Как работает каталитический нейтрализатор.

Более миллиарда машин ездит по планете и каждая является источником загрязнения окружающей среды. В крупных городах, выбросы автомобилей создают большие проблемы. Для решения этих проблем страны всего мира, законом ограничивают количество вредных выбросов, которое может производить автомобиль. На протяжении многих лет, производители автомобилей, совершенствовали системы автомобиля, что бы “идти в ногу” с этими законами. Одно из этих решений появилось в 1975 году и называлось оно каталитический нейтрализатор. Работа каталитического нейтрализатора заключается в нейтрализации вредных веществ в отработавших газах,  прежде чем они попадут в атмосферу.
 
Какие вредные вещества производит автомобиль?
В целях сокращения вредных выбросов, современные автомобили стараются контролировать качество сжигаемой смеси. Они стараются получить соотношение воздух — топливо очень близкое к стехиометрической точке. Теоретически, при таком соотношении все топливо сгорит с использованием всего кислорода. Для бензина это соотношение равно 14,7: 1, это означает, что на каждый килограмм бензина будет сожжено 14,7 килограмма воздуха, именно килограмма, а не литра. Топливная смесь может быть бедной (соотношени топливо-воздух меньше,  чем 14,7), а может быть,  богатой (соотношение  топливо-воздух больше,  чем 14,7).
 
Давайте рассмотрим подробнее основные вещества,  которые выделяются при работе двигателя:

• Газообразный азот (N2) — Выхлопные газы на 78-процентов состоят из азота;
  
• Углекислый газ (CO2) — это один из продуктов сгорания. Для бензиновых двигателей процентное содержание 0%—16,0%,  для дизельных 1,0%—10,0%;
  
• Водяной пар (H2O) — это ещё один продукт сгорания. Для бензиновых двигателей процентное содержание 3,0%—5,5%, для дизельных 0,5%—4,0%;
  

 
Эти выбросы в основном доброкачественные, хотя выбросы углекислого газа,  как полагают, способствуют глобальному потеплению. Также при горении выделяются вредные вещества, но в меньшем количестве. Для уменьшения количества вредных выбросов используют каталитический нейтрализатор.
Окись углерода (СО) — ядовитый газ, который не имеет цвета и запаха.
Углеводороды или летучие органические соединения (ЛОС) — это одни из основных компонентов смогов, которые образуются в основном из не сгоревшего топлива. Оксиды азота — это составляющая смогов и кислотных дождей, которые вызывают раздражение слизистой оболочки.
 
Как каталитический нейтрализатор уменьшает выбросы.
В химии, катализатор представляет собой вещество, которое вызывает или ускоряет химическую реакцию, но само не вступает в неё. В человеческом организме, роль катализаторов выполняют ферменты.
Существует два вида каталитических нейтрализаторов,  восстанавливающий и катализатор окисления. Оба типа состоят из керамической структуры, покрытой металлическим катализатором, обычно это платина, родий или палладий. Идея заключается в том, чтобы создать структуру, имеющую максимальную площадь соприкосновения с выхлопными газами, а также свести к минимуму количество применяемого катализатора, так как материалы, применяющиеся в качестве катализатора очень дорогие. В некоторых новых разработках начали использовать золото, смешивая его с традиционными катализаторами. Золото стоит дешевле, чем другие материалы и может уменьшить количество загрязняющих веществ на 40%. 

Большинство современных автомобилей оснащены трехкомпонентным каталитическим преобразователем. Восстанавливающий катализатор — первый этап каталитического нейтрализатора. Здесь применяются платина и родий, для уменьшения NOx выбросов.
Когда молекулы NO или NO2 вступают в контакт с катализатором, он забирает атом азота из молекулы, освобождая кислород (O2).
Например:
2NO => N2 + O2 или 2NO2 => N2 + 2O2
Катализатор окисления — второй этап каталитического нейтрализатора. На этом этапе снижается количество несгоревших углеводородов и окиси углерод, при их взаимодействии с платиной и палладием. Этот катализатор способствует реакции CO и углеводородов с оставшимся кислородом в выхлопных газах.
Например:
2CO + O2 => 2CO2
По структуре каталитические нейтрализаторы бывают двух типов: соты и керамические шарики. Сегодня, в большинстве автомобилей применяются нейтрализаторы типа соты.
 
Управление выбросами и повышение производительности.
Третий этап преобразования — это система управления, которая контролирует поток выхлопных газов и использует эти данные для управления системой впрыска топлива. Контроль осуществляется с помощью датчика кислорода, который расположен после нейтрализатора. Датчик сообщает ЭБУ о количестве кислорода в выхлопных газах, на основе этих данных ЭБУ может увеличить либо уменьшить соотношение воздух-топливо, подаваемое в двигатель.
Все же в работе каталитического нейтрализатора есть один недостаток, он начинает работать только после того, как машина нагреется до определённой температуры. Пока машина холодная, каталитический нейтрализатор не уменьшает количество вредных веществ в выхлопе.
Один из простых способов решения этого вопроса, это перемещение каталитического нейтрализатора ближе к двигателю. Это означает, что более горячие выхлопные газы попадают в нейтрализатор и он быстрее нагревается, но такая эксплуатация каталитического нейтрализатора значительно сократит срок его службы,  из-за воздействия высокой температуры. Большинство производителей авто располагают его под передним пассажирским сидением, что достаточно далеко от двигателя и не очень высокая температура.
Предварительный нагрев каталитического нейтрализатора — это хороший способ уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу. Простым решением будет использование 12 вольтового электронагревателя. К сожалению, электрическая система большинства автомобилей не обеспечит достаточное количество мощности, чтобы сделать это быстро. Большинство людей попросту не будут ждать несколько минут, перед тем как завести автомобиль, чтобы нагрелся нейтрализатор. Кстати, гибридные автомобили обладают достаточной мощностью, чтобы нагреть каталитический нейтрализатор очень быстро.
Каталитический нейтрализатор, в дизеле, не сокращает количество выбросов NOx. Для того чтобы уменьшить количество выбросов NOx,  в выхлопную трубу добавляют мочевину, которая вступает в реакцию с NOx, уменьшая его концентрацию в выбросе.Мочевина, известная так же как карбамид, состоит из углерода, азота, кислорода и водорода. Её можно обнаружить в моче млекопитающих и земноводных. При реакции мочевины с Nox,  выделяется азот и водяной пар,  таким образом, утилизируется более 90% окислов азота.