Почему машина слишком долго прогревается

• Главная
• Статьи
• Холодное сердце: почему машина может долго не прогреваться

Автор:
Михаил Баландин

«Зима! Крестьянин, торжествуя… » полчаса прогревает машину. А иногда и не крестьянин, а вполне себе боярин на недешевом автомобиле всё равно прогревает его, мёрзнет и думает: ну почему так долго? С дизельными машинами всё ясно: их владельцы без всяких Webasto, Eberspacher или других непонятных владельцам бензиновых автомобилей слов зимой жизни вообще не видит. Такова особенность дизеля: не согреешь – не поедешь или замёрзнешь. А вот почему слишком долго может прогреваться бензиновый автомобиль? Причин, как ни странно, много.

Нормально!

К сожалению, долгий прогрев далеко не всегда вызван какой-то неисправностью. Сейчас действительно многие моторы прогреваются очень долго, и сделать с этим ничего нельзя. Увы, это их конструктивная особенность, чаще всего вызванная желанием экологов спасти планету и императорских пингвинов ценой воспаления лёгких нескольких тысяч людишек. В качестве примера приведу хорошие моторы Volkswagen серии ЕА211: прогреваются они очень долго, так что с ними обычно нет смысла греть салон, стоя на месте. Это практически бесполезно, так что тут придётся смириться и греться на ходу. А на светофорах иногда опять мёрзнуть – таков характер этих моторов. Купи бензиновую машину, почувствуй себя в дизельной…

Второй пример – это отказ от высоких прогревочных оборотов. Помните, как весело орал карбюраторный мотор с «подсосом» на морозе? Дым валил клубами, но машина довольно быстро прогревалась. Современные моторы прогреваются иначе. По большому счёту, в ПО блока управлением двигателя у них есть два независимых  прогрева. Первый – это быстрый прогрев катализатора, второй – прогрев самого мотора.

С первым всё понятно: холодный катализатор не работает, поэтому сразу после пуска мотора несколько секунд он орёт на заметно повышенных оборотах – прогревает этот самый катализатор. Вот тут, скорее всего, надо напомнить, что до и после катализатора стоят кислородные датчики. Первый нам неинтересен (он отвечает только за топливную коррекцию), а второй на моторах от Евро-4 и выше не только занимается тем же, что и первый (коррекцией смеси), но и контролирует состояние катализатора. И чтобы второй датчик вошёл в нормальный рабочий режим, нужно как можно быстрее включить катализатор в работу, то есть прогреть его. Поэтому когда несколько секунд машина завывает, а потом резко сбрасывает обороты ниже – это после прогрева катализатора начинает работать прогрев мотора.

В нём второй кислородный датчик уже участвует, но так как это не рабочий режим, то и к наличию слишком большого количества кислорода в отработавших газах он не относится слишком критически: при прогреве это допустимо. Но вот в чём беда: этот прогрев опять слишком сильно вредит экологии, поэтому экологи влезли и сюда. Следствием стало то, что прогревочные обороты в софте обычно указаны намного ниже тех, что требуются мотору для быстрого прогрева. Одно из заблуждений говорит о том, что такие низкие обороты при прогреве нужны для того, чтобы прогреть холодный мотор максимально бережно и сохранить его ресурс. Это не так, и заниженные обороты при прогреве – требование экологических норм. Современные моторы прогреваются при 1000-1200 оборотов, хотя могли делать это гораздо быстрее хотя бы при 1500, что никак не повлияло бы на их ресурс. Как ни странно, слишком низкими прогревочными оборотами часто страдают наши ВАЗы – Калины-2 и Гранты. 

Вот с этой проблемой бороться можно, причём довольно просто – чип-тюнингом. Главное, чтобы какие-нибудь горе-тюнеры не перепутали режимы прогрева и не намудрили с прибавкой оборотов там, где это не надо (в частности, в прогреве катализатора). Кстати, при удалении катализатора режим его прогрева лучше отключать, но делают так немногие.  

Ситуация с недостаточно высокими прогревочными оборотами к неисправностям не относится, но исправить её можно. И это хорошо.

Ничего не изменилось

Ну а теперь перейдём к худшему сценарию – что-то сломалось. И первое, что попадает под подозрение, это, конечно, термостат. Тут ничего не изменилось со времён карбюраторных моторов: если термостат заклинил в открытом положении, мотор будет прогреваться очень долго. К счастью, есть очень простой способ выяснить, имеет ли место это безобразие или нет. Достаточно через пару минут после пуска мотора потрогать верхний патрубок, идущий к радиатору. Если он тёплый, значит, термостат действительно открыт. И это, конечно, плохо: пока мотор не прогреется, охлаждающая жидкость по большому кругу (то есть через основной радиатор охлаждения) идти не должна, а патрубок должен оставаться холодным. А тут выходит, что мотор вместо того, чтобы быстрее прогреться, греет не нужный ему пока радиатор с литрами антифриза. 

Добавлю, что термостат может не только заклинить. Кроме износа непосредственно клапана, у него могут быть и другие неисправности, но разбираться с ними нет совершенно никакого интереса. Термостат нужно заменить и забыть об этой проблеме.

Чаще всего в долгом прогреве виноват как раз термостат, и его стоило бы поставить на первое место, но это было бы скучно. А я люблю интригу.

Вторая неисправность – это… тоже термостат. Только не системы охлаждения мотора, а теплообменника автоматической коробки передач (причём не только классической гидротрансформаторной, но и вариаторов, и роботов). Тут неисправность выглядит следующим образом.

У АКП часто имеется теплообменник, который нужен не только для охлаждения коробки, но и для её прогрева. И в патрубке теплообменника может стоять термостат, который не даёт греть коробку, пока не прогрет мотор. Работает это всё чудо прекрасно, но недолго. В один прекрасный момент термостат может заклинить, после чего мотор после пуска пытается сразу прогреть и коробку. Само собой, получается у него это плохо. Он может молотить на холостых оборотах и 10 минут, и 15, но всё равно не прогреваться до рабочей температуры. Если климат не слишком суровый, то чёрт бы с ним: коробке полезно прогреться перед работой. Кроме того, если термостат клинит в открытом положении, это ещё хороший вариант: в рабочем режиме коробка не будет перегреваться. Скажем даже больше: некоторые эти термостаты удаляют превентивно, чтобы не столкнуться с тем, что он заклинит закрытым и отправит автомат в капитальный ремонт. 

Искать эту неисправность сложнее, тут лучше действовать сканером и считывать текущие показания в конкретный момент. Интересовать должна, само собой, температура коробки.

Ну и последнее про систему охлаждения: иногда в долгом прогреве виновата воздушная пробка. Но обычно её наличие обнаруживается гораздо раньше и как правило – при неожиданном перегреве. Тем не менее вероятность такая существует, и напомнить о ней нужно обязательно.

Ошибочка вышла

Теперь перейдём к более редкой, но возможной ошибке. Бывает, что машина думает, что мотор уже прогрет, но это не точно. Звучит сложно, как песни Гребенщикова, но на самом деле всё просто: бывает, что сходит с ума датчик температуры охлаждающей жидкости. В этом случае последствия могут быть разными. Самый примитивный алгоритм может рубануть сплеча – включить вентилятор (или вентиляторы) радиатора. Причём сразу после пуска двигателя. Если на машине есть электронноуправляемый термостат, ЭБУ может открыть и его. А может и закрыть – смотря в какую сторону сошёл с ума датчик. Проблема редкая, но существует.

Ещё одна неисправность – это неисправность проводки вентиляторов. Тут хватит интеллекта ежа, чтобы понять, что она может коротить. И тогда вентилятор может включиться независимо от температуры антифриза. Правда, и выключиться он тоже может в любой момент, что зимой не всегда страшно, а вот летом будет неприятно. Кстати, нештатные китайские вентиляторы со своими блоками тоже иногда ведут себя странно, так что при замене умершего оригинального на здоровый аналог надо это иметь в виду.

Когда в сервис?

Принципиально не буду затрагивать почти религиозный вопрос о необходимости прогрева мотора, так что сразу перейду к сути: как вообще понять, что мотор прогревается слишком долго? Для большинства моторов даже в сильный мороз время прогрева редко превышает 10 минут. Да, есть исключения (например, те самые немецкие моторы), но их не так много. Так что если вы не счастливый обладатель машины с двигателем ЕА211 или чего-то подобного, 20 минут прогрева – это ненормально. Да, моторы с алюминиевыми блоками прогреваются намного дольше чугунных, но всё же даже в сильный мороз прогрев не должен растягиваться на такое время. Если это происходит, лучше убедиться, что с машиной всё в порядке. А вот  минимальный прогрев обязателен в любом случае. Простите, не удержался.

практика

Новые статьи

Статьи / Практика

Что такое универсальный, ремонтный и спортивный катализаторы и стоит ли их устанавливать

Среди множества рекламных предложений по удалению катализатора попадаются и другие: в них автолюбителям предлагают не простое удаление катализатора, а его замену на универсальный, ремонтный. ..

186

0

0

23.11.2022

Статьи / Практика

Нужно ли прогревать автомобиль перед поездкой зимой: разбираемся подробно

В моем личном рейтинге дискуссионных и провокационных тем статьи «как надо прогревать машину зимой» занимают почетное первое место по количеству несуразностей, ошибок и прочих недостатков. Т…

1091

1

3

22.11.2022

Статьи / Авто и технологии

Совсем как русское: путь масла от скважины до потребителя своими глазами

Два опытных блогера-путешественника, Алексей Жирухин и Сергей Лысенко, в рамках увлекательного четырнадцатидневного турне длиной в 12 000 км узнают весь путь получения масла – от скважины до. ..

499

0

3

22.11.2022

Популярные тест-драйвы

Тест-драйвы / Тест-драйв

Haval Dargo против Mitsubishi Outlander: собака лает, чужестранец идет

В дилерском центре Haval на юге Москвы жизнь кипит: покупатели разглядывают машины, общаются с менеджерами и подписывают какие-то бумаги. Пока я ждал выдачи тестового Dargo, такой же кроссов…

17221

7

205

13.09.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв

Мотор от Mercedes, эмблема от Renault, сборка от Dacia: тест-драйв европейского Logan 1,0

Казалось бы, что нового можно рассказать про Renault Logan второго поколения, известный каждому российскому таксисту, что называется, вдоль и поперёк? Однако конкретно в этом автомобиле есть. ..

13967

10

41

13.08.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв

Geely Coolray против Haval Jolion: бесплатный сыр? Если бы!

Хотите купить сегодня  машину с полноценной гарантией, в кредит по адекватной ставке, без диких дилерских накруток? Сейчас это та еще задачка, ведь полноценную цепочку «представительство – з…

11048

26

30

10.08.2022

P0421 Эффективность прогрева катализатора ниже порога

Содержание

• P0421 Эффективность прогрева катализатора ниже порога
• Техническое описание
• Что это значит?
• симптомы
• причины
• Возможные решения
• Связанные обсуждения DTC
• Нужна дополнительная помощь с кодом p0421?

P0421 Эффективность прогрева катализатора ниже порога

Техническое описание

Эффективность подогрева катализатора ниже порога (банк 1)

Что это значит?

Этот диагностический код неисправности (DTC) является общим кодом трансмиссии, что означает, что он применяется к автомобилям, оборудованным OBD-II. Несмотря на общий характер, конкретные шаги по ремонту могут отличаться в зависимости от марки / модели.

В основном это означает, что датчик кислорода после каталитического нейтрализатора на блоке 1 обнаруживает, что преобразователь не работает так эффективно, как должен (в соответствии со спецификациями). Это часть системы выбросов транспортных средств.

симптомы

Вы, скорее всего, не заметите никаких проблем с управляемостью, хотя симптомы могут быть. Код может с большей вероятностью появиться после того, как двигатель неоднократно запускал холодный двигатель за последние 1-2 дня.

причины

Код P0421 может означать, что произошло одно или несколько из следующих событий:

• Каталитический нейтрализатор больше не работает должным образом
• Датчик кислорода не считывает (не работает) должным образом
• Свеча зажигания загрязнена

Возможные решения

Измерьте напряжение на датчике кислорода на блоке 1 (задний датчик или датчик после преобразователя). Фактически, было бы неплохо проверить каждый датчик кислорода O2, пока вы на нем.

Следует отметить, что многие производители автомобилей предлагают более длительную гарантию на детали, связанные с выбросами. Поэтому, если у вас более новый автомобиль, но на него не распространяется гарантия от бампера до бампера, гарантия на этот тип проблемы все равно может быть. Многие производители предоставляют на эти изделия пятилетнюю гарантию с неограниченным пробегом. Это стоит проверить.

Связанные обсуждения DTC

• Недостаточно катализатора прогрева в банке 1 P0421У меня mitsubishi lancer es 2006 года выпуска, и я продолжаю получать этот код неисправности, который выскакивает. Я не уверен, трансмиссия это или что это такое, но никто из местных не может сказать мне, что это вообще означает. Каждый раз, когда я запускаю его на диагностическом тестере, я получаю P0421 «Эффективность подогрева катализатора ниже порогового значения (банк 1)»… 
• P0171 и P0421 на 97 ′ Mazda 626Привет, На прошлой неделе я купил подержанную Mazda 626 от 97, 2. 0L, автоматическую коробку передач и около 97 км. При покупке я знал о двух неправильных вещах: во-первых, нужно заменить глушитель выхлопа, во-вторых, горит злой индикатор «Check Engine». Якобы, как говорит предыдущий хозяин, что-то… 
• КОД P0421 НА MAZDA 626У МЕНЯ MAZDA 626 ТОЛЬКО 67 ООО МИЛЬ. ИНДИКАТОР ПРОВЕРКИ ДВИГАТЕЛЯ ВКЛЮЧЕН, И КОГДА Я ПОСТАВИЛ ЕГО В АВТОЗОНУ ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ НЕПОЛАДОК, КОД БЫЛ P0421. ОПРЕДЕЛЕНИЕ — ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАТАЛИЗАТОРА НИЗКИЙ БАНК 1. ОБЪЯСНЕНИЕ — ДАТЧИКИ КИСЛОРОДА МОНИТОРИНГ СПОСОБНОСТИ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ХРАНИТЬ КИСЛОРОД. ПРИЧИНЫ ПРОБЛЕМЫ — 1. КАТАЛ… 
• Mazda Premacy 2001 1840cc P0420 и позже P0421Машиной владею около 10 лет. в гараже я обычно выполняю техническое обслуживание. Мне сказали, что это неправильное указание на систему Catalyst, и в течение многих лет машина успешно проходила ежегодные испытания властей — так что она работает нормально. Они рекомендовали оставить все как есть. Теперь есть новый регулятор… 
• 2005 Jeep код P0421 что это что нужно исправитьПопросите Jeep Wangler указать код P0421, что это за код и что необходимо исправить, чтобы исправить его… 
• P0421не вопрос, но просто подумал, что отправлю это для тех, у кого такой же код P0421 не найден. Оказывается, неисправный / неисправный блок подачи топлива может вызвать ошибку P0421 🙂 просто заменил мой, и все читается отлично!… 
• Mitsubishi Lancer OZ Rally P2004 0421 года выпускаИтак, мой Mitsubishi lancer 2004 oz ралли прошел через смог в прошлом году, а через 6 месяцев я получил эту контрольную лампу двигателя. Я проверил код и дал мне P0421. Я не знаю, нашел ли кто-нибудь ответ на этот вопрос, но я все еще ищу правильный ответ. Я поспрашивал и исследовал, и я слышал, что … 
• СПРАВКА — P0421 на Mitsubishi Montero Sport 2001В моем Mitsubishi Montero sport в течение нескольких лет включалась и выключалась «лампа служебного двигателя». Что ж, на этот раз он не прошел проверку, потому что свет не гаснет. Мы просто отнесли его к дилеру, и они сказали, что код P0421, а разогревающие коты B1 и B2 не работают. Они хотят … 
• P0421, P0446, P0401 2003 hyundai santa fe 2.4 двигатель160к миль, машина рвет на разгоне и крейсерская неровность. Примерно месяц назад надевал ремень ГРМ, и он работал нормально, вставлял новые свечи зажигания, но это не помогло его работе. Любые идеи?… 
• 2003 Audi A6 P0421 DiagnosisМожет ли кто-нибудь помочь мне в дальнейшей диагностике? Автомобиль, кажется, работает нормально, но мне немного неудобно продолжать использовать его с горящим индикатором Check Engine. Код — P0421. Моя машина — Audi A2003 Quattro 6 3.0 года выпуска… 

Нужна дополнительная помощь с кодом p0421?

Если вам все еще нужна помощь по поводу кода неисправности P0421, задайте вопрос в комментариях под этой статьей..

ПРИМЕЧАНИЕ. Эта информация представлена ​​только в информационных целях. Он не предназначен для использования в качестве рекомендаций по ремонту, и мы не несем ответственности за любые действия, которые вы предпринимаете с каким-либо автомобилем. Вся информация на этом сайте защищена авторским правом.

Главная » OBD2 Коды Ошибок » P0421 Эффективность прогрева катализатора ниже порога

2022-05-26

Каталитические системы для нагрева

Каталитические системы для нагрева

В. Адди Маевски

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Катализатор нагрева обычно используется для повышения температуры выхлопных газов в дизельных двигателях, чтобы обеспечить адекватную работу системы дополнительной обработки выбросов. Катализатор прогрева представляет собой специальный катализатор окисления дизельного топлива, на который топливо подается через топливные форсунки в цилиндрах или через отдельную специальную форсунку, установленную в выхлопной системе. Электронный контроллер поддерживает скорость впрыска топлива для достижения желаемой температуры на выходе катализатора.

• Введение
• Схема системы
• Контроллер
• Катализатор нагрева
• Система подачи топлива

Введение

Катализатор нагрева является очень популярным вариантом для повышения температуры и энтальпии выхлопных газов дизельного двигателя. Катализатор нагрева обычно представляет собой дизельный катализатор окисления (DOC), к которому топливо подается через топливные форсунки в цилиндрах или через отдельную специальную форсунку, установленную в выхлопной системе.

По сравнению с мерами, основанными на двигателе, такими как дросселирование впуска, отсроченное время впрыска и дополнительный впрыск для управления температурой выхлопных газов дизельных двигателей, использование катализатора нагрева приводит к меньшему снижению экономии топлива, поскольку тепло выделяется через катализатор нагрева, а не в -цилиндра, что исключает потери тепла в двигателе и на участке выхлопной системы между выпускным коллектором двигателя и РОЦ. По некоторым оценкам, штраф за экономию топлива может составлять до 50% меньше 9.0030 [1257] . По оценкам, эффективность мер, основанных на двигателях, составляет всего 17% [1485] . Однако, несмотря на низкую эффективность мер, связанных с двигателем, они по-прежнему обычно требуются с системой нагрева каталитического нейтрализатора для повышения и поддержания температуры DOC выше температуры выключения зажигания в условиях малой нагрузки.

Системы каталитического нейтрализатора разогрева разрабатывались в основном для тяжелонагруженных OEM-приложений, начиная с большинства двигателей грузовиков США 2007 года. В системах для тяжелых условий эксплуатации обычно используется специальная топливная форсунка, установленная на выхлопной системе, для подачи топлива к каталитическому нейтрализатору. В двигателях малой и средней грузоподъемности, где более важна низкая стоимость системы и существует меньше опасений по поводу влияния разбавления масла на долговечность двигателя, инжектор в цилиндре чаще используется для подачи топлива на каталитический нейтрализатор. Однако форсунки выхлопных газов также использовались в некоторых системах легковых автомобилей (например, в дизельном двигателе 1,5 dCi моделей Renault Clio и Modus 2006 г.).

Ряд производителей разработали модернизированные системы DPF с каталитическим сжиганием топлива, ориентированные на двигатели большой мощности для шоссейных и внедорожных двигателей, но их коммерческое применение остается очень ограниченным.

Схема системы

Основные компоненты системы подогрева катализатора показаны на схеме на рис. 1. В этом случае топливная форсунка устанавливается в выхлопной трубе между выпускным коллектором двигателя и катализатором окисления (подогрева). Инжектор управляется электронным блоком управления, который в OEM-приложениях может быть интегрирован с блоком управления двигателем (ECU). В автомобилях с легким и средним режимом работы вместо этого обычно используется дополнительный впрыск, обеспечиваемый топливной форсункой в ​​​​цилиндре. На рисунке 1 топливо подается в форсунку специальным топливным насосом (который также может включать топливный фильтр для защиты форсунки от загрязнений). В качестве альтернативы топливо может дозироваться дозирующим насосом, управляемым ЭБУ.

Рисунок 1 . Каталитическая система подогрева для управления температурой выхлопных газов и энтальпией

В зависимости от конструкции обратная топливная магистраль от форсунки может быть избыточной. Статический смеситель не является обязательным, но для обеспечения стойкости катализатора требуется хорошее перемешивание.

Когда необходимо увеличить температуру выхлопных газов и/или энтальпию, блок управления инициирует дозирование топлива в каталитический нейтрализатор. Однако каталитическое сжигание топлива возможно только в том случае, если температура выхлопных газов достаточно высока, чтобы обеспечить активность катализатора. Таким образом, в условиях малой нагрузки двигателя активация прогрева катализатора включает две стадии:

1. Температура выхлопных газов повышается до момента отключения каталитического нейтрализатора — обычно около 250 °C — с использованием методов управления двигателем, таких как стратегии впускной дроссельной заслонки и системы впрыска [1256] . Если такие методы недоступны (например, при модернизации систем с сажевым фильтром), дозирование топлива следует отложить до тех пор, пока двигатель не будет работать с более высокой нагрузкой.
2. Дозирование топлива через каталитический нейтрализатор инициируется для достижения заданной температуры и поддерживается столько времени, сколько необходимо.

После впрыскивания в горячие выхлопные газы топливо испаряется. Быстрому и полному испарению способствует хорошее распыление топлива у форсунки. Во избежание горячих точек и/или закоксовывания на входной поверхности катализатора, которые могут привести к потенциальному повреждению катализатора, необходимо полностью испарить топливо, а пары тщательно смешать с выхлопными газами. Неравномерная подача топлива через входную поверхность катализатора может также вызвать неравномерное и неполное окисление топлива по всему DOC и привести к неравномерной температуре на выходе DOC и проблемам с долговечностью. В тех случаях, когда имеется недостаточная длина смешивания между подачей топлива, установленной на выхлопе, и впускным отверстием DOC для достижения адекватного распределения топлива, может использоваться статический смеситель 9. 0030 [4908] [4909] .

Выхлопной газ, богатый углеводородами, затем поступает в катализатор окисления, который способствует окислению углеводородов кислородом, присутствующим в выхлопных газах. Тепло, выделяющееся во время этой экзотермической реакции, повышает температуру выхлопных газов до необходимого уровня. Количество впрыскиваемого топлива необходимо точно контролировать, чтобы поддерживать желаемую температуру при любой заданной температуре выхлопных газов на выходе из двигателя и условиях расхода.

###

Улучшенные катализаторы от сверхбыстрого нагрева

Печь HighT-Tech чрезвычайно быстро нагревает материал компании, что позволяет создавать новые металлические сплавы. Фото: High-T Tech

HighT-Tech — дочерняя компания Университета Мэриленда в Колледж-Парке, победитель The Spinoff Prize 2021.

Химический синтез может быть дорогостоящим предприятием. Возьмем, к примеру, производство азотной кислоты, из которой делают удобрения. Один из этапов процесса включает нагревание аммиака и пропускание его через сетку из платины и родия, которые действуют как катализаторы и делают реакцию более эффективной. Но эти металлы дорогие. За последний год цена на платину выросла примерно с 25 долларов США за грамм до более чем 40 долларов США за грамм, в то время как цена на родий выросла примерно с 275 долларов США за грамм до более чем 9 долларов США.00 за грамм.

Компания HighT-Tech в Колледж-Парке, штат Мэриленд, разрабатывает метод изготовления катализаторов с такими же характеристиками, как у обычных катализаторов, из комбинаций более дешевых металлов или лучше. По его словам, этот процесс может позволить компании точно настроить каталитическую активность материалов и открыть новые и потенциально более эффективные катализаторы. «То, что мы пытаемся сделать, — это создать продукт с гораздо более низким содержанием платины, который дал бы вам те же характеристики», — говорит инженер-химик Боб Гатте, который ранее работал в химической компании W. R. Grace в Колумбии, штат Мэриленд, и присоединился к HighT-Tech в качестве исполнительного директора в феврале. «Катализаторы на миллионы долларов идут в эти реакторы».

Подробнее о премии Spinoff

Процесс компании основан на исследовании ¹ , проведенном Лянбином Ху, материаловедом из Мэрилендского университета в Колледж-Парке и соучредителем компании. Он включает в себя нагрев материалов настолько быстро, что различные металлы могут смешиваться, даже если это было бы невозможно при использовании обычных процессов плавки. Обычные металлические сплавы обычно содержат только два элемента, причем доля одного значительно превышает долю другого. Например, один из методов изготовления катализаторов, разработанный за последние несколько лет, заключается в создании наночастиц основного металла, такого как никель, покрытых тонкой оболочкой из другого металла, такого как золото.

Но сплавы с высокой энтропией, такие как разрабатываемые HighT-Tech, могут смешивать несколько элементов и часто распределять их в равных пропорциях. Это меняет то, как атомы взаимодействуют друг с другом, и, следовательно, меняет поведение сплава. «Мы можем точно настроить свойства, такие как каталитические свойства, регулируя соотношение различных элементов», — говорит Ченгвэй Ван, исследователь лаборатории Ху и вице-президент HighT-Tech. «Поскольку мы можем добавить несколько элементов, мы можем получить характеристики, аналогичные катализатору из драгоценного металла, используя этот дешевый металл».

Чтобы создать свой материал, ученые начали с углеродных нановолокон. Различные металлы растворяются в хлориде с образованием солей металлов; затем они смешиваются вместе, и смесь наносится на нановолокна. Исследователи посылают ток через проводящие волокна. Поскольку все очень тонкое, а металл находится в непосредственном контакте с углеродом, вся смесь быстро нагревается — примерно до 2000 кельвинов за 55 миллисекунд. Этот метод, называемый карботермическим ударом, заключается в смешивании металлов в покрытии. Когда ток выключен, толщина материала означает, что он остывает так же быстро, как и нагревается — процесс, который не дает металлам времени на разделение (см. «Термоударный синтез»). «Вы фактически замораживаете атомы на месте в этом высокоэнтропийном состоянии», — говорит Гатте. По его словам, блокирование их в этом состоянии изменяет их электронные свойства, придавая им более высокую каталитическую активность, лучшую селективность по отношению к конкретному веществу и большую стабильность.

Авторы и права: СЭМ-изображения перепечатаны с разрешения Yao, Y. et al. Наука 359 , 1489–1494 (2018).

В дополнение к улучшению каталитических свойств и уменьшению количества требуемых драгоценных металлов, этот процесс может также снизить затраты за счет более эффективного использования энергии, которая идет на нагрев материалов, говорит Гатте.

Высокоэнтропийные сплавы привлекают большое внимание для различных применений, в том числе в качестве катализаторов. Технология компании многообещающая, говорит Джастин Ноутштейн, инженер-химик из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, который не связан с компанией. Но чтобы сделать такие материалы практичными, необходимо проделать большую работу, в том числе разобраться с возможным влиянием углерода на процесс катализа. Этот метод также, кажется, производит небольшое количество материала. «Масштабирование кажется сложным. Крупные химические реакторы в промышленности могут быть заполнены несколькими тоннами катализатора», — говорит Нотестейн. Ван говорит, что в настоящее время компания производит катализаторы со скоростью 10 граммов в час, но она разрабатывает производственный процесс, который позволит легко достичь скорости 1 килограмм в час или даже выше, что может сделать возможным соблюдение отраслевых требований.

Термический удар — универсальный, но простой метод, который может оказать большое влияние на производство, — говорит Льюис Лю, венчурный капиталист и судья премии Spinoff. Лю впечатлен тем, что компания выбрала для начала нишевый продукт и разработала «четкую и целенаправленную коммерческую стратегию».

Часть Nature Outlook: The Spinoff Prize 2021

В настоящее время компания занимается разработкой катализаторов для синтеза аммиака. Это большой рынок, и химия относительно проста, поэтому легко оценить, насколько хорошо работают катализаторы, говорит Гатте. Однако в будущем ее технология может позволить производить материалы для каталитических нейтрализаторов в автомобилях, систем выхлопа на электростанциях и различных химических реакций, которые зависят от дорогих катализаторов из благородных металлов, таких как переработка нефти.

До сих пор компания использовала смеси от трех до десяти элементов, смешивая переходные металлы с благородными металлами или редкоземельными элементами. «Теоретически этот процесс применим к любому металлу в периодической таблице», — говорит Гатте. Начнем с того, что компания сосредоточена на попытке заменить большую часть платины, используемой в синтезе аммиака. По его словам, на реализацию демонстрационного проекта может уйти еще два-три года, и компания ведет переговоры с химическими фирмами о предоставлении производственных мощностей для этого. Гатте говорит, что компания оценивает различные бизнес-модели, включая собственное производство катализаторов, подписание соглашения о совместной разработке с промышленным партнером или лицензирование своей технологии другим производителям.

HighT-Tech поддерживается Акселератором энергетических инноваций Мэриленда, финансируемым государством проектом в Колледж-Парке, который помогает стартапам в области экологически чистой энергии начать работу. Ху также работает над отдельным запуском на ускорителе, используя процесс теплового удара для создания более качественных мембран для батарей. Основное финансирование HighT-Tech поступило из трех грантов на общую сумму около 700 000 долларов США от Агентства перспективных исследований США — Energy (ARPA-E). Ван говорит, что группа подает заявку на дополнительные гранты ARPA-E и другое государственное финансирование и начинает переговоры с венчурными капиталистами о финансировании.

HighT-Tech по-прежнему очень маленькая компания — помимо Вана и Гатте, единственным сотрудником является химик Юхуэй Гун, главный технический директор. Компания лицензирует два основных патента Университета Мэриленда, которые охватывают процесс создания высокоэнтропийных сплавов. По словам Вана, на отдельные сплавы могут быть поданы дополнительные патенты.