Автомобильный катализатор

Что такое автомобильный катализатор, из чего состоит и как работает, и почему эти устройства одни удаляют, а другие — воруют

Автомобильный катализатор (каталитический конвертер, нейтрализатор) — это устройство в выхлопной системе автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, предназначенное для снижения выбросов вредных веществ в атмосферу выхлопными газами. Нейтрализация токсичных веществ происходит в результате химической реакции — каталитического восстановления оксидов азота с выделением кислорода и последующим окислением им угарного газа и углеводородов. В этой статье мы рассмотрим принцип работы автомобильных катализаторов, их состав и виды, а также разберемся, почему катализаторы так активно скупают, воруют и вырезают из выхлопной системы.

История изобретения автомобильного катализатора

Ключевая роль в разработке автомобильных катализаторов принадлежит французскому инженеру-механику Эжену Гудри (1892 — 1962 гг.), который значительную часть своей жизни посвятил изучению каталитических процессов и благодаря этому в результате иммигрировал в США. За свои изобретения (каталитический крекинг, который произвел революцию в нефтяной промышленности, и не менее 100 патентов) Гудри при жизни получил немало престижных наград, а также был посмертно включен в Национальный зал славы изобретателей США.

Корпус автомобильного катализатора
Корпус автомобильного катализатора

Первый автомобильный катализатор Гудри изобрел в начале 1950-х годов. Он представлял собой металлическую коробку с расположенными в шахматном порядке фарфоровыми стержнями (71 штука), покрытыми оксидом алюминия, с крошечными островками платины в качестве катализаторов окисления. Фундаментальный принцип действия такого катализатора мало отличался от нынешнего —  восстановление оксида углерода и несгоревших углеводородов из автомобильных выхлопов. Однако при жизни Гудри не удалось полностью решить несколько ключевых проблем — загрязнение катализатора производными свинца и необходимость работы устройства в широком диапазоне температур. Однако запатентовать свой «каталитический глушитель» он все же успел.


«Поставьте их на все машины и посмотрите, как падает кривая рака легких»,

хвастался Эжен Гудри разработанным устройством.

Озвученные проблемы со временем решили другие ученые под прессингом принятого Конгрессом США Закона о чистом воздухе 1970-го года, требовавшего сокращения выбросов автомобилей на 90% к 1975 году по сравнению с уровнями 1968 года. Тогда это казалось сродни полету на Луну, однако у ученых все получилось и с середины 1970-х годов автомобильные катализаторы стали широко применяться в США. Более подробную информацию об изобретении катализаторов можно найти в специальном репортаже журнала American Heritage.

Автомобильный катализатор
Автомобильный катализатор

Принцип действия автомобильного катализатора и их виды

Во время работы двигателя внутреннего сгорания вместе с выхлопными газами в атмосферу попадают как безопасные вещества, такие как азот (N2), вода (H2O) и углекислый газ (CO2), так и наносящие вред природе: углеводороды (CHx), оксиды азота (NOx), окись углерода (CO) и другие соединения. Углеводороды и оксида азота являются основными компонентами смога.

Основной принцип действия каталитического нейтрализатора основан на химических реакциях и в зависимости от их типа катализаторы делят на два вида — окислительные или восстанавливающие:

  • В восстанавливающих катализаторах в основном применяются платина и родий, способствующие активному разложению оксидов азота на безопасные азот и кислород;
  • В окислительных катализаторах обычно используются платина и палладий, реагирующие с несгоревшими углеводородами и оксидами углерода.

Независимо от вида обе реакции протекают при высоких температурах — отработанные газы нагреваются до 500оС — 1000оС. Для эффективной работы устройства требуется не менее 300оС.

Разновидности каталитических конвертеров
Разновидности каталитических конвертеров

Задача автомобильного катализатора — разложить вредные и токсичные соединения на простые и безопасные, или, наоборот, восстановить из токсичных веществ относительно безвредные соединения. Для понимания сути процессов без специальных познаний в области химии приведем несколько примеров основных протекающих в конвертере химических реакций:

  • CO + O2 \rightarrow  CO2 (восстановление углекислого газа из угарного газа и кислорода);
  • NO + CO \rightarrow  N2 + CO2 (преобразование оксидов азота и углерода в молекулярный азот и углекислый газ);
  • NO2 \rightarrow  N2 + O2 (разложение двуокиси азота на молекулярные азот и кислород);
  • CxHy + O2 \rightarrow  CO2 + H2O (окисление углеводородов с выделением углекислого газа и воды).
Каталитический конвертер
Каталитический конвертер

Обозначенные реакции в большей степени актуальны для бензиновых двигателей, в дизельных моторах их протекание затрудняется (особенно с участием оксидов азота) из-за более низкой температуры выхлопных газов. Поэтому для двигателей на «тяжелом» топливе была придумана более сложная выхлопная система со впрыском диамида угольной кислоты (мочевины) перед нейтрализатором. Эта технология известна как AdBlue и позволяет снизить количество оксидов азота в выхлопных газах дизельных автомобилей на 90%. Из минусов — сложнее устройство и дороже обслуживание выхлопной системы по сравнению с бензиновыми аналогами, а также необходимость в периодической заправке специального бака мочевиной.

Устройство катализатора

Конструкция катализатора, несмотря на дороговизну этого устройства, довольна проста. Все без исключения автомобильные нейтрализаторы заключены в металлический корпус (в основном из нержавеющей стали), имеют дополнительную термостойкую подложку и рабочую часть в виде одно- или двухкомпонентного вкладыша с мягкой наружной и ячеистой (сотовой) внутренней структурой.

В зависимости от материала, из которого изготовлено рабочее тело, каталитические конвертеры делят на два вида: керамические и металлические.

Каталитический конвертер в разрезе
Каталитический конвертер в разрезе

Как правило автомобильный катализатор состоит из:

  1. Корпуса из нержавеющей стали;
  2. Термостойкой подложки;
  3. Мягкой наружной части рабочего тела;
  4. Ячеистой керамической (реже — металлической) внутренней части рабочего тела с напылением драгоценными веществами-катализаторами платиновой группы и родием — именно здесь и происходят реакции окисления или восстановления;
  5. Датчика кислорода или так называемого лямбда-зонда (для анализа состава отработанных газов и коррекции впрыска топлива).

Обычно катализатор встроен в выхлопную систему автомобиля в качестве отдельного модуля сразу за выпускным коллектором, реже — встраивается непосредственно в выпускной коллектор (так называемый катколлектор).

Причины и признаки неисправности и разрушения катализатора

Со временем катализатор неминуемо выходит из строя. Нормальный срок службы этого устройства — 100 тысяч километров. Иногда нейтрализаторы могут отходить 200 тысяч километров и более, в других ситуациях — рассыпаются через год-два эксплуатации нового автомобиля. Такой разброс зависит от многих факторов. Типовые причины неисправностей каталитических нейтрализаторов:

  • Механическое повреждение корпуса устройства в результате наезда на препятствие или после ДТП;
  • Механическое разрушение внутренней структуры из-за перепадов температур или из-за повышенной рабочей температуры устройства. Последнее возможно, например, если неисправна система впрыска и в катализатор попадает несгоревшее топливо — оно будет догорать внутри нейтрализатора, разрушая его;
  • Закоксовывание сот катализатора. Этому могут способствовать: некачественное топливо (основная причина), попадание антифриза и моторного масла в камеру сгорания, нештатный перевод автомобиля на газ, или на иные не предусмотренные заводом альтернативные виды топлива;
  • Выгорание цветных металлов — участников химической реакции. В этом случае как минимум снижается эффективность работы катализатора по очистке выхлопных газов. Если в автомобиле есть датчики, анализирующие состав отработанных газов — на приборной панели загорится ошибка Check Engine. Бортовые устройства автомобиля могут записывать в память подобного рода ошибки под кодами P0420, P0430 или P0431.
Автомобильный катализатор
Автомобильный катализатор

Ошибка на приборной панели, сигнализирующая о неисправностях нейтрализатора, загорается далеко не всегда. Особенно это касается старых машин. Основные признаки неисправности каталитического нейтрализатора:

  • Снижение тяги двигателя;
  • Повышенный расход топлива;
  • Повышенный расход моторного масла;
  • Нестабильный холостой ход;
  • Громкий звук выхлопа;
  • Не заводится автомобиль.

При первых признаках неисправности каталитического нейтрализатора следует обратиться на станцию технического обслуживания и провести диагностику этого устройства.

Разрушенный каталитический нейтрализатор
Разрушенный каталитический нейтрализатор

Помимо этого неисправный катализатор может быть причиной повышенной рабочей температуры двигателя (с последующим износом клапанов, появлению трещин на выпускном коллекторе, затвердеванию сальников). Также керамическая пыль от разрушающегося каталитического нейтрализатора может попадать в двигатель с неминуемым повреждением поршневой группы.

Удаление (вырезание) каталитических нейтрализаторов

Несвоевременная замена катализатора может привести к серьезным проблемам с другими дорогостоящими узлами автомобиля (двигатель, трансмиссия, турбина). Но из-за высокой стоимости новых нейтрализаторов не все автовладельцы готовы решиться на такой шаг. В этом случае обычно прибегают либо к более доступным альтернативам (заменителям), либо к банальному удалению катализатора. Однако помимо очистки выхлопных газов это устройство выполняет и другие функции: снижение температурной нагрузки последующих узлов системы выхлопа и уменьшение громкости работы всей системы. Помимо этого в современных авто ставятся датчики анализа выхлопных газов, которые точно оповестят о неполадках, в случае если не будет производиться очистка выхлопа.

Типовые варианты решения проблем с вышедшим из строя катализатором:

  1. Замена на новый. Единственный минус — высокая стоимость нового устройства для очистки выхлопных газов. Цены сильно отличаются в зависимости от модели авто и чек на 100 000 рублей — не самое редкое событие.
  2. Замена на «бэушный». Смысл замены на бывший в употреблении нейтрализатор есть только в случае если известна история автомобиля, с которого он снят. Во всех остальных случаях — сродни рулетке. Цены в 2-3 раза ниже чем на новые, но все равно «кусаются».
  3. Замена на аналог. Существуют сторонние производители, которые предлагают в том числе универсальные устройства. Цены конечно ниже чем на оригинальные нейтрализаторы, но ресурс и эффективность могут быть значительно ниже.
  4. Удаление с адаптацией датчиков кислорода (лямбда-зондов). По сути самый простой и наименее затратный способ избавиться от катализатора — его просто вырезают, а датчики прошивают под нужные показания (либо ставят «обманку»), чтобы они не высвечивали ошибку на приборной панели. Минусы очевидны — увеличенная нагрузка на остальные узлы выхлопной системы, повышенная громкость её работы и вред для экологии.
  5. Установка пламегасителя. Монтаж производится на место катализатора. Пламегаситель объединяет пульсирующие потоки газов от цилиндров двигателя в один поток с одновременным гашением энергии и понижением температуры выхлопных газов. Бонусом от установки пламегасителя может быть небольшой прирост мощности двигателя за счет меньшего сопротивления потоку по сравнению со стандартными катализаторами, а также меньшая прихотливость к качеству топлива. Датчики кислорода все равно придется адаптировать, ну и вред для экологии никто не отменял. Ну а в целом — это вполне распространенный способ решения проблемы.
Пламегаситель
Пламегаситель

Стоимость автомобильного катализатора

Высокая стоимость таких драгметалов как платина, палладий и родий — основная причина дороговизны катализаторов, как новых. так и использованных. Цены на некоторые «бэушные» нейтрализаторы могут достигать 70 000 рублей и более за штуку, новые на некоторые авто могут стоить и 200 000 рублей! Порой цена катализатора превышает стоимость самого автомобиля на рынке подержанных машин, однако найти сегодня такой автомобиль с еще не вырезанным катализатором — большая удача.

Высокая стоимость катализаторов привлекает преступников. Не редки организации целых преступных групп, которые специализируются на воровстве автомобильных катализаторов. Чаще всего каталитические нейтрализаторы снимают со старых японских, немецких, шведских и итальянских автомобилей — там как правило самое высокое содержание драгметаллов в составе катализатора. Также популярностью пользуются некоторые гибридные автомобили (например, Toyota Prius Hybrid).

Мы изучили прейскуранты скупщиков автомобильных катализаторов и составили таблицу самых дорогих на конец 2021 года конвертеров (речь идет о «бэушных» устройствах):

Марка автоМодель катализатораЦена, рублей
MazdaFP7262 179
Lancia(2257716001 / 60652807) 2217940001 / 6066170157 024
MercedesKT0120 + KT0120 + KT0121 + KT012152 416
Volvo916183550 572
Mitsubishi4D / MR45073650 169
Volvo9146142 / 223602900149 939
Mitsubishi2S49 910
Mitsubishi2A / MR35591948 672
Lancia60654548 / 225774000145 849
BMW174006045 014
MitsubishiAH43 545
BMW7621020 / 760766543 315
MazdaFPA6 / 0D041 328
ToyotaGD339 340
Lancia4648172238 419
VAG3B0131701D / 8D0178B37 526
BMW9-06267.42 / 9062674237 468
MercedesKT013736 633
BMW9-06029.42 / 906029.42 / 9060294236 547
VAG3B0131701P / 8D0178AT36 374
MazdaFP7332 417

Что касается моделей авто, то на сайте одного популярного российского приемного пункта катализаторов больше всего востребованы конвертеры, снятые с этих машин:

  • Toyota Prius Hybrid;
  • Mercedes-Benz E-Class W213 с дизельным двигателем 2.0 CDI;
  • Volkswagen Passat B5 c бензиновым двигателем 1.8T;
  • Volkswagen Crafter с дизельным двигателем 2.0 TDI.
Автомобильный катализатор
Автомобильный катализатор

Ниже на графиках представлена динамика цен за последние 25 лет на содержащиеся в катализаторах драгметаллы — платину, палладий и родий. Наглядное пособие о причинах роста цен нейтрализаторов:

Цены на родий за период с 1997 по 2021 годы
Цены на родий за период с 1997 по 2021 годы
Цены на палладий за период с 1997 по 2021 годы
Цены на палладий за период с 1997 по 2021 годы
Цены на платину за период с 1997 по 2021 годы
Цены на платину за период с 1997 по 2021 годы

Как видно из графиков, если цены на платину за последнее десятилетие находились в диапазоне примерно 20 — 60 долларов США за грамм (~ 1500 — 4400 российских рублей), то стоимость родия за этот же период взлетела с 20 долларов (~ 1500 рублей) за грамм до 950 долларов США (~ 70 000 рублей) в пике на начало 2021 года! Сейчас цены на эти драгметаллы снизились и на сегодня за грамм родия просят примерно 450 долларов США (~ 33 000 рублей). Рыночная стоимость палладия на конец 2021 года — 70 долларов США (~ 5000 рублей) за грамм, платины — 35 долларов (~ 2500 рублей ) за то же количество.

Автомобильный катализатор
Автомобильный катализатор

Стоимость сырья для изготовления катализаторов растет, поэтому производители ищут и находят способы как снизить содержание драгметаллов или ищут им более дешевые альтернативы. Так, например, в последнее время начали применять золото — получается дешевле. Что касается текущего состояния, то при очень усредненных расчетах в 1 килограмме «внутренностей» катализатора содержится примерно 1,3 — 1,4 грамма палладия и 0,15 грамма родия. Сам же автомобильный катализатор весит в среднем примерно 1,2 кг без корпуса.

Точный ответ о содержании драгметаллов в составе катализатора можно получить только после спектрального анализа — такие результаты обычно предоставляют скупщики этих устройств. Чем выше содержание драгоценных металлов — тем выше стоимость нейтрализатора.

Заключение

Разработанное в середине прошлого века устройство прочно вошло в обиход и без него сегодня не спускается с конвейеров ни один автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Однако всеобщая электрификация, вероятно, скоро отправит катализаторы в прошлое. Но пока продолжают выпускаться автомобили с ДВС — каталитические конвертеры будут по-прежнему неустанно трудится, очищая выхлопные газы от вредных примесей. Ну, насколько это возможно.

Подписывайтесь на нас: Яндекс.Новости, Google News, ВКонтакте, Telegram, по RSS

Вам также могут быть интересны наши материалы:
Задний мост Mercedes-Benz Actros
Мосты легковых и грузовых автомобилей: классификация, устройство и назначение

Мосты автомобилей - агрегаты колёсных или гусеничных машин, связывающий колеса Далее...

Стойки стабилизатора
Стойки стабилизатора: что делать если надоело их менять

Если спереди в подвеске внезапно что-то застучало так, как будто Далее...

Система охлаждения двигателя
Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания: как это работает

Назначение системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания состоит в отводе тепла Далее...

Nissan Skyline GT-R V-spec (BNR34)
Обзор культового Nissan Skyline R34 GT-R: на таком Пол Уокер прыгал через мост в «Форсаж-2»

У Nissan Skyline десятого поколения в кузове R34 разнообразная история Далее...