Что такое катализатор в автомобиле: что в нем ценного и что будет если его убрать

История: от первых экспериментов до массового внедрения

Идея очистки выхлопных газов появилась еще задолго до внедрения стандартов, ограничивающих содержание вредных веществ в выхлопных газах автомобильного транспорта. Промышленные очистные установки, сходные по принципу действия с современными автомобильными катализаторами, массово ставились еще в 80-х годах. Особенно на предприятиях, расположенных в непосредственной близости к жилым кварталам.

В 1988 году был официально подписан стандарт ЕВРО-0. Он регламентировал количество окисей углерода и азота, а также содержание летучих углеводородов в выхлопных газах бензиновых авто. Существовал этот стандарт формально и практического применения не имел. То есть на автомобильной индустрии никак не отразился.

Ситуация несколько изменилась в 1992 году. Тогда вышел новый экологический стандарт ЕВРО-1, который распространялся уже и на дизельные моторы. Несмотря на ужесточение требований к выбросам, существенных изменений в технологии производства двигателей не произошло. Почти все автопроизводители без проблем вписались в рамки нового экологического класса. В некоторых моделях авто были изменены настройки топливных систем. Но глобальных переработок уже созданных двигателей и их систем питания не потребовалось.

В 1995 году был введен следующий класс: ЕВРО-2. И здесь многие автопроизводители не смогли вложиться в нормы, прописанные в стандарте. Разрабатывать принципиально новые системы питания или существенно модернизировать имеющиеся было экономически нецелесообразно. Также это требовало некоторого времени. Решение нашлось в оснащении системы выпуска специальным устройством: каталитическим конвертером-нейтрализатором.

После 1999 года, с вводом стандарта ЕВРО-3, катализаторы ставились на все вновь производимые легковые авто в Европе, Японии и Америке. Хотя, как показывали исследования, некоторые новые автомобили и без систем очистки вписывались в нормы.

Сегодня все современные авто оснащаются катализаторами выхлопных газов.

Устройство катализатора

Каталитический нейтрализатор является частью системы выпуска отработавших газов. Он расположен сразу за выпускным коллектором двигателя. Каталитический нейтрализатор состоит из:

• Металлический корпус с впускным и выпускным патрубками.
• Керамический блок (монолит). Это пористая структура с множеством ячеек, увеличивающих площадь контакта выхлопных газов с рабочей поверхностью.
• Каталитический слой — специальное покрытие на поверхности ячеек керамического блока, состоящее из платины, палладия и родия. В последних моделях для напыления иногда используется золото — драгоценный металл с более низкой стоимостью.
• Кожух. Он служит теплоизоляцией и защитой каталитического нейтрализатора от механических повреждений.

 

Основная функция каталитического нейтрализатора — нейтрализация трех основных токсичных компонентов выхлопных газов, отсюда и название — трехкомпонентный. Это ингредиенты, которые следует нейтрализовать:

• Окиси азота NOx — компонент смога, вызывающий кислотные дожди, токсичны для человека.
• Окись углерода СО является смертельным для человека при концентрации в воздухе всего 0,1%.
• Углеводороды CH — компонент смога, некоторые соединения являются канцерогенными.

Ресурс

В среднем срок службы составляет до 100 000 км пробега. Но все зависит от условий пользования и качества топлива в частности. То есть он может выйти из строя раньше срока или позже. Основные причины ранней неисправности как раз связаны с поломками силового агрегата и качества рабочей смеси. Обедненная приводит к перегреву, а обогащенная засоряет соты несгоревшими остатками. А это уже препятствует образованию химических процессов. Как итог — срок службы нейтрализатора падает.

Кроме того, не стоит скидывать со счетов и механическое воздействие, из-за чего появляются трещины и прочие повреждения. А это способствует скорому разрушению блоков. Неисправности фиксируются вторым кислородным датчиком, и на приборной панели появляется соответствующий индикатор — Check Engine.

Как работает каталитический нейтрализатор

На практике трехкомпонентный каталитический нейтрализатор работает по следующему принципу:

• Выхлопные газы двигателя достигают керамических блоков, где они проникают в ячейки и полностью заполняют их. Металлы-катализаторы — палладий и платина — запускают реакцию окисления, в которой несгоревшие углеводороды CH превращаются в водяной пар, а монооксид углерода CO — в диоксид углерода.
• Восстановительный металл-катализатор родий, превращает NOx (оксид азота) в нормальный, безвредный азот.
• Очищенные выхлопные газы выбрасываются в атмосферу.

Если автомобиль оснащен дизельным двигателем, рядом с каталитическим нейтрализатором всегда устанавливается сажевый фильтр. Иногда эти два элемента можно объединить в один элемент.

 

Рабочая температура каталитического нейтрализатора имеет решающее влияние на эффективность нейтрализации токсичных компонентов. Фактическое преобразование начинается только после достижения 300°C. Предполагается, что идеальная температура с точки зрения производительности и срока службы составляет от 400 до 800°C. Ускоренное старение катализатора наблюдается в интервале температур от 800 до 1000°C. Длительная эксплуатация при температурах выше 1000°C отрицательно влияет на каталитический нейтрализатор. Альтернативой высокотемпературной керамике является металлическая матрица из гофрированной фольги. Платина и палладий выступают катализаторами в этой конструкции.

Виды катализаторов

Разделяют несколько типов катализаторов, в зависимости от их назначения:

Двухступенчатый

Второй тип — двуступенчатый каталитический нейтрализатор, который является более совершенным. Работает в два этапа. Есть два элемента, которые расположены один за другим.

Двусторонний (или «окислительный») каталитический нейтрализатор имеет две одновременные задачи:

1. Окисление оксида углерода до диоксида углерода:
   2CO + O2 → 2CO2.
2. Окисление углеводородов (несгоревшего и частично сгоревшего топлива) до диоксида углерода и воды:
   CxH2x + 2 + [(3x + 1) ⁄ 2] O2 → xCO2 + (x + 1) H2O (реакция горения).

Этот тип автомобильных катализаторов широко используется в дизельных двигателях для снижения выбросов углеводородов и окиси углерода. Они также использовались на бензиновых двигателях в автомобилях американского и канадского рынков до 1981 года. Из-за неспособности контролировать оксиды азота они были заменены трехступенчатыми нейтрализаторами.

Трёхступенчатый

Третий тип — это трёхступенчатый каталитический нейтрализатор. Начал использоваться с 1981 г. Он преобразовывает вредные газы, выходящие из двигателя, в безвредные.

Выхлопные газы двигателя содержат опасные вещества, которые наносят вред окружающей среде. К ним относятся оксиды азота, углеводороды и оксид углерода. Трехступенчатый катализатор превращает их в менее вредный диоксид углерода, воду и азот.

Три ступени очистки выхлопных газов выглядят так:

1. Восстановление оксидов азота до азота (N2):
   2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2
   углеводород + NO → CO2 + H2O + N2
   2 H2 + 2 NO → 2 H2O + N2;
2. Окисление угарного газа до углекислого газа:
   2 CO + O2 → 2 CO2;
3. Окисление несгоревших углеводородов (HC) до диоксида углерода и воды в дополнение к вышеуказанной реакции NO:
   углеводород + O2 → H2O + CO2;

Эти три реакции происходят наиболее эффективно, когда катализатор получает выхлоп от двигателя, работающего немного выше стехиометрической точки. Для сжигания бензина это соотношение составляет от 14,6 до 14,8 частей воздуха на одну часть топлива. Эффективность преобразования очень быстро падает, когда двигатель работает вне этих пределов.

При бедной смеси выхлоп содержит избыточный кислород и это не способствует реакции восстановления NOx. При богатой смеси избыточное топливо потребляет весь доступный кислород перед нейтрализатором, оставляя для функции окисления только кислород, находящейся в катализаторе.

Трёхступенчатый конвертер является единственным устройством, которое уменьшает количество всех трёх загрязнителей за один раз. Такой способ очистки наиболее экономичный.

Большинство автопроизводителей используют в своих транспортных средствах именно трехступенчатые нейтрализаторы, которые соответствуют строгим нормам выбросов.

Керамические нейтрализаторы

Это стандартные модели оснащенные конструкцией в виде сот. Сам керамический элемент в этом случае покрыт платиноиридиевым сплавом.

Если говорить о недостатках таких моделей, то практически все автолюбители выделяют хрупкость керамического устройства, которое достаточно ударить об камень, чтобы соты рассыпались. Также изделие может повредиться если на прогретом авто заехать в лужу, капли воды попавшие на раскаленный нейтрализатор приведут к его поломке.

Помимо этого соты могут распасться в случае неполадок в системе зажигания машины. Например, если топливо воспламеняется не сразу после запуска двигателя, а с небольшой задержкой. В этом случае несгоревшее топливо будет собираться в резервуаре выпускного тракта (то есть в катализаторе) и как только скопившийся бензин взорвется, все соты разрушатся.

Также в таких катализаторах накапливается керамическая пыль, которая попадает в камеру сгорания, а в некоторых случаях даже в цилиндры двигателя.

Единственное преимущество керамического нейтрализатора – это его низкая стоимость.

Металлические нейтрализаторы

Конструкция этого типа отличается повышенной надежностью и прочностью, благодаря чему такой катализатор может выдерживать механические нагрузки на протяжении довольно долгого времени. Соты, установленные в изделии, отличаются своей упругостью, добиться этого удалось благодаря их спиралевидной форме и металлу.

Однако, несмотря на надежность такого нейтрализатора, он также как и керамический «боится»:

• Некачественного или этилированного топлива.
• Масел или антифриза, которые попадают в камеру сгорания.
• Некачественных технических жидкостей для промывки систем, купленных «с рук» или от непроверенного производителя.
• Переобогащенных топливных смесей.
• Долгой работы на холостом ходу.

Спортивные

Такие катализаторы также выполнены из металла, однако их пропускная способность намного выше стандартных металлических и керамических изделий. Благодаря этому нейтрализаторы этого типа придают автомобилю дополнительную мощность (от 7% до 20%). Правда, такого результата можно достигнуть только при условии, что в машине установлена прямоточная система выхлопа. При этом катализаторы отвечают экологическим требованиям Евро 4 и 5.

Спортивные модели самые надежные, но их стоимость самая большая.

Исходя из такого большого количества недостатков стандартных моделей, и появились теории о том, что нейтрализаторы приносят больше вреда для самого автомобиля, нежели пользы для экологии. Однако избежать большинства неприятностей можно, если своевременно менять изделие. К слову, катализатор автомобильный ремонт не предполагает, поэтому вышедший из строя элемент необходимо менять.

Наиболее ценная часть автоката — носитель

То, что нас интересует в разрезе ценности — это содержимое корпуса, так называемый носитель. Носитель представляет собой керамическую или металлическую ячеистую вставку, напоминающую по структуре пчелиные соты. На стенки ячеек тончайшим слоем нанесено каталитически активное напыление, содержащее редкие и дорогие металлы платиновой группы. Именно дорогостоящий состав напыления делает автомобильный катализатор востребованным вторичным сырьем.

Какие есть драгоценные металлы в катализаторе

Ценными компонентами каталитического слоя являются платина, палладий и родий. Процентное соотношение химических элементов в сплаве варьируется от зависимости от происхождения катализатора:

• Родий и палладий преобладают в напылении катов, снятых с авто с бензиновым типом двигателя.
• Платины обычно больше в автокатализаторах, снимаемых с мощных дизельных двигателей иномарок.

Текущая цена палладия за грамм — $62.75, платины — $30.14, родия — $369.73. И хотя курсы валют и биржевые котировки на LBMA (Лондонский рынок драгоценных металлов), являющемся главным ориентиром расценок, постоянно меняются, все равно стоимость перечисленных драгметаллов в совокупности в десятки раз превышает стоимость золота.

Причины неисправности катализатора автомобиля

Компании, производящие нейтрализаторы, утверждают, что их можно использовать на протяжении 100 000–150 000 км пробега. Однако в реальности этот агрегат может выйти из строя гораздо раньше, особенно если вы живете в мегаполисе и постоянно стоите в пробках.

Почему нейтрализатор может прийти в негодность? Дело в том, что устройство катализатора автомобиля представляет собой фильтр. А фильтр нужно регулярно менять.

Срок службы агрегата станет меньше, если система зажигания неисправна. Такая проблема обычно выявляется на автомобилях марки Ford и ВАЗ. Если зажигание выставлено неверно, будут случаться пропуски. В результате топливная смесь сгорит лишь частично. Образуется огромное количество сажи, которая скапливается в нейтрализаторе. Оптимальное решение — провести его чистку. Но это не поможет, если оплавилась бобина.

Поломка данного агрегата может произойти, если вы используете низкокачественное топливо. Оно станет не полностью сгорать. Процесс догорания будет происходить в коллекторе, и непосредственно в нейтрализаторе. Микрочастички забьют фильтр, и через него не сможет проходить воздух.

Как работает засоренный нейтрализатор

Заполнение фильтрующего элемента – неизбежный процесс, признаки забитого катализатора появляются постепенно.

Оценивая имеющиеся неполадки, можно выделить три этапа работоспособности:

1. Рабочее состояние – нет неполадок, отмечается хорошая пропускная способность, лампочка Check Engine не загорается.
2. Полу рабочее состояние – сопровождается периодическим проявлением неисправности. Временами пропадает тяга, мощность, отзывчивость. Иногда возникают проблемы с запуском, плавают обороты.
3. Нерабочее состояние – активируется аварийный режим, машина плохо заводится, а после старта глохнет.

Если катализатор засорен, требуется замена или удаление. Выбор оригинальной запчасти не всегда целесообразен, учитывая стоимость.

Сложность конструкции и использование драгоценных металлов определяет цену – около 1000 евро за один нейтрализатор. А их в конструкции авто может быть несколько.

Как проверить катализатор

Иногда появляются не все признаки неисправности, а только некоторые из них. Сигнальная лампочка на панели также не всегда загорается. Обычно это происходит при серьезных механических повреждениях, при износе каталитического покрытия или при проблемах с электропроводкой. В остальных ситуациях сигнал загорается и тухнет. Поскольку дальнейшая эксплуатация наносит урон автомобилю, стоит задуматься, как проверить катализатор на забитость, не снимая.

На что обратить внимание:

1. При средней степени засорения падает пропускная способность. Если нажать на педаль, двигатель начнет работать, поднимая обороты. При наличии неисправности процесс будет медленным, показатель не превысит более 2 000 – 3 000.
2. Когда мотор запущен, стоит подойти к выхлопной трубе – запах выхлопов становится химическим.
3. Приложив руку к трубе, легко заметить, что давления практически нет – выхлопы не выходят нормально.
4. Вмятины на защитном корпусе – свидетельствуют о механических повреждениях, которые часто приводят к разрушению матрицы, фильтрующего элемента.

Точно убедиться в засорении матрицы можно, осмотрев деталь на просвет. Но для этого потребуется ее демонтировать. Процедура сопряжена со сложностью, так как деталь находится на днище – требуется яма, подъемник. Сам процесс изъятия отличается для разных автомобилей, крепления часто прикипают.

Другие методы оценки работоспособности нейтрализатора

Проверка на противодавление – еще один метод диагностики без демонтажа. Это наиболее распространенный и простой способ, предполагающий измерение давления выхлопов, последующее сравнение показателей. Задумываясь, как проверить катализатор, нужно подготовить манометр и переходник для подсоединения.

Тонкости диагностики:

1. Автомобиль загоняют на яму.
2. Демонтируется первый датчик кислорода.
3. Используя переходник, подключают манометр. В качестве переходника выбирают резиновый шланг. Важно обеспечить герметичность соединения.
4. Запустив мотор, нужно поднять и на протяжении 15 секунд поддерживать обороты на уровне 2 500 – 3 000.
5. В этот момент изучаются данные манометра.
6. Проводится сравнение, оценка работоспособности.

При показателях в 0,3 кгс/см2 можно утверждать, что система исправна. Более высокие значения – до 0,35 допускаются в случае доработок, тюнинга мотора, иначе это свидетельствует о неполадках. При данных в 0,5 кгс/см2 отмечаются явные неполадки.

В сервисе используются и другие методики, позволяющие точно выявить неисправность. В распоряжении специалистов имеется специальное оборудование, позволяющее оценить состав выхлопов, выполнить диагностику мотор-тестером, провести сканирование, что дает наиболее точные результаты.

Варианты восстановления

При выходе из строя каталитического нейтрализатора нельзя просто изъять деталь, так как воздействие горячих выхлопов приведет к прогоранию остальных элементов выпускной системы. Для замены обычно используется универсальная запчасть или пламегаситель.

Преимущества установки аналога:

• деталь обладает более простой конструкцией, что способствует снижению цены;
• также обеспечивается очистка выхлопов, сохраняется экологичность автомобиля;
• отличное решение для гарантийных, машин часто пересекающих границу стран, где действуют жесткие экологические нормы;

Стоит обратить внимание, что универсальный катализатор не обладает большим сроком службы, вскоре потребует замены. Эффективность работы устройства зависит от выбора модели.

Преимущества пламегасителя:

• наиболее доступное решение;
• срок службы детали достигает 10 лет;
• навсегда решается проблема нейтрализатора;
• качество топлива не влияет на работоспособность системы.

Предварительный резонатор не очищает выхлопы, он лишь обеспечивает их обработку. Поэтому снижается экологичность авто. На машинах, где используется второй датчик кислорода, необходима обманка для нормального образования топливной смеси.

Выбор оптимального варианта для замены катализатора определяется в зависимости от модели, года выпуска, характеристик, условий эксплуатации.

Штраф за езду без катализатора

Обнаружить отсутствие катализатора в системе выхлопа можно только специальным оборудованием, которое есть в сервисных центрах и лабораториях. Увидеть отсутствие катализатора сможет и инспектор ГИБДД во время постановки автомобиля на учет. Машина без катализатора непременно получит отказ в регистрации. Дело в том, что любое изменение в конструкции автомобиля собственник должен проверить в лаборатории на безопасность — только после этого он сможет поставить машину на учет. Но если вместо реального катализатора в системе выхлопа будет висеть обманка, инспектор никак не сможет это проверить. Также если собственник автомобиля решит снять катализатор уже после регистрации, то обнаружить это сможет только мастер техосмотра.

Если катализатора нет, и инспектор это увидел, то за внесение изменений в конструкцию автомобиля водителю выпишут штраф в 500 рублей и попросят устранить нарушение. В техническом регламенте Таможенного союза есть требования к двигателю и его системам. Согласно пункту 9.10, не допускается внесение изменений в конструкцию системы выпуска отработавших газов. Внесения изменений в конструкцию автомобиля регулируется Постановлением правительства 413, у которого есть несколько приложений. Одно из них — перечень неисправностей, при которых запрещена эксплуатация транспортных средств. В нем есть аналогичный пункт об изменениях в системе выпуска отработанных газов.