каталитические нейтрализаторы реферат. Каталитические нейтрализаторы реферат. Причины появления каталитических нейтрализаторов, методы нейтрализации ог 3
 Скачать 1.12 Mb.
|
СодержаниеВведение 2 Глава 1. Причины появления каталитических нейтрализаторов, методы нейтрализации ОГ 3 1.1.Состав и структура автомобильных выбросов 3 1.2.Состав отработавших газов 3 1.3.Метод каталитической нейтрализации ОГ 4 1.4.Каталитическая нейтрализация 5 1.5.Каталитическая система 8 Глава 2. Функции, принцип действия, срок службы 9 2.1. Функции каталитического нейтрализатора 9 2.2. Принцип действия 10 2.3. Срок службы катализатора 11 Заключение 13 Список использованной литературы 14 ВведениеС развитием технологий и электроники автомобильный рынок значительно вырос. В среднем в Российской Федерации на 1000 жителей приходится порядка 200-350 автомобилей. С каждым годом этот показатель увеличивается, а вместе с ним и атмосферное загрязнение, вызванное выхлопными газами автомобилей. Автотранспорт выступает в роли источника загрязнения в городах. На сегодняшний день это одна из серьезных экологических проблем, которая особенно остро ощущается в мегаполисах. Вредные выбросы пагубно влияют на здоровье людей и окружающую среду. Они могут вызывать различные заболевания, негативно воздействуют на окружающую среду. Для того, чтобы вредные выбросы автомобилей не угрожали здоровью людей и экологической обстановке, на государственном уровне были разработаны нормативные документы и стандарты, определяющие вредные выбросы и требования к их концентрации в отработавших газах автомобиля. Согласно техническому регламенту (ТР) автомобили, производимые и ввозимые на территорию РФ, должны соответствовать требованиям стандарта “Евро-x”. С каждым годом требования стандарта ужесточаются, допустимая концентрация вредных веществ в выхлопных газах автомобилей уменьшается. С другой стороны, из-за неправильной эксплуатации, использования некачественного топлива и других причин, снижается срок службы каталитических нейтрализаторов. Это вынуждает автозаводы и владельцев автомобилей принимать меры по переоборудованию или усовершенствованию выпускной системы автомобиля, что вызывает определенные трудности и затраты. Для снижения концентрации вредных выбросов в выхлопных газах автомобиля используется две методики: оптимизация процессов горения топливно-воздушной смеси и нейтрализация выхлопных газов после их вывода из двигателя. Наиболее распространенным методом считается нейтрализация вредных веществ каталитическими нейтрализаторами. В составе выхлопных газов автомобиля содержится довольно много токсичных веществ. Для предотвращения их попадания в атмосферу используется специальное устройство, получившее название «каталитический нейтрализатор». Он устанавливается на автомобилях, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, работающих как на бензине, так и на дизельном топливе. Зная принцип работы катализатора, вы сможете понять важность его работы и оценить последствия, которые может вызвать его удаление. Цель работы: познакомиться с принципом действия каталитического нейтрализатора, разобрать его устройство, оценить необходимость применения на транспорте. Глава 1. Причины появления каталитических нейтрализаторов, методы нейтрализации ОГСостав и структура автомобильных выбросов Двигатель внутреннего сгорания автомобиля вырабатывает отработавшие газы, среди которых есть вредные вещества, загрязняющие атмосферу. Отработавшие газы представляют собой аэрозоль сложного состава (см. рис.1.1).  Рис. 1.1. Состав отработавших газов В состав автомобильного нефтяного топлива входят следующие элементы: углерод, водород, в незначительных количествах кислород, азот и сера. Атмосферный воздух, являющийся окислителем топлива, состоит, как известно, в основном из азота (79%) и кислорода (около 21%). При идеальном сгорании стехиометрической смеси углеводородного топлива с воздухом в продуктах сгорания должны присутствовать лишь N2, СO2, Н2O. В реальности ОГ содержат также продукты неполного сгорания (окись углерода, углеводороды, альдегиды, твердые частицы углерода, перекисные соединения, водород и избыточный кислород), продукты термических реакций взаимодействия азота с кислородом (окислы азота), а также неорганические соединения тех или иных веществ, присутствующих в топливе (сернистый ангидрид, соединения свинца и т. д.). Всего в отработавших газах обнаружено около 280 компонентов. Состав ОГ зависит от режима работы двигателя. У двигателя, работающего на бензине, при разгоне или торможении нарушаются процессы смесеобразования, что способствует повышенному выделению вредных выбросов. Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобиля и особенно от двигателя. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы оксида углерода увеличиваются в 4-5 раз. Состав отработавших газов Основными токсичными компонентами ОГ бензиновых двигателей являются CO, CH, NOx (см.рис.1.2). Оксид углерода (CO) образуется при сгорании богатых смесей (в частности, при недостатке кислорода). Для снижения содержания CO в ОГ необходимо повышать полноту сгорания топлива путем улучшения испарения и смесеобразования топлива в двигателе. Оксиды азота значительно токсичнее CO. Образование оксидов азота связано с реакциями между атомами и радикалами, образующимися при высокотемпературной диссоциации молекул азота и кислорода воздуха в пламени в зоне горения. Углеводороды HC. Появляются в ОГ в результате неполного сгорания углеводородного топлива. Углеводороды HC могут проявляться в различных формах, например, C6H6, C6H18, и их действие на организм человека различно. Некоторые раздражают органы чувств, другие вызывают развитие злокачественных опухолей.  Рис.1.2. Схема веществ, поступающих и покидающих двигатель Метод каталитической нейтрализации ОГ Существует несколько групп методов нейтрализации ОГ: оптимизация процессов горения топливовоздушной смеси; оптимизация состава топлива; нейтрализация ОГ. Мы же подробно рассмотрим именно методы нейтрализации ОГ. Методы третьей группы — это нейтрализация с применением каталитических нейтрализаторов, снижающих количество токсичных веществ. Каталитический нейтрализатор - это устройство, находящееся в выхлопной системе автомобиля. Суть его работы состоит в активизации процессов догорания вредных веществ в топливе. К примеру, в отсутствие катализатора CO и O2 не могут взаимодействовать в выхлопной системе. Выделяют однокомпонентные, двухкомпонентные и трехкомпонентные катализаторы. Последний вид катализаторов наиболее распространен. Он состоит из трех последовательных этапов очистки токсичных веществ. Первый этап – восстанавливающий, направлен на снижение NOx. Второй этап – окислительный, снижает содержание окиси углерода. Третий этап – управление впрыском топлива, в зависимости от концентрации кислорода в ОГ.  Рис.1.3. Внешний вид трехкомпонентного каталитического нейтрализатора Каталитический преобразователь проделывает определенную работу по уменьшению загрязнения окружающей среды, но одним из недостатков является то, что он работает в определенном диапазоне температур. В этой связи требуется управление действиями катализатора. Подогрев каталитического преобразователя – хороший способ снижения выбросов. Но температура должна быть довольно высока (примерно 300 градусов Цельсия). Если расположить катализатор ближе к двигателю, то выхлопные газы, поступающие в каталитический преобразователь, будут более горячими, и он нагреется быстрее, но это одновременно сокращает срок его службы конвертера из-за воздействия чрезмерно высоких температур. Большинство автопроизводителей размещает каталитический преобразователь под передним пассажирским сиденьем, достаточно далеко от двигателя, для того, чтобы высокие температуры выхлопных газов не вредили ему. В связи с тем, что управление катализатором отсутствует, то он быстро выходит из строя, а хороший оригинальный катализатор (имеющий в составе платину, а не золото) стоит дорого. Каталитическая нейтрализация Суть данного метода заключается в превращении вредных примесей, содержащихся в ОГ, в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды с использованием специальных веществ – катализаторов. В качестве катализаторов используют благородные металлы, такие как платина, палладий, родий или их соединения (окислы меди, марганца и т.д.). Катализаторы изменяют скорость и направление химической реакции. Вещества-катализаторы располагаются в специальных реакторах в виде насадки из колец, шаров, пластин или проволоки свитой в спираль, из нихрома, никеля, окиси алюминия с нанесенным на поверхность этих элементов слоем благородных металлов микронной толщины. Основным элементом каталитического нейтрализатора является блок-носитель. Блок-носитель изготавливается из специальной огнеупорной керамики или из металла. Конструктивно блок-носитель состоит из множества продольных сот-ячеек, которые покрыты мелкопористым Al2O3, что значительно увеличивает площадь соприкосновения с отработавшими газами. На поверхность сот-ячеек тонким слоем наносятся вещества катализаторы (платина, палладий и родий). Катализаторы ускоряют протекание химических реакций в нейтрализаторе. Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) и монооксида углерода (угарный газ, СО). Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NOx) в безвредный азот.  Рис.1.4.1. Устройство каталитического нейтрализатора Блок-носитель помещается в металлический корпус. Между ними обычно располагается слой теплоизоляции. Иногда в корпусе нейтрализатора устанавливается кислородный датчик. Керамические катализаторы наиболее распространены, чем металлические, и менее дорогие. Основной недостаток керамического катализатора - его хрупкость. Достаточно даже несильного удара об камень на дороге, что бы рассыпавшиеся соты своим дребезгом подсказали автовладельцу, что его ждут очередные финансовые затраты на ремонт своего автомобиля. То же самое может произойти, если на полностью прогретом автомобиле заехать в лужу и вода попадёт на раскалённый катализатор. Ещё одной причиной разрушения керамики могут быть неполадки в системе зажигания. Когда при попытке пуска двигателя сразу не происходит воспламенение топлива в камере сгорания, то несгоревший бензин скапливается в ближайшей ёмкости выпускного тракта, а это почти всегда и есть катализатор, и когда, наконец, мотор заводится, то этот скопившийся бензин взрывается, а соты, естественно, рассыпаются. Металлический блок более надёжен и может длительное время выдерживать различные механические нагрузки. Но и керамический и металлический каталитические нейтрализаторы одинаково боятся следующих вещей: некачественный или этилированный бензин, попадающие в камеру сгорания масло или антифриз, "левые" технические жидкости, используемые в целях промывки топливной системы, переобогащённая топливная смесь, долгая работа двигателя на холостом ходу. В результате воздействия выше названых факторов, помимо потери способности катализатора дожигать вредные примеси, происходит засорение каналов, что приводит к уменьшению их общего проходного сечения, потере мощности и к перегреву самого нейтрализатора, корпус которого может раскаляться даже до красного цвета. Внутренняя температура неисправного каталитического конвертера настолько велика, что керамика может сплавляться и полностью забивать собой проход для выхлопных газов. Ремонт двигателя после этого почти неизбежен.  Рис. 1.4.2. Испорченный блок катализатора Ещё один неприятный момент - это керамическая пыль. Керамический блок стареющего катализатора, невзирая на его внешнюю целостность и сохранность своих основных свойств, понемногу разрушается, и появляющаяся при этом керамическая пыль попадает в камеру сгорания, а иногда, при разборе двигателя для ремонта, в цилиндрах находят и небольшие кусочки керамики. Нахождение в камере сгорания керамической пыли приводит к преждевременному износу стенок цилиндров и, соответственно, к более раннему ремонту двигателя. Каталитическая система Систем направленных на снижение вредных выбросов в отработавших газах автомобиля очень много. В зависимости от типа двигателя, каталитического нейтрализатора, производителями подбирается наиболее подходящая каталитическая система. Каждая система направлена на снижение определенных веществ CO, CH, NOx. Используются различные вещества-катализаторы – палладий, платина, родий или природные материалы – цеолиты. Система с обратной связью (лямбда-регулирование). В системе выпуска ОГ автомобиля устанавливается каталитический нейтрализатор и датчик концентрации кислорода, обеспечивающий обратную связь. Датчик кислорода или лямбда-датчик, это устройство, предназначенное для определения количества кислорода в отработавших газах автомобиля. Основной частью лямбда-датчика является керамический наконечник, сделанный на основе диоксида циркония, на внутренней и внешней поверхности которого напыляется платина. Датчик, действует по принципу гальванического элемента. Керамический наконечник находится в потоке ОГ и измеряет содержащуюся в них концентрацию кислорода. Электронный блок управления по сигналам лямбда-датчика поддерживает соотношение воздуха и топлива, обеспечивая наиболее эффективную работу каталитического нейтрализатора. На некоторых моделях автомобиля, устанавливают два лямбда-датчика, один перед катализатором, а другой после него. Данная система направлена на поддержание баланса, оптимально уровня кислорода в топливно-воздушной смеси, так как при его избытке, NOx (оксиды азота) не полностью разлагаются, а при его недостатке углеводороды полностью не окисляются.  Рис.1.5.1. Общая схема системы управления соотношением топливо/воздух Глава 2. Функции, принцип действия, срок службы2.1. Функции каталитического нейтрализатораНейтрализатор является частью системы выхлопа. Он располагается сразу за выпускным коллектором двигателя. Катализатор состоит из (см. Рис. 2.1. Основные части): -Металлический корпус (монтажный мат), имеющий входной и выходной патрубки. -Керамический блок (монолит). Представляет собой пористую структуру с множеством ячеек, которые увеличивают площадь соприкосновения выхлопных газов с рабочей поверхностью. -Каталитический слой — специальное напыление на поверхностях ячеек керамического блока, состоящее из платины, палладия и родия. В последних моделях для напыления иногда используется золото — драгоценный металл, который имеет более низкую стоимость. -Металлический кожух. Выполняет функции теплоизоляции и защиты катализатора от механических повреждений.  Рис 2.1. Основные части Главная функция каталитического нейтрализатора — это нейтрализация трех основных токсических компонентов отработавших газов, поэтому он получил свое название — трехкомпонентный. Вот эти нейтрализуемые компоненты: Окислы азота NOx – компонент смога, причина кислотных дождей, ядовиты для человека. Угарный газ СО – смертельно опасен для человека при концентрации в воздухе от 0,1%. Углеводороды CH – компонент смога, отдельные соединения канцерогены. 2.2. Принцип действияНа практике трехкомпонентный каталитический нейтрализатор имеет следующий принцип действия: -Выхлопные газы из двигателя попадают внутрь керамических блоков, где проникают в ячейки, полностью заполняя их. -Металлы-катализаторы палладий и платина провоцируют реакцию окисления, в результате которой несгоревшие углеводороды СН преобразуются в водяной пар, а угарный газ СО в углекислый. -Восстановительный металл-катализатор родий преобразует NOx (оксид азота) в обычный безвредный азот. -В атмосферу выпускаются очищенные отработавшие газы. Если в автомобиле установлен дизельный двигатель, то возле катализатора всегда находится сажевый фильтр. Иногда эти два элемента могут быть совмещены в единую конструкцию. Рабочая температура катализатора играет решающую роль в эффективности процесса нейтрализации токсичных компонентов. Реальное преобразование начинается только после достижения 300°С. Идеальной, с точки зрения эффективности и срока службы, считается температура от 400 до 800°С. В диапазоне температур от 800 до 1000°С наблюдается ускоренное старение нейтрализатора. Длительная работа при температуре свыше 1000°С оказывает губительное воздействие на катализатор. Альтернативой керамике, выдерживающей высокие температуры, является металлическая матрица из гофрированной фольги. Катализаторами в такой конструкции выступают платина и палладий. Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NOx. Одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем бензиновые, а преобразователи работают лучше при нагреве. Некоторые ведущие эксперты в области «зеленого» автомобилестроения придумали новую выхлопную систему, которая помогает исправить этот недостаток. Они впрыскивают водный раствор мочевины в выхлопную трубу до того, как газы достигнут преобразователя. При этом возникает химическая реакция, которая уменьшает количество NOx. Карбамид, также известный как мочевина - органическое соединение углерода, азота, кислорода и водорода. Его можно обнаружить в моче млекопитающих и земноводных, что и объясняет такое название. Мочевина реагирует с NOx с получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах более чем на 90%. 2.3. Срок службы катализатораСредний ресурс катализатора составляет 100 тыс. километров пробега, но при правильной эксплуатации он может исправно функционировать и до 200 тыс. километров. Основные причины раннего износа — неисправность двигателя и качество топлива (топливовоздушной смеси). При наличии обедненной смеси происходит перегрев, а при слишком богатой возникает засорение пористого блока остатками несгоревшего топлива, что препятствует протеканию необходимых химических процессов. Это приводит к тому, что срок службы каталитического нейтрализатора существенно снижается. Еще одной распространенной причиной неисправности керамического катализатора являются механические повреждения (трещины), возникающие при механических воздействиях. Они провоцируют быстрое разрушение блоков. При возникновении неисправностей работа каталитического нейтрализатора ухудшается, что фиксируется при помощи второго лямбда-зонда. В этом случае электронный блок управления сообщит о неисправности, выдав на приборной панели ошибку «CHECK ENGINE». Также признаками выхода из строя являются дребезжание, увеличение расхода топлива и ухудшение динамики. В этом случае его меняют на новый. Почистить или восстановить катализаторы невозможно, а поскольку это устройство имеет высокую цену, многие автомобилисты предпочитают просто удалить его. При удалении катализатора его очень часто заменяют на пламегаситель. Последний выравнивает поток выхлопных газов. Его установка рекомендуется для устранения неприятных шумов, которые возникают при удалении катализатора. При этом, если вы выбрали именно удаление, лучше полностью снять устройство и не прибегать к рекомендациям некоторых автомобилистов пробить в нем отверстие. Подобная процедура улучшит ситуацию только на время. В автомобилях, соответствующих экологическим стандартам Евро-3, помимо удаления катализатора необходима перепрошивка электронного блока управления. Ее обновляют до версии, в которой отсутствует каталитический нейтрализатор. Также можно установить эмулятор сигнала кислородного датчика, который избавит от необходимости перепрошивать ЭБУ. Наилучшим решением при поломке каталитического нейтрализатора будет его замена на оригинальную деталь в специализированном сервисе. Таким образом будет исключено вмешательство в конструкцию автомобиля, а его экологический класс будет соответствовать заявленному производителем. ЗаключениеПроанализировав всю найденную информацию, можно сделать вывод, что каталитические нейтрализаторы необходимы для установки на автомобили. Уровень автомобилизации растет с каждым днем, количество выбросов от автомобилей соответственно тоже растет и вредных веществ выделяется в атмосферу все больше и больше. Поэтому, мы должны беречь нашу природу, снижать вредность выхлопных газов. Список использованной литературыБолбас М.М. «Транспорт и окружающая среда». М.: Технопринт, 2004. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. - М.: Транспорт. 1985. Каталитический нейтрализатор // https://autoportal.pro/tekhnichka/kataliticheskij-nejtralizator Устройство и принцип работы каталитического нейтрализатора // https://techautoport.ru/dvigatel/vypusknaya-sistema/kataliticheskiy-neytralizator.html |