Всё об автомобильных каталитических нейтрализаторах

Надеемся, статья вам понравится. Приятного чтения.

История: от первых экспериментов до массового внедрения

Идея очистки выхлопных газов появилась еще задолго до внедрения стандартов, ограничивающих содержание вредных веществ в выхлопных газах автомобильного транспорта. Промышленные очистные установки, сходные по принципу действия с современными автомобильными катализаторами, массово ставились еще в 80-х годах. Особенно на предприятиях, расположенных в непосредственной близости к жилым кварталам.

В 1988 году был официально подписан стандарт ЕВРО-0. Он регламентировал количество окисей углерода и азота, а также содержание летучих углеводородов в выхлопных газах бензиновых авто. Существовал этот стандарт формально и практического применения не имел. То есть на автомобильной индустрии никак не отразился.

Ситуация несколько изменилась в 1992 году. Тогда вышел новый экологический стандарт ЕВРО-1, который распространялся уже и на дизельные моторы. Несмотря на ужесточение требований к выбросам, существенных изменений в технологии производства двигателей не произошло. Почти все автопроизводители без проблем вписались в рамки нового экологического класса. В некоторых моделях авто были изменены настройки топливных систем. Но глобальных переработок уже созданных двигателей и их систем питания не потребовалось.

В 1995 году был введен следующий класс: ЕВРО-2. И здесь многие автопроизводители не смогли вложиться в нормы, прописанные в стандарте. Разрабатывать принципиально новые системы питания или существенно модернизировать имеющиеся было экономически нецелесообразно. Также это требовало некоторого времени. Решение нашлось в оснащении системы выпуска специальным устройством: каталитическим конвертером-нейтрализатором.

После 1999 года, с вводом стандарта ЕВРО-3, катализаторы ставились на все вновь производимые легковые авто в Европе, Японии и Америке. Хотя, как показывали исследования, некоторые новые автомобили и без систем очистки вписывались в нормы.

Сегодня все современные авто оснащаются катализаторами выхлопных газов.

Конструкция

Конструктивно каталитический конвертер-нейтрализатор устроен довольно просто. Это приспособление состоит из двух частей:

• корпуса с негорючей эластичной подложкой;
• ячеистого основания, покрытого специальным напылением.

Основание нейтрализатора по форме чаще всего делается цилиндрической или эллипсоидной формы. Иногда встречаются основания в форме параллелепипеда. Изготавливаются они из термостойкой керамики или металла.

В основании по всему объему выполнены сквозные каналы, которые имеют диаметр до 2 мм. Эти каналы изнутри покрыты напылением из благородных металлов или их сплавов. Общая площадь всех каналов должна соответствовать диаметру участка выпускного тракта, в котором уложено тело катализатора. Это предотвращает перепад давлений в системе выпуска и позволяет отработавшим газам проходить без завихрений.

Корпус по форме повторяет контур тела катализатора. По всей внутренней поверхности корпуса укладывается эластичный негорючий материал. Обычно это минеральная вата. Служит этот материал для предотвращения хрупкого разрушения от воздействия вибрации или при ударных нагрузках. Особенно уязвимо к механическому воздействию керамическое основание.

Принцип работы

Для полного понимания всей картины, какую роль в автомобиле играет каталитический нейтрализатор и как его работа связана с другими узлами авто, рассмотрим отдельно некоторые аспекты функционирования системы питания и ее взаимодействие с устройством очистки отработавших газов.

Система питания современных авто

В качестве примера рассмотрим классический вариант бензинового автомобиля с непосредственным впрыском.

В первую очередь нужно понимать, что в современном авто педаль газа в лучшем случае механически связана только с дроссельной заслонкой (иногда даже эта связь отсутствует). То есть нажатие на акселератор лишь увеличивает или уменьшает количество подаваемого в цилиндры воздуха. За подачу топлива полностью отвечает электроника.

И здесь второй момент, который важно не упустить для полного понимания картины: все системы питания современных авто, особенно зарубежного производства, заточены на максимально безопасную для экологии работу и минимальное потребление бензина. Именно поэтому электронный блок управления двигателем (ЭБУ) стремится создать смесь, максимально близкую к стехиометрическому соотношению.

Стехиометрическое соотношение — это такая пропорция воздуха и топлива, при которой происходит полное сгорание бензина со связыванием всего свободного кислорода. Эта пропорция для бензина составляет 14,7 к 1. То есть на 14,7 масс воздуха требуется одна масса бензина.

Для того чтобы блок управления смог понять, сколько топлива нужно подать в данный момент в цилиндры и при этом максимально приблизиться к стехиометрическому соотношению, современный двигатель оснащен большим количеством различных датчиков. Рассмотрим кратко эти датчики.

1. Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ). Оценивает количество воздуха, непосредственно поданного во впускной коллектор.
2. Датчик кислорода (лямбда-зонд). Контролирует количество несгоревшего кислорода в отработавших газах.
3. Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ). Указывает положение дроссельной заслонки, то есть говорит о том, сколько воздуха может потенциально пройти в цилиндры.
4. Датчик температуры подаваемого воздуха. Плотность воздуха меняется с изменением его температуры, поэтому этот датчик служит для корректировки показаний ДМРВ.
5. Датчик температуры двигателя. Измеряет температуру охлаждающей жидкости.
6. Датчик детонации. Улавливает детонационные процессы в цилиндрах.

Количество подаваемого топлива при исправной работе всех датчиков (как минимум, если так считает электронный блок управления, то есть сигналы с датчиков соответствуют ожиданиям ЭБУ) рассчитывается на основании заложенного в алгоритм уравнения.

В этом уравнении показание датчиков учитывается через коэффициент. У каждого датчика есть своя доля в общем влиянии на количество подаваемого топлива. Например, датчики массового расхода воздуха и температуры двигателя обычно оказывают большее влияние, чем датчик кислорода. Расчет необходимой порции осуществляется за сотые доли секунды. ЭБУ формирует управляющий сигнал, который открывает форсунку в строго определенное время и подает строго отмеренное количество топлива.

Если какой-либо из датчиков отказывает или показывает некорректные или неприемлемые значения, и ЭБУ замечает это — современный двигатель в большинстве случаев сохранит свой функционал, но начнет работать по другому алгоритму.

Для аварийного режима в ЭБУ предусмотрены статичные электронные таблицы, по которым готовится смесь на основании рабочих датчиков. Например, если выходит из строя ДМРВ, то за основу берутся показания с датчика положения дроссельной заслонки. И, согласно импульсу от этого датчика, подается определенное количество топлива, взятое из статичной таблицы. На более современных авто эти значения также пропускаются через уравнение, но уже другого вида, в которых учитываются только показания исправных датчиков.

Катализатор

Выхлопные газы содержат в своем составе много различных химических соединений, которые вредны для окружающей среды.

Вся суть работы каталитического нейтрализатора заключена в названии. В присутствии благородных металлов и их сплавов опасные химические вещества преобразовываются в относительно безопасные. При этом сами активные компоненты не участвуют в химических преобразованиях, а лишь инициируют и ускоряют их. То есть являются катализаторами химических процессов.

Ниже приведены примеры разложение вредных веществ (в общем виде, без учета уравнительных коэффициентов).

1. Угарный газ. Реакция в каталитическом нейтрализаторе выглядит следующим образом: CO + O2 —> CO2. Окись углерода крайне опасна для здоровья человека. Отравление угарным газом приводит к головокружению, тошноте и потере сознания. Если количество CO в организме достигнет критической массы — человек может умереть.
2. Различные углеводороды. Формула преобразования имеет следующий вид: CxHx + O2 —> CO2 + H2O. Углеводороды в основном выпадают в виде мелкодисперсных твердых осадков (сажи). При взаимодействии со свободным кислородом в катализаторе расщепляются на безопасный углекислый газ и воду. Многие ошибочно считают, что двуокись углерода вредна для окружающей среды. Это верно только с точки зрения избыточного количества CO2 в атмосфере. В обычной ситуации двуокись углерода — основное вещество, участвующее в фотосинтезе растений.
3. Окись азота. Преобразуется в нейтрализаторе двумя способами, в зависимости от используемого катализатора реакции: NO + CO —> N2 + CO2 или NO + H2 —> N2 + H2O. Окись азота — опасный для человека газ, который при определенной концентрации обладает удушающим действием. Разлагается в катализаторе на безопасный двухатомный азот и водород, а также воду и углекислый газ.

Сложно переоценить полезный для природы эффект от использования каталитических нейтрализаторов. Особенно в современном мире, где автотранспорт ежедневно выбрасывает в воздух сотни тонн выхлопных газов.

Разрушающие факторы

Каталитический нейтрализатор, особенно современной конструкции, рассчитан приблизительно на 150–200 тысяч км пробега. А в благоприятных условиях может отработать больше.

Фактически катализаторы, как показала практика, отрабатывают меньше заложенного в них ресурса. Причин этому несколько.

1. Низкое качество бензина. Топливо с повышенным содержанием серы и свинца негативно сказывается на долговечности нейтрализатора. Эти химические вещества после выбрасывания их из камеры сгорания разрушают структуру основания (особенно керамического) и образовывают наросты на стенках проходных каналов.
2. Проникновение моторного масла в камеру сгорания. Износ маслосъемных колец и сальников клапанов ведет к попаданию моторного масла в цилиндры. При сгорании масла образует маслянистые и твердые отложения, которые засоряют катализатор.
3. Проблемы в системе питания, зажигания или газораспределения. Неправильная дозировка топлива, сбои в искрообразовании или смещение фаз газораспределения могут стать причиной проникновения недопустимо большого количества бензина в выпускной тракт. Вблизи катализатора несгоревшее топливо воспламеняется. Перегрев основания повлечет за собой его разрушение или негативно скажется на состоянии активного слоя из благородных металлов.
4. Механическое воздействие. На многих моделях автомобилей каталитический нейтрализатор располагается под днищем, недалеко от резонатора (в отличие от другого конструкторского решения, когда корпус нейтрализатора совмещается с выпускным коллектором). И при движении по пересеченной местности есть вероятность получения удара по выпускной системе. Керамическое основание катализатора хрупкое, и даже небольшой удар может привести к его расколу. Металлическое — более устойчивое к механическому воздействию. Однако его деформация непременно приведет к снижению пропускной способности выпускного тракта.

Это основные разрушающие факторы. Их исключение или минимизация существенно повысит ресурс катализатора.

Распространенные неисправности

Известно несколько неисправностей каталитических конвертеров-нейтрализаторов. Рассмотрим только основные.

1. Деградация активного напыления. Основная причина — перегрев основания и эрозионное разрушение (естественный процесс). Покрытие из активных металлов со временем деградирует. Соответственно, эффективность преобразования опасных химических соединений падает.
2. Разрушение основания. Эта проблема имеет несколько проявлений различной природы. Керамический материал, на основе которого сделано большинство катализаторов, со временем теряет прочность. Торцевые поверхности осыпаются. Со стенок проходных каналов отслаиваются частицы напыления и сам материал основания. Иногда происходит разрушение с откалыванием отдельных частей от монолита основания. Также керамические и металлические варианты катализаторов могут оплавляться при превышении температурного порога прочности. В том случае часто происходит частичная (реже — полная) закупорка выпускного тракта.
3. Закупорка каналов в теле катализатора. Механизмов формирования пробок в проходных каналах несколько. Горение топлива само по себе формирует некоторое количество твердых углеводородов, которые оседают на стенках катализатора. Но в нормальных условиях у этих частиц нет возможности надежно закрепиться и уж тем более расти до значительных объемов. Поэтому за счет углеводородов, образованных от горения топлива, максимум несколько снижается сечение отверстий. Ситуация усугубляется попадающим в цилиндры маслом и антифризом. Смолянистые и сажевые продукты горения этих жидкостей способны за короткий срок закупорить проходные каналы катализатора.
4. Проблемы в системе контроля над работой катализатора. Все выпускные системы со стандартами от ЕВРО-3 и выше оснащаются дополнительным датчиком кислорода, который ставится после нейтрализатора. Служит этот датчик для оценки эффективности очистки выпускных газов. Если контрольный лямбда-зонд отказывает или начинает сбоить, то ЭБУ двигателя воспринимает это как сигнал о проблемах с каталитическим нейтрализатором. Как минимум, блок управления выведет на приборную панель ошибку. В некоторых случаях двигатель переходит в аварийный режим с ограничением на максимальную мощность и частоту оборотов коленчатого вала.

Еще к неисправностям катализатора относят другие проблемы в системе контроля. Электронный блок управления выдает ошибку даже при временном нарушении контакта в цепи от датчика до ЭБУ.

Диагностика

Известно несколько методов диагностики каталитических нейтрализаторов. Рассмотрим их, начиная с самых простых и не затратных.

• Подключение компьютера к ЭБУ для проверки ошибок и считывания показаний с датчиков кислорода. Иногда наблюдается ситуация: автомобиль проявляет все признаки проблемы с нейтрализатором, но ЭБУ не выдает ошибку. В этом случае вручную проверяются показания с контрольного датчика кислорода. В алгоритме слежения за работой катализатора есть поправка на износ. И блок управления выдаст ошибку только тогда, когда будет превышен изначально определенный порог в течение определенного времени.
• Визуальный осмотр. Вмятина, трещина или другие повреждения на корпусе, скорее всего, повлекут за собой нарушения в работе нейтрализатора.
• Проверка на противодавление. Особенно хорошо этот метод работает для автомобилей с экологическим классом от ЕВРО-3 и выше. Заключается в установке манометра поочередно в отверстие для системного (перед катализатором) и контрольного (после) датчиков кислорода и замере давления на работающем двигателе. Если разность давлений в магистрали больше 10–15% (перед корпусом нейтрализатора показания выше), то катализатор засорен или оплавлен и препятствует нормальному проходу выхлопных газов.
• Проверка с помощью стробоскопа. Стробоскоп — миниатюрная гибкая камера. Вводится в отверстия для датчиков кислорода для осмотра торцевых поверхностей основания.
• Демонтаж корпуса и осмотр тела катализатора напрямую. Этот способ применим в тех случаях, когда корпус съемный или есть основания для демонтажа.

Сегодня диагностика каталитического нейтрализатора в основном проводится двумя методами: проверкой ЭБУ на ошибки и визуальным осмотром напрямую.

Варианты ремонта системы выхлопа

После осмотра нейтрализатора и оценки его состояния выбирается один из путей ремонта. В зависимости от степени повреждений, марки автомобиля и его экологического класса, алгоритма контроля в ЭБУ и предпочтений автовладельца ремонт идет по одному из нижеперечисленных сценариев.

1. Попытка восстановления. Если соты основания засорены не критично, то мастера на СТО часто рекомендуют попробовать промыть катализатор особыми химикатами. Так как это наиболее дешевый способ. Обычно этот метод помогает при небольших загрязнениях. Если же на стенках каналов и торцах основания имеются признаки оплавления, механического повреждения или обильных маслянистых засоров — в промывке не будет смысла.
2. Замена изношенного катализатора на новый или контрактный оригинал. Самый дорогой, но и самый надежный метод. Стоимость ремонта в этом случае, вместе с запчастями и работой, иногда доходит до шестизначной суммы. Однако после восстановления заводского состояния системы выпуска автомобиль гарантированно пройдет технический осмотр по показателю CO–CH. К тому же не придется проводить манипуляции с системой контроля над работой катализатора (изменение электронной цепи, прошивка ЭБУ, вживление «обманок» и т. д.).
3. Установка универсального заменителя. На рынке выбор неоригинальных катализаторов довольно велик. Однако, как показала практика, дешевые экземпляры или работают совсем плохо (ошибка все равно загорается) или служат недолго. Это логично — ведь без дорогостоящих благородных металлов пока невозможно изготовить действенный нейтрализатор. А себестоимость этих металлов довольно высока. И если выбран путь установки заменителя, то не стоит покупать запчасть из нижнего или даже среднего ценового сегмента. Велика вероятность, что это будут впустую потраченные деньги.
4. Замена катализатора на пламегаситель или стронгер. Эти заменители наиболее распространены сегодня в ремонте систем выпуска. Во-первых, пламегаситель и стронгер благоприятно влияют на микроклимат в выхлопном тракте. Снижается пульсация потока. Отработавшие газы частично охлаждаются. А это благоприятно влияет на ресурс последующих элементов магистрали (резонатора, гофры и глушителя). Во-вторых, по соотношению стоимость-эффект установка пламегасителя или стронгера оптимальна. К недостаткам относится необходимость отключения или обхода системы контроля, а также риск увеличения вредных выбросов до уровня, выше требуемого по регламенту техосмотра. Но, как показала практика, нормы выбросов в РФ позволяют относительно новым авто (до 10 лет) без проблем проходить техосмотр и без катализатора.
5. Физическое удаление катализатора из корпуса без установки заменителя. Этот способ имеет лишь одно, но весомое преимущество — он самый дешевый. Однако есть и ряд недостатков. Увеличивается температура и пульсация потока выхлопных газов. Появляется грохочущий, металлический рев при раскрутке двигателя до 4-5 тысяч оборотов. Для возрастных автомобилей серьезно возрастает риск провалить государственный технический осмотр по вредным выбросам.

Все способы, связанные с удалением тела катализатора из выхлопной магистрали, подразумевают модификацию системы контроля. В противном случае ЭБУ выдаст ошибку.

Решение проблем с ошибкой после удаления катализатора

Электронный блок управления непременно заметит, что очистка выхлопных газов остановилась, и выдаст ошибку на приборную панель. Сначала кратко рассмотрим, как работает механизм слежения, а затем разберем пути изменения системы контроля над работой катализатора для решения этой проблемы.

Принцип работы системы контроля над работой катализатора

Начиная со стандарта ЕВРО-3, каталитический нейтрализатор оснащается дополнительным, контрольным датчиком кислорода. Устанавливается диагностический лямбда-зонд сразу после нейтрализатора. Служит он для оценки содержания кислорода в выхлопных газах после очистки.

Из вышеприведенных формул химических преобразований видно, что для нейтрализации большинства опасных соединений требуется кислород. И чем лучше работает механизм разложения этих соединений, тем меньше свободного кислорода останется в выхлопах после прохождения нейтрализатора.

Принцип работы датчика кислорода основан на создании ЭДС (приблизительно 0,9–1 В) в электроде, покрытом оксидом цинка. При нагревании между контактами лямбда-зонда появляется разность потенциалов. А при попадании кислорода на чувствительный цинковый элемент напряжение лавинообразно уменьшается.

Электронный блок управления сравнивает показания двух датчиков. Алгоритмы обработки этих данных в современных ЭБУ довольно сложны. Однако в целом принцип такой: напряжение на первом, системном датчике, должно быть значительно меньше, чем на контрольном. Если катализатор неисправен, то разница напряжений минимальна или вообще отсутствует. Что и приводит к ошибке.

Варианты обхода системы контроля

Известно несколько способов, которые сегодня позволяют довольно успешно вводить в заблуждение ЭБУ и убеждать его в том, что катализатор есть, и он функционирует исправно:

• использование обманок;
• прошивка ЭБУ.

Обманки подразделяются на две категории: механические и электронные. Механические, в свою очередь, бывают с калиброванным отверстием и с элементом катализатора. Электронные делятся на резисторные и микропроцессорные.

Механическая обманка с калиброванным отверстием представляет собой переходник между отверстием в выпускном тракте и датчиком кислорода. Она лишь ограничивает поток выхлопов на лямбда-зонд. За счет этого на контрольный датчик попадает меньше кислорода. Соответственно, ЭБУ считает, что выхлопы очищаются. Такая обманка нормально работает только на авто со стандартами ЕВРО-3 и на некоторых с ЕВРО-4.

Обманка с частицей катализатора также выполняется в виде переходника, в тело которого уложен небольшой фрагмент каталитического нейтрализатора. Газы очищаются от выхлопов локально, непосредственно перед попаданием на лямбда-зонд. Срабатывает на авто стандартов ЕВРО-3 и почти на всех ЕВРО-4 (при подборе правильной конфигурации обманки).

Электрическая обманка на основе резистора и конденсатора. В разрыв сигнального провода датчика вживляется резистор. Параллельно с минусовым проводом устанавливается конденсатор. Такая схема искажает сигнал и делает его похожим на показания работоспособной системы очистки. Хорошо срабатывает на авто ЕВРО-3 и ЕВРО-4. Функционирует с периодическим успехом на некоторых машинах ЕВРО-5.

Микропроцессорный модулятор способен успешно ввести в заблуждение ЭБУ стандартов ЕВРО-5 и ЕВРО-6. Стоит дорого, монтируется сложно. Обычно устанавливается в разрыв сразу двух датчиков или подключается таким образом, чтобы иметь возможность считывать показания с системного датчика. В режиме реального времени имитирует показания диагностического лямбда-зонда на основании показаний программного.

Прошивка ЭБУ — спорная процедура. Здесь важно не ошибиться с выбором версии ПО для блока управления. Иногда, кроме удаления всей информации о наличии катализатора, такие прошивки содержат в себе изменения алгоритма работы смесеобразования или критичные ошибки. И после установки плохо проработанной прошивки в ЭБУ могут проявиться непредсказуемые последствия: падение мощности авто, перерасход топлива, перегрев и даже полный отказ двигателя. Поэтому устанавливать ПО рекомендуется только при полной уверенности в том, что создано оно было компетентной организацией или знающим человеком. Обычно такие прошивки стоят немалых денег. А их изготовители выдают персональные сертификаты, подтверждающие безопасность реализованного ПО.