ایکوپرس

ایکوپرس

شناسه خبر: ۱۱۰۰۴ سه‌شنبه ۳۰ خرداد ۱۳۹۱ - ۱۳:۳۰ تعداد بازدید: ۴۱۹۷ Print View

مبدل کاتالیزور

کار این سیستم تبدیل آلودگی های بسیار مضر به آلودگی هایی با ضرر کم‌تر است پیش از این که آلودگی ها سیستم اگزوز خودرو را ترک کنند. درواقع وسیله ای است که گازهای خروجی و خطرناک از موتور را به گازهای بی خطر تبدیل می کند.

مبدل کاتالیزور

مهسا تاج

میلیون ها خودرو در جاده ها و خیابان های جهان در حال تردد هستند که هر کدام از آن ها یک منبع آلودگی هوا تلقی می شوند. بالاخص در کلان شهرهایی مانند امریکا میزان آلودگی تولید شده توسط خودروها تبدیل به مشکل بزرگی شده است. برای حل این مشکل دولت تصمیم به ایجاد قانون هوای پاک برای محدود کردن خودروها در تولید آلودگی گرفت و قوانین زیست محیطی خاصی را تدوین کرد. در این سال ها سازندگان خودرو تغییرات زیادی را در موتور و سیستم سوخت برای اجرای این قانون انجام دادند. یکی از این تغییرات به سال 1975 بر می گردد که ابداع سیستم ساده ای به نام مبدل کاتالیزور بود که امروزه از مفیدترین روش ها و وسایل برای کاهش آلاینده های خروجی از موتور است. کار این سیستم تبدیل آلودگی های بسیار مضر به آلودگی هایی با ضرر کم‌تر است پیش از این که آلودگی ها سیستم اگزوز خودرو را ترک کنند. درواقع  وسیله ای است که گازهای خروجی و خطرناک از موتور را به گازهای بی خطر تبدیل می کند.

 

برای کاهش مواد خروجی از اگزوز، میزان کیفیت احتراق در موتورهای مدرن امروزی با دقت زیادی کنترل می شوند و کارشناسان سعی کرده اند تا نسبت اختلاط سوخت و هوا ایده آل و حساب شده باشد.

به منظور کاهش آلودگی خروجی، موتور خودروهای نوین به طور دقیقی میزان سوخت مصرفی را کنترل می کنند. آن ها سعی می کنند تا نسبت هوا به سوخت را در نقطه محاسبه میزان عناصر نگاه دارند و آن همان نسبت محاسبه شده ایده آل هوا به سوخت باشد. از دیدگاه نظری، در این نسبت، همه سوخت با استفاده از تمامی اکسیژن موجود در هوا می سوزد. برای بنزین، نسبت محاسبه میزان عناصر در حدود 7/14 به یک است، به این معنی که برای هر پوند بنزین (حدود 450 گرم)، 7/14 پوند هوا (حدود 668/6 کیلوگرم) سوزانده خواهد شد. در عمل و در هنگام رانندگی، ترکیب سوخت با نسبت ایده آل دارای مقداری تفاوت است. گاهی اوقات ترکیب رقیق (نسبت هوا به سوخت بیش‌تر از 7/14) و گاهی اوقات غنی (نسبت هوا به سوخت کم‌تر از 7/14) می شود. این مقدار در خودروهای انژکتوری توسط سنسور اکسیژن محاسبه و به واحد کنترل الکترونیکی خودرو فرستاده می شود تا دستور پاشش مقدار لازم سوخت به دریچه های سوخت ارسال شود. بدین ترتیب نسبت مطلوب هوا – سوخت را دقیق تر می توان کنترل کرد.

کاتالیزور در سیستم تخلیه دود قرار دارد و همه دود خروجی از موتور باید از آن عبور کند. کاتالیزور ماده ای است که به انجام واکنش شیمیایی کمک می کند بدون آن که جزئی از واکنش شیمیایی باشد. در حقیقت، کاتالیزور مواد شیمیایی را به انجام واکنش با یکدیگر تشویق می کند. در نتیجه دودی که از مبدل کاتالیزوری خارج می شود در مقایسه با دود ورودی مقدار کم تری هیدروکربن، منواکسید کربن و منواکسید نیتروژن دارد.

خودروهایی که مبدل کاتالیزوری دارند باید بنزین بی سرب مصرف کنند. سرب موجود در بنزین روی کاتالیزور را می پوشاند و آن را بی تاثیر می سازد. تغییرات جزئی در نسبت هوا – سوخت می تواند آلایندگی دود را به شدت افزایش دهد.

موادی که از اگزوز خودرو خارج می شوند عبارتند از:

گاز نیتروژن که بیش‌ترین مقدار آن مستقیما از موتور خودرو بدون هیچ گونه واکنشی خارج می شود.

دی اکسید کربن که اولین محصول احتراق است. کربن موجود در سوخت با اکسیژن هوا مخلوط می شود. بخار آب  که دومین محصول احتراق است و از ترکیب هیدروژن و هیدروکربن های سوخت با اکسیژن هوا ایجاد می شود. چون مراحل احتراق هیچ گاه درست صورت نمی گیرد و کامل نیست مقدار کمی مواد مضر دیگر توسط موتور منتشر می شود که عبارتند از: منوکسید کربن؛ گازی است سمی بی رنگ و بی بو. هیدروکربن ها یا ترکیبات ارگانیک فرار؛ سوخت هایی هستند که به طور کامل نمی سوزند. اکسید نیتروژن که در تشکیل باران های اسیدی نقش دارد و باعث سوزش غشاهای مخاطی در انسان می شود. گازهای خطرناک پس از سوختن در موتور خودرو در صورت عدم تبدیل باعث ایجاد مشکلات تنفسی برای انسان و یکی از عوامل ایجاد باران اسیدی است. این سه گاز عوامل آلاینده هوا هستند که باید به دقت مورد کنترل قرار گیرند و مبدل های کاتالیزور برای کاهش این آلودگی ها طراحی شده اند. امروزه بیش‌تر خودروهای مدرن که بنزینی هستند با مبدل "سه راهه" مجهز شده اند. علت انتخاب نام سه راهه برای این مبدل ها آن است که برای کاهش هم‌زمان سه نوع گاز سمی و آلاینده هوا شامل منواکسید کربن، هیدروکربن های حاصل از احتراق ناقص و اکسید نیتروژن و تبدیل آن ها به گازهای غیر سمی بخار آب، نیتروژن و دی اکسید کربن مورد استفاده قرار می گیرند.

قبلا مبدل های کاتالیزور دو راهه وجود داشتند که منواکسید کربن و هیدروکربن های نسوخته را به دی اکسید کربن تبدیل می کردند که اکنون دیگر استفاده نمی شوند و مبدل های کاتالیزور سه راهه جایگزین شده اند.

هنوز هم کاربرد مبدل های کاتالیزور علاوه بر سیستم اگزوز خودرو بر روی مجموعه ژنراتور، لیفتراک ها، تجهیزات معدن، کامیون ها، اتوبوس ها، لوکوموتیوها، موتوسیکلت ها، هواپیماها و دیگر وسایل موتوری استفاده می شود.

 

پیشینه

مبدل کاتالیزور توسط یوگین هودری مهندس مکانیک اهل فرانسه و کارشناس پالایش نفت که در سال 1950 در آمریکا زندگی می کرد ابداع شد. هنگامی که نتایج مطالعات هوای مه دود و خطر آن برای سلامتی افراد در روزنامه های لوس آنجلس منتشر شد، هودری به نقش خروجی دود اگزوزها در آلودگی هوا پی برد و اقدام به تاسیس شرکت کرد و بعدها در اواسط دهه 1950 به تحقیق در زمینه توسعه و پیشرفت مبدل های کاتالیزور برای موتورهای بنزینی پرداخت.

مبدل های کاتالیزور توسط مهندسانی از جمله جان جی مونی و کارل دی کیت در شرکت انجل هارد که موجب تولید اولین مبدل کاتالیزور شدند، توسعه و گسترش یافتند.

 

مبدل های کاتالیزور از اجزای گوناگونی تشکیل شده اند:

1- قسمت اصلی کاتالیزور خودروها، ساختار شانه عسلی سرامیکی یک تخته است که از هزاران کانال های موازی ساخته شده که از میان آن ها گازهای اگزوز عبور می کنند. لایه های این ساختار شانه عسلی از سیلیکات آلومینیوم و منیزیم ساخته شده که در درجه حرارت های بالا ثبات خویش را حفظ می کند و منفذهای آن نیز دارای لایه آلومینا است که کارایی کانال ها را با عامل تقریبا 700 افزایش می دهد. روکش این شانه ها با فلزات گران بهایی بارور شده اند و این شانه ها دارای منافذ یک میلی متر مربعی هستند که دارای دیوارهای نفوذی با ضخامت 15/0 * 3/0 میلی متر هستند.

ساختار شانه سرامیکی بسیار آسیب پذیراست بنابراین در داخل یک پوشش و بدنه از آلیاژ، فولاد و ذرات سیمی قرار دارد و این بدنه، شانه سرامیکی را از تاثیرات حرارتی و برخوردهای خارجی که به بدنه ممکن است صدمه بزند در امان نگه می دارد.

 

2- محلول واش کت که برای پخش مواد بر روی سطح استفاده می شود. اکسید آلومینیوم، دی اکسید تیتانیوم، دی اکسید سیلیکان یا ترکیبی از سیلیکا و آلومینا نیز می تواند استفاده شود. محلول واش کت از این جهت انتخاب می شود تا تشکیل یک سطح نامنظم و ناصاف را بدهد که باعث افزایش کاتالیزه شدن در هنگام واکنش با دودهای خروجی اگزوز می شود.

 

3- خود کاتالیزور بیش‌تر اوقات یک فلز گران بهاست. پلاتینیوم یک کاتالیزور فعال است که به طور وسیع و گسترده ای استفاده می شود اما برای همه کاربردها به دلیل واکنش های اضافی ناخواسته و هزینه های بالا مناسب نیست. پالادیوم و رادیوم دو فلز قیمتی و گران بهای دیگر هستند. از رادیوم به عنوان یک کاتالیزور کاهنده و از پالادیوم و پلاتین به عنوان یک کاتالیزور اکساینده و از پلاتینیوم هم به عنوان کاهنده و هم اکساینده استفاده می شود. از سریم، آهن، منیزیم و نیکل نیز استفاده می شود اگر چه هر کدام محدودیت های خاص خود را دارند. کاربرد نیکل در اتحادیه اروپا به دلیل واکنشی که با منوکسید کربن انجام می دهد و تشکیل نیکل تتراکربونیل، قانونی نیست. مس نیز می تواند در هر جایی به غیر از امریکای شمالی به دلیل تشکیل دیوکسین استفاده شود.

پالادیوم و رادیوم دو فلز قیمتی دیگری هستند که استفاده می شوند. رادیوم به عنوان یک کاتالیزور کاهنده استفاده می شود، پالادیوم به عنوان یک کاتالیزور اکسیداسیون (اکساینده) استفاده می شود و پلاتینوم هم برای کاهش و هم برای اکسیداسیون استفاده می شود. در هر مبدل کاتالیزور یک ماده ای به نام سریم وجود دارد که باعث ذخیره اکسیژن در مبدل و افزایش کارآیی آن می شوند.

 

مبدل های سه راهه:

از سال 1981، مبدل های کاتالیزور (کاهنده - اکساینده) در سیستم های کنترل آلودگی خودرو در امریکا و کانادا استفاده می شود که بر روی خودروهای بنزین سوز قرار می گیرد. یک مبدل کاتالیزور سه راهه سه وظیفه هم‌زمان دارد:

1-کاهش اکسید نیتروژن به نیتروژن و اکسیژن

2-اکسیداسیون منوکسید کربن به دی اکسید کربن

3-اکسیداسیون هیدروکربن های نسوخته به دی اکسید کربن و آب

 

مبدل کاتالیزور نقش بسزایی در کاهش آلودگی ایفا می کند ولی باز هم می تواند پیشرفته تر باشد. یکی از نقاط ضعف این سیستم ها این است که تنها در درجه حرارت بالا به طور مساعد کار می کنند. وقتی در حالت سرد خودروتان را روشن می کنید مبدل کاتالیزور تقریبا هیچ اقدامی نسبت به کاهش آلودگی اگزوز نمی کند.

یک روش ساده برای حل این مشکل این است که مبدل کاتالیزور را به موتور نزدیک کنیم، بدین صورت که هوای داغ اگزوز به مبدل برسد و سریع گرم شود ولی در این روش دادن درجه حرارت بیش از حد باعث کاهش عمر مبدل می شود. بیش‌تر خودروسازان این مبدل را زیر صندلی سرنشینان جلو قرار می دهند، فاصله مناسب آن از موتور درجه حرارت را پایین نگه داشته و سیستم دچار آسیب نمی شود.

 

به دلیل موقعیت خارجی و استفاده از فلزات گران بها و ارزشمندی مانند پلاتینیوم، پالادیوم و رادیوم، مبدل ها هدفی برای دزدها در نظر گرفته شده اند. به ویژه در آخرین مدل از خودروهای بیابانی و کامیون ها، مبدل ها به راحتی به سرقت می روند که گاهی اوقات حتی می تواند خسارت سنگینی را به سیستم سوخت رسانی خودرو تحمیل کند. افزایش هزینه های بالای فلز در امریکا در طی سال های اخیر منجر به افزایش آمار سرقت مبدل کاتالیزور شده است که هزینه ای برابر با 1000 دلار امریکا و شاید بیش‌تر دارد.