Как работает катализатор в автомобиле?

Об автокатализаторах стало больше говорить с тех пор, как стало известно, что "один" - ключевое слово "дизельгейт" - может при необходимости более или менее скрытно их обойти. Но как на самом деле работают очистители выхлопных газов?

Когда мы нажимаем на педаль газа в своей машине, двигатель сжигает топливо, машина движется вперед. Однако бензин и дизельное топливо состоят из углеводородов: после сгорания остаются выхлопные газы моноксида углерода (CO), оксидов азота (NO_{x) и несгоревших углеводородов - и, таким образом, газы, токсичные для окружающая среда и люди. Поэтому ЕС, среди прочего, установил предельные значения для максимальных количеств, которые все еще могут выделяться из выхлопных газов, и производители должны соблюдать эти значения.}

Этого можно добиться с помощью каталитического нейтрализатора, который монтируется между двигателем и выхлопом - если он там действительно работает как надо. Осенью 2015 года под ключевым словом «Дизельгейт» стало известно, что различные производители автомобилей, в том числе Volkswagen, манипулируют тестами на выбросы. На нескольких автозаводах обкатывали машины в нереальных условиях, чтобы сэкономить за счет современных выхлопных систем. Однако на дороге каталитические нейтрализаторы менее эффективно преобразуют выхлопные газы: автомобили выбрасывают больше загрязняющих веществ, чем при тестовом пробеге.

Как именно очищаются выхлопные газы? И насколько хороши сегодняшние каталитические нейтрализаторы?

Каталитические нейтрализаторы очистки выхлопных газов в принципе работают в автомобилях так же, как и во многих процессах в химической промышленности, в которых они незаменимы: как ускорители реакций, потому что с ними химические реакции протекают быстрее. Они помогают молекулам расщепляться на составные части, т. е. атомы, а затем соединять их по-другому. Катализатор может ускорить первый этап, предлагая молекулам поверхность, на которой они могут легче расщепляться. Поверхность также благоприятствует второму этапу: на ней атомы или молекулярные остатки легче находят друг друга, чем в газовой смеси без поверхностей катализатора.

Автомобильные каталитические нейтрализаторы обычно располагаются под автомобилем в металлическом корпусе. К нему подсоединяется труба, выхлопная. В металлическом ящике находится овальный керамический блок, состоящий из множества квадратных тоннелей. Активный материал катализатора - часто частицы платины, палладия или других драгоценных металлов - прилипают к стенкам, углам и краям туннеля. Когда автомобиль находится в движении, выхлопные газы двигателя проходят через тоннели. Таким образом, многие молекулы выхлопных газов вступают в контакт с каталитическим нейтрализатором в небольшом пространстве.

В чем разница между каталитическими нейтрализаторами в бензиновых и дизельных автомобилях?

То, как именно каталитические нейтрализаторы очищают выхлопные газы, зависит от того, заправлен ли автомобиль бензином или дизельным топливом. В каталитических нейтрализаторах бензиновых автомобилей одновременно протекают три реакции. Поэтому его называют трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором. Часть окиси углерода и несгоревших углеводородов реагируют с кислородом с образованием двуокиси углерода (CO₂). Остаток CO восстанавливает существующие оксиды азота до азота (N_2).

Этот трехсторонний принцип не работает с дизельными автомобилями. Это связано с тем, что дизельные двигатели работают наиболее эффективно, когда в топливо смешивается много воздуха. Концентрация кислорода в выхлопных газах тогда настолько велика, что CO полностью реагирует с CO₂, прежде чем сможет восстановить газы NO_x.

Вместо них в автомобилях с дизельными двигателями устанавливаются специальные двухкомпонентные каталитические нейтрализаторы. Они касаются только двух реакций окисления, т.е. превращения СО и углеводородов в СО₂ Это означает, что оксиды азота выбрасываются в окружающую среду через выхлопную трубу в неизмененном виде. Однако в дизельных автомобилях вырабатывается меньше газов NO_{x, потому что двигатели менее горячие. Существуют также специальные технологии, которые могут быть установлены в дополнение к катализатору окисления для очистки от оксидов азота. Они используются в грузовых автомобилях, но, поскольку дизельное топливо все чаще применяется и в легковых автомобилях.}

Есть около NO_x накопительных каталитических нейтрализаторов, которые улавливают оксиды азота и хранят их в виде другого соединения азота. Кислород удаляется из выхлопных газов примерно раз в минуту. Без кислорода CO и углеводороды больше не могут реагировать с образованием CO_{2. Именно тогда соединения азота высвобождаются из накопительного каталитического нейтрализатора и восстанавливаются.}

Другая технология снижения выбросов NO_{x называется селективным каталитическим восстановлением. Второй ускоритель реакции установлен за катализатором окисления. Перед поступлением выхлопных газов в этот восстановительный каталитический нейтрализатор к ним добавляется раствор мочевины. Раствор транспортируют в дополнительной цистерне на борту легкового или грузового автомобиля. Купить их можно в магазинах под названием AdBlue или AUS 32.}

Азотные газы затем восстанавливаются: сначала мочевина распадается на аммиак (NH₃), который затем восстанавливает NO_{x до элементарный азот. Вместо катализатора из благородного металла для этой реакции хорошо подходят цеолиты. Это материалы с очень пористой структурой. Атомы металлов, например меди, вводятся в состав цеолитов для очистки выхлопных газов.}

И есть еще кое-что в дизельном выхлопе, который отличается от выхлопа бензиновых двигателей: он содержит довольно высокую долю мелких частиц углерода - мелкой пыли. Это может осесть в легких и привести к респираторным заболеваниям. Поэтому каталитические нейтрализаторы в автомобилях с дизельным двигателем также содержат сажевый фильтр.

Насколько эффективны катализаторы?

Каталитические нейтрализаторы помогают сделать выхлопные газы чище. Тем не менее, вы не можете полностью избавиться от токсинов. Каталитические материалы работают только при высоких температурах, около 300 градусов по Цельсию. Когда только заводишь машину, каталитические нейтрализаторы еще холодные и выхлопные газы не очищаются. Только после прогрева двигателя выхлопные газы преобразуются практически полностью.

Даже если каталитические нейтрализаторы эффективно преобразовывают выхлопные газы в нетоксичные газы, в процессе всегда образуется парниковый газ CO₂ Существует и другая серьезная проблема: если NO _x газы восстанавливаются до азота и кислорода, образуются небольшие количества закиси азота (N₂O), т. е. веселящий газ. Он более чем в 300 раз вреднее для климата, чем CO₂