Что такое каталитический нейтрализатор и почему он должен работать в определённом диапазоне?

Короткий ответ.

Это часть выхлопной системы, которая помогает очищать выхлопные газы. Обычно сразу после неё (или в ней) находится датчик, который контролирует её работу. Я думаю, что в новых автомобилях она может влиять на соотношение воздуха и топлива, если двигатель работает на бедной или богатой смеси.

Он вам не обязательно нужен, но если вы всё же решите его снять, то хотя бы установите на его место обычную выхлопную трубу. Это уменьшит шум и противодавление.

• Почему он должен работать в определённом диапазоне химических веществ?

Подаваемый в каталитический нейтрализатор бензинового двигателя газ (выхлопные газы) должен находиться в очень узком диапазоне топливной смеси, поскольку химические реакции, в результате которых снижается содержание оксидов азота и окисляются углеводороды, зависят от состава смеси и являются взаимоисключающими. Оксиды азота могут быть снижены только в богатой топливом среде, а углеводороды могут быть окислены только в бедной среде с доступом кислорода.

Наиболее важными уравнениями, описывающими окисление углеводородов, являются:

H2 + 0,5 O2 -> H2O (i)

CO + 0,5 O2 -> CO2 (ii)

C3H6 + 4,5 O2 -> 3CO2 + 3H2O (iii)

C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O (iv)

Наиболее важными уравнениями, описывающими процесс восстановления NOx, являются:

H2 + NO -> H2O + 0,5 N2 (v)

CO + NO -> CO2 + 0.5N2 (vi)

C3H6 + 9NO -> 3CO2 + 3H2O + 4.5N2 (vii)

C3H8 + 10NO -> 3CO2 + 4H2O + 5N2 (viii)

Реакция с церием:
Ce2O3 + 0,5 O2 -> 2CeO2 (ix)

Единственная топливная смесь, которая соответствует требованиям обеих реакций, — это смесь, близкая к стехиометрической. Катализатор снижает выбросы оксидов азота и углеводородов примерно на 80 %, если смесь находится в очень узком диапазоне топливных смесей. Рабочий диапазон коэффициента избытка воздуха составляет от 14,55 до 14,69. (Лямбда от 0,995 до 1,005). Это смесь, которая отклоняется от стехиометрической более чем на ½ %.

Графическое изображение этой концепции.

Распространённое заблуждение состоит в том, что для завершения реакции смесь должна переходить из обогащённого состояния в обеднённое. Это не так; она должна оставаться в определённом диапазоне. В старых системах требовалось переключать смесь, чтобы она оставалась в определённом диапазоне, потому что узкополосный датчик кислорода показывает только стехиометрическую смесь. Широкополосные датчики не переключают смесь; они поддерживают стабильную смесь в ещё более узком диапазоне, что повышает степень преобразования загрязняющих веществ до уровня выше 80 %, которого можно было достичь с помощью узкополосной системы переключения.

Всё это взято с сайта http://auto.howstuffworks.com/catalytic-converter2.htm

Хорошо, давайте рассмотрим каждый из них по порядку:

Что такое каталитический нейтрализатор?

Это устройство, расположенное на выхлопной системе вашего автомобиля, которое очищает выхлопные газы от нежелательных примесей.

Как это работает?

В химии катализатор ускоряет химическую реакцию, фактически не участвуя в ней. В случае с катализатором в вашем автомобиле это платина, родий, палладий, а сегодня даже золото. В вашем автомобиле используются два типа катализаторов: восстановительные и окислительные. Основная идея заключается в том, чтобы создать корпус, который будет находиться в потоке выхлопных газов и максимально увеличит площадь поверхности катализатора, при этом количество катализатора должно быть небольшим, так как он очень дорогой. Сегодня в некоторых из них используется золото, потому что оно дешевле других металлов.

Катализатор восстановления — это первая ступень нейтрализатора, которая используется для удаления молекул NO или NO₂ из газового потока. Когда эти молекулы попадают на катализатор, они преобразуются в N и O₂. N и O₂ безвредны, а NO и NO₂ — не очень.

Вторая ступень предназначена для снижения выбросов углеводородов и угарного газа за счёт их сжигания на сотовом катализаторе, который виден на изображении выше.

Для чего они нужны в автомобиле?

См. выше. Они удаляют из выхлопных газов нежелательные токсичные вещества.

Нужны ли они (то есть есть ли они во всех автомобилях)?

В США по крайней мере каждый автомобиль, выпущенный после 1975 года, должен был иметь такой номер. Вы не сможете зарегистрировать автомобиль, если он был снят с учёта.

Почему он должен работать в определённом химическом диапазоне?

Что касается того, почему химическая реакция происходит только в узком диапазоне топливно-воздушной смеси, то я понятия не имею.

И ещё кое-что, и я думаю, что вы почерпнули эту идею у меня, так что прошу прощения за неясность. Дело не в том, что каталитический нейтрализатор выделяет избыточное тепло при работе за пределами своего химического диапазона. Если двигатель работает на слишком бедной смеси, то именно бедная смесь вызывает нагрев, а не каталитический нейтрализатор.

Каталитический нейтрализатор состоит из структуры, покрытой драгоценными металлами. Когда каталитические нейтрализаторы только появились, эта структура представляла собой керамические шарики, покрытые металлами. Это было не очень эффективно, и структуру изменили на сотовую или монолитную, обе из керамики. Трубки сотовой структуры проходят через весь нейтрализатор. Монолитная структура похожа на сотовую, но вместо шестиугольников в ней квадраты.

В состав каталитического нейтрализатора входят четыре металла: платина, родий, палладий и церий. Эти металлы вступают в реакцию с четырьмя вредными загрязняющими веществами при достаточно высокой температуре нейтрализатора. Выражение «нейтрализатор сработал» означает, что температура достигла достаточно высокого уровня для начала химической реакции.

Выбросы, нарушающие экологический баланс, — это оксиды азота (NOx), углеводороды (HC) и угарный газ (CO). Эти загрязняющие вещества распадаются в различных условиях. CO и HC распадаются, когда топливная смесь бедная. В бедной смеси больше кислорода, и этот избыток кислорода используется для окисления CO в CO2 и распада HC на CO2 и H2O. NOx распадается в богатой смеси, когда кислорода очень мало. NOx распадается на N2 и O2, высвобождая кислород. Эти процессы в конвертере происходят с участием платины, родия и палладия.

Церий в преобразователе используется в качестве накопителя кислорода. Когда смесь бедная, церий накапливает кислород. Когда смесь богатая, церий высвобождает кислород, чтобы помочь преобразовать загрязняющие вещества, которым нужен кислород.

Поскольку условия, при которых происходит расщепление загрязняющих веществ, противоположны друг другу, автомобилю приходится постоянно переключаться с обедненной смеси на обогащенную и обратно, чтобы должным образом преобразовывать все выбросы. Это приводит к тому, что автомобиль работает в узком диапазоне около стехиометрического соотношения, или 14,7:1, постоянно переключаясь между режимами.

Эти выбросы вредны для здоровья (в Google можно найти много информации). Каталитический нейтрализатор преобразует их в безвредные вещества.

В США все автомобили, эксплуатируемые на дорогах общего пользования, должны быть оснащены каталитическим нейтрализатором. Исключения составляют очень старые автомобили, автомобили весом более 4500 кг, дизельные автомобили (у них есть кое-что другое), а также некоторые другие, но перечисленные выше встречаются чаще всего.