На всех современных автомобилях устанавливаются катализаторы для уменьшения количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами. Катализатор отработанных газов имеет корпус из нержавеющей стали, к которому сваркой присоединены впускной и выпускной конусы с патрубками и крепежными фланцами, а также теплоотражатели, удерживающие керамическую обшивку. Весь внутренний объем корпуса занят керамическим пористым монолитом, зафиксированным кольцами или сеткой из нержавеющей стали. Структура монолита представляет собой обычный фильтр, но вся внутренняя и внешняя поверхность пор, контактирующих с газами, покрыта очень тонким молекулярным слоем сплава, который содержит платину, родий и палладий. Пористость монолита имеет большую площадь поверхности, покрытой этим сплавом из очень дорогих металлов, что в основном и определяет высокую цену катализаторов.

В катализаторе происходит реакция, в результате которой потенциально опасный углеводород и окись углерода в выхлопных газах превращаются в безопасные газы и водяной пар.

 

Двигатель выбрасывает в атмосферу вместе с отработанными газами продукты полного (водяной пар Н2О, азот N2 и т. п.) и неполного (оксид углерода СО, а также CnHm, оксиды азота NOx) сгорания топлива. Общее число компонентов, которые содержатся в этих газах, превышает несколько сотен, и большинство из них вредны для здоровья человека.

Отработанные газы, проникая через пористую поверхность монолита, во- первых, нагревают его, а во-вторых, доокисляются. Из СО получается СО2, то есть нетоксичный углекислый газ, CnHm в несколько этапов переходит в СО2 и Н2О, NOx превращается в молекулярный N2, который содержится в обычном воздухе, и в воду. Словом, в катализаторе происходят довольно сложные химические реакции, благодаря высокой температуре и наличию специального покрытия из дорогих металлов. 

Главный позитивный эффект катализатора - полная нейтрализация трех компонентов - СО, CnHm, NOx, - которых в отработанных газах больше, чем других вредных веществ. И достигается он не только благодаря наличию платины, родия и палладия. Важную роль играет температура, выдерживающаяся в границах 300-800° С. Если она снижается до 250° С, химические реакции нейтрализации СО, CnHm, NOx, несмотря на наличие металлов-катализаторов, не произойдут. А при температуре около 900° С начинает плавиться и разрушаться каталитическая пленка. 

Бензиновые двигатели

На всех моделях с катализатором система питания топливом замкнутого типа, то есть на основании сигнала от датчика кислорода, установленного в выхлопной системе блок управления постоянно оптимизирует состав топливо-воздушной смеси. В зависимости от содержания кислорода в выхлопных газах датчик кислорода индуцирует напряжение от 0,1 В (высокое содержание кислорода, бедная смесь) до 0,9 В (низкое содержание кислорода, богатая смесь). На основании этих данных блок управления двигателем изменяет время открытия топливных форсунок и изменяет соотношение топлива в топливо-воздушной смеси. Метрическое соотношение топливной смеси, при котором происходит ее полное сгорание и в выхлопных газах отсутствуют вредные вещества, - это 14,7 весовых частей воздуха на 1 часть топлива. Элементы, входящие в катализатор и продукты, выходящие из катализатора.

Катализатор работает эффективно при температурах +300° С - +800° С. 

Дизельные двигатели

На автомобилях с дизельными двигателями очистка выхлопных газов производится не регулируемым окислительным катализатором. Уменьшение процентного содержания окислов азота в выхлопных газах дизельного двигателя достигается за счет установки на автомобиле системы повторного сжигания части отработанных газов (EGR). Клапан EGR системы повторного сжигания отработанных газов установлен в колене выхлопной системы и управляется вакуумным регулятором. Клапана EGR на прогретом двигателе направляет часть отработанных газов в камеры сгорания двигателя, в результате чего снижается температура и при этом уменьшается процент окислов азота в выхлопных газах.

Эксплуатация автомобилей с катализатором

Общие сведения

Катализатор - это надежное и простое устройство, которое не нуждается ни в каком обслуживании, но имеются некоторые факты, которые владелец должен знать для максимального срока службы катализатора:

• Не используйте этилированный бензин в автомобиле, оборудованном катализатором, так как свинец покроет драгоценные металлы в решетке катализатора, уменьшая эффективность их преобразования и в конечном счете выведет из строя катализатор;
• Всегда содержите зажигание и топливную систему в полном порядке;
• Если при работе двигателя наблюдаются пропуски зажигания, не эксплуатируйте автомобиль до устранения неисправности; 
• Если при работе двигателя загорится контрольная лампа управления двигателем, необходимо как можно быстрее обратиться на станцию технического обслуживания. Если имеется повреждение управления двигателем, то кроме увеличения расхода топлива и уменьшения динамических характеристик двигателя, может выйти из строя катализатор;
• Не запускайте двигатель методом буксировки; 
• Не выключайте зажигание на высоких оборотах двигателя; 
• Не используйте присадки к топливу и моторному маслу, так как присадки могут содержать вещества, способные повредить катализатор; 
• Не используйте автомобиль, если из выхлопной трубы виден след синего дыма.

После остановки двигателя выхлопная система длительное время продолжает излучать значительное количество тепла, поэтому необходимо избегать парковки автомобиля на траве и сухих листьях. 

Помните, что катализатор хрупок, поэтому избегайте ударов при снятии катализатора или выхлопной системы. Катализатор, используемый на хорошо отрегулированном автомобиле должен служить от 100 до 160 тысяч км пробега автомобиля.

Признаки неисправного катализатора

1. Автомобиль начинает "тупить", ухудшаются динамические характеристики, автомобиль перестает "тянуть", плавают обороты на холостом ходу, катализатор может раскалиться докрасна (катализатор забился, т.е. снижена пропускная способность отработавших газов), в этом случае нужно как можно быстрее обратиться в СТО, чтобы не произошло второго признака;
2. Характерный звон и дребезжание (соты катализатора рассыпались), в этом случае необходимо немедленно удалять катализатор, так как, рассыпавшиеся соты могут закупорить выхлопную систему.

Удаление катализаторов

В процессе работы двигателя в отработавших газах образуются токсичные вещества. В развитых странах приняты строгие нормы предельной токсичности отработавших газов.

Выполнение этих норм требует использование систем, включающих в себя каталитический нейтрализатор (катализатор) и лямбда-зонд. В катализаторе происходит снижение токсичности отработавших газов (ОГ).

Катализатор имеет внутри корпуса носитель, на поверхность которого наносится покрытие из каталитического материала (Pt, Rh, Pd), который чувствителен к содержанию свинца в топливе (поэтому должен применяться только неэтилированный бензин). В качестве носителя применяется металлическая или монолитная керамическая основа.

Преимущества керамических катализаторов: низкая тепловая инерционность, максимальное использование каталитической поверхности, долговечность. Недостатком является большее сопротивление потоку отработавших газов, чем у металлических катализаторов.

В автомобилях отвечающих экологическим нормам EURO-4 контроль за токсичностью отработавших газов как правило осуществляется с помощью двух лямбда-зондов в линии : первый (регулировочный) установлен до катализатора, второй (диагностический) после катализатора. Второй лямбда-зонд нужен для контроля качества работы катализатора. Поэтому регулировочный и диагностический лямбда-зонды имеют разные показатели температуры, концентрации ОГ и режимы работы. Ресурс работы лямбда-зонда составляет около 160 тысяч км. но, при работе двигателя на этилированном бензине лямбда-зонд быстро выходит из строя.

Нарушения в работе двигателя, например, пропуски воспламенения, работа на некачественном топливе, неисправные лямбда-зонды и т.д. , могут приводить к увеличению температуры катализатора и его разрушению ("соты" катализатора могут оплавиться и забиться). Если произошел удар по катализатору (автомобиль наехал на препятствие) , то его керамическое наполнение может разрушиться и забить выпускной тракт. Катализаторы не подлежат ремонту и , есть два способа решения проблемы:

• Первый - это установка нового катализатора. Новый катализатор стоит довольно дорого и , что обидно на нашем топливе работать долго не будет.
• Второй - установка пламегасителя. Установка пламегасителя стоит дешевле и срок его эксплуатации намного больше. Но, если удалить катализатор на автомобиле с двумя лямбда-зондами, диагностический лямбда-зонд начнёт давать команды блоку управления двигателя на обеднение топливо-воздушной смеси потому, что отработавшие газы попадают на него не проходя через катализатор. Очень часто на сервисах после удаления катализатора лямбда-зонды отключают (обрезают провода).Тогда двигатель начинает работать по аварийной программе. При работе двигателя в этих режимах происходит потеря мощности, увеличивается расход топлива, возникают пропуски воспламенения топлива, резко возрастает температура отработавших газов, может возникнуть детонация.  Все это приводит к выходу из строя свечей зажигания, клапанов, прогоранию резонатора и глушителя, и в конечном счете к поломке двигателя.

Для того, чтобы двигатель работал нормально, после удаления катализатора необходима коррекция допустимых параметров лямбда-зонда.

Корректировать можно несколькими способами:
• Перекодировка блока управления на более низкие экологические нормы (на некоторых автомобилях Mercedes-Benz, BMW) с помощью диагностического оборудования.
• Изменение допустимых параметров лямбда-зонда непосредственно в программе блока управления двигателя (производители BOSCH, SIEMENS, SAGEM, TEMIC, MARELLI).
• Установка контроллера коррекции лямбда-зонда. Контроллер устанавливается между лямбда-зондом и блоком управления двигателя.
• Установка обманки лямбда-зонда. Обманка устанавливается между лямбда-зондом и его штатным местом.