Katalizator samochodowy: co to jest i jak działa

Katalizator samochodowy to element układu wydechowego, który przyspiesza reakcje chemiczne zamieniające najbardziej szkodliwe składniki spalin (tlenek węgla, niespalone węglowodory i tlenki azotu) w dwutlenek węgla, parę wodną i azot. Reakcje te zachodzą na metalach szlachetnych naniesionych na wkład katalizatora, czyli na platynie, palladzie i rodzie, a sam katalizator nie zużywa się w nich jak paliwo, choć z czasem traci skuteczność.

Katalizator ma każdy nowy samochód z silnikiem benzynowym, a także diesel i hybryda, choć w każdym z tych napędów pracuje inny rodzaj katalizatora. Poniżej wyjaśniamy, do czego służy, jak działa, jakie normy wymusiły jego stosowanie i co grozi za jazdę bez niego. W części nowszych aut benzynowych z wtryskiem bezpośrednim katalizatorowi towarzyszy też filtr cząstek - piszemy o tym w artykule o filtrze GPF.

Do czego służy katalizator

Spaliny silnika spalinowego zawierają, poza parą wodną, dwutlenkiem węgla i azotem, także związki szkodliwe dla zdrowia i środowiska. Katalizator ma ograniczyć trzy z nich. Katalizator nie „filtruje” spalin, tylko przyspiesza reakcje chemiczne, które bez niego zachodziłyby zbyt wolno.

Schemat reakcji w katalizatorze

Równania utleniania tlenku węgla i węglowodorów podaje w tej postaci serwis techniczny DieselNet. Producent katalizatorów Johnson Matthey opisuje redukcję tlenków azotu schematem „NOx + H₂ → N₂ + H₂O”; zbilansowane równania redukcji tlenku azotu w tabeli zapisała redakcja. Rzeczywista chemia w katalizatorze obejmuje więcej reakcji pośrednich, a tabela pokazuje tylko ich bilans.

Jak działa katalizator trójfunkcyjny

Nazwa „trójfunkcyjny” oznacza, że katalizator obsługuje jednocześnie wszystkie trzy składniki z tabeli. Żeby to było możliwe, mieszanka paliwa i powietrza musi być bliska proporcji stechiometrycznej, czyli takiej, w której jest dokładnie tyle powietrza, ile potrzeba do całkowitego spalenia paliwa. Johnson Matthey podaje, że najlepszą konwersję jego katalizator trójfunkcyjny osiąga przy stosunku powietrza do paliwa 14,7:1, i deklaruje, że przy dokładnie kontrolowanym składzie mieszanki może on ograniczyć emisję CO, HC i NOx o ponad 99%. To deklaracja producenta, a nie wynik pomiaru konkretnego auta. Skład mieszanki koryguje sterownik silnika na podstawie odczytów sondy lambda, która mierzy zawartość tlenu w spalinach. O roli tego czujnika piszemy w artykule co to jest sonda lambda, a o tym, jak sterownik ocenia sprawność katalizatora drugą sondą, w tekście o błędzie P0420.

Katalizator zaczyna skutecznie pracować dopiero po rozgrzaniu. Toyota w swoim poradniku podaje, że optymalna temperatura pełnych reakcji katalitycznych to 400-800°C. Dlatego w wielu autach pierwszy katalizator umieszcza się blisko silnika, przy kolektorze wydechowym, żeby nagrzewał się jak najszybciej po uruchomieniu. Gdzie dokładnie szukać katalizatora w konkretnym aucie, opisujemy w artykule gdzie jest katalizator.

Katalizator składa się ze stalowej obudowy i wkładu o strukturze plastra miodu, na którego kanały naniesiono warstwę pośrednią z metalami szlachetnymi. Szczegóły konstrukcji, różnice między wkładem ceramicznym a metalowym i wygląd zużytego wkładu opisujemy w artykule o budowie katalizatora, a skład metali w tekście metale szlachetne w katalizatorze.

Rodzaje katalizatorów samochodowych

Opisy w tabeli pochodzą z serwisu DieselNet (DOC, SCR, pochłaniacze NOx) i od Johnson Matthey (katalizator trójfunkcyjny). W jednym samochodzie bywa kilka takich elementów naraz.

Czy diesel ma katalizator

Tak. Silnik wysokoprężny pracuje na mieszance z nadmiarem powietrza, więc klasyczny katalizator trójfunkcyjny nie poradziłby sobie w nim z redukcją tlenków azotu. W dieslach stosuje się zwykle katalizator utleniający (DOC), który według DieselNet utlenia tlenek węgla, węglowodory i organiczną frakcję cząstek stałych, korzystając z tlenu obecnego w spalinach diesla w dużej ilości. Za nim w wielu autach pracuje filtr cząstek stałych (DPF); kolejność elementów i różnice między nimi opisujemy w artykule katalizator a filtr DPF. Tlenki azotu w części nowszych diesli ogranicza osobny układ SCR z płynem na bazie mocznika albo pochłaniacz NOx.

Czy hybryda ma katalizator

Tak. Toyota pisze, że w jej autach hybrydowych katalizator jest integralną częścią układu wydechowego, a gdy pracuje silnik benzynowy, redukuje zanieczyszczenia tak samo jak w napędzie konwencjonalnym. Różnica polega na tym, że silnik spalinowy w hybrydzie nie pracuje cały czas: według Toyoty pełne hybrydy na krótkich dystansach, na przykład w mieście, mogą jechać wyłącznie w trybie elektrycznym. Naszym zdaniem oznacza to, że katalizator w hybrydzie częściej stygnie między kolejnymi uruchomieniami silnika, więc warunki jego pracy różnią się od zwykłego auta benzynowego. To wniosek redakcji, a nie stwierdzenie producenta.

Normy Euro a katalizator

Europejska Agencja Środowiska (EEA) podaje, że normy wymagające stosowania katalizatorów w samochodach benzynowych weszły w życie w 1993 r. wraz z normą Euro 1. Data 07.1992 przy Euro 1 w tabeli to termin nowych homologacji typu według DieselNet, więc źródła różnią się tu o rok (EEA podaje wejście w życie w 1993 r.). Kolejne normy obniżały dopuszczalną emisję. Dla aut osobowych z silnikiem benzynowym wyglądało to tak:

Wartości w g/km. * Limit cząstek stałych (PM) dotyczy tylko silników benzynowych z wtryskiem bezpośrednim. Dla Euro 5 wartość 0,005 g/km obowiązywała od 09.2009 w pierwotnym brzmieniu rozporządzenia; po zmianie rozporządzeniem (UE) nr 459/2012 (nowa procedura pomiaru PMP) limit PM wynosi 0,0045 g/km (5,0 mg/km zostało tylko dla pojazdów homologowanych według dawnej procedury przed 1 września 2011 r.), więc dla Euro 6 obowiązuje 0,0045 g/km. Dla Euro 5 i Euro 6 rozporządzenie podaje też limit węglowodorów niemetanowych (NMHC) 0,068 g/km. Wartości CO, HC, NMHC i NOx dla Euro 5 i Euro 6 redakcja sprawdziła w załączniku I (tabele 1 i 2) rozporządzenia 715/2007 w pierwotnym brzmieniu, gdzie są podane w mg/km, limit PM sprawdziła dodatkowo w rozporządzeniu (UE) nr 459/2012, a wartości i daty Euro 1-4 pochodzą z zestawienia DieselNet. Daty dotyczą nowych homologacji typu; DieselNet zaznacza, że dla pierwszej rejestracji modeli już homologowanych akty podawały drugi termin, zwykle o rok późniejszy. Liczb z różnych etapów nie zawsze da się porównać wprost, bo zmieniały się procedury badania (cykl NEDC zastąpiono cyklem WLTC).

Kolejny etap to Euro 7 z rozporządzenia (UE) 2024/1257. Zgodnie z art. 21 tego rozporządzenia stosuje się go od 29 listopada 2026 r. do nowych typów pojazdów kategorii M1 i N1 (w tym aut osobowych), a od 29 listopada 2027 r. do wszystkich nowych pojazdów tych kategorii. Limity CO, HC i NOx dla benzyny pozostają na poziomie Euro 6 (załącznik I, tabela 1). W samochodach wyłącznie elektrycznych, jak pisze Toyota, katalizator jest zbędny.

Od kiedy katalizator był obowiązkowy w nowych autach rejestrowanych w Polsce, redakcja nie ustaliła na podstawie źródła pierwotnego, dlatego nie podajemy tej daty.

Dlaczego katalizator się zużywa

• przegrzanie - na przykład gdy do katalizatora trafia niespalone paliwo przy wypadaniu zapłonów,
• zanieczyszczenie - olej spalany przez zużyty silnik albo dodatki do paliwa osadzają się na powierzchni wkładu,
• uszkodzenia mechaniczne - uderzenia od spodu auta albo gwałtowne schłodzenie mogą spowodować pęknięcie ceramicznego wkładu,
• naturalne starzenie - z czasem aktywna powierzchnia stopniowo maleje.

Toyota deklaruje, że katalizatory „powinny zachować pełną sprawność do przebiegu sięgającego nawet ponad 200 tys. km”. To deklaracja producenta; w praktyce trwałość zależy od stanu silnika i sposobu eksploatacji. Jak rozpoznać, że katalizator przestał działać, opisujemy w artykule o objawach awarii katalizatora.

Najczęstsze pytania

Po co usuwa się katalizator?

Katalizator bywa wycinany, gdy jest zapchany lub uszkodzony, a właściciel chce uniknąć kosztu wymiany, czasem także w pogoni za mocą. To nie rozwiązuje problemu: zapchany katalizator jest często skutkiem usterki silnika, a auto bez niego zwykle nie spełnia norm spalin. Konsekwencje prawne i lepsze rozwiązania opisujemy w artykule czy można usunąć katalizator.

Czy można jeździć bez katalizatora?

Zgodnie z art. 66 ust. 1 pkt 3 ustawy Prawo o ruchu drogowym pojazd uczestniczący w ruchu musi być tak zbudowany, wyposażony i utrzymany, aby nie wydzielał szkodliwych substancji w stopniu przekraczającym wielkości określone w przepisach, a według art. 66 ust. 2 urządzenia chroniące środowisko przed skutkami używania pojazdu mają być utrzymane w należytym stanie i działać sprawnie. W wykładni redakcji katalizator jest jednym z takich urządzeń. Skład spalin sprawdza się podczas okresowego badania technicznego, a auto bez katalizatora zwykle nie mieści się w dopuszczalnych wartościach.

Ile kosztuje katalizator w samochodzie?

Nie podajemy kwot, bo cena nowego katalizatora zależy od modelu auta, a wartość zużytego od zawartości metali szlachetnych i ich bieżących notowań. Od czego zależy wycena zużytego katalizatora, wyjaśniamy w artykule ile kosztuje katalizator na złomie, a jak go sprzedać, w przewodniku jak sprzedać katalizator.

Czy każdy samochód ma katalizator?

Toyota pisze, że wszystkie nowe samochody z silnikami spalinowymi mają katalizatory. Nie mają go auta wyłącznie elektryczne. Bardzo stare samochody, sprzed obowiązywania norm Euro, mogły go nie mieć fabrycznie.

Źródła

• Rozporządzenie (WE) nr 715/2007 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 20 czerwca 2007 r. w sprawie homologacji typu pojazdów silnikowych w odniesieniu do emisji zanieczyszczeń pochodzących z lekkich pojazdów pasażerskich i użytkowych (Euro 5 i Euro 6) - załącznik I, tabele 1 i 2.
• Rozporządzenie Komisji (UE) nr 459/2012 - zmiana załącznika I do rozporządzenia 715/2007 (limit masy cząstek stałych 4,5 mg/km).
• Rozporządzenie (UE) 2024/1257 (Euro 7) - art. 21 (daty stosowania), załącznik I, tabela 1.
• DieselNet: Emission Standards, EU: Cars and Light Trucks - tabela 1 (wartości i daty Euro 1-7, wykaz aktów UE: dyrektywy 91/441/EWG, 94/12/WE, 98/69/WE, rozporządzenia 715/2007 i 2024/1257).
• Europejska Agencja Środowiska: Indicator 26, Compliance with emission standards - wejście w życie norm wymagających katalizatorów w autach benzynowych.
• DieselNet: Diesel Oxidation Catalyst - reakcje utleniania CO i HC, rola DOC.
• DieselNet: Selective Catalytic Reduction.
• DieselNet: NOx Adsorbers.
• Johnson Matthey: Three-way catalysts (TWC) - schemat reakcji, stosunek powietrza do paliwa, deklarowana skuteczność.
• Toyota: Katalizator samochodowy. Czym jest i jak działa? - temperatura pracy, trwałość, katalizator w hybrydzie i w autach elektrycznych.
• Toyota: Nie każda hybryda jest taka sama - jazda pełnej hybrydy w trybie elektrycznym.
• Ustawa z dnia 20 czerwca 1997 r. Prawo o ruchu drogowym (Dz.U. 2024 poz. 1251 z późn. zm.) - art. 66 ust. 1 pkt 3 i ust. 2.