Нейтралитический катализатор: Каталитический нейтрализатор – назначение, устройство, условия работы

Каталитический нейтрализатор – назначение, устройство, условия работы

Каталитический нейтрализатор (обиходное название – катализатор) в составе выпускной системы предназначен для снижения выброса вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами за счет их преобразования в безвредные компоненты. Каталитический нейтрализатор применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор

Применяется в бензиновых двигателях, работающих на стехиометрическом составе смеси (смесь обеспечивает полное сгорание топлива). Конструкция трехкомпонентного каталитического нейтрализатора включает блок-носитель, теплоизоляцию и корпус.

Основным элементом каталитического нейтрализатора является блок-носитель, который служит основанием для катализаторов. Блок-носитель изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Конструктивно блок-носитель состоит из множества продольных сот-ячеек, которые значительно увеличивают площадь соприкосновения с отработавшими газами.

На поверхность сот-ячеек тонким слоем наносятся вещества-катализаторы, которые включают три компонента: платину, палладий и родий. Катализаторы ускоряют протекание химических реакций в нейтрализаторе.

Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, оксида углерода (угарный газ, СО) в углекислый газ. Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NOx) в безвредный азот. Таким образом, три катализатора снижают содержание в отработавших газах трех вредных веществ.

Блок-носитель помещается в металлический корпус. Между ними обычно располагается слой теплоизоляции. В корпусе нейтрализатора устанавливается кислородный датчик.

Условием начала работы каталитического нейтрализатора, является достижение температуры 300°С. Идеальный температурный промежуток от 400 до 800°С. При этой температуре задерживается 90% вредных веществ. Температура свыше 800°С вызывает спекание металлов-катализаторов и сот-ячеек блока-носителя.

Каталитический нейтрализатор обычно устанавливается непосредственно за выпускным коллектором или перед глушителем. Первая схема установки нейтрализатора способствует его быстрому прогреву, но затем устройство подвергается большим тепловым нагрузкам. Во втором случае требуются дополнительные мероприятия для быстрого прогрева нейтрализатора, повышающие температуру отработавших газов:

• регулирование момента зажигания в сторону запаздывания;
• увеличение оборотов холостого хода;
• регулирование фаз газораспределения;
• несколько впрысков топлива за один такт;
• подача воздуха в выпускную систему.

Для повышения эффективности применяется схема установки трехкомпонентного каталитического катализатора, разделенного на две части: первичный нейтрализатор (располагается за выпускным коллектором), главный нейтрализатор (располагается под днищем автомобиля).

Каталитический нейтрализатор дизельного двигателя

Катализатор дизельного двигателя (diesel oxidation catalyst, DOC) обеспечивает окисление отдельных компонентов отработавших газов кислородом, который в достаточном количестве присутствует в выхлопе дизеля.

При прохождении через каталитический нейтрализатор вредные вещества (оксид углерода, углеводороды) окисляются до безобидных продуктов (углекислого газа и водяного пара). Кроме этого, катализатор почти полностью устраняет неприятный запах отработавших газов дизеля.

Окислительные реакции в катализаторе также создают и нежелательные продукты. Так, диоксид серы окисляется до триоксида серы с последующим образованием серной кислоты. Газообразная серная кислота соединяется с молекулами воды, в результате которого образуются твердые частицы – сульфаты. Они накапливаются в нейтрализаторе и снижают его работоспособность.

Для удаления сульфатов из нейтрализатора система управления двигателем запускает процесс десульфатации, при котором каталитический нейтрализатор нагревается до температуры свыше 650°С и продувается богатыми отработавшими газами (с недостатком воздуха, вплоть до его полного отсутствия).

Каталитический нейтрализатор дизельного двигателя не используется для снижения выбросов оксидов азота в отработавших газах. Эту функцию в дизельном двигателе выполняет система рециркуляции отработавших газов или более продвинутая система избирательной каталитической нейтрализации.

 

 

Про катализаторы…: bmwservice — LiveJournal

                 Одна из самых актуальных тем для обсуждения среди российских автовладельцев — катализатор. Казалось бы: много чести для столь «хитрой» конструкции, многократно исследованной как в виртуальном, так и в реальном пространстве. Тем не менее, самые основные знания почему-то оказываются вне зоны внимания самых, казалось бы, заинтересованных лиц. «Ценных знаний» о правильном названии типа «трехкомпонентный нейтралитический катализатор каталитический парализатор каталитический нейтрализатор» (далее по тексту будет только общепринятый «катализатор»), как мне кажется, недостаточно. Банальностей в этом материале намеренно попробую избегать —  в капитана очевидность лучше поиграть с гуглом. Рассмотрю только самое главное в практической стороне вопроса. Начнем.

Вышеупомянутая «трехкомпонентность» подразумевает исключительно три основных полезных реакции:

а) доокисление «угарного газа» до сравнительно безвредной двуокиси углерода;
б) выделение из вредных окислов азота самого атмосферного азота;
в) расщепление углеводородов на двуокись углерода и воду.

Следовательно, говорить о «катализатор работает» можно только по отношению к тем компонентам выхлопа, для которых он собственно и создавался. Катализатор не «дожигает», а только убивается несгоревшими компонентами моторного масла, топлива и прочими сложными формами углеводородов. «Масло жрет, но пока еще не дымит, потому что катализатор еще работает» — абсурд. Так хорошо знакомое владельцам «немцев» сизое дымление говорит не о смерти катализатора, а о проблемах с двигателем, которые таким образом по наследству достаются катализатору и транзитом через него проходят, заодно его добивая. Катализатор же такие эксцессы способен терпеть лишь непродолжительное время. При несвоевременном устранении причин, его активный слой покрывается спекшейся органикой, а сами соты — наглухо забиваются.

Далее логично осветить такой важный момент как срок жизни катализатора. К великому удивлению, при условии исправно работающего двигателя, этот компонент не менее долговечен, чем кузов автомобиля и даже имеет все шансы его пережить. Каталитический нейтрализатор работает без расхода активного вещества.

Убить катализатор может только неисправность двигателя в некоторых особо заметных проявлениях: моторное масло в выхлопных газах, позднее зажигание и неправильное смесеобразование. Убедиться в этом можно самостоятельно, найдя видавшую виды иномарку ранних выпусков типа BMW E34 года так 1987 и позже — ее катализатор может работать совершенно исправно до сих пор, не в пример современным трех-пятилеткам этого же производителя. А все потому, что моторы типа М50/M20 могут ничего не знать о расходе масла, даже находясь в столь почтенном возрасте…

Катализатор эффективно работает только в диапазоне температур свыше 300 градусов Цельсия. После превышения порога в 900 градусов, он начинает разрушаться. При неудачном стечении обстоятельств (например, разогретый активной ездой катализатор и позднее зажигание от применения 95-го бензина на современном форсированном двигателе, рассчитанном, как правило, исключительно на 98-й) несгоревшее топливо может мгновенно оплавить его например вот так, как на фото:

Следующий важный момент: невероятно распространенная байка про увеличение мощности после удаления катализатора. Если он не оплавлен и сохраняет пропускную способность, «дышать» двигателю он мешает не больше, чем препятствует дыханию вот это приспособление:

Обращу внимание, что не помогают развеять миф даже популяризованные в легкой и непринужденной манере данные… Полученные, замечу, после очевидной, но несущественной подтасовки. Но даже они дают «разницу» сравнимую с методологической погрешностью измерений (чем, кстати, по сути и являются, что легко понять по видео). Однако полученная разница в плюс-минус 2 л. с. в данном случае, это сравнение не только и не столько исправного катализатора с его отсутствием, сколько исправного с «частично забитым»(sic!).

Кстати, этот эксперимент я проводил лично и на том же стенде. С более «стабильным» результатом — никаким. Удаление полностью исправного и чистого катализатора вообще не дало никакого прироста мощности и мощность стала даже ниже , что объясняется  изменившимся условиям в измерительной камере: за пару недель, прошедших после «переварки» катализатора, там немного потеплело. Отмечу, что когда закупорка будет аналогичной вышеприведенной фотографии, двигатель вообще перестанет набирать обороты… Измерять что-либо необходимости не будет.

Несмотря на вышесказанное, не могу пойти против истины: катализатор все же немного снижает мощность двигателя и тому есть объективная причина. Объяснение лежит в плоскости истории внедрения катализаторов в серийную продукцию. В то время, когда на конвейере одновременно присутствовали «катализаторные» и «бескатализаторные» модели, унификация не позволяла вносить наиболее эффективные технологические изменения в конструкцию выхлопа.

Когда-то, в «переходной период», катализатор был лишь «пришлепкой» на приемной трубе:

Очевидно, что выхлопные газы после почти метрового пробега температуру немало теряли, эффективность нейтрализации снижалась, что заставляло производителя «подтягивать» термостат вверх на десять градусов, что хорошо видно на примере ранних поколений BMW. Температуру двигателя поднимали на 10-15 градусов, что способствует полноте сгорания и улучшает «экологию» вообще.

В следующем поколении двигателей, подтягивали уже не только и не столько температуру (а ее реально подтянули до 100-110 градусов с 90), но и сам элемент катализатора затолкали практически в цилиндр:

Такая конструкция называется «каталитическим коллектором», или же «катколлектором», что мешает настраивать выпускной коллектор на эффект резонанса.
Это дает некоторое сравнительное снижение мощности по сравнению с хорошо настроенными «спортивными» «пауками»:

Так что нужно просто знать, с чем сравнивать.

Но самый главный вопрос, даже при сравнении действительно сравнимых вещей, сколько же реально «съедает» катализатор. Ведь мы меняем рассчитанную и хорошо настроенную систему на кусок полой трубы бОльшего, чем основной, диаметра, где скорость истечения газов падает, а противодавление немного увеличивается!

Дать достаточно точный ответ на этот вопрос нам снова поможет компания BMW, которая (и это также мною проверено на диностенде) всегда исключительно точно указывает мощностные характеристики двигателей. Искушенные читатели сразу поймут, что проще всего будет сравнить «экологичные» версии спортивных моторов BMW S54B32 для американского рынка с европейскими аналогами.

Сначала посмотрим на разницу в конструкции «Европы»:

А катализатора-то там и нет — его перенесли почти на метр… Так что выпуск здесь совершенно «спортивный», а сам кат стоит далеко от двигателя:

А вот версия для США, где катколлектор традиционный, в угоду экологии:

Настало время огласить разницу: установленный катализатор отнял у двигателя. .. примерно 5 л.с из 343.  И целых 10 Н*м крутящего момента.

То есть, отличия настроенной(!) выхлопной системы от «задушенной» катализатором это примерно 2% по мощности и моменту. Это, конечно, можно почувствовать, но очень непросто…

Умелый чип-тюнинг (который и был выполнен самой BMW в версии M3 CSL) даст не менее 5% прибавки и будет стоить дешевле, чем «фирменный» паук и его установка. Следовательно, тупое (самый удачный термин) выбивание катализатора при сохранении катколлектора вообще ничего не даст.

В завершении, предлагаю основные тезисы «про автомобильные катализаторы»:

1.Катализатор — практически вечный прибор, при условии, что двигатель исправен. Должны быть исправны датчики кислорода, должен отсутствовать расход масла, октановое число топлива должно соответствовать режиму эксплуатации и конструкции двигателя. Это минимально достаточные требования для его долговременного функционирования.

2.Удаление катализатора без необходимости — бессмысленная процедура. Не только бесполезная с точки зрения прибавки мощности, но даже вредная — выхлопные газы впрысковых (в т.ч. и непосредственно-впрысковых) автомобилей крайне токсичны и удушливы в виду короткого пути смесеобразования (сравните с хорошо настроенными карбюраторными автомобилями и запахом их выхлопа). При каждом открытии дверей и окон в пробке/стоянке, выхлопные газы будет затягивать в салон по строго законам физики — в зону пониженного давления. Закрытие дверей оставляет вас с ними один на один. Поврежденный катализатор имеет смысл заменить если не на дорогой оригинальный, то хотя бы на универсальный «евро» картридж, немного более низкой эффективности, но и значительно более дешевый. Прошивки типа «евро- 2» также не имеют никакого отношения к увеличению мощности, но негативно сказываются на поддержании оптимального состава смеси — снижают эффективность нейтрализации, даже при условии сохранения катализатора.

3.Нормальный выхлоп прогретого автомобиля класса типа «евро-4» и выше — горячий воздух практически без запаха. Во всех случаях отклонений от этой «нормы», стоит задуматься о фактическом состоянии катализатора и двигателя.

4.Данные с датчиков контроля за состоянием катализатора, а также датчиков окислов азота, или температуры катализатора (последние установлены на некоторых азиатских двигателях) — важная информация для автовладельца, которую неплохо бы научиться корректно интерпретировать, что позволит не менять (хуже того — удалять) полностью исправный катализатор в случае возникновения фантомных ошибок (снова см. материал про бензин).

5.Катализатор бессмысленно удалять даже в потенциально «проблемных» по топливу регионах. Металлосодержащие присадки со свинцом и железом и рядом не стояли с воздействием на катализатор, например, того же моторного масла. Ни по эффективности, ни по массово-объемным показателям. Литр масла на 1000 км это просто океан на фоне 1000 л самого злого этилированного бензина. И убить такими присадками катализатор еще сложнее, чем найти такой бензин в крупном городе. ..

Нейтральные несимметричные координированные циклофановые катализаторы полимеризации

. 2021 16 августа; 60 (34): 18472-18477.

doi: 10.1002/anie.202105401. Epub 2021 26 июля.

Ева Шибель ¹ , Мария Вочча ² , Лаура Фаливен ² , Иниго Гётткер-Шнетманн ¹ , Лючия Капорасо ² , Стефан Мекинг ¹

Принадлежности

• ¹ Кафедра химического материаловедения, химический факультет Констанцского университета, Universitätsstraße 10, 78457, Констанц, Германия.
• ² Dipartimento di Chimica e Biologia, Università di Salerno, Via Papa Paolo Giovanni II, 84084, Фишано, Италия.

• PMID: 34038606
• PMCID: PMC8456896
• DOI: 10.1002/ани.202105401

Бесплатная статья ЧВК

Ева Шибель и др. Angew Chem Int Ed Engl. 2021 .

Бесплатная статья ЧВК

. 2021 16 августа; 60 (34): 18472-18477.

doi: 10.1002/anie.202105401. Epub 2021 26 июля.

Авторы

Ева Шибель ¹ , Мария Вочча ² , Лаура Фаливен ² , Иниго Гётткер-Шнетманн ¹ , Лючия Капорасо ² , Стефан Мекинг ¹

Принадлежности

• ¹ Кафедра химического материаловедения, химический факультет Констанцского университета, Universitätsstraße 10, 78457, Констанц, Германия.
• ² Dipartimento di Chimica e Biologia, Università di Salerno, Via Papa Paolo Giovanni II, 84084, Фишано, Италия.

• PMID: 34038606
• PMCID: PMC8456896
• DOI: 10.1002/ани.202105401

Абстрактный

Циклофановые структуры могут контролировать стерическое давление в других открытых пространствах квадратно-плоских d ⁸ -металлические катализаторы. Эта элегантная концепция до сих пор ограничивалась симметрично скоординированными металлами. Мы сообщаем, как циклофановый мотив может быть создан в лигандах, которые хелатируются через два разных донора. Вспомогательный второй имин в универсальном типе катализатора κ

2 -N,O-салицилальдиминато обеспечивает замыкание кольца посредством метатезиса олефинов и селективного гидрирования двойной связи с эффективным получением 30-членного кольца. Экспериментальный и теоретический анализы показывают, что вспомогательный имин направлен в сторону от активного центра и инертен для катализа. В полимеризации этилена циклофановый катализатор является более активным и термостабильным по сравнению с эталоном с открытой структурой, особенно в полярных растворителях. Увеличение молекулярной массы и снижение степени разветвления можно проследить за увеличением энергии стерически сложных переходных состояний за счет окружающего циклофана, в то время как распространение цепи остается высокоэффективным.

Ключевые слова: лиганды N,O; циклофаны; расчеты функционала плотности; полимеризация этилена; гомогенный катализ.

© 2021 Авторы. Международное издание Angewandte Chemie, опубликованное Wiley-VCH GmbH.

Цифры

Рисунок 1

Структура циклофана симметричная κ…

Рисунок 1

Циклофановая структура в симметричных κ ² ‐ N , N ‐координированных катионных катализаторах.

фигура 1

Циклофановая структура симметрична κ ² ‐ N , N – координированные катионные катализаторы.

Схема 1

Схема синтеза для N…

Схема 1

Схема синтеза N , O -координированного Ni ^II феноксидииминциклофанового комплекса…

Схема 1

Схема синтеза N , O -координированного Ni ^II феноксидииминциклофанового комплекса ( 6 ). Структура твердого тела продукта гидролиза 4 также показан и эталонный комплекс без мостика ( 7 ).

Рисунок 2

Твердотельная структура из 6 из…

Рисунок 2

Твердотельная структура 6 с двух разных точек зрения. Эллипсоиды нарисованы в…

фигура 2

Твердотельная структура 6 с двух разных точек зрения. Эллипсоиды нарисованы с вероятностью 30 %, атомы водорода опущены, а инициирующая Ni-арильная группа и пиридин нарисованы полупрозрачными.

Схема 2

Синтез и структура твердого тела (получено…

Схема 2

Синтез и структура твердого тела (получено из анализа монокристалла, противоионы и атомы водорода опущены…

Схема 2

Синтез и структура твердого тела (полученные в результате анализа монокристаллов, противоионы и атомы водорода опущены для ясности) 6-H ⁺ .

Рисунок 3

Топографические стерические карты и %VBur…

Рисунок 3

Топографические стерические карты и %VBur, разделенные на квадранты 6 (в центре) и 7…

Рисунок 3

Топографические стерические карты и %VBur, разделенные на квадранты 6 (в центре) и 7 (справа). Комплексы ориентированы, как показано для 7 слева. Расстояние в цветовой шкале указано в Å.

Схема 3

Свободная энергия Гиббса (Δ G…

Схема 3

Свободная энергия Гиббса (Δ G Тол в ккал·моль ⁻¹ ) ключа…

Схема 3

свободных энергий Гиббса (Δ G Tol в ккал моль ⁻¹ ) ключевых соединений для линейного роста цепи, передачи цепи и образования ветвей с 6 (зеленый) и 7 (красный). Оптимизированная геометрия TS-2 _{декорАр} , ТС-3 _декор и для ТС-3 _цвет для 6 .

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Похожие статьи

• Нейтральные никелево-этиленовые олиго- и полимеризационные катализаторы: к расчетному прогнозированию и дизайну катализатора.

  Хейндрикс В., Окчипинти Г., Дженсен В.Р. Heyndrickx W, et al. Химия. 2014 23 июня; 20 (26): 7962-78. doi: 10.1002/chem.201304889. Epub 2014 4 июня. Химия. 2014. PMID: 24895060

• Разработка и применение катализаторов FI для полимеризации олефинов: уникальный катализ и своеобразное полимерообразование.

  Макио Х., Фудзита Т. Макио Х. и др. Acc Chem Res. 2009 20 октября; 42 (10): 1532-44. doi: 10.1021/ar

  0a. Acc Chem Res. 2009. PMID: 19588950

• Механистическое исследование сополимеризации этилена с полярными мономерами с использованием альфа-дииминового катализатора Pd(II) на основе циклофана.

  Попени К.С., Гуань З. Попени С.С. и соавт. J Am Chem Soc. 2009 2 сентября; 131 (34): 12384-93. doi: 10.1021/ja904471v. J Am Chem Soc. 2009. PMID: 19663488

• Многоядерный катализ группы 4: пути полимеризации олефинов, модифицированные сильными эффектами сотрудничества металл-металл.

  McInnis JP, Delferro M, Marks TJ. Макиннис Дж.П. и др. Acc Chem Res. 2014 19 августа; 47 (8): 2545-57. дои: 10.1021/ar5001633. Epub 2014 30 июля. Acc Chem Res. 2014. PMID: 25075755

• Индиевые катализаторы для полимеризации с раскрытием кольца: изучение важности агрегации катализатора.

  Остен К.М., Мехрходаванди П. Остен К.М. и др. Acc Chem Res. 2017 21 ноября; 50 (11): 2861-2869. doi: 10.1021/acs.accounts.7b00447. Epub 2017 31 октября. Acc Chem Res. 2017. PMID: 29087695 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

использованная литература

1. 1. Никто
2. 1. Накамура А. , Ито С., Нодзаки К., Chem. 2009, 109, 5215; — пабмед
3. 1. Чен З., Брухарт М., акк. хим. Рез. 2018, 51, 1831; — пабмед
4. 1. Киз А., Басбуг Алхан Х. Э., Ордонез Э., Ха У., Бизер Д. Б., Дау Х., Лю Ю.-С., Цогтгерел Э., Джонс Г. Р., Харт Э., Ангью. хим. Междунар. Эд. 2019, 58, 12370; — пабмед
   2. Ангью. хим. 2019, 131, 12498;
5. 1. Walsh D.J., Hyatt M.G., Miller S.A., Guironnet D., ACS Catal. 2019, 9, 11153;

Грантовая поддержка

• Me 1388/14-1/Deutsche Forschungsgemeinschaft

Катализатор для разработки углеродно-нейтральной технологии радиационного ускорителя

Спектроскопия поглощения мягкого рентгеновского излучения на основе ускорителя излучения. Предоставлено: Корейский институт науки и технологий (KIST).

Значение «углеродной нейтральности» возрастает как никогда, поскольку изменение климата, вызванное глобальным потеплением, угрожает даже праву человека на жизнь. Республика Корея объявила об «углеродной нейтральности к 2050 году» и прилагает усилия для сокращения выбросов парниковых газов. Для достижения углеродной нейтральности наряду с производством экологически чистого водорода, которое снижает образование углекислого газа, необходима технология CCU, которая использует уже произведенный углекислый газ.

Чтобы эти две технологии были эффективными в сокращении выбросов парниковых газов, необходимо уменьшить используемую энергию за счет увеличения активности электрода окисления воды, который вызывает электрохимическую реакцию. С этой целью были предприняты попытки понять электронную структуру поверхности катализатора во время протекания реакции. Однако из-за сложности проведения эксперимента в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ) он был оценен лишь косвенно посредством вычислительных расчетов.

В Корейском институте науки и технологий (KIST) д-р Хюнг-Сук О и д-р Вунг Хи Ли из Исследовательского центра чистой энергии и д-р Кеун Хва Чэ из Центра перспективного анализа и данных разработали программный X- спектроскопия поглощения на основе лучей на основе ускорителя излучения (линия пучка 10D XAS KIST) впервые в Корее. KIST объявил, что это исследование разработало новую стратегию изготовления электродов путем наблюдения и анализа электронной структуры поверхности во время реакции электрода окисления воды, применяемого для «производства водорода и преобразования углекислого газа».

Схематическая иллюстрация работы спектроскопии поглощения мягкого рентгеновского излучения. Предоставлено: Корейский институт науки и технологий (KIST).

Исследовательская группа обнаружила, что обычный кобальт реконструировался во время реакции путем измерения электронной структуры и спиновых состояний поверхности электрода с помощью спектроскопии поглощения мягкого рентгеновского излучения на ускорителе в условиях сверхвысокого вакуума. Термодинамически кобальт склонен находиться в четырехвалентной степени окисления в условиях окисления, и его активность по окислению воды очень низкая. Необходимо поддерживать степень трехвалентного окисления, чтобы поддерживать высокую активность окисления воды, что процесс, разработанный исследовательской группой, позволяет получить степень окисления 3. 2 и высокую активность. Разработанный электрод имеет в 1000 раз большую электрохимическую площадь поверхности по сравнению с коммерческим кобальтовым электродом и в 10 раз большую производительность по производству водорода при применении к реальной системе электролиза воды.

ПЭМ и СЭМ изображения катализатора. Предоставлено: Корейский институт науки и технологий (KIST).

Доктор О говорит, что «разработав абсорбционную спектрометрию мягкого рентгеновского излучения на основе ускорителя излучения, мы сделали еще один шаг вперед в понимании свойств каталитических материалов и улучшении их характеристик. Это важная технология для искусственного фотосинтеза, и, как ожидается, окажет большую помощь в улучшении характеристик электрода для окисления воды, который является важной технологией для производства зеленого водорода и электрохимической реконструкции».

Исследование было опубликовано в Nature Communications .

Дополнительная информация: Woong Hee Lee et al.