали хорошо ощущается на слух – пустая «банка» начинает резонировать, издавая неприятное рычанье.

Существует и более грамотный вариант решения проблемы – установка пламегасителя вместо забившегося катализатора. Пламегаситель прямоточного типа не препятствует выходу выхлопных газов, понижая их температуру, а также избавляет от неприятных призвуков, однако выхлоп при этом будет далёк от «евронорм». Нужно учитывать, что у многих автомобилей после подобного вмешательства в выпускную систему потребуется программное отключение лямбда-зонда, расположенного после катализатора, поскольку иначе будет загораться сигнализатор «check engine».

Чтобы выхлоп автомобиля на практике соответствовал заявленным производителем нормам токсичности, нужно «чистое» топливо. В первую очередь, это касается количества серы. Для того, чтобы двигатель укладывался в действующие стандарты, содержание серы в топливе не должно превышать 50 промилле, хотя во многих странах порог заметно выше – 350-500 промилле, а в государствах третьего мира (например, в африканских странах) в топливе может оказаться 12 000 (!) промилле серы. Разумеется, ни о каких стандартах токсичности при этом и речи быть не может, а еще такое «грязное» топливо отрицательно скажется на ресурсе катализаторов.

Украина: уже Евро-4!

С 2014 года в Украине стали действовать стандарты Евро-4. Это значит, что с 1 января процедуру первичной регистрации пройдет только транспорт, соответствующий этим нормам. Нововведение касается как новых, так и к подержанных автомобилей. И если импортные авто соответствуют этим нормам уже почти десять лет, то отечественные производители были вынуждены «очистить» выхлоп своих изделий, ранее укладывавшихся в нормы Евро-3. Впрочем, это можно было сделать «малой кровью» - по сути, изменением программного обеспечения блока управления двигателем. Переход на стандарт Евро-5 в Украине предположительно произойдет 1 января 2016 года.

Именем закона

Предельные параметры токсичности выхлопных газов законодательно регулируются во многих странах специальными организациями. К примеру, в США этот вопрос контролирует Министерство охраны окружающей среды, причем в Калифории существует свой собственный отдел надзора за воздушными ресурсами (California Air Resources Board). В Японии чистотой выхлопа занимается Министерство транспорта, в Европе – специальная Еврокомиссия. Как правило, степень озабоченности экологией прямо зависит от экономического и социального уровня развития страны. К тому же важно, чтобы регламентированные законом нормы жестко выполнялись на практике.


Нормы вредных выбросов:

Экологический стандарт Содержание в выхлопе окиси углерода (CO) Содержание в выхлопе углеводородов (СН)
«Евро-0» 11,5 г/кВт•ч 3,5 г/кВт•ч
«Евро-1» 4,9 г/кВт•ч 1,23 г/кВт•ч
«Евро-2» 4,0 г/кВт•ч 1,1 г/кВт•ч
«Евро-3» 2,1 г/кВт•ч 0,66 г/кВт•ч
«Евро-4» 1,5 г/кВт•ч 0,46 г/кВт•ч
«Евро-5» ниже 1,5 г/кВт•ч ниже 0,46 г/кВт•ч

Популярные марки и модели

Kia
Kia

SportageSorentoNiro

BMW
BMW

X1X3X5

Mazda
Mazda

6CX-9CX-5

Suzuki
Suzuki

VitaraVitara SSX4

Ford
Ford

FiestaEdgeKuga

Mitsubishi
Mitsubishi

ASXOutlanderPajero Sport

Renault
Renault

DusterCapturMegane

Peugeot
Peugeot

2083083008

Skoda
Skoda

SpacebackRapidOctavia

VW
VW

PassatTiguanTouareg

Mercedes-Benz
Mercedes-Benz

SGLACLA

Toyota
Toyota

CorollaCamryRAV 4


  • Беларусь
  • Германия
  • Грузия
  • Европа
  • Латвия
  • Литва
  • Молдова
  • Польша
  • Россия
  • Словакия
  • США
  • Франция
  • Чехия
  • Эстония
Вся Украина
  • АР Крым
  • Винница
  • Днепр (Днепропетровск)
  • Донецк
  • Житомир
  • Запорожье
  • Ивано-Франковск
  • Киев
  • Киевская обл.
  • Кривой Рог
  • Кропивницкий (Кировоград)
  • Луганск
  • Луцк
  • Львов
  • Николаев
  • Нововолынск
  • Одесса
  • Полтава
  • Ровно
  • Сумы
  • Тернополь
  • Ужгород
  • Харьков
  • Херсон
  • Хмельницкий
  • Черкассы
  • Чернигов
  • Черновцы