Budowa katalizatora: jak wygląda w środku
Katalizator samochodowy wygląda z zewnątrz jak stalowa puszka w układzie wydechowym, bywa przykryta blaszaną osłoną termiczną. W środku ma wkład (monolit) o strukturze plastra miodu: ceramiczny z kordierytu albo zwinięty z cienkiej folii metalowej. Wkład ceramiczny jest owinięty matą, a kanały pokrywa porowata warstwa pośrednia z metalami szlachetnymi (platyna, pallad lub rod). To ten wkład oczyszcza spaliny i to on decyduje o wartości zużytego katalizatora.
Obudowa i osłona termiczna
Obudowa jest wykonana ze stali odpornej na wysoką temperaturę i korozję. Ma wlot i wylot połączone z resztą układu wydechowego. Na obudowie lub osłonie znajdują się oznaczenia, po których rozpoznaje się typ katalizatora - jak je odczytać, opisujemy w poradniku o wycenie katalizatora po numerze. Sama stalowa obudowa nie zawiera metali szlachetnych. Gdzie katalizator jest zamontowany w samochodzie, pokazujemy w artykule gdzie jest katalizator.
Katalizator w benzynowym aucie pracuje w szerokim zakresie temperatur: DieselNet podaje dla niego 300-1100°C. Obudowę często przykrywa też blaszana osłona termiczna, która oddziela gorący element od podłogi i przewodów (obserwacja redakcji, nie dane źródła). Katalizatory montowane tuż przy silniku bywają też dwuścienne, z izolacją powietrzną albo z włókna ceramicznego między ściankami (tak opisuje to DieselNet).
Wkład, czyli monolit
Najważniejszą częścią katalizatora jest wkład nazywany monolitem. Ma strukturę plastra miodu: tysiące równoległych, cienkich kanałów, przez które przepływają spaliny. Taki kształt daje bardzo dużą powierzchnię kontaktu spalin z materiałem katalitycznym przy małym oporze przepływu.
Katalizator ceramiczny
Według DieselNet praktycznie wszystkie dzisiejsze ceramiczne wkłady katalizatorów są z kordierytu, czyli syntetycznej ceramiki glinokrzemianowej z magnezem o bardzo małej rozszerzalności cieplnej. Wkład powstaje przez wyciskanie masy przez matrycę, a potem wypalanie, a jego kanały mają zwykle przekrój kwadratowy. Producent wkładów NGK deklaruje ścianki swoich wkładów HONEYCERAM o grubości zaledwie 0,05 mm. Wadą ceramiki jest kruchość: według DieselNet wkłady o ultracienkich ściankach są słabsze od starszych, grubościennych.
Katalizator metalowy
Wkład metalowy to zwinięte albo ułożone warstwami płaskie i pofałdowane folie ze stopu żelaza, chromu i aluminium (stal ferrytyczna FeCrAl), zwykle z kanałami o przekroju zbliżonym do sinusoidy. Według DieselNet folie mogą być łączone lutowaniem twardym albo spawaniem, co daje dobrą trwałość mechaniczną i odporność na szok termiczny, a główną wadą jest wysoki koszt. Emitec, producent takich wkładów, podaje grubość folii od 25 do 110 µm i deklaruje mniejszy opór przepływu oraz łatwy montaż w wydechu przez spawanie.
Wkłady metalowe weszły najpierw do benzynowych aut jako katalizatory wstępne przy silniku, gdzie pozwoliły zrezygnować z ceramicznej maty. Według DieselNet w części modeli, głównie luksusowych, trafiły też do katalizatora głównego. Emitec wymienia wśród swoich klientów także producentów motocykli.
| Wkład ceramiczny | Wkład metalowy | |
|---|---|---|
| Materiał | kordieryt (DieselNet, NGK) | folia ze stali FeCrAl, 25-110 µm (DieselNet, Emitec) |
| Kształt kanałów | zwykle kwadratowe | zwykle zbliżone do sinusoidy |
| Mocowanie w obudowie | przez matę | bywa spawany wprost do płaszcza, bez maty |
| Zastosowanie | większość katalizatorów w samochodach osobowych | m.in. katalizatory wstępne przy silniku i część aut z wyższych segmentów (Emitec wymienia wśród klientów także producentów motocykli) |
| Wrażliwość | kruchy, może pęknąć od uderzenia lub szoku termicznego | odporniejszy mechanicznie, droższy w produkcji |
Gęstość komórek: co oznacza cpsi i „200 cpsi”
Gęstość wkładu podaje się w cpsi (cells per square inch), czyli liczbie kanałów na cal kwadratowy przekroju. 200 cpsi to około 31 kanałów na centymetr kwadratowy, a 400 cpsi około 62 (przeliczenie redakcji). Zapis w rodzaju 600/3 oznacza dodatkowo grubość ścianki w tysięcznych cala.
DieselNet podaje, że w latach 90. seryjne wkłady miały od 200 do 600 cpsi, a w benzynowych autach najczęściej 400 cpsi. Później wprowadzano coraz gęstsze wkłady cienkościenne, takie jak 600/3 i 900/2, a dostępne są też ponad 1000 cpsi, zarówno ceramiczne, jak i metalowe. Emitec oferuje wkłady metalowe od 50 do 1600 cpsi.
Rzadsza siatka to szersze kanały i mniejszy opór przepływu, ale mniejsza powierzchnia reakcji (to wniosek redakcji z geometrii wkładu). Oznaczenie „200 cpsi” bywa podawane w ofertach katalizatorów uniwersalnych i sportowych (obserwacja redakcji z rynku, bez źródła w danych producentów wkładów), choć według DieselNet 200 cpsi było też dolną granicą wkładów seryjnych z lat 90. Dla porównania japoński producent wyczynowych katalizatorów (HKS) podaje dla wariantu „Cell Type” swojego katalizatora metalowego 50 cpsi i niskie ciśnienie spalin, zastrzegając, że jazda z takim wyrobem po drogach publicznych jest zabroniona. Homologację zamiennych urządzeń kontrolujących emisję reguluje m.in. Regulamin nr 103 EKG ONZ, a skutki usunięcia lub podmiany opisujemy w artykule czy można usunąć katalizator.
Warstwa pośrednia i metale szlachetne
Gołe ścianki wkładu mają bardzo małą powierzchnię właściwą, dlatego kanały pokrywa się warstwą pośrednią (washcoat) z porowatych tlenków nieorganicznych. Według DieselNet jej grubość jest rzędu 20-40 µm, a powierzchnia właściwa zwykle przekracza 100 m²/g, wobec około 0,3 m²/g samej ścianki ceramicznej. Najczęściej stosowanym materiałem jest tlenek glinu, a jako nośniki, promotory i stabilizatory używa się też m.in. tlenku ceru i tlenku cyrkonu.
Johnson Matthey opisuje typowy katalizator trójfunkcyjny jako metale szlachetne (pallad, platyna lub rod) z tlenkiem glinu i tlenkiem metalu ziem rzadkich, naniesione na monolit, a wśród parametrów dobieranych pod konkretny silnik wymienia poziom magazynowania tlenu. BASF opisuje je jako drobne cząstki rozproszone w warstwie pośredniej. To ich obecność decyduje o tym, że zużyty katalizator jest wartościowym surowcem. Proporcje metali i to, ile ich zwykle jest, opisujemy w artykule metale szlachetne w katalizatorze.
Mata mocująca
Między obudową a wkładem ceramicznym znajduje się mata. Jak wyjaśnia opis patentowy 3M, ceramiczny wkład jest kruchy, a stalowa obudowa rozszerza się w cieple wyraźnie mocniej. Mata chroni go przed wstrząsami i drganiami, wyrównuje tę różnicę i nie pozwala spalinom omijać wkładu bokiem. Maty robi się z włókien ceramicznych lub nieorganicznych, czasem z dodatkiem wermikulitu, który pęcznieje przy podgrzaniu i dociska wkład w gorącej obudowie.
Jak wygląda zapchany, nadtopiony albo rozbity wkład
Katalog producenta Walker (s. 4) pokazuje na zdjęciach cztery stany zniszczonego katalizatora i podaje przyczyny trzech grup uszkodzeń (przegrzania, zanieczyszczenia i uszkodzenia mechanicznego):
- nadtopiony wkład - skutek usterki silnika, zapłonu albo sterowania, m.in. wypadania zapłonów i nierównej mieszanki w cylindrach; stopiona ceramika może zatykać kanały (wniosek redakcji, katalog tego nie opisuje),
- przegrzany wkład i przebarwiona obudowa - zdjęcie w katalogu pokazuje przebarwioną obudowę (to samo przegrzanie, widoczne z zewnątrz),
- zanieczyszczony wkład - osady z nadmiernie spalanego oleju, płynu chłodniczego, nieodpowiedniego uszczelniacza albo dodatków do paliwa,
- uszkodzenie mechaniczne - wgniecenie lub pęknięcie po uderzeniu kamieniem albo o próg zwalniający, a także pęknięty wkład po wjechaniu w głęboką kałużę (szok termiczny).
Z praktyki serwisowej (opis redakcji, bez źródła tekstowego): zapchany wkład oglądany od strony wlotu bywa częściowo zakryty nalotem albo zlany w jednolitą powierzchnię, a rozbity wkład może grzechotać w obudowie przy opukaniu. Objawy, jakie daje to podczas jazdy, opisuje artykuł objawy awarii katalizatora, a typowym sygnałem z diagnostyki jest błąd P0420.
Czy w obudowie w ogóle jest wkład, z zewnątrz zwykle nie widać, bo pusta puszka wygląda tak samo. W praktyce (bez źródła) wnętrze ogląda się dopiero po demontażu, od strony wlotu, albo kamerą inspekcyjną wprowadzoną przez otwór sondy lambda.
Co z tego wynika przy sprzedaży
- katalizator bez wkładu (pusta obudowa) jest wart niewiele,
- wykruszony wkład oznacza utratę części materiału z metalami,
- samodzielne rozcinanie obudowy grozi wykruszeniem wkładu i utratą części materiału z metalami.
Jak katalizator działa w samochodzie, wyjaśniamy w artykule o zasadzie działania katalizatora, a co dzieje się z wkładem po sprzedaży, w artykule o recyklingu katalizatorów.
Najczęstsze pytania
Czym różni się katalizator metalowy od ceramicznego?
Ceramiczny wkład jest z kordierytu i trzyma go mata, metalowy jest zwinięty ze stalowej folii, odporniejszy mechanicznie, ale droższy. Oba mają warstwę pośrednią z metalami szlachetnymi.
Co oznacza „200 cpsi”?
200 kanałów na cal kwadratowy przekroju wkładu, czyli około 31 na centymetr kwadratowy. To rzadsza siatka niż w typowym wkładzie seryjnym, którym według DieselNet w latach 90. najczęściej był wkład 400 cpsi.
Ile waży katalizator i ile jest wart kilogram?
Masa zależy od wielkości obudowy, ale o wartości decyduje zawartość metali we wkładzie, a nie waga stali (wniosek redakcji: stal obudowy nie zawiera platynowców). Jak wyceniany jest katalizator, wyjaśnia artykuł o cennikach katalizatorów.
Źródła
- DieselNet, W. A. Majewski, Cellular Monolith Substrates (fragment publiczny)
- DieselNet, Ceramic Catalyst Substrates (fragment publiczny)
- DieselNet, Metallic Catalyst Substrates (fragment publiczny)
- DieselNet, Catalytic Coating & Materials (fragment publiczny)
- DieselNet, Catalytic Converters (fragment publiczny)
- NGK, Automotive Ceramics Business (HONEYCERAM)
- Emitec, METALIT Standard Design
- Emitec, profil firmy w serwisie DieselNet
- Johnson Matthey, Three-way catalysts
- BASF, Four ways to a clean gasoline engine
- Opis patentowy US5869010A (3M), Intumescent sheet material
- Opis patentowy US5151253A, mocowanie monolitu wermikulitem
- Walker, katalog katalizatorów EPA, s. 4: Non-warrantable converter conditions
- HKS, Racing Metal Catalyzer
- Regulamin nr 103 EKG ONZ - homologacja zamiennych urządzeń kontrolujących emisję