触媒コンバータ

触媒コンバーターは、内燃機関からの排気ガス中の有毒ガスや汚染物質を、酸化還元反応を触媒することで毒性の低い汚染物質に変換する排気ガス制御装置です。触媒コンバーターは通常、リーンバーンエンジンを含むガソリンまたはディーゼル燃料の内燃機関で使用され、時には灯油ヒーターやストーブにも使用されます。

触媒コンバーターが最初に広く導入されたのは、米国の自動車市場でした。米国環境保護庁の厳しい排気ガス規制に準拠するため、1975 年モデル以降のほとんどのガソリン車には触媒コンバーターが装備されています。^{[1] [2] [3]}これらの「双方向」コンバーターは、酸素を一酸化炭素(CO) および未燃焼炭化水素(HC)と結合して、二酸化炭素 (CO ₂ ) と水 (H ₂ O) を生成します。

ガソリンエンジンの2ウェイコンバータは、1981年に窒素酸化物（NOx）も削減する「3ウェイ」コンバータによって時代遅れになりましたが、 ^{[4] 3ウェイコンバータでは}_NOxを効果的に削減するために燃料が豊富な燃焼または化学量論的燃焼が必要であるため、粒子状物質や炭化水素排出物を酸化するためにリーンバーンエンジン（通常はリーン燃焼を使用するディーゼルエンジンを含む）で現在でも使用されてい_ます。

触媒コンバーターは自動車の排気システムに最も一般的に使用されていますが、発電機、フォークリフト、採掘機械、トラック、バス、機関車、オートバイ、船舶にも使用されています。一部の薪ストーブでも排出ガスを制御するために使用されています。^[5]これは通常、環境規制または健康および安全規制を通じて政府の規制に応じて行われます。

触媒コンバーターのプロトタイプは、19世紀末にフランスで初めて設計されました。当時は、数千台の「石油車」が道路を走っていただけでした。これらのプロトタイプは、プラチナ、ロジウム、パラジウムでコーティングされた不活性粘土ベースの材料を使用しており、二重の金属シリンダーに密封されていました。^[6]数十年後、触媒コンバーターはフランスの機械技術者であるウジェーヌ・フードリーによって特許を取得しました。フードリーは触媒石油精製の専門家であり、今日のすべての現代の精製の基礎となっている接触分解プロセスを発明しました。^[7]フードリーは1930年に米国に移住し、フィラデルフィア地域の製油所の近くに住み、触媒精製プロセスを開発しました。

ロサンゼルスのスモッグに関する初期の研究結果が発表されると、フードリーは煙突からの排気ガスと自動車の排気ガスが大気汚染に及ぼす影響について懸念を抱き、オキシ・カタリストという会社を設立した。フードリーは最初に煙突用の触媒コンバーター（略して「キャット」と呼ばれる）を開発し、その後、低品質の無鉛ガソリンを使用する倉庫フォークリフト用の触媒コンバーターを開発した。^[8] 1950年代半ば、彼は自動車に使用されるガソリンエンジン用の触媒コンバーターの開発研究を開始し、その研究により米国特許2,742,437を取得した。 ^[9]

触媒コンバーターは、カール・D・キース、ジョン・J・ムーニー、アントニオ・エレアザール、フィリップ・メッシーナを含むエンゲルハード社の一連のエンジニアによってさらに開発され、^{[10] [11]} 1973年に最初の量産触媒コンバーターが開発されました。^{[12] [信頼できない情報源? ]}

触媒コンバーターが最初に広く導入されたのは、米国の自動車市場であった。米国環境保護庁の新しい排気ガス規制に準拠するため、1975年以降に製造されたガソリン車のほとんどに触媒コンバーターが装備されている。初期の触媒コンバーターは「双方向」で、酸素を一酸化炭素（CO）および未燃焼炭化水素（HC、燃料中の化合物でC _m H _nの形）と結合させて二酸化炭素（CO ₂）と水（H ₂ O）を生成するものであった。^{[4] [1] [2] [3]}これらの厳格な排出ガス規制により、自動車用ガソリンからアンチノック剤の テトラエチル鉛が除去され、空気中の鉛が削減された。鉛とその化合物は触媒毒であり、触媒の表面をコーティングすることで触媒コンバーターを汚染する。鉛の除去を義務付けることで、規制の他の排出基準を満たすために触媒コンバーターを使用することが可能になった。^[13]

有害なNOx排出量を削減するために、1970年代にツイン触媒システムが開発されました。これは、エアポンプの前にNOx_{を減らす別の触媒（ロジウム/プラチナ）を追加し、}^{その後、双方向触媒コンバータ（パラジウム/プラチナ）がHCとCOを除去しました。 [14]}この扱いにくく高価なシステムは、特定の条件下では最初の触媒がHCとCOも除去することが指摘されたため、すぐに不要になりました。これが、電子機器とエンジン管理の進歩によって可能になった三元触媒の開発につながりました。^[14]

ウィリアム・C・フェッファーレは1970年代初頭にガスタービン用の触媒燃焼器を開発し、窒素酸化物や一酸化炭素をほとんど生成せずに燃焼を可能にした。^{[15] [16]}エンジン排気から微粒子を除去する四元触媒コンバーターも開発されている。これらの微粒子のほとんどは未燃焼の炭化水素であるため、燃焼させて二酸化炭素に変換することができる。^{[17] [18]}

触媒コンバーターの構造は次のとおりです。

1. 触媒支持体または基質。自動車用触媒コンバーターの場合、コアは通常、ハニカム構造（一般的には六角形ではなく四角形）のセラミックモノリスです。（1980年代半ばより前、初期のGMアプリケーションでは、触媒材料はアルミナペレットの充填床上に堆積されていました。） カンタル（FeCrAl）[19]で作られた金属箔モノリスは、特に高い耐熱^性が要求されるアプリケーションで使用されます。^{[19]基質は大きな}表面積を生み出すように構造化されています。ほとんどの触媒コンバーターで使用されているコーディエライトセラミック基質は、コーニンググラスのロドニーバグリー、アーウィンラックマン、ロナルドルイスによって発明され、 2002年に全米発明家の殿堂入りを果たしました。^[4]
2. ウォッシュコート。ウォッシュコートは触媒材料のキャリアであり、広い表面積に材料を分散させるために使用されます。酸化アルミニウム、二酸化チタン、二酸化ケイ素、例えばコロイドシリカ、またはシリカとアルミナの混合物を使用できます。触媒材料は、コアに塗布される前にウォッシュコートに懸濁されます。ウォッシュコート材料は、粗く不規則な表面を形成するように選択され、これにより、裸の基板の滑らかな表面と比較して表面積が増加します。^[20]
3. セリアまたはセリアジルコニア。これらの酸化物は主に酸素貯蔵促進剤として添加されます。^[21]
4. 触媒自体は、ほとんどの場合、主に白金族の貴金属の混合物です。白金は最も活性の高い触媒であり、広く使用されていますが、望ましくない追加反応と歴史的に高いコストのため、すべての用途に適しているわけではありません。パラジウムとロジウムは、使用される他の2つの貴金属ですが、2023年2月現在、白金族金属の中で最も安価になっています。ロジウムは還元触媒として使用され、パラジウムは酸化触媒として使用され、白金は還元と酸化の両方に使用されます。セリウム、鉄、マンガン、ニッケルも使用されますが、それぞれに制限があります。ニッケルは、一酸化炭素と反応して有毒なテトラカルボニルニッケルになるため、欧州連合での使用は合法ではありません。^[要出典]銅は、日本を除いてほとんどの国で使用できます。^[要説明]

触媒コンバーターは故障するとスクラップとしてリサイクルされます。コンバーター内部のプラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属が抽出されます。

触媒コンバーターが効果的に作動するには、400 °C (750 °F) の温度が必要です。そのため、触媒コンバーターはエンジンのできるだけ近くに配置されるか、1 つ以上の小型触媒コンバーター (「プレ触媒」と呼ばれる) が排気マニホールドの直後に配置されます。

2 方向 (または「酸化」、または「オキシキャット」と呼ばれる) 触媒コンバーターには、次の 2 つのタスクが同時に実行されます。

1. 一酸化炭素から二酸化炭素への酸化：2CO + O ₂ → 2CO ₂
2. 炭化水素（未燃焼および部分的に燃焼した燃料）の二酸化炭素と水への酸化：C _x H _{2 x +2} + [(3 x +1)/2]O ₂ → x CO ₂ + ( x +1)H ₂ O（燃焼反応）

双方向触媒コンバーターは、炭化水素と一酸化炭素の排出を減らすため、ディーゼルエンジンで広く使用されています。また、1981年までアメリカとカナダの自動車市場でガソリンエンジンにも使用されていました。窒素酸化物を制御できないため、メーカーは一時的にツイン触媒システムを導入し、空気ポンプの前にNO _x^{を減らすロジウム/プラチナ触媒を設置しました。これが三元触媒コンバーターの開発につながりました。 [14]}双方向触媒コンバーターは、 2000年にユーロ3排出基準が導入されるまでNO _x排出が普遍的に規制されていなかったヨーロッパなどの一部の市場では、特定の低価格車で引き続き使用されました。^[22]

三元触媒コンバーターには、一酸化窒素（NO）と二酸化窒素（NO ₂） （両方ともNO _xと略され、亜酸化窒素（N ₂ O）と混同しないように注意）の排出を制御するという追加の利点があります。NO _xは酸性雨やスモッグの前駆物質です。^[23]

1981年以来、米国とカナダでは三元触媒（酸化還元触媒）が自動車の排ガス制御システムに使用されてきた。他の多くの国でも、ガソリン車に事実上三元触媒の搭載を義務付ける厳しい自動車排ガス規制が採用されている。還元触媒と酸化触媒は通常、共通のハウジングに収められているが、場合によっては別々に収納されることもある。三元触媒は、3つのタスクを同時に実行する。^[23]

窒素酸化物を窒素（N ₂）に還元する

• ${\displaystyle {\text{C}}+2{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+2{\text{NO}}}$
• ${\displaystyle {\text{CO}}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}$
• ${\displaystyle 2{\text{CO}}+{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,2{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}$
• ${\displaystyle {\text{H}}_{2}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}$

炭素、炭化水素、一酸化炭素の二酸化炭素への酸化

• ${\displaystyle {\text{C}}+{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}}$
• ${\displaystyle {\text{CO}}+{\frac {1}{2}}{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}}$
• ${\displaystyle a\,{\text{C}}_{x}{\text{H}}_{y}+b\,{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,c\,{\text{CO}}_{2}+d\,{\text{H}}_{2}{\text{O}}\qquad a,\,b,\,c,\,d,\,x,\,y\in \mathbb {Z} }$

これら 3 つの反応は、触媒コンバータが、化学量論点よりわずかに高い温度で稼働しているエンジンからの排気ガスを受け取ったときに最も効率的に発生します。ガソリン燃焼の場合、この比率は、重量で 1 部の燃料に対して 14.6 ～ 14.8 部の空気です。オートガス(または液化石油ガスLPG)、天然ガス、およびエタノール燃料の比率はそれぞれ大幅に異なる場合があり、酸素化燃料またはアルコール ベースの燃料では顕著で、E85では約 34% 多くの燃料が必要になるため、これらの燃料を使用する場合は燃料システムのチューニングとコンポーネントを変更する必要があります。調整式 3 元触媒コンバータを装備したエンジンには、1 つ以上の酸素センサー(ラムダ ソンドまたはセンサーとも呼ばれる) を使用するコンピューター制御の閉ループ フィードバック燃料噴射システムが装備されています。その他のバリエーションでは、フィードバック混合制御を_備えたキャブレターと 3 元コンバータを組み合わせて使用これらは低コストのソリューションであり、通常は古い車や小型で安価な車への後付けに使用されます。

三元コンバーターは、エンジンがストイキオメトリー点付近の狭い空燃比帯域内で動作している場合に効果的です。^[24]エンジンがこの帯域外で動作している場合、総変換効率は非常に急速に低下します。ストイキオメトリーよりわずかにリーンの場合、エンジンからの排気ガスには過剰な酸素が含まれるため、エンジンによるNO _xの生成が増加し、 NO _{x を}還元する触媒の効率は急速に低下します。しかし、利用可能な酸素により、HC と CO の変換は非常に効率的であり、H ₂ O と CO ₂に酸化されます。ストイキオメトリーよりわずかにリッチの場合、エンジンによる CO と未燃焼 HC の生成が劇的に増加し始め、利用可能な酸素が減少し、特に貯蔵酸素が枯渇するにつれて、CO と HC を酸化する触媒の効率が大幅に低下します。しかし、NO _{x を}還元する触媒の効率は良好であり、エンジンによるNO _xの生成は減少します。触媒の効率を維持するためには、空燃比を化学量論比に近い状態に保ち、あまり長く濃すぎたり薄すぎたりしないようにする必要があります。

閉ループエンジン制御システムは、三元触媒コンバーターの効率的な動作に使用されます。これは、 NOx_の効果的な還元と HC+CO の酸化に必要なこの連続的なリッチ-リーンバランスのためです。制御システムにより、わずかにリッチな動作条件で触媒が酸素を放出し、NOx の還元にも有利な条件下で CO と HC を酸化します。貯蔵された酸素が枯渇する前に、制御システムは空燃比をわずかにリーンにシフトし、NOx還元効率のわずかなペナルティで触媒材料に追加の酸素を貯蔵しながら HC と_COの酸化を改善します。次に、空燃比をわずかにリッチに戻しますが、CO と HC の酸化効率のわずかなペナルティで、このサイクルが繰り返されます。この化学量論点付近の振動が小さく、注意深く制御されている場合、効率が向上します。^[25]

軽負荷から中程度の負荷でのクローズドループ制御は、排気システムに 1 つ以上の酸素センサーを使用することで実現されます。センサーが酸素を検出すると、空燃比は理論空燃比よりリーンになり、酸素が検出されない場合はリッチになります。制御システムは、この信号に基づいてエンジンに噴射される燃料の速度を調整し、空燃比を理論空燃比点近くに保ち、触媒変換効率を最大化します。制御アルゴリズムは、燃料流量の調整とセンサーによる空燃比の変化の感知との間の時間遅延、および酸素センサーのシグモイド応答によっても影響を受けます。一般的な制御システムは、空燃比を急速にスイープして理論空燃比点の周りでわずかに振動するように設計されており、貯蔵酸素と未燃焼 HC のレベルを管理しながら、最適効率点の近くにとどまります。^[24]

クローズドループ制御は、高負荷/最大出力運転時には使用されないことが多い。この運転時には、排出量の増加が許容され、出力を上げて排気ガス温度が設計限界を超えないようにするために濃い混合気が指令される。これは、制御システムと触媒設計にとって課題となる。このような運転中、エンジンによって大量の未燃焼HCが生成され、触媒の酸素放出能力をはるかに超える。触媒の表面はすぐにHCで飽和する。低出力と希薄空燃比に戻ると、制御システムは過剰な酸素が触媒に急速に到達するのを防ぐ必要がある。そうしないと、すでに高温になっている触媒内でHCが急速に燃焼し、触媒の設計温度限界を超える可能性がある。触媒温度が高すぎると、触媒が早期に劣化し、設計寿命に達する前に効率が低下する可能性がある。触媒温度が高すぎる原因は、シリンダーの失火によっても発生する。失火により、酸素と結合した未燃焼HCが高温の触媒に継続的に流れ込み、触媒内で燃焼して温度が上昇する。^[26]

望ましくない反応により、触媒を汚染する硫化水素とアンモニアが生成されます。硫化水素の排出を制限するために、ニッケルまたはマンガンがウォッシュコートに添加されることがあります。^[要出典]硫黄を含まない燃料または硫黄の少ない燃料は、硫化水素の問題を排除または最小限に抑えます。

圧縮着火（ディーゼル）エンジンの場合、最も一般的に使用される触媒コンバーターはディーゼル酸化触媒（DOC）です。DOC には、アルミナに担持されたパラジウムまたはプラチナが 含まれています。この触媒は、粒子状物質（PM）、炭化水素、一酸化炭素を二酸化炭素と水に変換します。これらのコンバーターは、多くの場合 90 パーセントの効率で動作し、ディーゼル臭を実質的に除去し、目に見える粒子状物質を減らすのに役立ちます。これらの触媒はNO _xには効果がありません。そのため、ディーゼルエンジンからのNO _x排出は、排気ガス再循環（EGR）によって制御されます。

2010 年、米国のほとんどの小型ディーゼル車メーカーは、連邦の排出ガス規制を満たすために自社の車両に触媒システムを追加しました。希薄排気条件下でのNO _x排出物の触媒還元には、選択触媒還元(SCR) とNO _x吸着剤という 2 つの技術が開発されています。

貴金属を含むNOx吸収剤の代わりに、ほとんどのメーカーは_、アンモニアなどの試薬を使用してNOx_を窒素と水に還元する卑金属SCRシステムを選択しました。^{[27]アンモニアは、排気ガス中に}尿素を注入することによって触媒システムに供給され、その後、熱分解と加水分解を受けてアンモニアになります。尿素溶液はディーゼル排気液（DEF） とも呼ばれます。

ディーゼル排気ガスには比較的高いレベルの粒子状物質が含まれています。触媒コンバーターはPMの20～40%しか除去しないため、粒子状物質はスストラップまたはディーゼル微粒子フィルター（DPF）によって除去されます。米国では、2007年1月1日以降に製造されたすべてのオンロードの軽、中、大型ディーゼル車はディーゼル微粒子排出規制の対象となり、2ウェイ触媒コンバーターとディーゼル微粒子フィルターが装備されています。^[要出典]エンジンが2007年1月1日より前に製造されている限り、車両にDPFシステムを装備する必要はありません。^[要出典]このため、エンジンメーカーは2006年後半に在庫を増やし、DPF以前の車両を2007年まで販売し続けることができました。^[28]

リーンバーン火花 点火エンジンでは、ディーゼルエンジンと同じように酸化触媒が使用されます。リーンバーン火花点火エンジンからの排出物は、ディーゼル圧縮点火エンジンからの排出物と非常に似ています。

多くの車両には、エンジンの排気マニホールドの近くに、密接した触媒コンバーターが取り付けられています。このコンバーターは、非常に高温の排気ガスにさらされるため、急速に加熱され、エンジンの暖機期間中に望ましくない排出物を減らすことができます。これは、コールドスタートに必要な超濃厚な混合気から生じる余分な炭化水素を燃焼させることによって実現されます。

触媒コンバータが初めて導入されたとき、ほとんどの車両は比較的空燃比の高いキャブレターを使用していました。そのため、排気流中の酸素 (O ₂ ) レベルは、触媒反応を効率的に起こすには一般的に不十分でした。そのため、当時のほとんどの設計には、排気流に空気を注入する二次空気注入が含まれていました。これにより利用可能な酸素が増加し、触媒が意図したとおりに機能するようになりました。

一部の三元触媒コンバーター システムには、コンバーターの第 1 段階 ( NO _x還元) と第 2 段階 (HC および CO 酸化) の間に空気を注入する空気注入システムがあります。二元コンバーターと同様に、この注入された空気は酸化反応のための酸素を提供します。また、エンジンのウォームアップ期間中にのみ追加の酸素を供給するために、触媒コンバーターの前の上流空気注入ポイントが存在する場合もあります。これにより、未燃焼燃料が排気管で発火し、触媒コンバーターにまったく到達しなくなります。この技術により、触媒コンバーターが「ライトオフ」または動作温度に達するために必要なエンジン実行時間が短縮されます。

最近のほとんどの車両には電子燃料噴射システムが搭載されており、排気口に空気噴射システムは必要ありません。代わりに、空気と燃料の混合比を正確に制御し、希薄燃焼と濃燃焼を素早く継続的に循環させます。酸素センサーは触媒コンバータの前後の排気酸素含有量を監視し、エンジン制御ユニットはこの情報を使用して燃料噴射を調整し、第 1 触媒 ( NO _x還元) が酸素で満たされないようにすると同時に、第 2 触媒 (HC および CO 酸化) が十分に酸素で飽和するようにします。

触媒被毒は、触媒コンバータが排気ガスを含む物質にさらされたときに発生します。排気ガスは触媒コンバータの作動面をコーティングするため、触媒コンバータが排気ガスと接触して反応することはできません。最も顕著な汚染物質は鉛であるため、触媒コンバータを備えた車両は無鉛燃料でしか走行できません。その他の一般的な触媒毒には、硫黄、マンガン（主にガソリン添加剤MMTに由来）、およびシリコンがあり、エンジンに漏れがあり冷却剤が燃焼室に侵入すると、これらが排気流に入る可能性があります。リンも触媒汚染物質の 1 つです。リンはガソリンには使用されなくなりましたが、リン（および別の低レベルの触媒汚染物質である亜鉛）は、ジチオリン酸亜鉛（ZDDP）などのエンジンオイルの摩耗防止添加剤に広く使用されていました。2004 年以降、エンジンオイルのリン濃度の制限が API SMおよびILSAC GF-4 仕様で採用されました。

汚染物質によっては、エンジンを長時間非常に高い負荷で運転することで触媒被毒を回復できる場合があります。^[要出典]排気温度の上昇により汚染物質が気化または昇華し、触媒表面から除去される場合があります。^[要出典]ただし、鉛の沸点が高いため、この方法で鉛堆積物を除去することは通常不可能です。^[29]

異常に高いレベルの未燃焼炭化水素（未燃焼または部分的に燃焼した燃料またはオイル）がコンバータに到達するような状況では、コンバータの温度が著しく上昇する傾向があり、基質が溶融して触媒が不活性化し、排気が著しく制限されるリスクがあります。これらの状況には、排気システムの上流コンポーネントの故障（マニホールドまたはヘッダーアセンブリと関連するクランプは、熱サイクルを繰り返した後に割れる排気マニホールドなど、錆、腐食、または疲労の影響を受けやすい）、点火システム（コイルパック、主要な点火コンポーネント、ディストリビューターキャップ、ワイヤ、点火コイル、スパークプラグなど）、または損傷した燃料システムコンポーネント（燃料インジェクター、燃料圧力レギュレーター、および関連するセンサーなど）が含まれます。ヘッドガスケットの漏れが原因である可能性のあるオイルと冷却液の漏れも、未燃焼炭化水素の増加を引き起こす可能性があります。

排出ガス規制は管轄区域によって大きく異なります。北米の自動車用スパーク点火エンジンのほとんどには、1975 年以降触媒コンバーターが取り付けられており、^{[4] [1] [2] [3]}、自動車以外の用途で使用される技術は一般に自動車技術に基づいています。多くの管轄区域では、直接かつ即時の交換以外の理由で触媒コンバーターを取り外したり無効にしたりすることは違法です。それでも、一部の車両所有者は、車両の触媒コンバーターを取り外したり「取り外す」ことがあります。^{[30] [31]}このような場合、コンバーターは、通常のパイプの溶接部分またはフランジ付きの「テスト パイプ」に置き換えられることがあります。これは、表面上は、コンバーターの有無でエンジンがどのように動作するかを比較して、コンバーターが詰まっていないかどうかを確認することを目的としています。これにより、排出ガス試験に合格するために、コンバーターを一時的に再取り付けすることが容易になります。^[32]

米国では、1990年に改正された大気浄化法第203条(a)(3)(A)項に違反し、自動車修理工場がコンバーターを車両から取り外したり、別のコンバーターと交換する場合を除き、コンバーターを車両から取り外すよう強制したりすることは、別のコンバーターと交換する場合を除き、^[33]第203条(a)(3)(B)項では、排出ガス制御システム、装置、または設計要素をバイパス、無効化、または動作不能にする部品を販売または取り付けることは違法とされている。機能する触媒コンバーターのない車両は、通常、排出ガス検査に合格しない。自動車アフターマーケットでは、エンジンをアップグレードした車両や、標準容量よりも大きい排気システムを好む所有者向けに、高流量コンバーターを供給している。^[34] xxx

1993年1月1日以降、欧州連合および英国で販売されるすべての新型ガソリン車には、ユーロ1排出ガス基準を満たすために触媒コンバーターの装着が義務付けられている。^[35]

故障した触媒コンバーターや損傷していない初期のタイプのコンバーターは排気の流れを制限し、車両の性能と燃費に悪影響を与える可能性があります。^[30]現代の触媒コンバーターは排気の流れを大幅に制限しません。たとえば、1999年ホンダシビックの2006年のテストでは、標準の触媒コンバーターを取り外しても最大馬力は3％しか増加しませんでした。新しい金属コアコンバーターでは、コンバーターなしと比較して、車の馬力は1％しか低下しませんでした。^[32]

1981年以前の車両に搭載されていたフィードバック燃料空気混合制御のないキャブレターは、エンジンに過剰な燃料を供給しやすく、触媒コンバータが過熱し、車両の下にある可燃性物質に引火する可能性がある。^[36]

触媒コンバーターを装備した車両は、エンジン作動後最初の5分間、つまり触媒コンバーターが完全に効果を発揮するほど十分に温まる前に、総汚染物質の大部分を排出します。^[37]

2000年代初頭には、より早く暖まるように、触媒コンバーターを排気マニホールドのすぐ隣、エンジンの近くに置くのが一般的になりました。1995年、アルピナは電気加熱触媒を導入しました。「E-KAT」と呼ばれるこの触媒は、BMW 750iをベースにしたアルピナのB12 5,7 E-KATに使用されました。^{[38]触媒コンバーターアセンブリ内の} 加熱コイルは、エンジン始動直後に通電され、触媒を非常に迅速に動作温度まで上げ、車両を低排出ガス車（LEV）指定に適合させます。^[39] BMWはその後、エミテック、アルピナ、BMWが共同開発した同じ加熱触媒を^[38] 1999年に750iに導入しました。 ^[39]

一部の車両には、主触媒コンバータの上流にプレキャタライザーと呼ばれる小型触媒コンバータが搭載されており、車両の始動時に早く加熱され、コールドスタートに伴う排出量を削減します。プレキャタライザーは、トヨタMR2ロードスターのように、超低排出ガス車（ULEV）の評価を取得しようとする自動車メーカーによって最も一般的に使用されています。^[40]

触媒コンバーターは、排気管からの有害物質の排出を削減する上で信頼性が高く効果的であることが証明されています。しかし、使用上の欠点や、製造時に環境に悪影響を与える欠点もあります。

• 三元触媒を搭載したエンジンは、理論空燃比で作動する必要があり、これはリーンバーンエンジンよりも多くの燃料を消費することを意味します。これは、車両からの CO2 排出量が約 10% 増加することを意味します。_[引用^が必要]
• 触媒コンバータの製造にはパラジウムやプラチナが必要であり、これらの貴金属の世界供給の一部はロシアのノリリスク近郊で生産されており、ノリリスクはタイム誌の最も汚染された場所のリストに加えられている。^[41]
• コンバータ自体の極端な熱^[42]は、特に乾燥した地域で山火事を引き起こす可能性があります。 ^{[43] [44] [45]}

触媒コンバーターは外部に設置されており、プラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴重な貴金属が使用されているため、窃盗犯の標的となっている。この問題は、地上高が高く、ボルト留めの触媒コンバーターが簡単に取り外せるため、後期型のピックアップトラックやトラックベースのSUVで特に多く発生している。溶接式のコンバーターも簡単に切断できるため、盗難の危険がある。トヨタ・プリウスの触媒コンバーターも窃盗犯の標的となっている。ハイブリッド車の触媒コンバーターは、従来の内燃機関車に比べて適切に機能するためにより多くの貴金属を必要とする。ハイブリッド車の内燃機関は一部の時間しか作動しないため、従来の内燃機関車に搭載されているものほど熱くならないからである。^{[46] [47] [48]}

パイプカッターはコンバーターを静かに取り外すためによく使用されます^{[49] [50]が、ポータブル}レシプロソーなどの他の工具はオルタネーター、配線、燃料ラインなど車の他の部品を損傷する可能性があり、危険な結果を招く可能性があります。

2023年、触媒コンバーターの盗難に対抗するための超党派法案が米国上院に提出された。自動車リサイクル盗難防止法（PART法）は、新車の触媒コンバーターに追跡可能な識別番号を付けることを義務付ける。さらに、この法律は触媒コンバーターの盗難を連邦刑事犯罪とする。^[51]

2000年代の資源ブームの時期に米国で金属価格が上昇したことにより、触媒コンバーターの盗難が大幅に増加した。触媒コンバーターの交換には1,000ドル以上かかることがあり、盗難時に車両が損傷した場合はさらに高額になる。^{[52] [53] [54]} 車両の他のシステムに損傷を与えることに加え、盗難は泥棒に死傷をもたらすこともある。^[55]

米国では2010年代後半から2020年代初頭にかけて触媒コンバーターの盗難が10倍以上に増加したが、これはコンバーター内に含まれる貴金属の価格上昇が原因と考えられる。^[56]調査結果によると、平均価格弾力性は1.98であり、金属価格が10％上昇すると盗難が約20％増加することを意味する。^[57]全米保険犯罪局によると、2018年には触媒コンバーターの盗難が1,298件報告され、2020年には14,433件に増加した。^[58] 2022年には、米国での触媒コンバーターの盗難件数が年間合計153,000件に急増したと報告された。^[57]

2019年から2020年にかけて、英国の窃盗犯は、新型車よりも貴金属が多く含まれている（時には車の価値よりも価値がある）旧型のハイブリッド車（トヨタのハイブリッド車など）を狙っていました。そのため、車両の不足や交換の長期化につながっていました。^[59]

2021年、コンゴ民主共和国で触媒コンバーターが盗まれ、違法なストリートドラッグの製造に使用されているとの疑惑が浮上した。この薬物は「ボンベ」と呼ばれる粉末で、粉末状の錠剤/ビタミンと触媒コンバーターの粉砕されたハニカム構造の混合物であると言われていた。^[60]しかし、2023年に薬物のさまざまなサンプルを調査した結果、触媒排気ガスからの起源であるとの主張は根拠がないことが判明した。^[61]

現在、さまざまな管轄区域で、触媒コンバーターを含む排出ガス制御システムの機能と状態を監視するための車載診断装置が義務付けられています。OBD -II診断システムを搭載した車両は、ダッシュボードの「チェックエンジン」ライトを点灯するか、現在の失火状態が触媒コンバーターを損傷する可能性のあるほど深刻な場合は点滅させることで、運転者に失火状態を警告するように設計されています。^[62]車載診断システムにはいくつかの形式があります。

温度センサーは 2 つの目的で使用されます。1 つ目は警告システムとして、通常は LPG フォークリフトで使用されるような双方向触媒コンバーターで使用されます。センサーの機能は、触媒コンバーターの温度が安全限界の 750 °C (1,380 °F) を超えた場合に警告することです。最新の触媒コンバーターの設計は温度による損傷を受けにくく、900 °C (1,650 °F) の持続温度に耐えることができます。^[要出典]温度センサーは触媒の機能を監視するためにも使用されます。通常、2 つのセンサーが取り付けられ、1 つは触媒の前、もう 1 つは触媒コンバーターのコアの温度上昇を監視します。^[要出典]

酸素センサーは、スパーク点火リッチバーンエンジンのクローズドループ制御システムの基礎ですが、診断にも使用されます。OBD II 搭載車両では、触媒コンバーターの後に 2 番目の酸素センサーが取り付けられ、O ₂レベルを監視します。O ₂レベルは、燃焼プロセスの効率を確認するために監視されます。オンボード コンピューターは、2 つのセンサーの読み取り値を比較します。読み取り値は電圧測定によって取得されます。両方のセンサーが同じ出力を示している場合、または後部の O ₂が「切り替わっている」場合、コンピューターは触媒コンバーターが機能していないか取り外されていると認識し、故障表示ランプを作動させてエンジン性能に影響を及ぼします。この問題を回避するために、インターネットで入手できる設計図と組み立て済みデバイスを使用して触媒コンバーター全体の変化をシミュレートするシンプルな「酸素センサー シミュレーター」が開発されました。これらは路上での使用には適していませんが、さまざまな結果で使用されています。^[63]同様の装置はセンサー信号にオフセットを適用し、エンジンがより燃費の良いリーンバーンを実行できるようにしますが、エンジンや触媒コンバータに損傷を与える可能性があります。^[64]

NO _xセンサーは非常に高価で、一般的には圧縮点火エンジンに選択触媒還元 (SCR) コンバーターまたはフィードバック システムのNO _x吸収装置が取り付けられている場合にのみ使用されます。SCR システムに取り付けられている場合、センサーは 1 つまたは 2 つあります。センサーが 1 つ取り付けられている場合は前触媒となり、2 つ取り付けられている場合は 2 つ目が後触媒となります。これらは酸素センサーと同じ理由で同じ方法で使用されます。唯一の違いは監視対象の物質です。 ^{[引用が必要]}

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• Lachman, IM 他、米国特許 3,885,977：「異方性コーディエライトモノリス」（セラミック基板）。1973 年 11 月 5 日
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• チャールズ H. ベイリー。米国特許 4,250,146 : 「ケースレス モノリシック触媒コンバータ」。1981 年 2 月 10 日
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