Каталитични преобразуватели

Двупосочен

Двупосочният (или „окисляващ“) каталитичен преобразувател има две едновременни задачи:

• Окисляване на въглероден оксид до въглероден диоксид: 2CO + O2 → 2CO2
• Окисляване на въглеводороди (гориво и частично изгорено гориво) до въглероден двуокис и вода: CxH2x + 2 + [(3x + 1) / 2] O2 → xCO2 + (x + 1) H2O (реакция на горене)

Този тип каталитичен конвертор се използва широко при дизелови двигатели за намаляване на емисиите на въглеводород и въглероден окис. Те се използват и на бензинови двигатели в автомобили на американски и канадски пазар до 1981 г. Поради неспособността им да контролират азотните окиси, те са заместени от трипътни преобразуватели.

Троен

Катализаторите за редукция и окисляване обикновено се съдържат в общ корпус, но в някои случаи те могат да бъдат поместени отделно. Трипосочният каталитичен преобразувател има три едновременни задачи:

• Намаляване на азотните оксиди до азот и кислород: 2NOx → xO2 + N2
• Окисляване на въглероден оксид до въглероден диоксид: 2CO + O2 → 2CO2
• Окисляване на неизгорелите въглеводороди (НС) до въглероден диоксид и вода: CxH2x + 2 + [(3x + 1) / 2] O2 → xCO2 + (x + 1) H2O.

Тези три реакции се проявяват най-ефективно, когато каталитичният конвертор получава изгорели газове от двигател, работещ малко над стехиометричната точка. Тази точка е между 14,6 и 14,8 части въздух до 1 част гориво, тегловно, за бензин. Съотношението за автогаз (или втечнен нефтен газ (LPG)), природен газ и етанолни горива е малко по-различно, което изисква модифицирани настройки на горивната система при използването на тези горива. По принцип двигателите, оборудвани с трипътни каталитични преобразуватели, са оборудвани с компютъризирана система за впръскване на гориво с обратна връзка с използване на един или повече кислородни сензори, въпреки че още в началото на внедряването на трипосочни преобразуватели бяха използвани карбуратори, оборудвани за контрол на сместа за обратна връзка.Трипосочните катализатори са ефективни, когато двигателят работи в тесен диапазон на съотношението въздух / гориво близо до стехиометрията, така че отработените газове да се колебаят между богати (излишно гориво) и слаби (излишък от кислород) условия. Въпреки това, ефективността на преобразуване пада много бързо, когато двигателят работи извън тази лента на съотношението въздух / гориво. В режим на слаб двигател има излишък от кислород и намаляването на NOx не е благоприятно. При богати условия излишното гориво изразходва целия наличен кислород преди катализатора, като по този начин е наличен само съхраняван кислород за функцията за окисляване. Системите за управление със затворен контур са необходими поради противоречивите изисквания за ефективно намаляване на NOx и окисляване на НС. Системата за контрол трябва да предотврати пълното окисляване на катализатора за намаляване на NOx. Трипосочните каталитични преобразуватели могат да съхраняват кислород от потока на отработените газове, обикновено когато съотношението въздух-гориво е слабо. Когато в потока на отработените газове няма достатъчно кислород, съхраняваният кислород се отделя и изразходва. Липсата на достатъчно кислород възниква или когато кислородът, получен от намаляването на NOx, не е налице, или когато определени маневри, като твърдо ускорение, обогатяват сместа извън възможностите на конвертора да доставя кислород. В трипътния катализатор могат да възникнат нежелани реакции, като например образуването на мирис на сероводород и амоняк. Образуването на всяка от тях може да бъде ограничено от модификации на използвания прах и скъпоценни метали. Трудно е да се елиминират изцяло тези странични продукти. Без сяра или с ниско съдържание на сяра горивата елиминират или намаляват сероводорода.

Дизелови двигатели

Схема на дизелов окислителен катализатор и дизелов филтър за твърди частици, използвани за контрол на емисиите

За запалване чрез компресия (т.е. дизелови двигатели) най-често използваният каталитичен преобразувател е дизеловият окислителен катализатор (DOC). Този катализатор използва O2 (кислород) в потока на отработените газове, за да преобразува CO (въглероден окис) във CO2 (въглероден диоксид) и HC (въглеводороди) до H2O (вода) и CO2. Тези преобразуватели често работят с 90 процента ефективност, като практически елиминират миризмата на дизел и спомагат за намаляване на видимите прахови частици (сажди). Тези катализатори не са активни за намаляване на NOx, тъй като всяко присъстващо редуктор ще реагира първо с високата концентрация на O2 в дизеловия отработен газ. Намаляването на емисиите на NOx от двигателите с компресионно запалване преди това е било разрешено чрез добавяне на отработени газове към входящия въздушен заряд, известен като рециркулация на отработените газове (EGR). През 2010 г. повечето производители на дизелови двигатели добавиха каталитични системи към своите превозни средства, за да отговорят на новите изисквания за емисии. Има две техники, които са разработени за каталитично намаляване на емисиите на NOx при слаби изгорели газове – селективно каталитично редуциране (SCR) и постно капан NOx или NOx адсорбер. Вместо адсорбера, съдържащ благородни метали, повечето производители са избрали SCR системи от основен метал, които използват реагент като амоняк за редуциране на NOx в азот. Амонякът се подава в катализаторната система чрез инжектиране на карбамид в отработените газове, който след това се подлага на термично разлагане и хидролиза в амоняк. Един търговски продукт на разтвор на карбамид, наричан още дизелов флуид за емисии (DEF), е AdBlue. Дизеловият ауспух съдържа сравнително високи нива на прахови частици (сажди), състоящи се в голяма част от елементарен въглерод. Каталитичните преобразуватели не могат да почистят елементарен въглерод, въпреки че те премахват до 90 процента от разтворимата органична фракция, така че частиците се почистват от капан за сажди или филтър за твърди частици (DPF). DPF се състои от кордиеритов или силициев карбиден субстрат с геометрия, която принуждава потока на отработените газове през стените на основата, оставяйки зад себе си капан частици сажди. Съвременните DPF могат да бъдат произведени от различни редки метали, които осигуряват превъзходни характеристики (с по-големи разходи). С увеличаването на количеството сажди в DPF нараства и обратното налягане в изпускателната система. Необходими са периодични регенерации (високотемпературни екскурзии), за да се инициира изгарянето на заловената сажди и по този начин да се намали обратното налягане на отработените газове. Количеството сажди, заредено в DPF преди регенерацията, може също да бъде ограничено, за да се предотврати екстремните екзотерми да повредят капана по време на регенерация.

Повреди

Отравянето с катализатор възниква, когато каталитичният конвертор е изложен на вещества, съдържащи отработени газове, които покриват работните повърхности, така че да не могат да контактуват и да реагират с отработените газове. Най-забележимият замърсител е оловото ,така че превозните средства, оборудвани с каталитични конвертори, могат да работят само на безоловно гориво. Други често срещани катализаторни отрови включват сяра , манган (произхождащи основно от бензиновата добавка MMT ) и силиций , които могат да влязат в потока на отработените газове, ако двигателят има изтичане, на охлаждащата течност в горивната камера. фосфорът е друг замърсител на катализатора. Въпреки че фосфорът вече не се използва в бензина, той (и цинк , друг замърсител на катализатора с ниско ниво) доскоро беше широко използван в добавките към моторните масла.В началото на 2004 г. в спецификациите API SM и ILSAC GF-4 беше приета граница на концентрация на фосфор в двигателни масла . В зависимост от замърсителя, отравянето с катализатор понякога може да бъде обърнато, ако двигателят работи под много тежък товар за продължителен период от време. Повишената температура на отработените газове понякога може да изпари или сублимира замърсителя, отстранявайки го от каталитичната повърхност. По този начин обаче отстраняването на оловни отлагания обикновено не е възможно поради високата точка на кипене на оловото. Всяко състояние, което причинява необичайно високи нива на неизгорели въглеводороди – сурово или частично изгорено гориво – да достигнат до преобразувателя, ще доведе до значително повишаване на температурата му, което води до риск от стопяване на субстрата и до последващо каталитично дезактивиране и силно ограничаване на отработените газове. От 2006 г. етанолсе използва често с горивни смеси, при които компонентите на горивната система, които не са съвместими с етанол, могат да повредят каталитичен преобразувател – това включва и използването на по-плътен вискозитет на маслото, който не се препоръчва от производителя (особено със съдържание на ZDDP – това включва смеси с „голям пробег“, независимо дали нейното конвенционално или синтетично масло), течове на масло и / или охлаждаща течност (напр. уплътнение с издухана глава, включително прегряване на двигателя). Превозните средства, оборудвани с OBD-II системи за диагностика, са проектирани да предупреждават водача за състояние на пропадане чрез  светлината на „контролния двигател“ на таблото.

Диагностика 

Сега различни юрисдикции изискват бордова диагностика, за да се следи функционирането и състоянието на системата за контрол на емисиите, включително каталитичния преобразувател. Бордовите диагностични системи приемат няколко форми.Температурните сензори се използват за две цели. Първият е като предупредителна система, обикновено на двупосочни каталитични преобразуватели, каквито все още понякога се използват за мотокари с пропан-бутан. Функцията на сензора е да предупреждава за температура на каталитичния преобразувател над безопасната граница от 750 ° C (1380 ° F). По-новите модели каталитични конвертори не са толкова податливи на температурни повреди и могат да издържат на поддържани температури от 900 ° C (1650 ° F).  Температурните сензори също се използват за наблюдение на функционирането на катализатора: обикновено се монтират два датчика, един преди катализатора и един след това за следене на повишаването на температурата над сърцевината на каталитичния конвертор. Кислородният сензор е в основата на затворена система за контрол на искрово запалване той обаче се използва и за диагностика. При превозни средства с OBD II , втори сензор кислород е след катализатора за наблюдение на О ₂ нива. Нивата на O ₂ се наблюдават, за да се види ефективността на процеса на изгаряне. Бордовият компютър прави сравнения между показанията на двата сензора. Показанията се вземат чрез измервания на напрежението. Ако и двата сензора показват еднакъв изход или задната O ₂е „превключване“, компютърът разпознава, че каталитичният преобразувател или не работи, или е отстранен, и ще работи индикатор за неизправност което ще повлияе на работата на двигателя. Сензорите NO x са изключително скъпи и като цяло се използват само когато двигател с компресионно запалване е снабден със селективен каталитичен редуктор (SCR) преобразувател. Когато е монтиран към SCR система, може да има един или два сензора. Когато е монтиран един сензор, той ще бъде пред катализатор; когато са монтирани два, вторият ще бъде след катализатор. Те се използват по същите причини и по същия начин като кислороден сензор; единствената разлика е веществото, което се наблюдава