RP-Energie-Lexikon - каталітичний нейтралізатор відпрацьованих газів, каталітичний нейтралізатор окислення, триходовий каталітичний нейтралізатор,
Визначення: пристрій для зменшення вмісту забруднюючих речовин у відпрацьованих газах
Більш конкретні терміни: каталітичний перетворювач окислення, триходовий каталітичний перетворювач, накопичувальний каталітичний перетворювач, каталітичний перетворювач SCR
Оригінальне створення: 29.04.2012; остання зміна: 28.04.2020
Каталітичні перетворювачі - це пристрої, що зменшують вміст забруднюючих речовин у вихлопних газах z. Б. від двигунів внутрішнього згоряння або від великих печей електростанцій, тому підвищуйте якість вихлопних газів. Вихлопні гази містять ряд забруднюючих речовин, деякі з яких викликані неповним горінням або небажаними хімічними побічними реакціями:
- Вихлопні гази містять незгорілі вуглеводні - або оригінальні компоненти палива, або хімічні проміжні продукти. Вони токсичні, в деяких випадках навіть канцерогенні (наприклад, бензол = бензол).
- Токсичний чадний газ (CO) також може утворюватися у значних кількостях. Вдиханий чадний газ зменшує транспорт кисню в крові.
- При високих температурах горіння з азоту та кисню в повітрі згоряння утворюються оксиди азоту, такі як NO2 (діоксид азоту) та NO (оксид азоту). Вони також отруйні та пошкоджують z. B. легені.
Усі ці забруднюючі речовини в принципі можна було б уникнути, якби процеси горіння були повними і окислення азоту не відбулося. Це було б приблизно так, якби горіння при достатній подачі повітря не відбувалося надто швидко і при сприятливих температурах. Температура в полум’ї повинна бути досить високою і не надто швидко падати на виході з полум’я. Однак такими умовами є напр. Б. навряд чи здійсненний у бензинових та дизельних двигунах, особливо на більш високих швидкостях. Змінювані випадки навантаження також ускладнюють управління процесами горіння.
Тепер проблему можна вирішити або, принаймні, значно зменшити, за допомогою каталітичного нейтралізатора відпрацьованих газів як додаткової міри для двигуна; говориться про доочищення відпрацьованих газів на противагу зменшенню викидів необроблених газів за рахунок внутрішніх заходів двигуна. Функція каталізатора полягає в прискоренні певних бажаних хімічних реакцій навіть при більш низьких температурах (кілька сотень градусів Цельсія):
- Кажуть, що окис вуглецю та вуглеводні окислюються; H. вони повинні реагувати із залишком кисню у відпрацьованих газах і стати нетоксичним вуглекислим газом та водяною парою.
- Натомість оксиди азоту повинні бути зменшені; H. окислення азоту має бути зворотним.
Ці реакції в принципі можуть також проходити без каталізатора, але вони будуть надто повільними. Простіше кажучи, прискорення реакцій в каталітичному нейтралізаторі працює таким чином, що молекули забруднювача тимчасово приєднуються до елементів каталітичного нейтралізатора (і утворюють там слабкий зв’язок) доти, доки вони не зустрінуться з іншими відповідними молекулами (наприклад, молекулами кисню), з якими вони зможуть може реагувати. Після закінчення цього процесу каталізатор залишається незмінним і, отже, може перетворювати подальші молекули забруднювачів.
Хімічні реакції, що відбуваються в каталітичному перетворювачі, в основному екзотермічні: більш енергійні речовини перетворюються на менш енергійні. Це виділяє тепло в каталітичному нейтралізаторі. Якщо каталітичний нейтралізатор занадто сильно завантажений енергетично багатими речовинами, такими як окис вуглецю та/або незгорілі вуглеводні (що особливо стосується двотактних двигунів), це може призвести навіть до перегріву, якщо кисень, необхідний для окислення, також доступний.
Каталітичний нейтралізатор транспортного засобу зазвичай містить сильно тріщину керамічну або металеву структуру з великою внутрішньою поверхнею, яка також змішується з дуже дрібними частинками дорогоцінних металів, таких як платина, паладій та родій. Бажані реакції відбуваються головним чином на цих частинках благородних металів.
Що каталізатор не може зробити, це видалити небажані хімічні елементи, такі як B. Сірка як компонент діоксиду сірки (SO2). Може навіть статися так, що набагато токсичніший і сильно смердючий сірководень (H2S) утворюється з діоксиду сірки; тоді вихлопні гази машини пахнуть тухлими яйцями. В інших випадках утворюється небажаний триоксид сірки (SO3), що призводить до утворення сірчаної кислоти, а потім до сульфатів, які в кінцевому підсумку виникають як викиди частинок (дрібний пил). У будь-якому випадку каталізатори не можуть запобігти викиду вуглекислого газу (СО2); врешті-решт, це найменш шкідлива форма, при якій вуглець, що міститься в паливі, може покинути систему.
Типи каталітичних нейтралізаторів
Ідеальний каталізатор дозволить всім бажаним хімічним реакціям проходити швидко і повністю, але в той же час ніяких небажаних реакцій. Однак це технічно неможливо; ефективність процесів очищення відпрацьованих газів залежить від типу каталізатора, але також сильно залежить від умов експлуатації. Часто каталізатор може сприяти лише одній конкретній реакції.
Каталізатор окислення
Під каталітичним перетворювачем окислення розуміють каталітичний перетворювач, який може окислювати лише такі забруднювачі, як оксид вуглецю та вуглеводні, але не зменшувати оксиди азоту. Це стосується багатьох каталітичних нейтралізаторів, коли вихлопні гази містять надлишок кисню. Зазвичай це стосується вихлопних газів бензинового двигуна з низьким рівнем згоряння або дизельного двигуна; обидва працюють з високим коефіцієнтом повітря горіння. У минулому каталізатори чистого окислення (неконтрольовані каталізатори) часто використовувались як модернізовані каталізатори для бензинових двигунів.
Зараз також розробляються каталізатори окислення для камінних печей. Вони можуть бути прикріплені, наприклад, у камері згоряння біля виходу до димоходу. Оскільки там вони іноді піддаються дії дуже високих температур, вони повинні бути виготовлені з відповідно стійкого до високих температур матеріалу. За допомогою такого каталітичного нейтралізатора можна значно зменшити викиди чадного газу, вуглеводнів та твердих часток.
Керований триходовий каталітичний перетворювач
Триходовий каталітичний перетворювач сьогодні в основному використовується для чотиритактних бензинових двигунів, що працюють на бензині або природному газі. Це може одночасно окислювати окис вуглецю, окислювати вуглеводні та зменшувати оксиди азоту (отже, "трьома способами" у сенсі видалення трьох різних забруднювачів). Останнє відбувається в результаті реакції з чадним газом, який виймає кисень з оксидів азоту і стає нетоксичним діоксидом вуглецю.
Залишковий вміст кисню у відпрацьованих газах визначається співвідношенням повітря горіння, також відомим як значення лямбда (значення λ). Для триходового каталітичного перетворювача потрібно значення лямбда-значення, близьке до 1. Це технічно можливо лише за допомогою автоматичної системи управління, яка вимагає сигналу про помилку від так званого лямбда-зонда.
На жаль, у багатьох автомобілях використовується так зване збагачення повним навантаженням, коли прискорювач сильний. Це означає, що вищезазначене регулювання навмисно вимикається, щоб працювати двигун із “насиченою” сумішшю. Це дозволяє досягти трохи вищої потужності двигуна і одночасно запобігти перегріванню каталітичного нейтралізатора. Однак це, з одного боку, значно збільшує викиди забруднюючих речовин, а з іншого боку витрата палива збільшується за рахунок зниження ефективності роботи двигуна.
Докладніше див. У статті про триходові каталізатори.
Каталітичний нейтралізатор для зберігання NOx
У двигунах з низьким рівнем горіння та дизельних двигунах денітрифікація не працює у звичайному каталітичному нейтралізаторі, оскільки чадний газ або незгорілі вуглеводні відсутні в відпрацьованих газах у достатній кількості. Одним із рішень у цьому випадку є каталітичний перетворювач NOx. Він містить речовини, які молекули оксиду азоту (NO2) спочатку накопичують. Коли потужність каталітичного нейтралізатора вичерпана, каталітичний нейтралізатор повинен бути регенерований. Для цього двигун ненадовго перемикається на багату суміш (як при повному збагаченні навантаження) і підвищується температура відпрацьованих газів. Зміна складу вихлопних газів (з невеликою кількістю кисню та деяким вмістом окису вуглецю) дозволяє еліментам оксидів азоту виводитись з каталітичного нейтралізатора: вони реагують з чадним газом, до якого вони виділяють кисень.
Проблема цієї технології полягає в тому, що важко підтримувати робочу температуру каталітичного нейтралізатора в оптимальному діапазоні під час роботи автомобіля. За несприятливих обставин, які часто трапляються (наприклад, у міському транспорті), ефективність очищення вихлопних газів може значно знизитися - особливо для дизельних двигунів, у яких температура відпрацьованих газів сильно коливається залежно від навантаження. Також часто важко досягти підвищених температур, необхідних для регенерації, особливо якщо регенерація здійснюється під час повільної їзди.
Детальнішу інформацію можна знайти в статті про каталізатори для зберігання.
Каталізатор SCR
На сьогодні найефективніший метод денітрифікації вихлопних газів дизеля залежить від каталітичного нейтралізатора SCR. Селективне каталітичне відновлення (SCR), яке відбувається там, зазвичай вимагає дозованого додавання аміаку (NH3) або розчину сечовини (наприклад, AdBlue), який розпадається на аміак та водяну пару (і легше транспортувати в транспортних засобах, ніж аміак) . Аміак - отруйний газ, але він в основному перетворюється в каталітичному нейтралізаторі, тому навряд чи він повинен бути присутнім у очищених відпрацьованих газах - якщо немає передозування аміаком або сечовиною.
Існують також так звані пасивні каталітичні перетворювачі SCR, в яких в якості відновників використовуються незгорілі вуглеводні, що містяться у відпрацьованих газах, тобто не потребують додаткової витратної рідини. Тому їх можна використовувати лише для відпрацьованих газів з відповідним складом, а в деяких випадках на них також застосовуються додаткові обмеження, наприклад через меншу толерантність до сірки. Завдяки цій технології електродвигун вже не можна оптимізувати для оптимальної ефективності.
Більш детально можна ознайомитись у статті про SCR-каталізатори.
Використання двох каталітичних нейтралізаторів
У деяких транспортних засобах для доочищення вихлопних газів проводять комбінацію з двох каталітичних нейтралізаторів. Наприклад, для бензинового двигуна порівняно невеликий первинний каталітичний нейтралізатор, встановлений близько до двигуна, може поєднуватися з більшим основним каталітичним нейтралізатором, встановленим на кузові автомобіля. Попередньо каталітичний нейтралізатор швидше досягає температури вимкнення після холодного запуску, але ще не повністю очищає вихлопні гази; основний каталізатор потім бере на себе подальшу детоксикацію.
У деяких випадках два різні типи каталізаторів також поєднують один з одним. Наприклад, деякі дизельні двигуни використовують спочатку каталітичний нейтралізатор окислення, а потім каталітичний нейтралізатор SCR (для селективного каталітичного відновлення).
Отрути каталізатора
Певні речовини можуть «отруїти» каталізатор, тобто зробити його неефективним. Наприклад, раніше до бензину додавали невелику кількість тетраетилсвинцю («свинцевого») для підвищення стійкості до ударів, і це унеможливлювало використання каталітичних нейтралізаторів, оскільки вони були отруєні за короткий час. Як і деякі інші метали (наприклад, кадмій та ртуть), свинець утворює хімічні сполуки з каталітичними компонентами, які вже не є каталітично активними. Однією з причин, чому було необхідне введення неетильованого (неетильованого) бензину.
Сірка також може виступати каталізатором, якщо паливо не повністю не містить сірки. Це особливо проблематично при використанні накопичувальних каталітичних нейтралізаторів для дизельних двигунів, якщо дизельне паливо не надійно доступне у високій якості з низьким вмістом сірки.
Однак чутливість каталізатора залежить від його типу; його частково можна зменшити, включаючи певні додаткові речовини. У деяких випадках існує також можливість регенерації, що не обов'язково можливо при нормальній експлуатації автомобіля.
У пілотних інжекторних двигунах для біогазу отрути каталізатора часто є проблемою, або вони часто перешкоджають використанню каталізатора.
Різні недоліки та обмеження ефективності каталізаторів
Сучасні каталітичні нейтралізатори можуть значно зменшити вміст забруднюючих речовин у вихлопних газах, але вони також мають ряд недоліків і не завжди є ідеально ефективними:
Ефективність каталітичних нейтралізаторів у автомобілях може значно відрізнятися від випадку до випадку. Відмінних результатів можна досягти, коли використовується тверда техніка, за винятком дуже коротких дистанцій. За допомогою хороших технологій каталітичний перетворювач може залишатися дуже ефективним навіть при розгоні або їзді на високих швидкостях (без, звичайно, вирішення проблеми підвищених викидів СО2). На жаль, сьогодні багато транспортних засобів сконструйовано таким чином, що якість вихлопних газів сильно погіршується при повному газі, наприклад, тому, що використовується збагачення повним навантаженням (з бензиновими двигунами) або тому, що система очищення відпрацьованих газів дизельного двигуна не може ефективно контролювати викиди оксиду азоту. Значні відхилення між практикою та офіційними процедурами вимірювання можливі, якщо виробники використовують нереальні умови випробувань законним чи незаконним способом [2, 3].
Моніторинг ефективності вихлопних каталізаторів автомобіля
Ефективність каталітичного нейтралізатора, наприклад в транспортному засобі, може бути загрожена різними способами - не лише через можливі пошкодження каталітичного нейтралізатора, наприклад Б. у разі перегріву під час роботи, але також через порушення регулювання коефіцієнта повітря горіння. За таких обставин викиди забруднюючих речовин автомобіля можуть значно збільшитися.
Відповідні проблеми можна виявити шляхом вимірювання вихлопних газів на стенді, наприклад Б. в контексті випробувань на викиди, які зазвичай проводяться кожні два роки у Німеччині та є частиною основної перевірки з 2010 року. (З тих пір для випробування на викиди більше не потрібна окрема наклейка.)
Оскільки стандарт викидів Євро 3 відповідає вимогам Євросоюзу, транспортні засоби також повинні бути оснащені бортовою системою діагностики (EOBD), яка контролює функціональність основних компонентів системи очищення вихлопних газів і, при необхідності, вмикає попереджувальне світло. Якщо це загоряється, водію необхідно якомога швидше перевірити систему в майстерні та усунути пошкодження.
Запитання та коментарі читачів
Чому, на вашу думку, система очищення вихлопних газів більше не може добре контролювати викиди NOx, коли дизельний двигун працює при повному навантаженні?
В принципі, це могло; це просто має бути розроблено для цього. На жаль, це не завжди так, головним чином тому, що застосовні методи вимірювання витрат палива та значень відпрацьованих газів навіть не фіксують робочий стан повного навантаження, тому належне функціонування не є необхідним для проходження тесту.
Тут ви можете запропонувати запитання та коментарі для публікації та відповіді. Автор RP-Energie-Lexikon прийме рішення про прийняття за певними критеріями. По суті, справа в тому, що справа представляє широкий інтерес.
Якщо ви отримаєте тут допомогу, ви можете повернути послугу пожертвою, за допомогою якої ви підтримаєте подальший розвиток енергетичного словника.
Захист даних: Будь ласка, не вводьте тут жодних особистих даних. Ми все одно не публікували б їх і незабаром видалили б. Дивіться також нашу політику конфіденційності.
Якщо ви хочете отримати особистий відгук або пораду від автора, напишіть йому електронною поштою.
Подаючи заявку, ви даєте згоду на публікацію своїх записів тут відповідно до наших правил.
література
| [1] | В. Франко та ін., “Реальні викиди вихлопних газів від сучасних дизельних автомобілів”, Міжнародна рада з чистого транспорту, http://www.theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_PEMS-study_diesel-cars_20141010.pdf |
| [2] | Стаття в блозі: Дизельні транспортні засоби від Volkswagen: Дотримання лімітів викидів протизаконними хитрощами |
| [3] | Стаття в блозі: Викиди оксиду азоту від сучасних дизельних автомобілів - значно вищі за очікувані |
| [4] | Стаття в блозі: Вплив стилю водіння на викиди забруднюючих речовин в автомобілі |
Якщо вам подобається цей веб-сайт, повідомте про це своїм друзям та колегам - e. Б. через соціальні мережі, натиснувши тут:
Ці кнопки спільного доступу налаштовані на захист даних!
Код для посилань на інших веб-сайтах
Якщо ви хочете розмістити посилання на цю статтю в іншому місці (наприклад, на вашому веб-сайті, у соціальних мережах, на дискусійних форумах або у Вікіпедії), ви можете знайти код тут. Такі посилання можуть, наприклад, В. бути дуже корисним для пояснень слів.
HTML посилання на цю статтю:
З попереднім переглядом зображення (див. Вікно безпосередньо над цим):
Якщо ви вважаєте за доцільне розмістити посилання у Вікіпедії, напр. B. у розділі "== Веб-посилання ==":