Назначение катализаторов и сажевых фильтров современных автомобилей

С развитием автомобилестроения благодаря введению стандарта «Евро» удалось значительно снизить количество выбрасываемых вредных веществ, которые содержаться в выхлопных газах автомобиля и сильно загрязняют атмосферу. Совершенствование системы питания и электронного управления двигателем было мало, так как большая часть вредных веществ всё равно выходила в атмосферу и решить эту проблему получилось благодаря специальных фильтров в выхлопной системе автомобиля, называемых катализаторами.

На двигателях автомобилей, работающих на бензине, устанавливаются катализаторы, а на дизельных двигателях катализатор и сажевый фильтр, так как хоть дизеля считаются экологичнее, но при этом с выхлопом они выбрасывают в окружающую среду огромное количество серы.

Катализаторы или каталитические нейтрализаторы, применяются в выхлопной системе автомобиля для снижения концентрации вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах, а именно оксид углерода, углеводород и оксид азота. Катализатор состоит из трёх основных частей: блока фильтрующих элементов, теплоизоляции и корпуса с датчиком кислорода (лямбда-зонд).

Блок фильтрующих элементов состоит из множества мелких сот-ячеек, изготавливаемых из специальной керамики, через которые проходят выхлопные газы из двигателя и очищаются. На ячейки наносятся слои специальных веществ, которые как раз и выполняют роль катализаторов. К ним относятся такие вещества как палладий, платина и родий. Палладий способствует конденсированию несгоревших углеводородов, превращая их в водяной пар. Платина насыщает угарный газ атомом кислорода, превращая его в углекислый газ, а родий наоборот, отбирает у частиц оксида азота кислород, превращая их в обычный азот, вред которого является минимальным.

Теплоизоляция фильтрующих элементов обеспечивает постоянное сохранение внутренней температуры, которая способствует лучшей работе катализатора, что очень актуально в холодное время года. Сам катализатор вместе с его теплоизоляцией, заключён в металлический корпус. Нормальная работа катализатора достигается при его внутренней температуре 300 градусов. Для этого катализатор устанавливается ближе к выпускному коллектору двигателя. Также быстрому прогреву катализатора способствует обогащение топливо-воздушной смеси или подача под давлением воздуха непосредственно в сам катализатор.

Срок службы катализатора варьируется от 80 до 140 тысяч пробега. Причиной его замены становится ухудшение тяги и динамических характеристик двигателя, что вызывается разрушением ячеек, которые задерживают выход отработавших газов в окружающую среду.

Сажевые фильтры как сразу понятно по названию, применяются для улавливания сажи. Состоят из корпуса с широкополосным лямбда-датчиком, датчика давления до фильтра, датчика давления после фильтра и датчика дифференциального давления. Внутри корпуса располагается фильтрующий элемент, который изготавливается из карбида кремния. Ячейки фильтра изготавливают с малым сечением для улавливания больших и малых частиц сажи.

В ходе эксплуатации, частицы сажи накапливаются в фильтрующем элементе и препятствуют прохождению выхлопных газов, что как и в случае с катализатором ухудшает динамику и мощность двигателя. Чтобы этого не допускать, сажевый фильтр подвергается самоочистке, которая называется регенерацией. Различают два режима регенерации: пассивный и активный.

Пассивная регенерация происходит при внутренней температуре фильтрующего элемента 600 градусов, которая достигается при больших нагрузках на двигатель. То есть из-за большой температуры, оставшиеся частицы сажи полностью сгорают и выходят с выхлопными газами. Однако при частой езде по городу не достаточно, чтобы обеспечить требуемую нагрузку на двигатель, в результате чего регенерация не происходит и фильтр загрязняется всё больше с каждым разом и выходит из строя. Проблему удалось решить, добавляя в топливо специальные присадки, которые позволяют запустить пассивную регенерацию при температуре 450-500 градусов. Чтобы избавить водителя от надобности рассчитывать количество присадки на количество топлива, эта функция стала автоматической. То есть рядом с топливным баком устанавливается небольшой бачок с присадкой, уровень которой контролирует датчик, соединённый с электронным блоком управления двигателя. Присадки хватает на весь срок эксплуатации одного сажевого фильтра — 80-140 тыс. км пробега. Во время заправки топлива, поплавок в баке даёт сигнал о текущем уровне топлива, чтобы рассчитать порцию присадки, которая сразу же распыляется в топливный бак.

Присадка содержит элементы, входящие в соединение с частицами сажи, что позволяет большей задержке её в фильтрующем элементе. Также такой элемент как оксид, отдавая саже свой кислород, улучшает её сгорание, однако сам церий до конца не сгорает, со временем загрязняя фильтр, что является минусом данной системы.

Активная регенерация запускается принудительно, основываясь на показаниях датчиков давления до фильтра и датчика давления после сажевогофильтра, а также датчика среднего (дифференциального) давления. Принудительное повышение внутренней температуры фильтра происходит каждые 500 км следующими способами:

• поздний впрыск топлива;
• впрыск топлива на такте впуска;
• электрического нагревателя выхлопных газов;
• впрыск топлива перед самим фильтром;
• нагрев выхлопных газов микроволнами.

Выхлопная система дизельных двигателей сложнее и затратнее в обслуживании, так как помимо катализатора устанавливается и сажевый фильтр.