Что такое металлический катализатор

Устройство и принцип работы катализатора

Устройство типового автомобильного катализатора

Автокатализатор имеет довольно простое устройство.

1. Стальной корпус с термоизолирующим слоем находится позади выпускного коллектора.
2. Внутренний наполнитель – сотовая (сотово-трубчатая) структура, покрытая внутри активным слоем (в качестве каталитического вещества может использоваться платина, платиново-иридиевый сплав, родий, палладий). Сотовая структура позволяет повысить площадь контакта выхлопных газов с активным веществом, а значит, более эффективно провести химические реакции.
3. Материал наполнителя – керамика или металл, в зависимости от конструкции и стоимости катализатора.

Принцип работы по своей сути простой, и подробно описан на видео, ниже.

• Драгоценные металлы, нанесенные на внутреннюю поверхность сот катализатора, активируют процессы окисления.
• Оксид азота NO разлагается на составляющие атомы: азот N и кислород O. Атомы азота соединяются между собой, образуя устойчивый азот N2. Кислород присоединяется к угарному газу CO и образует углекислоту CO2.
• Захватывая остаточный кислород из выхлопных газов, катализатор расщепляет углеводороды CH, после чего углерод C соединяется с двумя молекулами кислорода, образуя всё тот же CO2, а оставшийся водород присоединяется к кислороду и получается вода H2O.
• Остаточный кислород фиксирует лямбда-зонд на выходе из катализатора, и это дает бортовому компьютеру информацию о работе устройства.

В идеальных условиях автокатализатор ничего не накапливает внутри: все поступающие в него вещества покидают сотовую структуру. Однако добиться идеальных условий практически невозможно, значит, каталитический нейтрализатор со временем «деградирует» и хуже справляется со своей задачей.

Катализатор (понятие и сущность):

Катализатор – это химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции, и действующее повторно (неоднократно).

Катализаторы – это вещества, которые ускоряют химические реакции, но не входят в состав их конечных продуктов.

Катализаторы – это вещества, ускоряющие скорость химической реакции, которые могут участвовать в реакции, входить в состав промежуточных продуктов, но не входят в состав конечных продуктов реакции и после окончания реакции остаются неизменными.

Термин катализатор (от греч. katalysis – «ослабление», «разрушение») впервые ввел в 1835 г. шведский химик И. Берцелиус, который установил, что в присутствии определенных веществ скорость некоторых химических реакций существенно возрастает.

Соответственно химические реакции, протекающие в присутствии катализаторов, именуются каталитическими реакциями. А процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами, именуется катализом.

Различают положительный катализ и отрицательный катализ. Положительным называют катализ, при котором скорость реакции возрастает, отрицательным (ингибированием) – при котором она убывает.

Вещества, замедляющие химическую реакцию, именуются ингибиторами. Однако ингибиторы в отличие от катализаторов могут расходоваться в процессе химической реакции.

Все химические реакции в присутствии катализатора протекают быстрее, поскольку катализатор снижает энергию активации реакции.

В некоторых химических реакциях катализатор реагирует с одним или несколькими реагентами с образованием временного промежуточного продукта, который затем регенерирует исходный катализатор в циклическом процессе. Химическая реакция в таких случаях состоит из нескольких стадий:

X + K → XK,

Y + XK → XYK,

XYK → KZ,

KZ → K + Z,

где

X и Y – реагенты,

Z – конечный продукт химической реакции X и Y,

K – катализатор.

При этом общее уравнение реакции записывается как:

X + Y → Z.

В современном химическом производстве часто применяют каталитические системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии химической реакции. 

Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место «катализ катализа», или катализ второго уровня.

В настоящее время многие важнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов. Согласно оценкам, для производства 90 % всех коммерчески производимых химических продуктов на той или иной стадии процесса их изготовления использовались катализаторы.

Персональный опыт

В конце прошлого столетия у меня был опыт работы в одной коммерческой организации, где я занимал должность менеджера автопарка. Был случай, когда начальник, вызвавший меня на ковёр, заявил: Нам нужно продать «ToyotaCarina», поэтому тебе следует съездить на автомобильную мойку и хорошо вымыть мотор, чтобы он блестел.

Естественно, я отправился в назначенное место, где сообщил пожелания моего начальника. Двигатель того автомобиля имел впрысковую систему и был оснащен одной катушкой зажигания, с высоковольтным распределителем. Уже после непосредственной отправки я заметил неисправности в работе мотора. Учитывая, что до основного места работы было не более трёхсот метров, доехать до него я так и не смог. Причина была в постоянном прекращении работы двигателя, который заводясь, начинал издавать непонятные звуки под дном кузова автомобиля. Машина находилась в состоянии постоянной вибрации. В момент, когда я вышел наружу и посмотрел, что происходит с выхлопной системой, я увидел поток чёрной гари, выходящей в тандеме с искрами.

Такое действие недолго продолжалось, вскоре гарь перестала выходить, после чего я открыл капот и соответственно решил оценить состояние распределителя, открыв и его. Что я увидел? – Огромную лужу. Утилизировав жидкость, качественно высушив поверхность, я всё же смог доехать до места работы. Вот теперь вопрос: Как вы думаете, где происходил процесс сгорания топлива?

Какие загрязнения производит автомобиль?

В целях сокращения выбросов, современные автомобильные двигатели тщательно контролируют количество сгораемого в нём топлива. Они пытаются сохранить соотношение воздух-топливо очень близким к стехиометрической точке, которая является идеальным соотношением воздуха к топливу. Теоретически, при таком соотношении, всё топливо будет сожжено, используя весь кислород из поглощаемого воздуха. Для бензина стехиометрическая точка составляет около 14.7:1 — это означает, что на каждый литр бензина будет сожжено 14,7 граммов воздуха. Смесь топлива на самом деле колеблется от идеального соотношения совсем немного во время работы двигателя. Иногда смесь может быть бедной (соотношение воздух-топливо выше, чем 14,7), а в других случаях смесь может быть обогащённой (соотношение воздух-топливо ниже, чем 14,7).

Основными веществами в выхлопных газах двигателя автомобиля являются:

Азот (N2) — воздух на 78 процентов состоит из газообразного азота, и большая часть этого азота проходит прямо через двигателя автомобиля и выходит, не вступив ни с чем в химическую реакцию.Углекислый газ (CO2) — это один из продуктов сгорания бензина.Водяной пар (H2O) — и ещё один продукт сгорания.
Эти выбросы, в основном, доброкачественные и не вредят атмосфере и экологии, хотя выбросы углекислого газа, как полагают, способствуют глобальному потеплению. Поскольку процесс сгорания никогда не совершенен, также в автомобильных двигателях производятся некоторые меньшие количества более вредных выбросов. Катализаторы предназначены как раз для снижения содержания именно этих выбросов, а, точнее, трёх самых объёмных и самых вредных:

Окиси углерода (СО) — это ядовитый газ без цвета и запаха.Углеводородов (HC) и летучих органических соединений (ЛОС) — они являются одними из основных компонентов видимого нами дыма, который выходит при работе двигателя из выхлопной трубы автомобиля и производятся в основном из испарившегося, несгоревшего топлива.Оксидов азота (NO и NO2, вместе называемые NOx) — они являются также «соавторами» белого дыма, а ещё оксиды азота нередко провоцируют кислотные дожди, которые вызывают раздражение слизистых оболочек человека.
Кстати, знаете ли Вы, что, согласно исследованиям, даже новые модели двигателей газонокосилок выбрасывают в воздух в 93 ​​раза больше образующих смог выхлопов, нежели новые модели автомобилей в случае аналогично производимой работы? Это не удивительно, ведь законов, регулирующих выхлопы газонокосилок, не существует ни в России, ни во многих других странах. Тем не менее, введение таких законов только в США (именно там проводилось исследование) может снизить выбросы на эквивалент до 800 000 автомобилей в день, и это впечатляющие цифры.

Конструкция и функции каталитического нейтрализатора

Устройство каталитического нейтрализатора

Нейтрализатор является частью системы выхлопа. Он располагается сразу за выпускным коллектором двигателя. Катализатор состоит из:

• Металлический корпус (монтажный мат), имеющий входной и выходной патрубки.
• Керамический блок (монолит). Представляет собой пористую структуру с множеством ячеек, которые увеличивают площадь соприкосновения выхлопных газов с рабочей поверхностью.
• Каталитический слой – специальное напыление на поверхностях ячеек керамического блока, состоящее из платины, палладия и родия. В последних моделях для напыления иногда используется золото – драгоценный металл, который имеет более низкую стоимость.
• Металлический кожух. Выполняет функции теплоизоляции и защиты катализатора от механических повреждений.

Главная функция каталитического нейтрализатора – это нейтрализация трех основных токсических компонентов отработавших газов, поэтому он получил свое название – трехкомпонентный. Вот эти нейтрализуемые компоненты:

• Окислы азота NOx – компонент смога, причина кислотных дождей, ядовиты для человека.
• Угарный газ СО – смертельно опасен для человека при концентрации в воздухе от 0,1%.
• Углеводороды CH – компонент смога, отдельные соединения канцерогены.

Принцип работы катализатора и схема устройства

Работа автомобильного катализатора основана на применении веществ, ускоряющих горение нереализованного топлива в цилиндрах, тем самым, снижая до минимума выделение вредных веществ в атмосферу.

Огромное количество машин использует двигатель внутреннего сгорания, выхлоп которых представляет токсичные газы: оксид азота, монооксид углерода и несгорающие компоненты топлива. В целях сохранения экологически чистого воздуха в окружающей среде ученые разработали устройство, способное за 0,1 секунды выделить в токсичном газе вредные вещества и нейтрализовать их, не создавая при этом разрушительных воздействий двигателю. Катализатор (или каталитический конвертор, или нейтрализатор) переработав токсичные газы выделяет пары воды и кислород, углекислый газ.

Чтобы понять, как работает катализатор, необходимо увидеть его структуру внутри корпуса. Если разрезать верхнюю часть корпуса катализатора, то под нержавеющей крышкой конструкция представит собой два керамических блока, каждая из которых состоит из большого количества каналов (от 1000 до 3000).

С торцов блоки покрыты драгоценным металлом. Платина и родий на первом блоке, платина и палладий на втором, при этом первый является восстанавливающим, уменьшающим выбросы оксида азота, а второй окислительный. Окислительный катализатор (блок) уменьшает количество несгоревшего топлива и окиси углерода. Процесс происходит при высоких температурах, достигающих 750 градусов по шкале Цельсия.

Совместное использование драгметаллов обеспечивают реагирование с токсичными газами и производить на выходе из глушителя автомобиля безопасные продукты горения. Используемые драгметаллы (платина, родий, палладий) не подаются коррозии, но по ценовой политике – это самые дорогие материалы, используемые в катализаторах. В среднем, производителям катализаторов драгметаллы обходятся за 1 кг в 50000 долларов, но цена окупается прежде всего получением экологически чистых газов на выхлопе.

Чтобы максимально увеличить поверхность контакта металла с газами и была разработана система микроканалов, которые обеспечивают общую площадь металлов примерно равную площади футбольного поля.

Отработанный газ из цилиндров устремляется с огромной скоростью в каталитический нейтрализатор и в первую очередь проходит через соты (каналы) первого блока (восстанавливающий) платиново-родиевым покрытием. Молекулы платины, родия и оксида азота вступают в химическую реакцию. Эти металлы притягивают к себе молекулы кислорода, а свободные атомы азота взаимодействуют между собой. Результат – оксид азота превращается в кислород и азот, которые вместе составляют 99% того газа чем мы дышим.

Далее газы поступают во второй блок (окислительный), через тысячи микроканалов, покрытых платиной и палладием. Эти драгметаллы притягивают кислород. Высокие температуры заставляют объединяться монооксиду углерода с еще одной молекулой кислорода и, в результате наступает преобразование токсичного газа в углекислый газ – газ, из которого состоит обычная питьевая газировка.

Помимо этого, еще есть молекулы негорючих веществ. Экстремально высокие температуры заставляют их рекомбинировать с молекулами кислорода. В результате, еще вырабатывается больше углекислого газа и вода.

Схема химических реакций, протекающих в блоках выглядят следующим образом:

• CH+O₂ -> CO₂+H₂O;
• NO+CO -> N₂+CO₂;
• CO+O₂ -> CO₂;
• NO+H₂ -> N₂+H₂O.

Таким образом, реализация в катализаторах ускорителей в виде драгметаллов позволяет получить химические реакции, нейтрализующие токсичные, вредные вещества CO, CH_x и NO_x с получением на выходе безвредной воды H₂O, азота N₂ и углекислого газа CO₂.

Как и чем промывать и получится это сделать?

Выкручиваем датчики кислорода, осматриваем первый и последний «блинчик» на предмет целостности ячеек. Если видно, что они целые, просто забиты нагаром, то можно попробовать его прочистить.

Для этих целей хорошо подойдет специальное средство для очистки поршней от нагара или очиститель дросселя, или карбюратора.

1. Снимаем его;
2. Берем для промывки садовый распрыскиватель. Подойдет любая емкость с узким носиком и способная разбрызгивать средство под давлением;
3. Заливаем в нее жидкость для очистки;
4. Закрываем выходной патрубок, чтобы жидкость не выливалась из катколлектора. Впрыскиваем очиститель внутрь;
5. Даем ему время «настоятся», сливаем в чистую ёмкость.
6. Промываем катализатор дистиллированной водой, чтобы смыть остатки чистящего средства, она может загореться в коллекторы или взорваться.

Результат должен порадовать, если каталитический нейтрализатор целый без оплавленных ячеек, то промывка может помочь.

Второй способ – хлопотный

Рассказывали, что некоторые боролись с оплавлением сот необычным методом

В данном случае важно, чтобы его наполнитель был целым, не наблюдалось разрушения керамики

Снимаем его с выхлопной системы. Аккуратно вырезаем верхнюю его крышку, чтобы получить доступ к содержимому катализатора. Вынимаем «блинчики». Обрезным кругом по керамике отрезаем внешние части оплавленных ячеек. Можно отрезать небольшими частями, контролировать целостность сот.

Убедились, что удалили оплавленные ячейки катализатора, собираем конструкцию до кучи. Укладываем «блинчики» в том же порядке, как и были, завариваем верхнюю крышку. Устанавливаем все на место.

В некоторых случаях данная процедура помогала избавиться от ошибки при выходе из строя катализатора. Но данный способ ремонта трудозатратный. Не все могут самостоятельно пользоваться сварочным аппаратом, не у всех он есть вообще.

Нужен ли вообще катализатор в автомобиле: мнения автолюбителей

Существует два противоположных мнения о том, нужен ли катализатор. Часть автовладельцев уверены, что без нейтрализатора не обойтись, ведь он помогает очистить отработанные газы. Другие считают, что необходимо эксплуатировать автомобили без катализатора, ведь его использование негативно сказывается на «здоровье» «железного коня».

1. «Когда на машине установлен катализатор, мощность авто снижается. Если каты выбиты, тоже могут появиться проблемы, поэтому стоит хорошо подумать, прежде чем менять нейтрализатор. В некоторых случаях без удаления катов не обойтись».
2. «Когда нейтрализатор удален, выхлоп неприятно пахнет. Понятно, что не серой и протухшим мясом, но сгоревшим топливом, как от КамАЗа. Конечно, запах не распространяется дальше выхлопа. Но при этом звук у авто становится громким. Глушитель начинает бубнить. Строго говоря, без катализатора, конечно, можно обойтись, но с ним все-таки лучше».
3. «Заметила на панели проборов горящий индикатор. Сразу же поехала в автосервис. Механик выяснил, что проблема в катализаторе. Предложили решение: выбить катализатор, при этом сказали, что авто станет более громким и быстрым. Решила удалить нейтрализатор. А сейчас жалею, потому что так ездить вредно для окружающей среды».
4. «Собрались катализатор выбивать? Тогда надо найти опытного мастера. Иначе выхлоп будет резонансно звучать, а это уже не очень красиво. Грамотный автомеханик может выбить катализатор либо установить пламегаситель. Мне кажется, что это оптимальное решение». 
5. «Интересная история случилась на моем Volkswagen Passat с атмосферным мотором. На приборной панели загорелся индикатор «Check Engine», после диагностики мастер сообщил, что лямбда-зонд неисправен. Установили новую деталь, спустя 14 дней история повторяется. Объяснить, по какой причине лябмда-зонд ломается, никто не может. Цена на запчасть не маленькая — 16 000 руб».
6. «Отправился в специализированный сервис, где устанавливают впускные системы. Специалист объяснил: из-за того что катализатор забит, происходит сильный нагрев коллектора (от мотора до нейтрализатора). В результате лямбда-зонд ломается. Как только выбили катализатор, эта проблема исчезла. Единственное, что мне не нравится, когда завожу мотор, появляется сильный запах выхлопа. Но нужно учесть, что пробег у моего авто уже 340 000 километров, и мотор не перебирали».

Удаление катализатора

Можно ли снять автомобильный каталитический нейтрализатор? Нет. Удаление запрещено законом. Если диагност обнаруживает, что в машине отключен каталитический нейтрализатор, он не должен подписывать технический осмотр. Автомобиль без каталитического нейтрализатора не соответствует нормам выбросов и не должен быть допущен к движению.

Несмотря на это, вы можете легко найти компании, которые занимаются удалением катализаторов. Выключение катализатора — только полумера, потому что лямбда-датчики обнаруживают его отсутствие и переводят двигатель в аварийный режим. Вместо катализатора, так называемый стримеры — они имеют форму катализатора, а расположение листов внутри них облегчает удаление дыма. Также необходимо вмешаться в программное обеспечение двигателя, чтобы второй лямбда-зонд не переводил его в аварийный режим. На практике для второго лямбда-зонда также используется простое механическое решение, заключающееся в том, чтобы зафиксировать его таким образом (с помощью специального металлического элемента), чтобы он не погружался в поток выхлопных газов.

Стоит помнить о катализаторе при покупке подержанного автомобиля. Может случиться, что предыдущий владелец отключит его, и у покупателя будут незапланированные расходы.

Принцип работы катализатора

В составе автомобильных газов содержится большое количество вредных веществ. Для того, что они в минимальном количестве попадали в атмосферу, было разработано особое устройство — каталитический нейтрализатор (КН), чаще всего автомобилисты зовут его просто катализатор. Эта деталь устанавливается на автомобиль, являясь частью выхлопной системы

Зная, как работает автомобильный катализатор, можно понять важность данной детали и для автомобиля и для окружающей среды в целом

Стоит автомобильный катализатор недешево, но приятным бонусом для всех автомобилистов, решившихся на установку данной автомобильной детали, станет тот факт, что можно продать авто катализаторы после того, как они придут в негодность. Сдать старый катализатор можно в специальную организацию, которая занимается скупкой б у катализаторов. Такого рода компаний в настоящее время довольно много.

Устройство катализатора

Каталитический нейтрализатор входит в состав выхлопной системы автомобиля. Его обычно устанавливают перед выхлопной трубой и за выпускным коллектором двигателя

Важно отметить, что катализатор может быть установлен не только на те автомобили, которые работают на бензиновом топливе, но также и на те, для работы которых используется дизельное топливо. 

Катализатор состоит из основных частей:

— корпус, который делают из прочного металла, имеет входной и выходной патрубки;

— монолит. Обычно делают из керамики или металла. Обладает пористой структурой и имеет большое количество ячеек, основная задача который заключается в том, чтобы существенно увеличить общую площадь контакта вредных газов с поверхностью КН;

— особый каталитический слой, представляющий собой напыление, наносимое на ячейки монолита. Этот слой состоит из ценных металлов платиновой группы, а именно: платины, родия, палладия. В современных моделях нейтрализатора используется также и золото. Именно благодаря содержанию ценных металлов в катализаторе есть возможность продать катализатор автомобильный бу.

— кожух из металла, который необходим для теплоизоляции, а также защищает деталь от всякого рода повреждений.

Основная функция автомобильного катализатора заключается в том, чтобы нейтрализовать основные вредные вещества в выхлопе. Чаще всего, действие катализатора направлено на то, чтобы сократить содержание трех основных компонентов: окислов азота, угарного газа, углеводородов. Все эти вещества крайне токсичны и опасны для человека.

Принцип работы

Поскольку катализаторов нейтрализует обычно три группы токсичных компонентов, то его часто называют трехкомпонентным. Принцип действия каталитического нейтрализатора не такой уж сложный. 

Выхлопные газы, которые выходят из двигателя, отправляются внутрь каталитического монолита. Здесь они проникают в имеющиеся ячейки и заполняют их. Каталитический слой, который состоит из ценных металлов (палладий и платина) вступает в реакцию окисления, в результате чего вредные углеводороды распадаются и превращаются в водяной пар, а угарный газ преобразуется в углекислый.

Родий, который выступает в каталитическом слое в качестве восстановительного элемента, превращает оксид азота в обычный азот, который абсолютно безвреден. Таким образом, в атмосферу попадают уже очищенные выхлопные газы. В качестве фильтра на те катализаторы, которые устанавливаются на дизельные автомобили, используют сажевый. Иногда эти две детали могут объединить в одну конструкцию.

В работе автомобильного нейтрализатора важная роль принадлежит температуре. Химические реакции, происходящие в данной детали, начинаются только тогда, когда рабочая температура достигает 300 градусов.

После того, как катализатор придет в негодность, его необходимо вовремя поменять. В настоящее время можно найти целый ряд организаций, которые занимаются скупкой отработанных катализаторов. Именно им стоит доверить процесс утилизации старого катализатора, который должен производиться по особым правилам, чтобы не навредить здоровью человека и состоянию окружающей среды. Катализатор, ремонт которого обычно невозможен, необходимо отправить на переработку.