Кратко — сначала механизм образования, затем последовательность реакций в выхлопе и каталитические методы с оценкой эффективности и побочками.
1) Образование загрязнителей
- Неполное сгорание (при недостатке О2, низкой температуре или плохом перемешивании) даёт CO и сажу:
${\mathrm{C}}_x{\mathrm{H}}_y+\frac{2x+y}{2}{\mathrm{O}}_2\to x{\mathrm{CO}}_2+\frac{y}{2}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ (полное),
но при неполном: ${\mathrm{C}}_x{\mathrm{H}}_y+O_2\to a\mathrm{CO}+b\mathrm{C}(\mathrm{s})+\dots$ - NOx (в основном NO, часть NO2) преимущественно термического образования (Zeldovich):
$\mathrm{O}+{\mathrm{N}}_2\to \mathrm{NO}+\mathrm{N}$,
$\mathrm{N}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{NO}+\mathrm{O}$,
$\mathrm{N}+\mathrm{OH}\to \mathrm{NO}+\mathrm{H}$.
Есть также prompt- и fuel-N механизмы.
2) Основные газофазные и поверхность‑зависимые реакции в выхлопе (без катализатора)
- Окисление CO и СН радикалами/кислородом:
$\mathrm{CO}+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{CO}}_2$,
${\mathrm{C}}_x{\mathrm{H}}_y+(x+\frac{y}{4}){\mathrm{O}}_2\to x{\mathrm{CO}}_2+\frac{y}{2}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.
- Межперевод NO $\leftrightarrow$ NO2:
$2\mathrm{NO}+{\mathrm{O}}_2\rightleftharpoons 2{\mathrm{NO}}_2$.
- Окисление сажи (высокая T): $\mathrm{C}(\mathrm{s})+{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{CO}}_2$ (медленно при низкой T).
3) Каталитические методы и реакции (последовательность и оценка)
A. Three‑Way Catalyst (TWC) — для бензиновых двигателей при стехиометрии
- Основные реакции:
$\mathrm{CO}+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2\stackrel{Pt/Pd}{}{\mathrm{CO}}_2$,
${\mathrm{C}}_x{\mathrm{H}}_y+(x+\frac{y}{4}){\mathrm{O}}_2\stackrel{Pt/Pd}{}x{\mathrm{CO}}_2+\frac{y}{2}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$,
$2\mathrm{NO}+2\mathrm{CO}\stackrel{\mathrm{Rh}}{}{\mathrm{N}}_2+2{\mathrm{CO}}_2$.
- Эффективность: типично $\sim 80\text{–}99\%$ для CO, HC и NOx при оптимальном $\lambda \approx 1$ ($\lambda$ — коэффициент избытка воздуха).
- Побочные продукты/ограничения: образование ${\mathrm{CO}}_2$ (основной «побочный» продукт), небольшие доли ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ ($<$пары процентов), чувствительность к отклонению $\lambda$ и к сере (отравление).
B. Diesel aftertreatment: DOC + DPF + SCR (типичная цепочка)
- DOC (oxidation catalyst): окисляет CO и HC и частично NO → NO2:
$\mathrm{CO}+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2\stackrel{\mathrm{Pt}}{}{\mathrm{CO}}_2$,
$2\mathrm{NO}+{\mathrm{O}}_2\stackrel{\mathrm{Pt}}{}2{\mathrm{NO}}_2$.
Эф: CO/HC $\sim 70\text{–}95\%$ в рабочем диапазоне T.
Побочки: формирование NO2 (токсично), окисление SO2→SO3 (сульфаты).
- DPF (particulate filter): механическое улавливание сажи + каталитическое/термическое регенерирование:
Регенерация: $\mathrm{C}+{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{CO}}_2$ (при высокой T) или реакция с NO2:
$\mathrm{C}+2{\mathrm{NO}}_2\to {\mathrm{CO}}_2+2\mathrm{NO}$.
Эф: улавливание PM $\sim 85\text{–}99\%$. Побочные: при регенерации всплески CO2 и локальный нагрев; накопление несгораемых золы (требует очистки).
- SCR (Selective Catalytic Reduction) с NH3/мочевиной (для NOx в избыточном O2):
мочевина → аммиак: $({\mathrm{NH}}_2{)}_2\mathrm{CO}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2{\mathrm{NH}}_3+{\mathrm{CO}}_2$.
типичные восстановительные реакции:
$4\mathrm{NO}+4{\mathrm{NH}}_3+{\mathrm{O}}_2\to 4{\mathrm{N}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$,
$\mathrm{NO}+{\mathrm{NO}}_2+2{\mathrm{NH}}_3\to 2{\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$,
$2{\mathrm{NO}}_2+4{\mathrm{NH}}_3+{\mathrm{O}}_2\to 3{\mathrm{N}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.
Эф: NOx сокращается до $\sim 70\text{–}95\%$ при правильной дозировке NH3 и температуре ($\sim 200\text{–}450^{\circ }\mathrm{C}$).
Побочные: аммиачный «slip» (NH3) если переизбыток, образование ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ (парниковый газ) в некоторых условиях, солеобразование с SOx (аммониевые сульфаты).
C. Lean NOx Trap (LNT, NOx‑adsorber)
- Работает чередованием фаз: поглощение NOx как нитраты при lean, затем снижение в богатой фазе:
поглощение: ${\mathrm{NO}}_x+\mathrm{BaO}\to \mathrm{Ba}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3{)}_2$ (упрощённо),
регенерация (rich): восстановление нитратов с CO/HC → \(\mathrm{N}_2}\).
Эф: NOx $\sim 50\text{–}90\%$ в зависимости от циклов; эффективен при относительном невысоком расходе топлива.
Побочки: требования к регулярным rich‑pulses (увеличение CO/HC и выбросов в эти моменты), чувствительность к S.
D. ГПФ (Gasoline Particulate Filter) и др. для GDI
- Аналог DPF для бензиновых прямовпрысковых: улавливает PM, регенерация окислением.
4) Практические ограничения и побочные эффекты — кратко
- Температурный диапазон: каталитические реакции эффективны в определённом диапазоне (TWC и DOC работают лучше при $200\text{–}800^{\circ }\mathrm{C}$; SCR $200\text{–}450^{\circ }\mathrm{C}$). Низкая T → снижение конверсии.
- Серосодержание топлива приводит к отравление катализатора и образованию сульфатных отложений (${\mathrm{SO}}_2\to {\mathrm{SO}}_3$ → ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$, сульфат аммония).
- Побочные эмиссии: ${\mathrm{CO}}_2$ (неотвратимо при окислении C), возможное ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ и NO2, аммиачный slip, сульфаты и твердые остатки (зола).
- Комбинация систем (DOC+DPF+SCR) даёт наилучший общий результат по CO/HC/NOx/PM в дизелях.
5) Резюме по эффективности (ориентиры)
- TWC (стехиометрические бензиновые): CO/HC/NOx $\sim 80\text{–}99\%$.
- DOC: CO/HC $\sim 70\text{–}95\%$; даёт NO2 (полезно для DPF регенерации).
- DPF: PM $\sim 85\text{–}99\%$ (ловит сажу, требует регенерации).
- SCR: NOx $\sim 70\text{–}95\%$ (при корректном дозировании NH3).
- LNT: NOx $\sim 50\text{–}90\%$ (в зависимости от режимов).
Если нужно, могу привести конкретную последовательность реакций для заданной конфигурации (например: бензиновый с TWC, или дизель с DOC+DPF+SCR) и оценить ожидаемые конверсии и побочные продукты для вашей установки.