Роль катализатора

Важнейшее влияние на состав отработавших газов автомобильных двигателей оказывает качество топливо-воздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Состав смести характеризует коэффициент избытка воздуха «лямбда» (в технической литературе его еще можно встретить как коэффициент «альфа»). Коэффициент избытка воздуха — это отношение реального количества воздуха в смести к теоретически необходимому — тому, что соответствует полному сгоранию. Идеальный случай, когда лямбда =1, это означает, что смесь состоит из 15 частей воздуха и 1 части бензина (углеводородного топлива), последнее сгорает полностью и при этом образуется всего два компонента — углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). При полном сгорании углеводородного топлива(бензина) концентрация СО2 будет максимальна.

При обогащении смеси, т.е. при увеличении в ней содержание топлива (лямбда меньше 1), при ее воспламенении в связи с недостатком кислорода образуются продукты неполного сгорания углеводородного топлива (бензина) — оксид углерода (СО) и несгоревшие углеводороды (СН).

Обеднение смеси (лямбда более 1) первоначально приведет к понижению концентрации СО и СН в отработавших газах, при значении лябмда = 1,1 содержание СО и СН минимизируется. Последующее обеднение топливо-воздушной смеси, несмотря на избыток кислорода, ухудшает сгорание топлива, появляются задержки воспламенения, двигатель теряет устойчивую работу, в связи с чем в выхлопных газах доля продуктов неполного сгорания, особенно СН, увеличивается. На практике же идеального процесса сгорания углеводородного топлива не бывает, поскольку незначительная часть углеводородного топлива оседает на стенках камеры сгорания, да и по самому объему камеры сгорания смесь однородно не перемешивается. Максимальную мощность двигателя обеспечивает богатая топливная смесь, а наибольшая экономичность проявляется при бедной топливо-воздушной смеси.

Для снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами в окружающую среду на двигатели устанавливаются выпускные коллекторы с каталитическими нейтрализаторами (катоколлекторы, катализаторы). Они, в свою очередь, обеспечивают доокисление (дожигание) оксида углерода, углеводородов, углекислого газа, т.е. в нейтрализаторах протекает процесс преобразования вредных соединений до безвредных. На двигателях, имеющих нейтрализаторы отработавших газов, концентрация вредных веществ значительно ниже концентрации вредных веществ двигателей без нейтрализаторов отработавших газов.

 

Каталитический нейтрализатор расположен либо на приемной трубе, либо сразу после нее. Внутри корпуса каталитического нейтрализатора находится керамическая сотовая конструкция. Соты нужны для того, чтобы увеличить площадь контакта выхлопных газов с поверхностью, на которую нанесен тонкий слой сплава редкоземельных металлов (чаще всего платиноиридиевый сплав). Недороревшие остатки (СО, СН, 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 исправного катализатора выхлопные газы содержат в основном N2 и СО2.

В каталитических преобразователях автомобилей обычно применяются катализаторы двух типов: восстанавливающий и окислительный. И те, и другие представляют собой керамическую структуру, на которую нанесен металлический катализатор — платина, родий и/или палладий.