Каталитический нейтрализатор отработавших газов предназначен: Каталитические нейтрализаторы — Что такое Каталитические нейтрализаторы?

Каталитические нейтрализаторы — Что такое Каталитические нейтрализаторы?

AИ-95

0

AИ-98

0

25314

Каталитический нейтрализатор (обиходное название – катализатор) предназначен для снижения токсичности отработавших газов


Нейтрализатор — устройство в выхлопной системе, предназначенное для снижения токсичности отработавших газов посредством восстановления оксидов азота и использования полученного кислорода для дожига угарного газа и недогоревших углеводородов. 


Основным требованием к успешной работе катализатора является стехиометрическое соотношение топлива и кислорода.


Задачей автомобильного каталитического нейтрализатора является снижение количества вредных веществ в выхлопных газах.


Среди них:


  • окись углерода (СО) — ядовитый газ без цвета и запаха;


  • углеводороды (CH), также известные как летучие органические соединения — один из главных компонентов смога, образуется за счет неполного сгорания топлива;


  • оксиды азота (NO и NO2, которые часто объединяют под обозначением NOx) ­­­­­­- также являются компонентом смога, а также кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека.


Принцип работы


Каталитический нейтрализатор расположен либо на приемной трубе, либо сразу после нее.


Внутри корпуса каталитического нейтрализатора находится керамическая сотовая конструкция.


Соты нужны, чтобы увеличить площадь контакта выхлопных газов с поверхностью, на которую нанесен тонкий слой платиноиридиевого сплава.


Недогоревшие остатки (CO, CH, NO) касаясь поверхности каталитического слоя, окисляются до конца кислородом, присутствующим также в выхлопных газах.


В результате реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор и, тем самым, активизируется реакция окисления.


В конечном итоге на выходе из катализатора (исправного) выхлопные газы содержат в основном N2 и СО2.


Катализаторы в дизельных двигателях


Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NOx.


Одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем бензиновые, а преобразователи работают лучше при нагреве.


Некоторые ведущие эксперты в области «зеленого» автомобилестроения 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 получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах более чем на 90%.

Последние новости

Новости СМИ2

Произвольные записи из технической библиотеки

Используя данный сайт, вы даете согласие на использование файлов cookie, помогающих нам сделать его удобнее для вас. Подробнее.

Каталитический нейтрализатор – назначение, устройство, условия работы

Каталитический нейтрализатор (обиходное название – катализатор) в составе выпускной системы предназначен для снижения выброса вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами за счет их преобразования в безвредные компоненты. Каталитический нейтрализатор применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор

Применяется в бензиновых двигателях, работающих на стехиометрическом составе смеси (смесь обеспечивает полное сгорание топлива). Конструкция трехкомпонентного каталитического нейтрализатора включает блок-носитель, теплоизоляцию и корпус.

Основным элементом каталитического нейтрализатора является блок-носитель, который служит основанием для катализаторов. Блок-носитель изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Конструктивно блок-носитель состоит из множества продольных сот-ячеек, которые значительно увеличивают площадь соприкосновения с отработавшими газами.

На поверхность сот-ячеек тонким слоем наносятся вещества-катализаторы, которые включают три компонента: платину, палладий и родий. Катализаторы ускоряют протекание химических реакций в нейтрализаторе.

Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, оксида углерода (угарный газ, СО) в углекислый газ. Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NOx) в безвредный азот. Таким образом, три катализатора снижают содержание в отработавших газах трех вредных веществ.

Блок-носитель помещается в металлический корпус. Между ними обычно располагается слой теплоизоляции. В корпусе нейтрализатора устанавливается кислородный датчик.

Условием начала работы каталитического нейтрализатора, является достижение температуры 300°С. Идеальный температурный промежуток от 400 до 800°С. При этой температуре задерживается 90% вредных веществ. Температура свыше 800°С вызывает спекание металлов-катализаторов и сот-ячеек блока-носителя.

Каталитический нейтрализатор обычно устанавливается непосредственно за выпускным коллектором или перед глушителем. Первая схема установки нейтрализатора способствует его быстрому прогреву, но затем устройство подвергается большим тепловым нагрузкам. Во втором случае требуются дополнительные мероприятия для быстрого прогрева нейтрализатора, повышающие температуру отработавших газов:

  • регулирование момента зажигания в сторону запаздывания;
  • увеличение оборотов холостого хода;
  • регулирование фаз газораспределения;
  • несколько впрысков топлива за один такт;
  • подача воздуха в выпускную систему.

Для повышения эффективности применяется схема установки трехкомпонентного каталитического катализатора, разделенного на две части: первичный нейтрализатор (располагается за выпускным коллектором), главный нейтрализатор (располагается под днищем автомобиля).

Каталитический нейтрализатор дизельного двигателя

Катализатор дизельного двигателя (diesel oxidation catalyst, DOC) обеспечивает окисление отдельных компонентов отработавших газов кислородом, который в достаточном количестве присутствует в выхлопе дизеля.

При прохождении через каталитический нейтрализатор вредные вещества (оксид углерода, углеводороды) окисляются до безобидных продуктов (углекислого газа и водяного пара). Кроме этого, катализатор почти полностью устраняет неприятный запах отработавших газов дизеля.

Окислительные реакции в катализаторе также создают и нежелательные продукты. Так, диоксид серы окисляется до триоксида серы с последующим образованием серной кислоты. Газообразная серная кислота соединяется с молекулами воды, в результате которого образуются твердые частицы – сульфаты. Они накапливаются в нейтрализаторе и снижают его работоспособность.

Для удаления сульфатов из нейтрализатора система управления двигателем запускает процесс десульфатации, при котором каталитический нейтрализатор нагревается до температуры свыше 650°С и продувается богатыми отработавшими газами (с недостатком воздуха, вплоть до его полного отсутствия).

Каталитический нейтрализатор дизельного двигателя не используется для снижения выбросов оксидов азота в отработавших газах. Эту функцию в дизельном двигателе выполняет система рециркуляции отработавших газов или более продвинутая система избирательной каталитической нейтрализации.

 

 

Конструкция, типы и работа с пояснениями со схемами и двенадцатью видеороликами

Каталитический нейтрализатор — это устройство для контроля выбросов транспортных средств, которое используется для преобразования токсичных побочных продуктов сгорания (встречающихся в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания) в менее токсичные вещества путем катализа химические реакции. Реакции, как правило, различаются в зависимости от типа установленного катализатора.

Это устройство для контроля выбросов транспортных средств было изобретено Эженом Удри, французским инженером-механиком, занимавшимся каталитической очисткой нефти. В 1973 бывший президент General Motors Роберт Стемпель решил начать их внедрение в автомобили.

С тех пор многие ученые работали над разработкой каталитического нейтрализатора, и с 2010 года он является обязательным для всех автомобилей в США.

Хотя эти устройства в основном используются в выхлопных системах автомобилей, они также модифицируются и используются на грузовиках, автобусах, вилочных погрузчиках, горнодобывающем оборудовании, генераторных установках, локомотивах, мотоциклах, самолетах и ​​других устройствах с двигателями. Они также используются в некоторых дровяных печах для контроля выбросов.

Что такое каталитический нейтрализатор?

Каталитический нейтрализатор или Cat-Con представляет собой механическое устройство. Он снижает вредные выбросы, образующиеся в выхлопной системе двигателя. Это важное устройство, так как оно работает с вредными газами, которые двигатель создает при сгорании топлива. Основной целью каталитического нейтрализатора является снижение выбросов выхлопных газов в выхлопной системе двигателя.

Cat-Con уменьшает выбросы вредных выхлопных газов за счет химических реакций. Он вступает в реакцию с вредными загрязняющими веществами в выхлопных газах и превращает их в менее вредные газы. Катализатор состоит из специального катализатора. Он сделан из платины и палладия, которые осуществляют химические реакции.

Конструкция каталитического нейтрализатора:

Корпус каталитического нейтрализатора состоит из сотового сердечника изнутри. Он покрыт драгоценными металлами, такими как платина и родий. Эти металлы вступают в реакцию с выхлопными газами двигателя. Они уменьшают токсическое содержание газов и превращают их в углекислый газ и воду.

Конструкция каталитического нейтрализатора

Сначала он вступает в реакцию с окисью углерода, образующейся при сгорании бензина. Он также вступает в реакцию с углеводородами, образующимися в результате несгоревшего топлива и других выбросов оксидов азота. Таким образом, кат-кон преобразует эти газы в менее вредные побочные продукты, такие как углекислый газ, водяной пар и выбросы азота.

Типы каталитических нейтрализаторов:

Существует три разных типа Cat-Con. Первый тип представляет собой катализатор окисления. Он уменьшает количество вредных загрязняющих веществ, таких как окись углерода (CO) и топливные углеводороды (HC) в выхлопных газах. При этом часто используется впрыск вторичного воздуха. Однако катализатор окисления уменьшает только часть загрязняющих веществ.

Двойной слой:

Второй тип представляет собой двухслойный каталитический нейтрализатор, который предлагает больше совершенства. Он работает в два этапа. Есть два элемента, которые расположены друг за другом. Первый этап помогает уменьшить количество выбросов оксидов азота. Вторая ступень реагирует с углеводородами, образовавшимися из несгоревшего топлива и монооксида углерода. Производители также предусматривают впрыск вторичного воздуха в катконе двухступенчатого типа.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор:

Последний тип — трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Трехкомпонентный катализатор помогает преобразовать вредные газы, выхлопные из двигателя, в безвредные газы. Выхлопные газы двигателя содержат опасные вещества, наносящие вред окружающей среде. К ним относятся оксиды азота, углеводороды и окись углерода. Трехкомпонентный катализатор превращает их в менее вредные углекислый газ, воду и азот.

Каталитический нейтрализатор Сотовая структура

Трехходовой кэткон — единственное устройство, которое уменьшает количество всех трех загрязняющих веществ за один раз. Он работает наиболее экономично. Таким образом, большинство производителей используют в своих автомобилях трехходовые двигатели, которые должны соответствовать строгим стандартам выбросов.

Работа трехкомпонентного каталитического нейтрализатора:

Кроме того, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор использует два катализатора; а именно катализатор восстановления и катализатор окисления. Катализатор окисления изготовлен из палладия и платины, а катализатор восстановления — из родия и платины. Тем не менее, оба они имеют керамическую сотовую структуру. Он размещен в глушителе как компактный блок, который надевается на выхлопную трубу. В основном автомобильная промышленность использует трехсторонний Cat-con. Это связано с тем, что транспортные средства должны пройти множество правил по контролю за выбросами.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор

Таким образом, каталитический нейтрализатор играет важную роль в снижении количества создаваемого загрязнения. Это также снижает вредные выбросы и газы, образующиеся в двигателе и выхлопных системах всех автомобилей по всему миру.

Посмотрите трехсторонний Cat-Con в действии здесь:

7.1: Каталитические нейтрализаторы — Химия LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    1381
  • Каталитический нейтрализатор — это устройство, используемое для уменьшения выбросов от двигателя внутреннего сгорания (используется в большинстве современных автомобилей и транспортных средств). Недостаточно кислорода для полного окисления углеродного топлива в этих двигателях до углекислого газа и воды; при этом образуются токсичные побочные продукты. Каталитические нейтрализаторы используются в выхлопных системах, чтобы обеспечить место для окисления и восстановления токсичных побочных продуктов (таких как оксиды азота, монооксид углерода и углеводороды) топлива в менее опасные вещества, такие как двуокись углерода, водяной пар и газообразный азот.

    Введение

    Каталитические нейтрализаторы были впервые широко представлены в американских автомобилях в 1975 году в соответствии с правилами EPA по сокращению токсичных выбросов. Закон США о чистом воздухе требовал снижения выбросов всех новых моделей автомобилей после 1975 года на 75%, причем это снижение должно было осуществляться с использованием каталитических нейтрализаторов. Без каталитических нейтрализаторов транспортные средства выделяют углеводороды, окись углерода и окись азота. Эти газы являются крупнейшим источником приземного озона, который вызывает смог и вреден для жизни растений. Каталитические нейтрализаторы также можно найти в генераторах, автобусах, грузовиках и поездах — почти все с двигателем внутреннего сгорания имеют каталитический нейтрализатор, прикрепленный к его выхлопной системе.

    Каталитический нейтрализатор — это простое устройство, использующее основные окислительно-восстановительные реакции для уменьшения выбросов загрязняющих веществ, производимых автомобилем. Он преобразует около 98% вредных паров, производимых двигателем автомобиля, в менее вредные газы. Он состоит из металлического корпуса с керамической сотовой внутренней частью с изолирующими слоями. Эта сотовая внутренняя часть имеет каналы с тонкими стенками, покрытые слоем оксида алюминия. Это покрытие является пористым и увеличивает площадь поверхности, что позволяет протекать большему количеству реакций и содержит драгоценные металлы, такие как платина, родий и палладий. Не более 4-9граммов этих драгоценных металлов используются в одном конвертере.

    Конвертер использует простые реакции окисления и восстановления для преобразования нежелательных паров. Напомним, что окисление — это потеря электронов, а восстановление — это приобретение электронов. Упомянутые ранее драгоценные металлы способствуют переносу электронов и, в свою очередь, преобразованию ядовитых паров.

    Последняя секция преобразователя управляет системой впрыска топлива. Этой системе управления помогает датчик кислорода, который отслеживает, сколько кислорода содержится в потоке выхлопных газов, и, в свою очередь, сообщает компьютеру двигателя, чтобы отрегулировать соотношение воздух-топливо, поддерживая работу каталитического нейтрализатора в стехиометрической точке и около 100%. эффективность.

    Функции

    Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор одновременно выполняет три функции:

    1. Восстановление оксидов азота до элементарного азота и кислорода: \[NO_x \rightarrow N_x + O_x \]
    2. Окисление окиси углерода до двуокиси углерода: \[CO + O_2 \rightarrow CO_2\]
    3. Окисление углеводородов в углекислый газ и воду: \[C_xH_{4x} + 2xO_2 \rightarrow xCO_2 + 2xH_2O \]

    Существует два типа «систем», работающих в каталитическом нейтрализаторе: «бедная» и «богатая». Когда система работает на обедненной смеси, кислорода больше, чем требуется, поэтому реакции благоприятствуют окислению монооксида углерода и углеводородов (за счет восстановления оксидов азота). Наоборот, когда система работает «на обогащении», топлива больше, чем необходимо, и реакции благоприятствуют восстановлению оксидов азота до элементарного азота и кислорода (за счет двух реакций окисления). При постоянном дисбалансе реакций система никогда не достигает 100% эффективности.

    Примечание: нейтрализаторы могут сохранять «лишний» кислород в потоке выхлопных газов для последующего использования. Это хранилище обычно возникает, когда система работает с минимальными затратами; газ выпускается, когда в выхлопном потоке не хватает кислорода. Высвобожденный кислород компенсирует недостаток кислорода, полученного в результате восстановления NO x , или при резком ускорении, когда система соотношения воздух-топливо обогащается быстрее, чем каталитический нейтрализатор может к этому приспособиться. Кроме того, высвобождение запасенного кислорода стимулирует процессы окисления СО и С9.0102 x H 4x ​.

    Опасность загрязняющих веществ

    Без окислительно-восстановительного процесса для фильтрации и преобразования оксидов азота, монооксидов углерода и углеводородов качество воздуха (особенно в крупных городах) становится вредным для человека.

    Оксиды азота: Эти соединения относятся к тому же семейству, что и диоксид азота, азотная кислота, оксид азота, нитраты и оксид азота. Когда NO x выбрасывается в воздух, он под действием солнечного света реагирует с органическими соединениями в воздухе; результат — смог. Смог является загрязняющим веществом и оказывает неблагоприятное воздействие на легкие детей. № x реагирует с диоксидом серы, образуя кислотные дожди, которые очень разрушительны для всего, на что выпадают. Кислотные дожди разъедают автомобили, растения, здания, национальные памятники и загрязняют озера и ручьи до кислотности, непригодной для рыб. NO x также может связываться с озоном, создавая биологические мутации (такие как смог) и уменьшая пропускание света.

    Оксид углерода: Это вредный вариант природного газа CO 2 . Этот газ без запаха и цвета не имеет многих полезных функций в повседневных процессах.

    Углеводороды: Вдыхание углеводородов из бензина, бытовых чистящих средств, пропеллентов, керосина и других видов топлива может быть смертельным для детей. Дальнейшие осложнения включают нарушения центральной нервной системы и сердечно-сосудистые проблемы.

    Каталитическое ингибирование и разрушение

    Катализатор представляет собой чувствительное устройство с внутренним покрытием из драгоценных металлов. Без этих металлов окислительно-восстановительные реакции не могут протекать. Есть несколько веществ и химических веществ, которые ингибируют работу каталитического нейтрализатора.

    1. Свинец: Большинство автомобилей работают на неэтилированном бензине, в котором из топлива удален весь свинец. Однако, если свинец добавляется в топливо и сжигается, он оставляет остаток, который покрывает каталитические металлы (Pt, Rh, Pd и Au) и предотвращает контакт с выхлопными газами, что необходимо для проведения необходимых окислительно-восстановительных реакций.
    2. Марганец и кремний: Марганец в основном содержится в металлоорганическом соединении ММТ (метилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил). ММТ представляет собой соединение, используемое в 1990, чтобы увеличить октановое число топлива (более высокое октановое число указывает на то, что газ с меньшей вероятностью воспламеняется, вызывая взрыв двигателя. Это важно, поскольку двигатели с более высокими характеристиками имеют высокую степень сжатия, для чего потребуется газ с более высоким октановым числом для дополнения степени сжатия в двигателе), и в настоящее время запрещен к коммерческой продаже в соответствии с правилами EPA. Кремний может просачиваться из камеры сгорания в поток выхлопных газов охлаждающей жидкости внутри двигателя.

    Эти загрязнители препятствуют нормальной работе каталитического нейтрализатора. Однако этот процесс можно было бы обратить вспять, запустив двигатель при высокой температуре, чтобы увеличить поток горячих выхлопных газов через нейтрализатор, плавя или сжижая некоторые загрязняющие вещества и удаляя их из выхлопной трубы. Этот процесс не работает, если металл покрыт свинцом, поскольку свинец имеет высокую температуру кипения. Если отравление свинцом достаточно сильное, весь преобразователь приходит в негодность и подлежит замене.

    Термодинамика каталитических нейтрализаторов

    Напомним, что термодинамика предсказывает, будет ли реакция или процесс самопроизвольным при определенных условиях, но не скорость процесса. Приведенные ниже окислительно-восстановительные реакции протекают медленно без катализатора; даже если процессы термодинамически благоприятны, они не могут происходить без соответствующей энергии. Эта энергия представляет собой энергию активации (\(E_a\) на рисунке ниже), необходимую для преодоления начального энергетического барьера, препятствующего реакции. Катализатор способствует термодинамическому процессу, снижая энергию активации; катализатор сам по себе не производит продукта, но влияет на количество и скорость образования продуктов.

    1. Восстановление оксидов азота в элементарный азот и кислород: \[NO_x \rightarrow N_x + O_x \]
    2. Окисление монооксида углерода до диоксида углерода. \[CO + O_2 \rightarrow CO_2 \]
    3. Окисление углеводородов до углекислого газа и воды. \[C_xH_{4x} + 2xO_2 \rightarrow xCO_2 + 2xH_2O \]

    Кража каталитического нейтрализатора

    Из-за драгоценных металлов в покрытии внутренней керамической структуры многие каталитические нейтрализаторы становятся объектами кражи. Преобразователь является наиболее легкодоступным компонентом, поскольку он находится снаружи и под автомобилем. Вор мог легко пролезть под машину, перепилить соединительные трубки на каждом конце и уйти с каталитическим нейтрализатором. В зависимости от типа и количества драгоценных металлов внутри каталитический нейтрализатор можно легко продать за 200 долларов за штуку.

    Глобальное потепление

    Хотя каталитический нейтрализатор помогает уменьшить выбросы токсичных веществ из автомобильных двигателей, он также оказывает вредное воздействие на окружающую среду. При конверсии углеводородов и монооксида углерода образуется диоксид углерода. Углекислый газ является одним из наиболее распространенных парниковых газов и вносит значительный вклад в глобальное потепление. Наряду с углекислым газом преобразователи иногда перегруппировывают азотно-кислородные соединения с образованием закиси азота. Это то же соединение, которое используется в веселящем газе и в качестве усилителя скорости в автомобилях. В качестве парникового газа закись азота в 300 раз более эффективна, чем двуокись углерода, и вносит пропорциональный вклад в глобальное потепление.

    Ссылки

    1. Тимберлейк, Карен С. Химия: введение в общую, органическую и биологическую химию . 10-е изд. Река Аппер-Сэдл: Высшее образование Прентис-Холла, 2008 г.
    2. .

    3. Петруччи, Ральф Х., Уильям С. Харвуд и Джефф Э. Херринг. Общая химия : принципы и современные приложения . 9-е изд. Река Аппер-Сэдл: Прентис-Холл, 2006. d Биологическая химия . 10-е изд. Тимберлейк, Карен С. Химия: введение в общие, органические и биологические химические вещества

    Проблемы

    1. Какова потенциальная опасность токсичных веществ, выбрасываемых автомобилем без каталитического нейтрализатора?
    2. Какие 3 окислительно-восстановительные реакции происходят в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе?
    3. Каталитический нейтрализатор работает со 100% эффективностью? Почему или почему нет?
    4. Как можно повредить каталитические нейтрализаторы или использовать их не по назначению?
    5. Почему каталитические нейтрализаторы становятся объектом кражи? Что такое

    Авторы

    • Авнит Кахлон, Тони Танг

    7.

    Back to top