Каталитический конвертер

Трехсторонний каталитический конвертер на бензиновой Dodge Ram 1996 г.

Моделирование потока внутри каталитического преобразователя

Каталитический преобразователь -это устройство контроля выхлопных газов , которое преобразует токсичные газы и загрязняющие вещества в выхлопном газе из двигателя внутреннего сгорания в менее токсичные загрязнители, окислительно реакцию -восстановительную катализируя . Каталитические преобразователи обычно используются с двигателями внутреннего сгорания, заправленными бензином или дизельным топливом , включая двигатели с зажиганием , а иногда и на нагревателях керосина и печи.

Первое широко распространенное введение каталитических конвертеров было на автомобильном рынке Соединенных Штатов. В соответствии с более строгим регулированием выбросов выхлопных газов Агентства по охране окружающей среды США , большинство транспортных средств с бензином, начиная с модельного года 1975 года, оснащены каталитическими конвертерами. Эти «двусторонние» преобразователи объединяют кислород с окисью углерода (CO) и несгоревшими углеводородами (HC) для получения диоксида углерода (CO ₂ ) и воды (H ₂ O). Хотя двухсторонние конвертеры на бензиновых двигателях были устаревшими в 1981 году «трехсторонними» конвертерами, которые также снижают оксиды азота ( Нет _x ), Они по-прежнему используются на двигателях с худой сжигания для окисления частиц и выбросов углеводородов (включая дизельные двигатели, в которых обычно используется бережливое сжигание), поскольку трехсторонние конвертеры требуют богатого топлива или стехиометрического сжигания, чтобы успешно сократить Нет _x .

Хотя каталитические преобразователи чаще всего применяются к выхлопным системам в автомобилях, они также используются на электрических генераторах , вилочных погрузчиках , горнодобывающем оборудовании, грузовиках , автобусах , локомотивах , мотоциклах и на кораблях. Они даже используются на некоторых деревянных печи для контроля выбросов. Обычно это в ответ на правительственное регулирование, либо посредством окружающей среды, либо посредством правил здоровья и безопасности.

История

Прототипы каталитического преобразователя были впервые разработаны во Франции в конце 19 -го века, когда на дорогах было всего несколько тысяч «нефтяных автомобилей»; Эти прототипы имели инертные материалы на основе глины, покрытые платиной , родием и палладием , и запечатанные в двойной металлический цилиндр. Несколько десятилетий спустя, -механик французский инженер -инженер был запатентован каталитическим преобразователем. Houdry был экспертом по переработке каталитического масла, изобретая процесс каталитического растрескивания, на котором основано все современные переработки. Худри переехал в Соединенные Штаты в 1930 году, чтобы жить рядом с нефтеперерабатывающими заводами в Филадельфии и разработал свой каталитический процесс уточнения. Когда были опубликованы результаты ранних исследований смога в Лос-Анджелесе, Худри стал обеспокоен ролью выхлопных труб и выхлопных газов в дымовой трубе и автомобильной выхлопной газы в загрязнении воздуха и основал компанию под названием Oxy-катализатор. Впервые Houdry разработал каталитические конвертеры для дымовых труб , называемых «кошками» для коротких, а затем разработанных каталитических конвертеров для складских вилочных погрузчиков, в которых использовался неэтилированный бензин с низким уровнем. В середине 1950-х годов он начал исследования по разработке каталитических конвертеров для бензиновых двигателей, используемых на автомобилях, и получил патент в США 2742 437 за свою работу.

Каталитические конвертеры были дополнительно разработаны серией инженеров, включая Карла Д. Кейта , Джона Дж. Муни , Антонио Элеазара и Филиппа Мессины в Энгельхард Корпорации, Создание первого производственного каталитического конвертера в 1973 году.

Первое широко распространенное введение каталитических конвертеров было на автомобильном рынке Соединенных Штатов. Чтобы соответствовать новым правилам выбросов выхлопных газов Агентства по охране окружающей среды США , большинство транспортных средств с бензином, изготовленными начиная с 1975 года, оснащены каталитическими конвертерами. Ранние каталитические преобразователи были «двусторонними», сочетающими кислород с ороксидом углерода (CO) и несгоревшими углеводородами (HC, химические соединения в топливе формы C _M H _N ) для получения углекислого газа (CO ₂ ) и воды (H ₂ O ) Эти строгие правила контроля выбросов также привели к удалению антикнока тетраэтилового свинца из автомобильного бензина, чтобы уменьшить свинец в воздухе. Свинец и его соединения - это катализаторные яды и грязные каталитические конвертеры, покрывая поверхность катализатора. Требование удаления свинца позволило использовать каталитические конвертеры для соответствия другими стандартами выбросов в правилах. Снизить вред В 1970-х годах была разработана выбросы _x , это была разработана система с двумя катализаторами-это добавило отдельный (Rhodium/Platinum) катализатор, который уменьшился Нет _X впереди воздушного насоса, после чего двусторонний каталитический конвертер (Palladium/Platinum) удалял HC и CO. Эта громоздкая и дорогая система вскоре стала избыточной, после того как было отмечено, что в некоторых условиях начальный катализатор также удалял HC и CO. Это привело к развитию трехстороннего катализатора, что стало возможным благодаря развитию электроники и управления двигателями.

Уильям С. Пфефферле разработал каталитическое сгорание для газовых турбин в начале 1970 -х годов, что позволило сжигать сжигание без значительного образования оксидов азота и окиси углерода. Также были разработаны четырехсторонние каталитические преобразователи, которые также удаляют частицы от выхлопных газов двигателя; Поскольку большинство из этих частиц являются несгоревшими углеводородами, их можно сжечь, чтобы преобразовать их в углекислый газ.

Строительство

Вырез из металлического конвертера

Керамический конвертер

Конструкция каталитического конвертера следующая:

1. катализатора Поддержка или субстрат . Для автомобильных каталитических конвертеров ядро ​​обычно представляет собой керамический монолит с сотовой структурой (обычно квадратная, а не гексагональная). (До середины 1980 -х годов материал катализатора был отложен на упакованном слое глиноземных гранул в ранних приложениях GM.) Монолиты металлической фольги, изготовленные из Кантала (FECRAL). используются в приложениях, где требуется особенно высокая теплостойкость. Подложка структурирован для получения большой площади поверхности . Керамический субстрат Cordierite , используемый в большинстве каталитических конвертеров, был изобретен Родни Багли , Ирвин Лахман и Рональд Льюис в Corning Glass , для которого они были введены в Зал славы Национального изобретателей в 2002 году.
2. Мытье. Умывальник является носителем для каталитических материалов и используется для рассеивания материалов на большой площади поверхности. Оксид алюминия , диоксид титана , диоксид кремния, например, коллоидный кремнезем или смесь кремнезема и алюминия . Каталитические материалы подвешены в стирке перед применением в ядро. Материалы для промывки выбираются для образования шероховатой , нерегулярной поверхности, которая увеличивает площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью голой подложки.
3. Церия или Церия-Циркония . Эти оксиды в основном добавляются в качестве промоторов хранения кислорода.
4. Сам катализатор чаще всего представляет собой смесь драгоценных металлов , в основном из платиновой группы . Platinum является наиболее активным катализатором и широко используется, но не подходит для всех применений из -за нежелательных дополнительных реакций и исторически высокой стоимости. Palladium и Rhodium - это два других драгоценных металла, хотя по состоянию на февраль 2023 года Platinum стал наименее дорогим из металлов платиновой группы. Rhodium используется в качестве восстановительного катализатора, палладий используется в качестве катализатора окисления , а платина используется как для восстановления, так и для окисления. Cerium , Iron , Manganese и Nickel также используются, хотя у каждого есть ограничения. Никель не является законным для использования в Европейском союзе из -за его реакции с окисью углерода на токсичный никелевый тетракарбонил . Медь может использоваться в большинстве стран, за заметным исключением в Японии .

После сбоя каталитический преобразователь может быть переработан в лом . Драгоценные металлы внутри преобразователя, включая платину, палладий и родия, извлечены.

Расположение каталитических конвертеров

Каталитические преобразователи требуют эффективной работы температуры 400 ° C (750 ° F). Следовательно, они расположены как можно ближе к двигателю, или один или несколько более мелких каталитических преобразователей (известных как «предварительные выводы») расположены сразу после выхлопного коллектора.

Типы

Двусторонний

Двухсторонний (или «окисление», иногда называемый «окси-ката») каталитический конвертер имеет две одновременные задачи:

1. Окисление окиси углерода до диоксида углерода : 2CO + O ₂ → 2CO ₂
2. Окисление углеводородов (несгоревшее и частично сжигаемое топливо) до диоксида углерода и воды : C _x H _{2 x +2} +[(3 x +1)/2] O ₂ → X CO ₂ +( x +1) H ₂ O ( реакция сжигания)

Этот тип каталитического преобразователя широко используется на дизельных двигателях для снижения выбросов углеводорода и угарного газа. Они также использовались на бензиновых двигателях в американских и канадских автомобилях до 1981 года. Из-за их неспособности контролировать оксиды азота , производители кратко установили системы с двумя катализаторами, с Нет _x Reducing, Rhodium/Platinum Catalyst впереди воздушного насоса, что привело к развитию трехстороннего преобразователя. Oxi-Cat также продолжал использоваться на определенных, более дешевых автомобилях на некоторых рынках, таких как Европа, где Выбросы x _{не были повсеместно регулированы до} введения в 2000 году стандарта выбросов Euro 3.

Трехсторонний

Трехсторонние каталитические преобразователи имеют дополнительное преимущество в контроле эмиссии оксида азота (NO) и диоксида азота (№ ₂ ) (оба вместе сокращены с Нет _X и не путать с оксидом азота (N ₂ O ). Никакие _{виды X} не являются предшественниками кислотного дождя и смога .

С 1981 года в системах управления выбросами транспортных средств в Соединенных Штатах и ​​Канаде использовались «трехсторонние» (снижение окисления); Многие другие страны также приняли строгие правила выбросов транспортных средств , которые фактически требуют трехсторонних преобразователей на транспортных средствах с бензином. Катализаторы восстановления и окисления обычно содержатся в общем корпусе; Однако в некоторых случаях они могут быть размещены отдельно. Трехсторонний каталитический преобразователь имеет три одновременные задачи:

Восстановление оксидов азота до азота (N ₂ )

• ${\text{C}}+2{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+2{\text{NO}}$
• ${\text{CO}}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}$
• $2{\text{CO}}+{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,2{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}$
• ${\text{H}}_{2}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}$

Окисление углерода, углеводородов и окиси углерода до углекислого газа

• ${\text{C}}+{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}$
• ${\text{CO}}+{\frac {1}{2}}{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}$
• $a\,{\text{C}}_{x}{\text{H}}_{y}+b\,{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,c\,{\text{CO}}_{2}+d\,{\text{H}}_{2}{\text{O}}\qquad a,\,b,\,c,\,d,\,x,\,y\in \mathbb {Z}$

Эти три реакции встречаются наиболее эффективно, когда каталитический преобразователь получает выхлопку от двигателя, работающего немного выше стехиометрической точки. Для сжигания бензина это соотношение составляет от 14,6 до 14,8 частей воздуха до одной части топлива, по весу. Соотношение для автогазы (или сжиженного нефтяного газа LPG), природного газа и этанольного топлива может значительно варьироваться для каждого, в частности, с топливом для кислорода или на спиртовой основе, причем E85 требует примерно на 34% больше топлива, что требует модифицированной настройки топливной системы и компонентов, когда они требуют примерно на 34% топлива, что требует модифицированной топливной системы и компонентов, когда они требуют примерно на 34% больше топлива, что требует модифицированной настройки топливной системы и компонентов. Используя эти топлива. Двигатели, оснащенные регулируемыми трехсторонними каталитическими преобразователями, оснащены компьютеризированной с закрытой контукой с обратной связью системой впрыска топлива с использованием одного или нескольких датчиков кислорода (также известных как Lambda Sonds или датчики). другие варианты, объединенные трехсторонними преобразователями с карбюраторами, Использовали оснащенными контролем смеси обратной связи. Нерегулируемый трехсторонний конвертер оснащен теми же химическими процессами, но без датчика кислорода, что означало более высокий Нет _x выбросов, особенно при частичных нагрузках. Это были недорогие решения, которые обычно использовались для модернизации для старых автомобилей или для небольших, более дешевых автомобилей.

Трехсторонние преобразователи эффективны, когда двигатель эксплуатируется в узкой полосе соотношений воздуха и проживания вблизи стехиометрической точки. Общая эффективность конверсии падает очень быстро, когда двигатель работает за пределами этой полосы. Слегка наклонение стехиометрического, выхлопные газы из двигателя содержат избыток кислорода, производство Нет _x по двигателю увеличивается, и эффективность катализатора при сокращении Нет, _x быстро не падает. Тем не менее, преобразование HC и CO очень эффективно из -за доступного кислорода, окисления до H ₂ O и CO ₂ . Немного богатый стехиометрический, производство CO и несгоревшего HC с помощью двигателя начинает значительно увеличиваться, доступный кислород уменьшается, а эффективность катализатора для окисления CO и HC значительно снижается, особенно когда сохраняется сохраненный кислород. Однако эффективность катализатора при сокращении Нет _x хорошего, и производство Нет _x от двигателя уменьшается. Чтобы поддерживать эффективность катализатора, соотношение воздуха и проживания должно оставаться близко к стехиометрическим и не оставаться богатым или слишком долго.

Системы управления двигателями с замкнутым сплоченным Нет _{снижения x} и окисление HC+CO. Система управления позволяет катализатору высвобождать кислород в слегка богатых условиях эксплуатации, что окисляет CO и HC в условиях, которые также способствуют снижению NOx. До того, как сохранится хранящий кислород Нет _x эффективности снижения . Затем смеси воздуха и проживания возвращается к слегка богатым, при небольшом штрафе в эффективности окисления CO и HC, и цикл повторяется. Эффективность улучшается, когда этот колебания вокруг стехиометрической точки малы и тщательно контролируются.

Контроль с закрытой контуром под светом до умеренной нагрузки выполняется с использованием одного или нескольких датчиков кислорода в выхлопной системе. Когда датчик обнаруживается кислородом, соотношение воздуха и проживания наклоняется к стехиометрическому, а когда кислород не обнаруживается, оно богато. Система управления корректирует скорость ввода топлива в двигатель на основе этого сигнала, чтобы сохранить соотношение воздуха и проживания вблизи стехиометрической точки, чтобы максимизировать эффективность преобразования катализатора. Алгоритм управления также влияет временная задержка между регулировкой скорости потока топлива и определением измененного соотношения воздуха и проживания датчиком, а также сигмоидальным откликом датчиков кислорода. Типичные системы управления предназначены для быстрого смещения соотношения воздуха и проживания таким образом, чтобы они слегка колебались вокруг стехиометрической точки, оставаясь вблизи оптимальной точки эффективности при управлении уровнями сохраненного кислорода и несгоревшего HC.

Контроль с замкнутым контуром часто не используется во время высокой нагрузки/максимальной работы мощности, когда разрешено увеличение выбросов и пробуждается богатая смесь для увеличения мощности и предотвращения температуры выхлопного газа от превышения конструктивных пределов. Это представляет собой проблему для системы управления и конструкции катализатора. Во время таких операций большое количество несгоревшего HC производится двигателем, что далеко за пределы способности катализатора высвобождать кислород. Поверхность катализатора быстро насыщается HC. При возвращении к более низкой выходной мощности и более слабым соотношениям воздуха и проживания, система управления должна предотвратить слишком быстрое достижение чрезмерного кислорода, так как это будет быстро сжечь HC в уже горячем катализаторе, что потенциально превышает ограничение температуры конструкции катализатора. Чрезмерная температура катализатора может преждевременно возражать от катализатора, снижая его эффективность, прежде чем достичь срока службы проектирования. Чрезмерная температура катализатора также может быть вызвана пропуском цилиндров, что непрерывно течет несгоревшего HC в сочетании с кислородом с горячим катализатором, сжиганием в катализаторе и повышении его температуры.

Нежелательные реакции

Нежелательные реакции приводят к образованию сероводорода и аммиака , которые ядовиты катализаторами. Никель или марганец иногда добавляются в стирку, чтобы ограничить выбросы водорода-сульфида. Без серы или с низким содержанием корпуса топлива устраняют или минимизируют проблемы с серо водорода.

Дизельные двигатели

Для двигателей сжатия (т.е. дизельного топлива ) наиболее часто используемым каталитическим конвертером является катализатор окисления дизельного топлива (DOC). Документы содержат палладий или платину , поддерживаемую на глинозем . Этот катализатор преобразует частиц (PM), углеводороды и угарного газа в газ в газ углекислый газ и воду. Эти преобразователи часто работают с эффективностью 90 процентов, практически устраняя дизельный запах и помогая уменьшить видимые частицы. Эти катализаторы неэффективны для Нет _x , так что Никакие _{выбросы x} из дизельных двигателей контролируются рециркуляцией выхлопных газов (EGR).

В 2010 году большинство производителей дизельного топлива в США добавили каталитические системы в свои транспортные средства для удовлетворения федеральных требований к выбросам. Было разработано две методы для каталитического восстановления Нет _x выбросов в условиях выхлопного выхлопа, селективного каталитического восстановления (SCR) и Нет _x Адсорбер .

Вместо драгоценного металла, содержащего Нет _x поглотители, большинство производителей выбрали системы SCR-базовой металле, которые используют реагент, такой как аммиак , чтобы уменьшить Нет _x в азот и вода. Аммиак подается в систему катализатора путем инъекции мочевины в выхлоп, который затем подвергается тепловой разложению и гидролизе в аммиак. Решение мочевины также называется дизельной выхлопной жидкостью (DEF).

Выхлоп дизеля содержит относительно высокие уровни твердых частиц. Каталитические преобразователи удаляют только 20–40% PM, поэтому частицы очищаются с помощью ловушки для сажи или дизельных частиц (DPF). В США все транспортные средства для проведения световых, средних и тяжелых дизельных двигателей, построенные после 1 января 2007 года, подвержены лимитам излучения частиц дизельных частиц, и поэтому оснащены двусторонним каталитическим преобразователем и дизельным фильтром частиц. Полем Пока двигатель был изготовлен до 1 января 2007 года, автомобиль не обязан иметь систему DPF. Это привело к запуску производителей двигателей в конце 2006 года, чтобы они могли продолжать продавать автомобили перед DPF до 2007 года.

Двигатели с зажиганием на сжигание

Для на худшем зажигании движков с зажиганием используется катализатор окисления так же, как и в дизельном двигателе. Выбросы из двигателей зажигания Lean Burn Spark очень похожи на выбросы от двигателя зажигания дизельного топлива.

Установка

двигателя Многие транспортные средства имеют каталитический конвертер с тесной связью, расположенный рядом с выхлопным коллектором . Конвертер быстро нагревается из-за его воздействия очень горячих выхлопных газов, что позволяет ему уменьшить нежелательные выбросы в течение периода разминки двигателя. Это достигается за счет сжигания избыточных углеводородов, которые возникают в результате очень богатой смеси, необходимой для холодного запуска.

Когда каталитические конвертеры были впервые введены, большинство автомобилей использовали карбюраторы , которые обеспечивали относительно богатое соотношение воздушного топлива . Следовательно, уровни кислорода (O ₂ ) в потоке выхлопных газов, как правило, были недостаточны, чтобы каталитическая реакция возникала эффективно. Следовательно, большинство конструкций того времени включали вторичную инъекцию воздуха , которая вводила воздух в поток выхлопных газов. Это увеличило доступный кислород, позволяя катализатору функционировать как предполагалось.

Некоторые трехсторонние системы каталитических преобразователей имеют системы впрыска воздуха с введенным воздухом между первым ( Нет _x восстановление) и второй (HC и CO окисление) стадий конвертера. Как и в двухсторонних конвертерах, этот инъекционный воздух обеспечивает кислород для реакций окисления. Точка впрыска воздуха вверх по течению, впереди каталитического преобразователя, также иногда присутствует, чтобы обеспечить дополнительный кислород только в период разминки двигателя. Это приводит к тому, что несгоревшее топливо зажигает в выхлопных трактах, тем самым предотвращая его достижение каталитического преобразователя вообще. Этот метод уменьшает время выполнения двигателя, необходимое для того, чтобы каталитический преобразователь достиг его «светового» или рабочей температуры .

Большинство новых транспортных средств имеют электронные системы впрыска топлива и не требуют систем впрыска воздуха в их выхлопах. Вместо этого они обеспечивают точно контролируемую смесь воздушного топлива, которая быстро и постоянно циклически цитируется между худым и богатым сгоранием. Датчики кислорода контролируют содержание выхлопного кислорода до и после каталитического преобразователя, а блок управления двигателем использует эту информацию для регулировки впрыска топлива, чтобы предотвратить первое (первое (первое ( Нет _{восстановления x} ) катализатор от того, чтобы стать нагруженным кислородом, одновременно обеспечивая обеспечение второго (HC и CO окисляемого) катализатора достаточного насыщенного кислородом.

Повреждать

Отравление катализатором происходит, когда каталитический преобразователь подвергается воздействию выхлопных веществ, содержащих вещества, которые покрывают рабочие поверхности, так что они не могут контактировать и реагировать с выхлопом. Наиболее заметным загрязнением является свинец , поэтому транспортные средства, оснащенные каталитическими преобразователями, могут работать только на неэтилированном топливе. Другие распространенные яды катализатора включают серу , марганцевую часть (происходящую в основном из бензиновой добавки MMT ), и кремний , который может попасть в выхлопную поток, если двигатель имеет утечку, которая позволяет охлаждающей жидкости в камеру сгорания. Фосфор является еще одним загрязнителем катализатора. Хотя фосфор больше не используется в бензине, он (и цинк , другой низкоуровневый катализатор катализатора) широко использовался в добавках анти-ухода на моторном масле, таких как цинк дитиофосфат (ZDDP). GF-4 был принят предел концентрации фосфора в моторных маслах Начиная с 2004 года, в спецификациях API SM и ILSAC .

В зависимости от загрязняющих веществ, отравление катализатором иногда можно изменить, запустив двигатель под очень тяжелой нагрузкой в ​​течение длительного периода времени. Повышенная температура выхлопа может иногда испаряться или сублимировать загрязняющий вещество, удаляя его с каталитической поверхности. Однако удаление отложений свинца таким образом обычно невозможно из -за высокой точки кипения свинца.

Любое состояние, которое вызывает ненормально высокие уровни несгоревших углеводородов (сырого или частично сгоревшего топлива или масла), чтобы достичь преобразователя, будет значительно повысить свою температуру, обеспечивая риск расплавления субстрата и результирующей каталитической дезативации и строгого ограничения выхлопных газов. Эти условия включают в себя сбой восходящих компонентов выхлопной системы (сборка многообразии или заголовка и связанные с ними зажимы, восприимчивые к ржавчине, коррозии или усталости, таким как расщепление выхлопных коллекторов после повторного теплового цикла), система зажигания (например, пачки катушки, первичное зажигание зажигания) , крышка дистрибьютора, провода, катушка зажигания и свечи зажигания) или компоненты поврежденной топливной системы (например, топливные форсунки, регулятор давления топлива и связанные с ними датчики). Утечки нефти и охлаждающей жидкости, возможно, вызванные утечкой прокладки головки, также могут вызвать высокие несгоревшие углеводороды.

Правила

Правила выбросов значительно варьируются от юрисдикции до юрисдикции. Большинство автомобильных двигателей зажигания искры в Северной Америке были оснащены каталитическими конвертерами с 1975 года, и технология, используемая в неавтомотивных приложениях, обычно основана на автомобильной технологии. Во многих юрисдикциях незаконно удалять или отключить каталитический конвертер по любой причине, кроме прямой и немедленной замены. Тем не менее, некоторые владельцы транспортных средств удаляют или «кишат» каталитический конвертер на своем автомобиле. В таких случаях преобразователь может быть заменен сварной частью обычной трубы или фланцевой «испытательной трубой», якобы призванным проверить, забит ли преобразователь, сравнивая, как двигатель работает с конвертером и без него. Это облегчает временную переустановку преобразователя, чтобы пройти тест на излучение.

В Соединенных Штатах это нарушение раздела 203 (а) (3) (а) Закона о чистом воздухе с измененным 1990 воздухом транспортное средство, за исключением того, чтобы заменить его другим преобразователем, и раздел 203 (a) (3) (b) делает незаконным для любого лица продавать или установить любую часть, которая будет обходить, побеждать или делать неработающую систему управления выбросами, устройство или элемент проектирования. Транспортные средства без функционирования каталитических преобразователей обычно проводят инспекции выбросов. Автомобильный вторичный рынок поставляет конвертеры с высоким потоком для транспортных средств с модернизированными двигателями или чьи владельцы предпочитают выхлопную систему с более высокой, чем устойчивой.

Каталитические конвертеры были обязательными для всех новых бензиновых автомобилей, продаваемых в Европейском Союзе и Соединенном Королевстве с 1 января 1993 года, чтобы соответствовать стандартам выбросов Euro 1 .

Влияние на поток выхлопа

Неисправные каталитические конвертеры, а также неповрежденные ранние типы конвертеров могут ограничивать поток выхлопных газов, что отрицательно влияет на производительность транспортных средств и экономию топлива. Современные каталитические преобразователи не ограничивают поток выхлопных газов. Например, тест в 2006 году на Honda Civic 1999 года показал, что удаление стокового каталитического преобразователя увеличило увеличение максимальной мощности на 3%; Новый металлический конвертер ядра стоит только на 1% лошадиных сил по сравнению с NO.

Опасность

Карбюраторы на транспортных средствах до 1981 года без обратной связи. Управление смесей топливных воздушных смесей может легко обеспечить слишком много топлива для двигателя, что может привести к перегреванию каталитического преобразователя и потенциально воспламеняемых легковоспламеняющихся материалов под автомобилем.

Период разминки

Транспортные средства, оснащенные каталитическими преобразователями, выделяют большую часть их общего загрязнения в течение первых пяти минут работы двигателя; Например, до того, как каталитический преобразователь нагрелся достаточно, чтобы быть полностью эффективным.

В начале 2000-х годов стало обычным делом разместить конвертер катализатора рядом с выхлопным коллектором, недалеко от двигателя, для гораздо быстрой разминки. В 1995 году Альпина ввела электрически нагретый катализатор. Называемый «e-kat», он использовался в Alpina's B12 5,7 E-KAT на основе BMW 750i . Нагревающие катушки внутри каталитических конвертер -сборок электрифицируются сразу после запуска двигателя, что очень быстро доведет катализатор до рабочей температуры, чтобы определить транспортное средство для обозначения транспортного средства с низким уровнем выбросов (LEV). BMW позже ввел тот же нагретый катализатор, разработанный совместно с помощью Emitec, Alpina и BMW, в 750i в 1999 году.

Некоторые транспортные средства содержат предварительный CAT, небольшой каталитический преобразователь выше основного каталитического преобразователя, который нагревается быстрее при запуске транспортного средства, уменьшая выбросы, связанные с холодными запусками. Предварительный CAT чаще всего используется производителем автомобилей при попытке достичь рейтинга автомобиля с ультра низким выбросом (ULEV), например, на родстере Toyota MR2 .

Эффект окружающей среды

Каталитические преобразователи оказались надежными и эффективными в сокращении вредных выбросов хвостовой трубы. Тем не менее, они также имеют некоторые недостатки, а также неблагоприятные воздействия на окружающую среду в производстве:

• Двигатель, оснащенный трехсторонним катализатором, должен работать в стехиометрической точке , что означает, что больше топлива потребляется, чем в двигателе с худой . Это означает, что примерно на 10% больше выбросов CO ₂ от автомобиля.
• Выработка каталитического преобразователя требует палладий или платины ; Часть мира этих драгоценных металлов производится недалеко от Норильска , Россия, где отрасль (среди прочих) привела к добавлению Норильска в Time . список наиболее заглушенных мест журнала
• Крайняя жара самих конвертеров может вызвать лесные пожары , особенно в сухих местах.

Кража

См. Также: 2020–2022 гг.

Из -за внешнего местоположения и использования ценных драгоценных металлов, включая платину , палладий и родия , каталитические конвертеры являются мишенью для воров. Проблема особенно распространена среди пикапов на основе грузовиков поздней модели и внедорожников , из-за их высокого просмотра и легко снятых каталитических конвертеров. Сварные преобразователи также подвержены риску кражи, так как их можно легко отрезать. Каталитические конвертеры Toyota Prius также являются целями для воров. Каталитическим преобразователям гибридов требуется больше драгоценных металлов для правильной работы по сравнению с обычными транспортными средствами внутреннего сгорания, потому что они не становятся такими горячими, как те, которые установлены на обычных транспортных средствах, поскольку двигатели сгорания гибридов работают только часть времени.

Пиперуты часто используются для тихого удаления конвертера Но другие инструменты, такие как портативная поршневая пила, могут повредить другие компоненты автомобиля, такие как генератор , проводка или топливные линии, с потенциально опасными последствиями.

было введено двухпартийное законодательство о борьбе с кражей каталитического конвертера В 2023 году в Сенате США . Закон о предотвращении краж в переработке автомобилей (Закон о деталях) предписывает каталитические конвертеры в новых транспортных средствах с прослеживаемыми идентификационными номерами. Кроме того, законодательство сделает кражу каталитического конвертера федеральным уголовным преступлением.

Статистика

Рост цен на металл в США в течение 2000 -х годов бум приводил к значительному увеличению кражи конвертера. Каталитический конвертер может стоить более 1000 долларов США за замену, больше, если автомобиль поврежден во время кражи. Помимо повреждения других систем транспортного средства, кража также может привести к смерти и травмам воров.

Кражи каталитических преобразователей выросли в десять раз в Соединенных Штатах с конца 2010 -х до начала 2020 -х годов, что, по -видимому, вызвано ростом цен на драгоценные металлы, содержащиеся в конвертерах. Результаты исследования показывают среднюю эластичность цены 1,98, что означает, что на 10 -процентное увеличение цены на металл приводит к приблизительному увеличению краж на 20 процентов. По данным Национального бюро по борьбе с преступностью страхования , в 2018 году было зарегистрировано 1298 случаев кражи каталитического конвертера, которые в 2020 году увеличились до 14 433. В 2022 году сообщалось, что количество краж каталитических конвертера в Соединенных Штатах резко возросло до 153 000 краж за год.

С 2019 по 2020 год воры в Соединенном Королевстве нацеливались на гибридные автомобили более старых моделей (такие как гибриды Toyota ), которые имеют больше драгоценных металлов, чем более новые транспортные средства-иногда стоит больше, чем ценность автомобиля-лишняя до дефицита и длинные задержки в замене их.

появилась тенденция В 2021 году в Демократической Республике Конго , где, как утверждается, каталитические конвертеры были украдены для использования в незаконном производстве уличных лекарств. Считается, что препарат, порошок, известный как «Бомб», представлял собой смесь порошкообразных таблеток/витаминов и измельченных сотовых структур каталитических нейтральных преобразователей. Однако в 2023 году исследование различных образцов препарата пришло к выводу, что его предполагаемое происхождение от каталитических выхлопных газов было обнаружено необоснованным.

Диагностика

В настоящее время различные юрисдикции требуют встроенной диагностики для мониторинга функции и состояния системы контроля выбросов, включая каталитический конвертер. Транспортные средства, оснащенные системами диагностики OBD-II, предназначены для предупреждения водителя в условие осаждения, посредством освещения света «проверка двигателя» на приборной панели или прошивки его, если текущие условия осаждения достаточно серьезны, чтобы потенциально повредить каталитический преобразователь. Встроенные диагностические системы принимают несколько форм.

Датчики температуры используются для двух целей. Первый-это как система предупреждения, обычно на двусторонних каталитических конвертерах, таких как те, которые используются на вилочных погрузчиках с LPG. Функция датчика заключается в предупреждении о температуре каталитического преобразователя выше безопасного предела 750 ° C (1380 ° F). Современные конструкции каталитического конвертера не так восприимчивы к повреждению температуры и могут противостоять постоянным температурам 900 ° C (1650 ° F). Датчики температуры также используются для мониторинга функционирования катализатора: обычно будут установлены два датчика, причем один перед катализатором и один после мониторинга повышения температуры по сравнению с ядром каталитического конвертера.

Датчик кислорода является основой системы управления замкнутым контуром на загрязненном искровом двигателе сжигания; Тем не менее, это также используется для диагностики. У транспортных средств с OBD II второй датчик кислорода установлен после того, как каталитический преобразователь для мониторинга уровней O ₂ . Уровни O ₂ контролируются, чтобы увидеть эффективность процесса ожога. Встроенный компьютер проводит сравнение между показаниями двух датчиков. Показания принимаются путем измерений напряжения. Если оба датчика показывают один и тот же выход, либо задний O ₂ - «переключение», компьютер признает, что каталитический преобразователь либо не функционирует, либо удаляется, и будет управлять индикаторной лампой неисправности и влияет на производительность двигателя. Простые «симуляторы кислорода датчика» были разработаны, чтобы обойти эту проблему путем моделирования изменения в каталитическом преобразователе с планами и предварительно собранными устройствами, доступными в Интернете. Хотя они не являются законными для использования на дороге, они использовались со смешанными результатами. Подобные устройства применяют смещение датчиков, позволяя двигателю запускать более топливный экономический ожог, который, однако, может повредить двигатель или каталитический преобразователь.

Никакие _X датчики не являются чрезвычайно дорогими и в целом используются только тогда, когда двигатель с компрессионным загребтом оснащен селективным конвертером каталитической восстановления (SCR) или Нет _x поглотителя в системе обратной связи. При установке в систему SCR, может быть один или два датчика. Когда один датчик будет установлен, он будет предварительно катализатор; Когда два будут установлены, второй будет пост-катализатор. Они используются по тем же причинам и так же, как и датчик кислорода; Единственная разница - это вещество, которое контролируется.

Смотрите также

• Каталитический обогреватель
• Оксид церия (III)
• Список автоматических частей
• Нет _x Адсорбер
• Моделирование воздушной дисперсии дороги

Дальнейшее чтение

• Keith, CD, et al. Патент США 3441 381 : «Аппарат для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания». 29 апреля 1969 года
• Lachman, IM et al. Патент США 3885 977 : «Анизотропный монолит кордиерит» (керамический субстрат). 5 ноября 1973 года
• Чарльз Х. Бейли. Патент США 4094 645 : «Комбинированный глушитель и каталитический преобразователь, имеющий нижнее обратное давление». 13 июня 1978 года
• Чарльз Х. Бейли. Патент США 4,250,146 : «Беззорный монолитный каталитический конвертер». 10 февраля 1981 года
• Шринивасан Гопалакришнан. GB 2397782   : «Процесс и синтезатор для молекулярной техники материалов». 13 марта 2002 г.