Такой нейтрализатор является элементом системы очистки ОГ как в двигателях с впрыскиванием топлива во впускной трубопровод, так и с непосредственным впрыскиванием топлива.
Назначение
Перед трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором стоит задача преобразовывать в безвредные компоненты образующиеся при сгорании рабочей смеси вредные вещества — углеводороды СН), оксид углерода (СО) и оксиды азота NOx). В качестве конечного продукта образуются водяной пар (Н20), углекислый газ (С02) и азот (N2).
Принцип работы
Преобразование вредных веществ (очистка ОГ) осуществляется в две стадии: сначала оксид углерода и углеводороды преобразуются за счет окисления . Кислород, необходимый для окисления, имеется либо в виде остаточного кислорода в ОГ за счет неполного сгорания, либо он забирается у оксидов азота, количество которых таким образом снижается.
Концентрация вредных веществ в неочищенных ОГ зависит от коэффициента избытка воздуха X. Уровень преобразования углеводородов и оксида углерода увеличивается с возрастанием коэффициента избытка воздуха. При X = 1 доля этих вредных компонентов еще очень мала. При более высоком коэффициенте избытка воздуха (X > 1) концентрация этих вредных веществ остался на этом низком уровне. Степень преобразования оксидов азота в диапазоне обогащенной смеси {X < 1) считается приемлемой. Самая низкая концентрация NOx соответствует стехиометрической смеси (Х=1). Но уже небольшое значение содержания кислорода в ОГ за счет повышения коэффициента избытка воздуха препятствует снижению количества оксидов азота и резко повышает их концентрацию в ОГ.

Для того чтобы процент преобразования трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором всех трех токсичных компонентов ОГ (СО, СН, NOx) был как можно выше, эти компоненты должны находиться в ОГ в химическом равновесии. Для этого требуется стехиометрическое соотношение топлива и воздуха в рабочей смеси {X - 1,0). Поэтому «окно», обеспечивающее значение X, очень близкое к единице, крайне мало. Смесеобразование должно регулироваться замкнутым контуром лямбда управления.

Каталитический нейтрализатор состоит из стального корпуса, подложки-носителя и активного каталитического покрытия из благородных металлов.
Подложка-носитель
Распространены два типа подложки носителя: керамические и металлические монолиты.
Керамические монолиты Керамические монолиты представляют собой керамические тела, пронизанные несколькими тысячами мелких каналов, по которым перепускаются ОГ. Керамика изготавливается из термостойкого магниево-алюминиевого силиката. Монолит, чрезвычайно чувствительно реагирующий на механические напряжения, закреплен в металлическом корпусе. Для этого применяются минеральные расширяющиеся маты, которые при первом нагревании расширяются, фольги толщиной 0,05 мм и закреплен методом высокотемпературной пайки. Благодаря тонкостенной структуре, размещается больше газовых каналов на одной и той же площади. Это означает меньшее сопротивление пропуску ОГ, что важно для мощных форсированных двигателей.
Керамическое покрытие
Керамические и металлические монолиты требуют покрытия из оксида алюминия(А1203) — так называемый абсорбционный слой. Этот слой увеличивает эффективную поверхность каталитического нейтрализатора в 7000 раз. Нанесенный поверх него действующий

Преобразование вредных веществ в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе начинается лишь при рабочей температуре свыше 300 °С. Идеальные условия работы, обеспечивающие высокую степень очистки ОГ и длительный срок службы нейтрализатора, находятся в диа¬пазоне температур 400-800 °С.
Термическое старение сильно возрастает в диапазоне 800-1000 °С за счет спекания благородных металлов и слоя А1203, что приводит к уменьшению активной поверхности нейтрализатора. При этом большое влияние оказывает также продолжительность работы в этом температурном диапазоне. Свыше 1000 °С термическое старение сильно возрастает и приводит к полной утрате эффективности каталитического нейтрализатора.

В результате нарушений в работе двигателя (например, перебои в зажигании) температура в каталитическом нейтрализаторе может подняться до 1400 °С. Такие температуры приводят к полному разрушению каталитического нейтрализатора за счет плавления материала носителя подложки. Чтобы этого не допустить, система зажигания должна работать особенно надежно и не требовать технического обслуживания. Современные системы управления двигателем могут определять перебои в зажигании и сгорании. Если необходимо, они прекращают впрыскивание топлива в соответствующий цилиндр, благодаря чему несгоревшая смесь не попадает в систему выпуска.

Неэтилированное топливо Другим условием надежной и длительной работы нейтрализатора является работа двигателя на неэтилированном топливе. Соединения свинца осаждаются в порах активной внешней поверхности и снижают их количество. Несгоревшие частицы моторного масла, попадающие в ОГ, тоже могут «отравить» каталитический нейтрализатор, т. е. повредить его так, что он становится неэффективным. Место установки
Строгие нормы по предельно допустимой токсичности ОГ требуют применения специальной концепции нагрева каталитического нейтрализатора при пуске двигателя. Эти концепции (например, подача дополнительных порций воздуха, установка более низкого момента зажигания) определяют место установки каталитического нейтрализатора. Необходимость соблюдения определенной рабочей температуры трехкомпонентного каталитического нейтрализатора определяет его местоположение. Из-за этих температурных условий, необходимых для высокой эффективности преобразования вредных веществ, необходима установка трехкомпонентного каталитического нейтрализатора рядом с двигателем.

Главным образом, применяется схема раздельного размещения двух трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов, первый из которых располагается рядом с двигателем, а второй (основной) — под днищем автомобиля. Каталитические нейтрализаторы, размещаемые рядом с двигателем, требуют оптимизации для обеспечения стабильной работы при высоких температурах, а основные каталитические нейтрализаторы, расположенные под днищем, оптимизироваться для обеспечения эффективной очистки при низкой пусковой температуре, а также высокой степени преобразования NOx.
Альтернативой может быть только концепция общего каталитического нейтрализатора, установленного рядом с двигателем.

Каталитическая обработка ОГ с помощью трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в настоящее время является самым эффективным методом очистки этих ОГ для бензиновых двигателей, работающих на гомогенных рабочих смесях при X = 1. В эту систему включен замкнутый контур лямбда управления, с помощью которого контролируется состав рабочей смеси. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор может почти полностью очищать ОГ от таких вредных веществ, как оксид углерода, углеводороды и оксиды азота при гомогенном распределении и стехиометрическом составе рабочей смеси. Но эти идеальные режимы работы могут соблюдаться не всегда. Несмотря на это, в среднем можно исходить из снижения количества вредных веществ в ОГ более чем на 98%.

Каталитический нейтрализатор с накопителем .-NOx
Назначение

При работе двигателя на обедненной рабочей смеси трехкомпонентный каталитический нейтрализатор не может полностью преобразовывать оксиды азота (NOx), образующиеся при сгорании. В этом случае кислород для процесса окисления оксида углерода и углеводородов вместо кислорода, получающегося при расщеплении оксидов азота, используется остаточный кислород, находящийся в сравнительно большом количестве в ОГ. Каталитический нейтрализатор с накопителем NOx химически расщепляет оксиды азота другим способом.
Конструкция и специальное каталитическое покрытие
Каталитический нейтрализатор с накопителем NOx имеют конструкцию, сходную с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором. В дополнение к каталитическому покрытию из платины, палладия и родия он имеет еще специальные добавки, которые способны накапливать оксиды азота. Типичными материалами, способными к накоплению, являются, например, оксиды калия, кальция, стронция, циркония, лантана или бария.
Покрытие для накопления NOx и покрытие трехкомпонентного каталитического нейтрализатора могут наноситься на общий носитель-подложку.

За счет имеющегося покрытия из благородных металлов каталитический нейтрализатор с накопителем NOx в режиме X = 1 функционирует как трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Дополнительно он преобразует не уменьшившееся в обедненных ОГ количество оксидов азота. Но это преобразование не осуществляется непрерывно, как в случае оксида угле¬рода и углеводородов, а протекает в три стадии:
1) накопление NOx;
2) извлечение NOx;
3) преобразование.
Накопление NOx
Оксиды азота (NOx) каталитическим путем окисляются на поверхности платинового покрытия в диоксид азота (N02). Затем N02 вступает в реакцию со специальными оксидами на каталитической поверхности и с кислородом (02) с образованием нитратов. Так, например, N02 с оксидом бария ВаО , образует химическое соединение нитрат бария Ba. Благодаря этому каталитический нейтрализатор с накопителем NOx при работе двигателя на смеси с избытком воздуха обеспечивает накопление оксидов азота.

Существуют два разных способа определения фазы полного заполнения каталитического нейтрализатора:
способ моделирования, обеспечивающий расчет количества накопленных в нейтрализаторе NOx с учетом температуры нейтрализатора;
способ непрерывного измерения концентрации NOx в ОГ с помощью датчика NOx, расположенного за нейтрализатором.
Извлечение NOx и их преобразование По мере увеличения количества накопленных оксидов азота (загрузки) снижается способность дальнейшего химического связывания оксидов азота. С определенного их количества должна осуществляться регенерация, т. е. накопленные оксиды азота должны удаляться и преобразовываться. Для этого на короткое время происходит переключение работы двигателя на режим использования обогащенной гомогенной рабочей смеси (к < 0,8). Процессы извлечения NOx и преобразования их в азот и углекислый газ протекают раздельно. В качестве восстановителей используются Н2, СН и СО. Самая низкая скорость реакции регистрируется при использовании СН, самая большая — при Н2. Процесс извлечения (рассмотрен при использовании оксида углерода в качестве восстановителя) осуществляется таким способом, при котором оксид углерода раскисляет нитрат, например, нитрат бария Ba(N03), в оксид, например, оксид бария ВаО. При этом образуются углекислый газ и моноксид азота. Затем каталитическое покрытие из родия раскисляет оксиды азота посредством оксида углерода в азот и углекислый газ.

Существуют два разных метода определения завершения фазы выдачи:

метод моделирования обеспечивает расчет количества NOx , еще имеющегося в накопителе каталитического нейтрализатора;
лямбда-зонд за каталитическим нейтрализатором измеряет концентрацию кислорода в ОГ за счет скачка напряжения при переходе из обедненного в обогащенный режим, показывая, что извлечение завершено.

 
Способность этого каталитического нейтрализатора накапливать NOx в сильной мере зависит от температуры. Она достигает максимума в диапазоне 300-400 °С. За счет этого рабочий диапазон температур намного ниже, чем у трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. По этой причине для каталитической очистки ОГ должны устанавливаться два отдельных каталитических нейтрализатора — трехкомпонентный каталитический нейтрализатор рядом с двигателем (передний) и удаленный от двигателя каталитический нейтрализатор с накопителем NOx в качестве основного.

 
Влияние серы, содержащейся  в топливе, на работу нейтрализатора

Сера, содержащаяся в бензине, может оказывать негативное влияние на работу каталитического нейтрализатора с накопителем. Сера в ОГ вступает в реакцию с оксидом бария (материал накопителя), образуя сульфат бария. Поэтому количество этого накопителя NOx со временем уменьшается. Сульфат бария очень температуро стойкий, поэтому лишь его незначительная часть расщепляется при регенерации NOx.
При применении серосодержащего бензина должно осуществляться регулярное десульфирование. Для этого выбран такой способ, как нагрев каталитического нейтрализатора до температуры 600-650°С. Например, двигатель для этого может работать в условиях послойного распределения смеси, а богатые (X = 0,95) и бедные (X = 1,05) ОГ затем пропускаются одна за другой через нейтрализатор. При этом сульфат бария раскисляется в оксид бария.

Для того чтобы в системах, оснащенных только трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, поддерживался максимальный уровень преобразования всех трех токсичных компонентов ОГ, эти компоненты должны находиться в химическом равновесии. Для этого необходимо обеспечивать состав рабочей смеси со стехиометрическим соотношением (X = 1,0). Поэтому «окно», в котором должно находиться соотношение топлива и воздуха в смеси, очень узкое. Единственным решением такой проблемы является применение замкнутого контура управления для регулирования этого соотношения в смеси. Разомкнутый контур управления достаточной точности дозирования топлива не обеспечит.

Двигатели с непосредственным впрыскиванием топлива работают на смесях, состав которых отклоняется от стехиометрического соотношения. Для регулирования состава рабочих смесей в этих системах может также использоваться замкнутый контур управления.

Конструкция Лямбда-зонд

Располагается в системе выпуска до переднего каталитического нейтрализатора . Сигнал зонда подается на блок управления двигателем. Для этих целей может использоваться двухточечный (двухточечное управление) или широкополосный (непрерывное лямбда-управление) лямбда-зонд. За основным каталитическим нейтрализатором может находиться второй лямбда-зонд (двух зондовое регулирование), в качестве которого всегда используется двухточечный зонд. Он вырабатывает сигнал Ush.

 
Принцип работы

С помощью контура лямбда управления могут распознаваться и корректироваться отклонения от определенного соотношения воздуха и топлива в смеси. Принцип управления базируется на измерении содержания остаточного кислорода в ОГ. Содержание остаточного кислорода яв-ляется критерием состава рабочей смеси, поступающей в двигатель.

Двухточечный лямбда-зонд, установленный перед каталитическим нейтрализатором, подает при обогащенной смеси (X < 1) сигнал высокого, а при обедненной (X > 1) — низкого напряжения USa. Так как при X = 1 возникает резкий скачок напряжения этого датчика, двухточечный лямбда-зонд может только показывать — обогащенная смесь или обедненная.
Выходной сигнал (напряжение) зонда в блоке управления двигателем преобразуется в бинарный сигнал, который является входным для замкнутого контура лямбда управления, реализуемого с помощью программного обеспечения. Лямбда-управление непосредственно влияет на образование рабочей смеси и устанавливает точное соотношение в ней топлива и воздуха путем адаптации количества впрыскиваемого топлива. Регулируемая переменная может изменять значение в виде скачка или постепенно, управляя направлением изменения при каждом скачке напряжения зонда. Другими словами, резкое изменение регулируемой переменной приводит к изменению состава рабочей смеси. Это изменение сначала происходит резко, а затем постепенно. При высоком напряжении зонда (обогащенная смесь) регулируемая переменная обеспечивает изменение состава в сторону его обеднения, а при низком напряжении зонда (обедненная смесь) — в сторону обогащения смеси. С помощью этого так называемого двухточечного управления состав рабочей смеси может изменяться в диапазоне вблизи значения коэффициента избытка воздуха X = 1.
Типичный ошибочный сигнал лямбда зонда, вызываемый изменениями состава рабочей смеси (богатая/бедная), может компенсироваться путем использования ассимметричной характеристической кривой регулируемой переменной.

Непрерывное лямбда-управление

Широкополосный лямбда-зонд подает непрерывный сигнал напряжения C7Sa. С его помощью не только определяется лямбда-зонд (обогащенная или обедненная смесь), но и измеряются отклонения от значения X = 1. Благодаря этому, лямбда регулированием обеспечивается более быстрая реакция на отклонение состава смеси от значения X = 1. Это дает лучшую регулировочную характеристику с высоким показателем динамического регулирования.
Так как с помощью широкополосного лямбда зонда могут определяться отклонения состава рабочей смеси от X = 1, можно также (в отличие от двухточечного регулирования) менять состав таких смесей. Диапазон регулирования составляет от X = 0,7 до X = 3,0. В связи с этим непрерывное лямбда-управление пригодно для двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива, работающих на обедненной и обогащенной рабочих смесях.
Двух зондовое управление Если лямбда-зонд расположен перед каталитическим нейтрализатором предварительной очистки ОГ, то он подвергается воздействию больших нагрузок (высокая температура, неочищенные ОГ). С другой стороны, основной лямбда-зонд за каталитическим нейтрализатором подвергается этим воздействиям в существенно меньшей степени.
Лямбда-управление только с помощью зонда за каталитическим нейтрализатором было бы слишком замедленным из-за длительного времени прохождения газа к зонду. Принцип регулирования с использованием двух зондов базируется на том, что первый зонд управляет изменением состава смеси (богатая/бедная), а второй (основной) зонд является частью замкнутого контура управления, обеспечивающего «медленную» дополнительную коррекцию состава смеси.
Замкнутый контур лямбда управления для двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива
Каталитический нейтрализатор с накопителем NOx обладает двойной функцией. Наряду с накоплением NOx и окислением СН и СО при обедненной рабочей смеси, для условий X = 1 он должен обладать такой стабильной функцией очистки от токсичных компонентов ОГ, которая обеспечивает минимальный уровень накопления кислорода. Лямбда-зонд перед каталитическим нейтрализатором контролирует стехиометрический состав рабочей смеси.
Двухточечный зонд за каталитическим нейтрализатором с накопителем NOx и встроенным датчиком NOx не только является частью системы управления с помощью двух зондов, но также контролирует работу комбинированного накопителя 02 и NOx (определение завершения фазы извлечения NOx).

Нагревание каталитического нейтрализатора

Уменьшение угла опережения зажигания Для того чтобы сохранять концентрацию вредных веществ в ОГ на минимальном уровне, каталитический нейтрализатор должен быть разогрет до своей рабочей температуры как можно быстрее. Помимо прочего, это достигается путем уменьшения угла опережения зажигания.
Эта мера снижает мощностные характеристики двигателя и приводит к получению более высоких температур ОГ, что также способствует нагреву каталитического нейтрализатора.

 
Подача дополнительных порций воздуха

Несгоревшие компоненты рабочей смеси, которые еще находятся в ОГ, сгорают при использовании процесса термо дожигания. Необходимый для этого кислород имеется в самих ОГ при обедненном составе смеси в виде остаточного кислорода. При обогащенной смеси, которая часто бывает необходима для прогрева двигателя до его рабочих температур, дополнительные порции воздуха подаются в выпускной тракт для ускорения процесса прогревания двигателя.
Эта экзотермическая реакция, с одной стороны, снижает количество углеводородов и оксида углерода в ОГ, а с другой стороны, дожиганием также нагревается каталитический нейтрализатор, что быстро доводит его до рабочей температуры. Этот процесс существенно повышает степень преобразования токсичных компонентов в ОГ на стадии прогревания и ускоряет готовность каталитического нейтрализатора к работе. Показаны кривые изменения эмиссии углеводорода и оксида углерода в первые секунды испытаний с подачей дополнительных порций воздуха и без этой подачи.

При современном уровне развития техники подача дополнительного воздуха осуществляется электроприводным насосом.
Дополнительное впрыскивание топлива
Для бензиновых двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива существует другой метод быстрого нагревания каталитического нейтрализатора до рабочей температуры. В условиях послойного распределения заряда смеси с большим избытком воздуха и нагревания каталитического нейтрализатора производится дополнительное впрыскивание топлива при рабочем ходе двигателя. Это топливо сгорает очень поздно, что приводит к сильному нагреву системы выпуска, в том числе выпускного коллектора. За счет этого, в тех случаях когда нельзя достичь установленных предельных значений токсичности ОГ, можно отказаться от подачи дополнительных порций воздуха во впускной трубопровод.
Форум Ниссан nissanhelp.ru  
wagon-penza.my1.ru