Көлік құралдарының газ шығарындысын тазартатын құрылғы

Кіріспе

Қоқыс шығарындыларын бақылау құрылғысы

Катализатор – ішкі жанатын қозғалтқыштың қоқыс газдарындағы улы газдар мен ластаушы заттарды катализ арқылы тотығу-тотықсыздану реакциясын пайдаланып, аз зиянды заттарға айналдыратын қоқыс шығарындыларын бақылау құрылғысы. Катализаторлар көбінесе бензин немесе дизель отынымен жұмыс істейтін, соның ішінде азын жағу қозғалтқыштарымен, кейде керосин жылытқыштары мен пештерімен қолданылады. Катализаторлардың алғаш рет кеңінен қолданылуы АҚШ автомобиль нарығында болды. АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің қоқыс шығарындыларына қатысты қатаң талаптарына сәйкес, 1975 жылғы модельден бастап көптеген бензинмен жұмыс істейтін көліктер катализаторлармен жабдықталды. Бұл "екі жолды" катализаторлар оттегіні көміртек монооксиді (CO) және жанылмаған көмірсутектермен (HC) біріктіріп, көміртек диоксидін (CO2) және суды (H2O) құрайды. Газбен жұмыс істейтін қозғалтқыштардағы екі жолды катализаторлар 1981 жылы азот оксидтерін азайтатын "үш жолды" катализаторлармен толықтай алмастырылғанмен, олар әлі де азын жағу қозғалтқыштарында (дизель қозғалтқыштары да осы санатқа жатады, олар әдетте азын жағу режимінде жұмыс істейді) тозаң және көмірсутек шығарындыларын тотықсыздау үшін қолданылады, себебі үш жолды катализаторлар отынға қаныққан немесе стехиометриялық жануды қажет етеді. Катализаторлар ең көп автомобильдердің түтін шығару жүйелерінде қолданылса да, олар электр генераторларында, вилочный көтерулерде, кен өндіру жабдықтарында, жүк көліктерінде, автобустарда, локомотивтерде, мотоциклдерде және кемелерде де қолданылады. Олар тіпті кейбір ағаш пештерінде де шығарындыларды бақылау үшін қолданылады. Мұндай қолдану әдетте үкіметтік реттеуге, яғни қоршаған ортаны қорғау немесе денсаулық пен қауіпсіздік ережелеріне байланысты болады.

Тарих

Катализатордың алғашқы үлгілері алғаш рет 19 ғасырдың соңында Францияда жасалған, сол кезде жолдарда бірнеше мың "мұнай машиналары" болған; бұл үлгілерде платинамен, родиймен және палладиймен қапталған инертті саз негізіндегі материалдар қолданылған және екі металл цилиндрге мөрленген. Бірнеше онжылдықтан кейін француз инженер-механигі Эжен Гудри каталитикалық конвертерді патенттеді. Гудри каталитикалық мұнайды тазарту саласындағы сарапшы болды, ол бүгінгі таңдағы барлық тазарту процестерінің негізінде жатқан каталитикалық крекинг процесін ойлап тапқан. Гудри 1930 жылы Филадельфия аймағындағы мұнай өңдеу зауыттарының жанында тұру және өзінің каталитикалық тазарту процесін дамыту үшін АҚШ-қа көшіп келді. Лос-Анджелестегі түтінге байланысты алғашқы зерттеулер жарияланғанда, Гудри ауаның ластануындағы заводтық және автомобильдік газдардың роліне алаңдады және Oxy Catalyst атты компанияны құрды. Гудри бастапқыда заводтарға арналған катализаторларды, немесе қысқаша "мысықтарды" жасады, содан кейін төмен сапалы, қорғасынсыз бензин қолданатын қоймалық вилкаларға арналған катализаторларды дамытты. 1950 жылдардың ортасында ол автомобильдерде қолданылатын бензиндік қозғалтқыштарға арналған каталитикалық конвертерлерді әзірлеу бойынша зерттеулер бастады және осы жұмысы үшін АҚШ патентін 2,742,437 алды. Катализаторларды Карл Д. Кит, Джон Дж. Муни, Антонио Элеазар және Филипп Мессина сияқты инженерлер одан әрі жетілдірді, олар 1973 жылы алғашқы өндірістік катализаторды жасады. Дереккөздің сенімділігі күмәнді: 2011 жылғы қаңтар.

Катализаторлардың кеңінен қолданыла бастауы АҚШ автомобиль нарығында болды. АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің жаңа газдар шығарындыларына қатысты регламенттерге сәйкесу үшін 1975 жылдан бастап өндірілген бензинмен жұмыс істейтін көліктердің көпшілігі катализаторлармен жабдықталған. Алғашқы катализаторлар "екі жолды" болды, олар оттегіні көміртек монооксидімен (CO) және жанылмаған көмірсутектермен (HC, CmHn түріндегі отынның химиялық қосылыстары) біріктіріп, көмірқышқыл газын (CO2) және суды (H2O) өндірді. Зиянды шығарындыларды азайту үшін 1970 жылдары екі катализаторлық жүйе жасалды, бұл ауа сорғысының алдында HC мен CO-ны азайтатын жеке (родий/платина) катализаторын қосты, ал содан кейін екі жолды катализатор (палладий/платина) HC және CO-ны толық жойды. Бұл қиын және қымбат жүйе көп ұзамай артық болды, себебі алғашқы катализатор кейбір жағдайларда HC және CO-ны да азайтатыны анықталды. Бұл үш жолды катализатордың жасалуына әкелді, оның мүмкіндігі электроника мен қозғалтқышты басқару жүйелерінің дамуымен байланысты. Сонымен қатар, 4 жолды катализаторлар да жасалды, олар қозғалтқыш газынан бөлшектерді де жояды; осы бөлшектердің көпшілігі жанылмаған көмірсутектер болғандықтан, оларды көмірқышқыл газына айналдыру үшін жағып жіберуге болады.

Катализаторларды орналастыру

Катализаторлар тиімді жұмыс істеуі үшін 400 °C (752 °F) температураны қажет етеді. Сондықтан, олар қозғалтқышқа мүмкіндігінше жақын орналастырылады, немесе бір немесе бірнеше кішкентай катализаторлар ("pre cats" деп аталады) түтін жинағышынан (exhaust manifold) бірден кейін орналастырылады.

Үш жолды

Үш жолды катализаторлардың қосымша артықшылығы – азот оксиді (NO) және азот диоксиді (NO2) (экесі де азот оксиді (N2O) деп қысқартылады және олармен шатаспау керек) эмиссиясын бақылау болып табылады. Бұл заттар қышқыл жаңбыр мен тұманның алдын ала белгілері. 1981 жылдан бері АҚШ пен Канадада "үш жолды" (тотығу-тотеншелену) катализаторлар көлік құралдарының эмиссиясын бақылау жүйелерінде қолданылып келеді; көптеген басқа елдер де бензинмен жұмыс істейтін көлік құралдарында үш жолды катализаторларды талап ететін қатаң эмиссия ережелерін қабылдады. Тотығу және тотеншелену катализаторлары әдетте бір корпуста орналасқан, бірақ кейде олар бөлек орналастырылуы мүмкін. Үш жолды катализатордың үш бірдей міндеті бар: Жылдам конверсия тиімділігі қозғалтқыш осы диапазоннан тыс жұмыс істегенде күрт төмендейді. Стехиометриялық аралықтан сәл кем болғанда, қозғалтқыштың түтін газдарында артық оттегі болады, қозғалтқыштан шығатын эмиссия артады және катализатордың эмиссияны тотеншелендіру тиімділігі тез төмендейді. Дегенмен, қол жетімді оттегінің арқасында HC және CO конверсиясы өте тиімді, олар H2O және CO2-ге тотығады. Стехиометриялық аралықтан сәл артық болғанда, қозғалтқыштан шығатын CO және жанылмаған HC эмиссиясы күрт өсе бастайды, қол жетімді оттегі азаяды және катализатордың CO мен HC-ні тотықтыру тиімділігі айтарлықтай төмендейді, әсіресе сақталған оттегінің азаюымен. Алайда, катализатордың эмиссияны тотеншелендіру тиімділігі жақсы болады және қозғалтқыштан шығатын эмиссия төмендейді. Катализатордың тиімділігін сақтау үшін ауа-отын қатынасы стехиометриялыққа жақын болуы керек және ұзақ уақыт бойы бай немесе жұқа болмауы керек. Осы себепті үш жолды катализаторлардың тиімді жұмыс істеуі үшін жабық циклді қозғалтқыш басқару жүйелері қолданылады, себебі тиімді тотеншелендіру және HC+CO тотығуы үшін үздіксіз бай-жұқа тепе-теңдік қажет. Басқару жүйесі катализаторға аздап бай жағдайда оттегін шығаруға мүмкіндік береді, бұл NOx-ті тотеншелендіруге ыңғайлы жағдайларда CO және HC-ні тотықтырады. Сақталған оттегінің азаюына дейін басқару жүйесі ауа-отын қатынасын сәл төмендетеді, HC және CO тотығуын жақсартады және катализатор материалдарында қосымша оттегіні сақтайды, бұл эмиссияны тотеншелендіру тиімділігін азайтады. Содан кейін ауа-отын қоспасы сәл байытылады, CO және HC тотығу тиімділігі аздап төмендеп, цикл қайталанады. Бұл стехиометриялық нүкте маңындағы тербеліс кішкентай және мұқият бақыланғанда тиімділік жақсарады. Жеңіл және орташа жүктемеде жабық циклді басқару шығару жүйесіндегі бір немесе бірнеше оттегі сенсорларын пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Сенсор оттегіні анықтағанда, ауа-отын қатынасы стехиометриялықтан кем болады, ал оттегі анықталмағанда, ол артық болады. Басқару жүйесі катализаторды конверсиялау тиімділігін арттыру үшін ауа-отын қатынасын стехиометриялық нүктеге жақын ұстау үшін осы сигналға сәйкес қозғалтқышқа құйылатын отын мөлшерін реттейді. Басқару алгоритміне отын ағынының мөлшерін реттеу мен сенсордың ауа-отын қатынасының өзгеруін анықтау арасындағы уақыт кешігуі, сондай-ақ оттегі сенсорларының сигмоидты жауабы да әсер етеді. Типтік басқару жүйелері ауа-отын қатынасын стехиометриялық нүктеде сәл тербеліп, сақталған оттегі мен жанылмаған HC деңгейін басқару кезінде оңтайлы тиімділік нүктесіне жақын қалу үшін жылдам өзгертеді.

Three way catalytic converters have the additional advantage of controlling the emission of nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) (both together abbreviated with and not to be confused with nitrous oxide (N2O)). species are precursors to acid rain and smog. Since 1981, "three way" (oxidation reduction) catalytic converters have been used in vehicle emission control systems in the United States and Canada; many other countries have also adopted stringent vehicle emission regulations that in effect require three way converters on gasoline powered vehicles. The reduction and oxidation catalysts are typically contained in a common housing; however, in some instances, they may be housed separately. A three way catalytic converter has three simultaneous tasks: Total conversion efficiency falls very rapidly when the engine is operated outside of this band. Slightly lean of stoichiometric, the exhaust gases from the engine contain excess oxygen, the production of by the engine increases, and the efficiency of the catalyst at reducing falls off rapidly. However, the conversion of HC and CO is very efficient due to the available oxygen, oxidizing to H2O and CO2. Slightly rich of stoichiometric, the production of CO and unburnt HC by the engine starts to increase dramatically, available oxygen decreases, and the efficiency of the catalyst for oxidizing CO and HC decreases significantly, especially as stored oxygen becomes depleted. However, the efficiency of the catalyst at reducing is good, and the production of by the engine decreases. To maintain catalyst efficiency, the airfuel ratio must stay close to stoichiometric and not remain rich or lean for too long. Closed loop engine control systems are used for effective operation of three way catalytic converters because of this continuous rich lean balance required for effective reduction and HC+CO oxidation. The control system allows the catalyst to release oxygen during slightly rich operating conditions, which oxidizes CO and HC under conditions that also favor the reduction of NOx. Before the stored oxygen is depleted, the control system shifts the airfuel ratio to become slightly lean, improving HC and CO oxidation while storing additional oxygen in the catalyst material, at a small penalty in reduction efficiency. Then the airfuel mixture is brought back to slightly rich, at a small penalty in CO and HC oxidation efficiency, and the cycle repeats. Efficiency is improved when this oscillation around the stoichiometric point is small and carefully controlled. Closed loop control under light to moderate load is accomplished by using one or more oxygen sensors in the exhaust system. When oxygen is detected by the sensor, the airfuel ratio is lean of stoichiometric, and when oxygen is not detected, it is rich. The control system adjusts the rate of fuel being injected into the engine based on this signal to keep the airfuel ratio near the stoichiometric point in order to maximize the catalyst conversion efficiency. The control algorithm is also affected by the time delay between the adjustment of the fuel flow rate and the sensing of the changed airfuel ratio by the sensor, as well as the sigmoidal response of the oxygen sensors. Typical control systems are designed to rapidly sweep the airfuel ratio such that it oscillates slightly around the stoichiometric point, staying near the optimal efficiency point while managing the levels of stored oxygen and unburnt HC.

Қажетті емес реакциялар

Қажетсіз реакциялар сутек сульфиді мен аммиак түзілуіне алып келеді, олар катализаторларды улайды. Сутек сульфиді шығарындыларын шектеу үшін жуғыш қабатына никель немесе марганец қосылады. Күкіртсіз немесе азырақ күкіртті отын қолдану сутек сульфидімен байланысты проблемаларды жояды немесе азайтады.

Дизельді қозғалтқыштар

Қысыммен тұтану (яғни дизель) қозғалтқыштары үшін ең көп қолданылатын катализатор – дизельдік тотығу катализаторы (DOC). DOC құрамында алюминий қышқылымен бекітілген палладий және/немесе платина бар. Бұл катализатор ұсақ бөлшектерді (ПМ), көмірсутектерді және көміртек оксиді көмірқышқыл газы мен суға айналдырады. Бұл конвертерлер көбінесе 90 пайыз тиімділікпен жұмыс істейді, дизель иісін жоққа шығарады және көзге көрінетін бөлшектерді азайтуға көмектеседі. Бұл катализаторлар азот оксидтері үшін тиімсіз, сондықтан дизельді қозғалтқыштардан шығатын газдар қалдық газдарды қайта айналдыру (EGR) арқылы бақыланады. 2010 жылы АҚШ-тағы көптеген жеңіл дизель өндірушілері федералдық эмиссия талаптарын орындау үшін көліктеріне катализаторлық жүйелерді қосты. Азот оксидтері эмиссиясын қатал емес жағдайларда каталитикалық түрде азайту үшін екі техника әзірленді: селективті каталитикалық азайту (SCR) және азот оксидтері сорғышы. Қымбат металлдан жасалған сорғыштардың орнына көптеген өндірушілер аммиак сияқты реагентті пайдаланатын, азот пен суға айналдыратын қарапайым металл SCR жүйелерін таңдады. Аммиак катализаторлық жүйеге карбамидеяны (мочевина) түтінге шашырату арқылы жеткізіледі, ол кейін жылулық ыдырау мен гидролизден өтіп аммиакқа айналады. Карбамидея ерітіндісі дизельдік түтін сұйықтығы (DEF) деп те аталады. Дизельді түтінде ұсақ бөлшектердің концентрациясы салыстырмалы түрде жоғары. Катализаторлық конвертерлер ПМ-нің тек 20–40% ғана жояды, сондықтан бөлшектерді саң тұтқырымен немесе дизельдік бөлшектер сүзгісімен (DPF) тазартады. АҚШ-та 2007 жылғы 1 қаңтардан кейін жасалған барлық жеңіл, орта және ауыр дизельдік көлік құралдары дизельдік бөлшектер эмиссиясының шектеулеріне бағынады және екі жолды катализатормен және дизельдік бөлшектер сүзгісімен жабдықталған. Егер қозғалтқыш 2007 жылғы 1 қаңтарға дейін жасалса, көлік құралында ДПФ жүйесі болуы міндетті емес. Бұл 2006 жылдың соңында қозғалтқыш өндірушілердің ДПФ-қа дейінгі көліктерді 2007 жылға дейін сатуды жалғастыру үшін қорын арттыруына әкелді.

Қалқымалы отты отпен қопару қозғалтқыштары

Жеңіл күйдірілген оттық тұтандырғыш қозғалтқыштарда, дизель қозғалтқыштарындағы сияқты, окистендіргіш катализатор қолданылады. Жеңіл күйдірілген оттық тұтандырғыш қозғалтқыштардың шығарындылары дизельді компрессиялық тұтандырғыш қозғалтқыштардың шығарындыларымен өте ұқсас.

Орнату

Көптеген көліктерде қозғалтқыштың түтін коллекторының жанында орналасқан тығыз қосылған катализатор бар. Конвертер өте ыстық газдарға тікелей әсер етуінің нәтижесінде тез қызып, қозғалтқыш жылынатын кезеңде зиянды шығарындыларды азайтуға мүмкіндік береді. Бұл артық көмірсутектерді жағу арқылы жүзеге асырылады, олар суық старт үшін қажетті бай қоспадан пайда болады. Катализаторлар алғаш рет қолданылған кезде көптеген көліктерде ауа-отын арақатынасын салыстырмалы түрде бай ұстайтын карбюраторлар қолданылды. Сондықтан, түтін ағынындағы оттегі (O2) деңгейі каталитикалық реакцияның тиімді жүруі үшін жеткіліксіз болды. Осы себепті, сол кездегі көптеген конструкциялар екінші ауа инъекциясын қамтыды, ол түтін ағынына ауа құйды. Бұл қол жетімді оттегі мөлшерін арттырып, катализатордың дұрыс жұмыс істеуіне жағдай жасады. Кейбір үш жолды каталитикалық конвертер жүйелерінде ауа инъекциясы жүйесі бар, онда ауа конвертердің бірінші (тотығудан тазалау) және екінші (HC және CO тотықтыру) сатылары арасына құйылады. Екі жолды конвертерлердегідей, бұл инъекцияланған ауа тотықтыру реакциялары үшін оттегін қамтамасыз етеді. Катализатордың алдындағы ауа инъекциясының қосымша нүктесі де кейде болады, ол қозғалтқыш жылынатын кезеңде ғана қосымша оттегі беру үшін пайдаланылады. Бұл күймеген отынның түтін жүйесінде жануына себеп болады, осылайша ол катализаторға жетпейді. Бұл техника катализатордың "қосылу" немесе жұмыс температурасына жетуіне қажетті қозғалтқыштың жұмыс уақытын қысқартады. Көптеген жаңа көліктерде электронды отын құю жүйесі орнатылған, сондықтан олардың түтін жүйелеріне ауа инъекциясы қажет емес. Олардың орнына, олар тез және үздіксіз жұқарақтау және бай жану арасында ауысатын дәл бақыланатын ауа-отын қоспасын ұсынады. Оттегі сенсорлары катализатордың алдындағы және артындағы түтін газындағы оттегінің мөлшерін бақылайды, ал қозғалтқышты басқару блогы осы ақпаратты бірінші (тотығудан тазалау) катализатордың оттегімен толып кетуіне жол бермеу үшін жанармай инъекциясын реттеу үшін пайдаланады, сонымен бірге екінші (HC және CO тотықтыру) катализатордың жеткілікті оттегімен қанығуына кепілдік береді.

Many vehicles have a close coupled catalytic converter located near the engine's exhaust manifold. The converter heats up quickly, due to its exposure to the very hot exhaust gases, enabling it to reduce undesirable emissions during the engine warm up period. This is achieved by burning off the excess hydrocarbons which result from the extra rich mixture required for a cold start. When catalytic converters were first introduced, most vehicles used carburetors that provided a relatively rich air fuel ratio. Oxygen (O2) levels in the exhaust stream were therefore generally insufficient for the catalytic reaction to occur efficiently. Most designs of the time therefore included secondary air injection, which injected air into the exhaust stream. This increased the available oxygen, allowing the catalyst to function as intended. Some three way catalytic converter systems have air injection systems with the air injected between the first ( reduction) and second (HC and CO oxidation) stages of the converter. As in two way converters, this injected air provides oxygen for the oxidation reactions. An upstream air injection point, ahead of the catalytic converter, is also sometimes present to provide additional oxygen only during the engine warm up period. This causes unburned fuel to ignite in the exhaust tract, thereby preventing it reaching the catalytic converter at all. This technique reduces the engine runtime needed for the catalytic converter to reach its "light off" or operating temperature. Most newer vehicles have electronic fuel injection systems, and do not require air injection systems in their exhausts. Instead, they provide a precisely controlled air fuel mixture that quickly and continually cycles between lean and rich combustion. Oxygen sensors monitor the exhaust oxygen content before and after the catalytic converter, and the engine control unit uses this information to adjust the fuel injection so as to prevent the first ( reduction) catalyst from becoming oxygen loaded, while simultaneously ensuring the second (HC and CO oxidation) catalyst is sufficiently oxygen saturated.

Зақым

Катализатордың заластануы катализатордың жұмыс бетін жабатын заттармен құйрылған газдардың әсерінен болады, нәтижесінде олар құйрылған газдармен жанасып, реакцияға түсе алмайды. Ең маңызды ластаушы – қорғасын, сондықтан катализатормен жабдықталған көліктер тек қорғасынсыз отынмен жұмыс істей алады. Басқа кең таралған катализаторлық уыттарға күкірт, марганец (негізінен бензинге қосылатын MMT қоспасынан түсетін) және кремний кіреді, егер қозғалтқышта салқындатқыш сұйықтығының жану камерасына өтуіне мүмкіндік беретін ағыс болса, ол құйрылған газдар ағысына түсе алады. Фосфор – катализатордың тағы бір ластаушысы. Фосфор енді бензинде қолданылмаса да, ол (және мырыш, тағы бір төмен деңгейдегі катализатор ластаушысы) мырыш дитиофосфаты (ZDDP) сияқты қозғалтқыш майының тозуға қарсы қоспаларында кеңінен қолданылды. 2004 жылдан бастап API SM және ILSAC GF 4 техникалық талаптарында қозғалтқыш майларындағы фосфор концентрациясының шегі қабылданды. Ластаушыға байланысты, катализатордың заластануын қозғалтқышты ұзақ уақыт бойы аса ауыр жүктемемен жұмыс істету арқылы кері қайтаруға болады. Күшті құйрылған газдар температурасы кейде ластаушыны буландырып немесе сублимациялап, каталитикалық беттен алып тастайды. Дегенмен, қорғасынның жоғары қайнау температурасының салдарынан, осылайша қорғасынды шығару әдетте мүмкін емес. Конвертерге белгілі бір деңгейден жоғары жанбаған көмірсутектердің (шикі немесе жартылай жанған отын немесе майлар) түсуіне себеп болатын кез келген жағдай оның температурасын күрт көтеруге әкеледі, бұл субстраттың балқып кету қаупін тудырады, соның салдарынан каталитикалық белсенділігінің жоғалуына және құйрылған газдардың күрт шектелуіне ұшыратады. Мұндай жағдайларға құйрылған газдар жүйесінің алдыңғы компоненттерінің (коллектор/бастырма жинағы және тот басуға/коррозияға және/немесе шаршауға бейімді байланыстар, мысалы, бірнеше жылу циклдарынан кейін құйрылған газдар коллекторының сынығы) істен шығуы, тұтану жүйесі, мысалы, катушкалар және/немесе негізгі тұтану компоненттері (мысалы, таратушы қақпақ, сымдар, тұтану катушкасы және тұтану шамдары) және/немесе отын жүйесінің зақымдалған компоненттері (отын инжекторлары, отын қысымын реттегіш және тиісті сенсорлар) кіреді. Масло және/немесе салқындатқыш ағып кетуі, мысалы, цилиндр басының прокладкасының зақымдануынан, жанбаған көмірсутектердің артуына да себеп болуы мүмкін.

Catalyst poisoning occurs when the catalytic converter is exposed to exhaust containing substances that coat the working surfaces, so that they cannot contact and react with the exhaust. The most notable contaminant is lead, so vehicles equipped with catalytic converters can run only on unleaded fuel. Other common catalyst poisons include sulfur, manganese (originating primarily from the gasoline additive MMT), and silicon, which can enter the exhaust stream if the engine has a leak that allows coolant into the combustion chamber. Phosphorus is another catalyst contaminant. Although phosphorus is no longer used in gasoline, it (and zinc, another low level catalyst contaminant) was widely used in engine oil antiwear additives such as zinc dithiophosphate (ZDDP). Beginning in 2004, a limit of phosphorus concentration in engine oils was adopted in the API SM and ILSAC GF 4 specifications. Depending on the contaminant, catalyst poisoning can sometimes be reversed by running the engine under a very heavy load for an extended period of time. The increased exhaust temperature can sometimes vaporize or sublimate the contaminant, removing it from the catalytic surface. However, removal of lead deposits in this manner is usually not possible because of lead's high boiling point. Any condition that causes abnormally high levels of unburned hydrocarbons (raw or partially burnt fuel or oils) to reach the converter will tend to significantly elevate its temperature, bringing the risk of a meltdown of the substrate and resultant catalytic deactivation and severe exhaust restriction. These conditions include failure of the upstream components of the exhaust system (manifold/header assembly and associated clamps susceptible to rust/corrosion and/or fatigue e. g. the exhaust manifold splintering after repeated heat cycling), ignition system e. g. coil packs and/or primary ignition components (e. g. distributor cap, wires, ignition coil and spark plugs) and/or damaged fuel system components (fuel injectors, fuel pressure regulator, and associated sensors). Oil and/or coolant leaks, perhaps caused by a head gasket leak, can also cause high unburned hydrocarbons.

Ережелер

Шығарындыларға қатысты ережелер әр құзыреттілік аймағында айтарлықтай өзгеше. Солтүстік Америкадағы автомобильдердің көпшілігіндегі жанар майды тұтандыру қозғалтқыштары 1975 жылдан бері катализаторлармен жабдықталған. Мұндай жағдайларда, катализаторды дәнекерленген қарапайым құбыр бөлігімен немесе фланцталған "тест құбырымен" алмастыруға болады, бұл катализатор бітелгенін қозғалтқышты катализатормен және катализаторсыз жұмыс істеуін салыстыру арқылы тексеру үшін жасалған. Бұл шығарындылар тексеруінен өту үшін катализаторды уақытша қайта орнатуға мүмкіндік береді. Және 203(a)(3)(B) бөлімі, кез келген адамға шығарындыларды бақылау жүйесін, құрылғыны немесе элементті айналып өтуге, жоюға немесе жұмыссыз қалдыруға мүмкіндік беретін кез келген бөлікті сатуға немесе орнатуға тыйым салады. Жұмыс істемейтін катализаторлары бар көліктер әдетте шығарындылар тексеруінен өтпейді. Автомобильдер нарығы жаңартылған қозғалтқыштары бар немесе иелері стандартты көлемнен үлкен шығарындылар жүйесін қалайтындар үшін жоғары өтімді катализаторларды ұсынады. 1993 жылдың 1 қаңтарынан бастап Еуроодақ пен Ұлыбританияда сатылатын барлық жаңа бензинді автомобильдерде Euro 1 шығарындылар стандарттарына сәйкес болу үшін катализаторлар міндетті болды.

Шығарылған газдың ағынына әсері

Қателі катализаторлар, сондай-ақ зақымдалмаған ескі үлгідегі конвертерлер де түтін шығару ағынын шектеуі мүмкін, бұл көліктің жұмысына және отынның үнемділігіне жағымсыз әсер етеді. Қазіргі заманғы катализаторлар түтін ағынын маңызды түрде шектемейді. Мысалы, 2006 жылы 1999 жылғы Honda Civic көлігінде жүргізілген сынақ көрсетті, катализаторды алып тастау максималды жылдамдықты 3% ғана арттырды; ал жаңа металл ядролы конвертер көліктің жылдамдығын 1% ғана төмендетті, конвертерсіз қарағанда.

Қауіптері

1981 жылға дейінгі кері байланыссыз жанар-жағармай қоспасын басқаруы жоқ көліктердегі карбюраторлар қозғалтқышқа тым көп отын беріп, катализатордың қызып кетуіне және көліктің астындағы тұтанғыш заттардың өртенуіне себеп болуы мүмкін.

Ыстықту кезең

Катализатормен жабдықталған көлік құралдары, қозғалтқыш жұмыстың алғашқы бес минутында, жалпы ластанудың көп бөлігін шығарады; мысалы, катализатор толық тиімді жұмыс істеу үшін жеткілікті түрде қызып үлкермей тұрғанда. 2000-жылдардың басында катализаторды түтін жинағышының жанына, қозғалтқышқа жақын орналастыру артықшылыққа ие болды, бұл оның жылдам қызуын қамтамасыз етті. 1995 жылы Alpina компаниясы электрмен қыздырылатын катализаторды ұсынды. "E KAT" деп аталған бұл технология BMW 750i негізінде жасалған Alpina B12 5,7 E KAT моделінде қолданылды. Катализатор жинағыштарындағы қыздыру элементтері қозғалтқыш іске қосылғаннан кейін электр тогымен қыздырылады, катализаторды жұмыс температурасына дейін тез жеткізеді, соның арқасында көлік құралы төмен эмиссиялы көлік (LEV) статусын алуға мүмкіндік алады. Кейін BMW, Emitec, Alpina және BMW компаниялары бірлесіп әзірлеген осы қыздырылған катализаторын енгізді.

Қоршаған ортаға әсері

Катализаторлардың зиянды газ шығарындыларын азайтудағы сенімділігі мен тиімділігі дәлелденген. Дегенмен, олардың қолданылуында кейбір кемшіліктері бар, сондай-ақ өндірісінде қоршаған ортаға зиянды әсер етеді: үш компонентті катализатормен жабдықталған қозғалтқыш стехиометриялық нүктеде жұмыс істеуі тиіс, яғни жанармайды аз отынды қозғалтқышқа қарағанда көбірек пайдаланады. Бұл көлік құралынан шамамен 10% көмірқышқыл газының көп шығуына әкеледі. Катализатор өндірісіне палладий немесе платина қажет; осы құнды металдардың әлемдік өндірісінің бір бөлігі Ресейдің Норильск қаласының жанында орналасқан, ондағы өнеркәсіп (басқаларымен бірге) Норильскіні "Time" журналының ең ластанған орындар тізіміне енгізуге себеп болды. Катализаторлардың өте қызуы құрғақ аймақтарда, әсіресе орман өрттерін тудыруы мүмкін.

Ұрлық

Сыртқы орналасуы және платина, палладий және родий сияқты құнды металдарды пайдалануы себепті каталитикалық түрлендіргіштер ұрылардың назарында болады. Бұл мәселе ең соңғы үлгідегі пикап жүк көліктері мен жүк көліктері негізіндегі SUV-ларда жиі кездеседі, себебі олардың жоғары шасси биіктігі және каталитикалық түрлендіргіштерді оңай бұрап алуға болады. Дәнекерленген түрлендіргіштер де ұрлану қаупі бар, оларды кесіп алу оңай. Toyota Prius каталитикалық түрлендіргіштері де ұрылардың назарында. Гибридтік көліктердің каталитикалық түрлендіргіштеріне дәстүрлі ішкі жану қозғалтқышты көліктерге қарағанда көбірек құнды металл қажет, себебі гибридтік көліктердің жану қозғалтқыштары уақыттың тек бір бөлігінде ғана жұмыс істейтіндіктен, олар дәстүрлі көліктердегідей қызбайды. Түрлендіргішті тыныш алу үшін көбінесе құбыр кескіштер қолданылады, бірақ портативті қайталайтын ара сияқты басқа құралдар генератор, сымдар немесе жанармай құбырлары сияқты көліктің басқа компоненттеріне зиян келтіруі мүмкін, бұл қауіпті салдарларға әкелуі мүмкін. 2023 жылы АҚШ Сенатында каталитикалық түрлендіргіштерді ұрлауға қарсы күрес бойынша екі партиялық заң ұсынылды. Автокөліктерді қайта өңдеуден қорғау туралы заң (PART Act) жаңа көліктердегі каталитикалық түрлендіргіштерді іздеуге болатын идентификациялық нөмірлермен жабдықтауды талап етеді. Сонымен қатар, заң каталитикалық түрлендіргішті ұрлауды федералдық қылмыс деп жариялайды.

Статистика

2000 жылдардағы шикізаттардың өрбу кезеңінде АҚШ-та металл бағасының өсуі катализатор ұрлықтарының күрт өсуіне алып келді. Катализаторды ауыстыру құны 1000 доллардан асып, көлік ұрлық кезінде зақымданса, одан да қымбатқа түсуі мүмкін. Ұрлық көліктің басқа да жүйелеріне нұқсан келтіруден өзге, ұрылардың денсаулығына қауіп келтіріп, жарақаттануына немесе өлімге әкелуі де мүмкін. 2010 жылдардың соңынан 2020 жылдардың басына дейін АҚШ-та катализатор ұрлықтары он еседен астам өсті, бұл катализаторлардағы құнды металдардың бағасының өсуімен байланысты. Ұлттық Сақтандыру Қылмысы Бюросының мәліметінше, 2018 жылы 1298 катализатор ұрлықтары тіркелсе, 2020 жылы бұл көрсеткіш 14 433-ке жеткен. 2019 жылдан 2020 жылға дейін Ұлыбританиядағы ұрылар көбінесе ескі үлгідегі гибридтік автомобильдерді (мысалы, Toyota гибридтерін) қарап, олардың құрамындағы құнды металдардың мөлшері жаңа көліктерге қарағанда көп болғандықтан, оларды ұрлаған. Кейде олардың құны автомобильдің өзінен де асып түсетін, бұл оларды ауыстыруды қиын және ұзақ күтуге әкеп соқты. 2021 жылы Конго Демократиялық Республикасында катализаторларды заңсыз көше есірткісін өндіру үшін ұрлау оқиғалары жиі тіркелді. "Бомбе" деп аталатын есірткінің ұнтақталған таблеткалар, витаминдер және катализаторлардың ұнтақталған ұялы құрылымдарынан тұратын қоспа екендігі айтылды. Алайда, 2023 жылы осы есірткінің түрлі үлгілерін зерттеу нәтижесінде, оның катализаторлық түтіндерден алынғандығы туралы мәлімдемелер расталмады.

Диагностика

Әртүрлі заңнамалық юрисдикциялар енді шығарындыларды бақылау жүйесінің, оның ішінде катализатордың жұмысын және жағдайын бақылау үшін бортындағы диагностиканы талап етеді. OBD II диагностикалық жүйелерімен жабдықталған көлік құралдары, егер катализаторды зақымдауға жеткілікті ауыр жағдай болса, "қозғалтқышты тексеру" шамды жағып немесе жыпылықтатқан арқылы, жүргізушіні қозғалтқыштың дұрыс жұмыс істемейтін жағдайы туралы ескертеді. Бортындағы диагностикалық жүйелер әртүрлі формада болады. Температура датчиктері екі мақсатта қолданылады. Біріншісі – ескерту жүйесі, әсіресе екі жолды катализаторларда, мысалы, кейде LPG газбен жұмыс істейтін вилотка көтерушілерде қолданылады. Датчиктың функциясы – катализатордың температурасы қауіпсіз шекті 750 °C (1382 °F) асып кеткенде ескерту беру. Қазіргі заманғы катализаторлар температураның зиян келтіруіне остіміз және 900 °C (1652 °F) тұрақты температураға төтеп бере алады. Температура датчиктері катализатордың жұмыс істеуін бақылау үшін де қолданылады: әдетте екі датчик орнатылады, біреуі катализатордың алдында, екіншісі катализатордың өзегі арқылы температураның өсуін бақылау үшін. Қысқылтек датчигі – бұл жанармаймен толық жанатын қозғалтқыштағы жабық циклды басқару жүйесінің негізі; алайда, ол диагностика үшін де қолданылады. OBD II жүйесі бар көлік құралдарында, О2 деңгейін бақылау үшін катализатордан кейін екінші оттегі датчигі орнатылады. О2 деңгейі жанар процесінің тиімділігін тексеру үшін бақыланады. Бортындағы компьютер екі датчик көрсеткіштерін салыстырады. Көрсеткіштер кернеуді өлшеу арқылы алынады. Егер екі датчик те бірдей нәтиже көрсетсе немесе артқы О2 датчигі "ауысып" тұрса, компьютер катализатордың жұмыс істемейтінін немесе алынып тасталғанын анықтайды және ақаулық индикаторын қосып, қозғалтқыштың жұмысына әсер етеді. Бұл мәселені шешу үшін, Интернетте қолжетімді жоспарлар мен алдын ала жиналған құрылғылармен катализатордағы өзгерісті симуляциялайтын қарапайым "қысқылтек датчиктерінің симуляторлары" әзірленді. Бұлар жолдарда қолдануға рұқсат етілмесе де, олар әртүрлі нәтижелер берді. Осыған ұқсас құрылғылар датчик сигналдарына ауытқу жасайды, бұл қозғалтқыштың жанармайды үнемдеуге мүмкіндік беретін жұқарту режимінде жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, бірақ бұл қозғалтқышқа немесе катализаторға зиян келтіруі мүмкін. Датчиктер өте қымбат және көбінесе тек компрессиялық тұтанулы қозғалтқышқа селективті каталитикалық тотығуды (SCR) азайту түрлендіргішімен немесе кері байланыс жүйесіндегі адсорберімен жабдықталған кезде ғана қолданылады. SCR жүйесіне орнатылған кезде бір немесе екі датчик болуы мүмкін. Бір датчик орнатылғанда ол катализатордың алдында, екеуі орнатылғанда екіншісі катализатордан кейін орнатылады. Олар қысқылтек датчиктері сияқты бірдей себептермен және бірдей тәсілмен қолданылады; жалғыз айырмашылық – бақыланатын зат.

Various jurisdictions now require on board diagnostics to monitor the function and condition of the emissions control system, including the catalytic converter. Vehicles equipped with OBD II diagnostic systems are designed to alert the driver to a misfire condition by means of illuminating the "check engine" light on the dashboard, or flashing it if the current misfire conditions are severe enough to potentially damage the catalytic converter. On board diagnostic systems take several forms. Temperature sensors are used for two purposes. The first is as a warning system, typically on two way catalytic converters such as are still sometimes used on LPG forklifts. The function of the sensor is to warn of catalytic converter temperature above the safe limit of 750 °C (1382 °F). Modern catalytic converter designs are not as susceptible to temperature damage and can withstand sustained temperatures of 900 °C (1652 °F). Temperature sensors are also used to monitor catalyst functioning: usually two sensors will be fitted, with one before the catalyst and one after to monitor the temperature rise over the catalytic converter core. The oxygen sensor is the basis of the closed loop control system on a spark ignited rich burn engine; however, it is also used for diagnostics. In vehicles with OBD II, a second oxygen sensor is fitted after the catalytic converter to monitor the O2 levels. The O2 levels are monitored to see the efficiency of the burn process. The on board computer makes comparisons between the readings of the two sensors. The readings are taken by voltage measurements. If both sensors show the same output or the rear O2 is "switching", the computer recognizes that the catalytic converter either is not functioning or has been removed, and will operate a malfunction indicator lamp and affect engine performance. Simple "oxygen sensor simulators" have been developed to circumvent this problem by simulating the change across the catalytic converter with plans and pre assembled devices available on the Internet. Although these are not legal for on road use, they have been used with mixed results. Similar devices apply an offset to the sensor signals, allowing the engine to run a more fuel economical lean burn that may, however, damage the engine or the catalytic converter. sensors are extremely expensive and are in general used only when a compression ignition engine is fitted with a selective catalytic reduction (SCR) converter, or a absorber in a feedback system. When fitted to an SCR system, there may be one or two sensors. When one sensor is fitted it will be pre catalyst; when two are fitted, the second one will be post catalyst. They are used for the same reasons and in the same manner as an oxygen sensor; the only difference is the substance being monitored.