مشخصات مبدل کاتالیست و کارایی آن

با گسترش صنعت خودروسازی و افزایش تعداد خودروها در سراسر جهان، سازمان های محیط زیستی، استانداردهای آلایندگی را برای خودروها تعریف کردند و میزان آلایندگی برای هر خودرو مشخص شد. وظیفه هر خودروسازی این بود که از قطعات و تجهیزاتی استفاده کنند که از آلودگی دودهای خروجی از اگزوز ناشی از احتراق کم شود.

خودروهای دارای موتور احتراق داخلی، از سوخت فسیلی برای تولید نیرو استفاده می کنند. سوختن سوخت های فسیلی ذرات ناشی از احتراق را وارد هوا می کند و به همین دلیل برای جلوگیری از آلودگی هوا باید از قطعه های کاتالیزوری در خودروها استفاده شود.

مبدل کاتالیست خودرو چیست؟

از مدت ها پیش عنوان شد که گازهای گلخانه ای خارج شده از اگزوز خودرو ها به انسان و محیط زیست آسیب وارد می کنند. از سال 1975 در ایالات متحده  قانونی مبنی بر اینکه تمامی خودروها باید دارای مبدل باشند مطرح شد، تا جلوی گاز های مضر از اگزوز خودرو گرفته شود. مبدل ها کارایی موثری در حفظ محیط زیست و همچنین سلامت انسان ها دارند.

مبدل کاتالیست، وسیله ای است که سر راه خروجی اگزوز خودرو قرار می گیرد و طی یک سری واکنش های شیمیایی، گازهای سمی حاصل از احتراق خودرو را به گازهای بی ضرر تبدیل می کند. مبدل کاتالیست، نقش بسیار موثری در جلوگیری از آلودگی هوا دارد.

گازهای خروجی از اگزوز خودروها حاوی عناصر مضر زیادی هستند و از خطرناک ترین عنصر های آن شامل، اکسیدهای نیتروژن، مونوکسید کربن و هیدروکربن های نسوخته مانند آروماتیک ها می باشند. این عناصر مضر با ورود به مبدل کاتالیستی تبدیل به عناصر بی ضرری مانند، دی اکسید کربن، آب و اکسیژن می شوند. کاتالیزورها می توانند تا 90 درصد عناصر و ذرات مضر و خطرناک گاز خروجی از اگزوز خودرو را تجزیه کرده و به عناصر بی خطر غیر سمی تبدیل کنند.

مبدل یک بخش جدایی ناپذیر از سیستم اگزوز خودرو است و معمولا نزدیکتر از بلوک موتور قرار گرفته تا لوله خروجی اگزوز، که در انتهای دیگر سیستم وجود دارد را پوشش دهد. دلیل قرار گرفتن مبدل کاتالیست در سر راه خروجی اگزوز این است که، قبل از ورود گازهای خروجی از اگزوز به محیط زیست آن ها را تجزیه کند.

مبدل های کاتالیستی انواع مختلفی دارند و واکنش های شیمیایی آن ها بسته به نوع موتور و سوخت مصرفی در آنها متفاوت است. مبدل های کاتالیستی یا کاتالیزور، از صفحات حفره دار سرامیکی و یا برخی فلزات گرانبها مانند طلا، رادیوم، پلاتین و… ساخته شده است.

کاربرد کاتالیست خودرو

کاتالیزور خودرو یا مبدل کاتالیزوری وسیله ای برای کنترل انتشار گازهای سمی اگزوزی است. کاتالیزور با استفاده از واکنش های اکسیداسیون و کاهش، گازهای سمی و آلاینده های موجود در گازهای خروجی از یک موتور احتراق داخلی را، به آلاینده های کم خطر تبدیل می کند. مبدل های کاتالیست معمولا برای موتورهای احتراق داخلی که با بنزین و گازوئیل کار می کنند استفاده می شود.

بدون واکنش های احیا و اکسید برای فیلتر کردن و تبدیل اکسید های نیتروژن، مونوکسیدهای کربن و هیدروکربن، آلاینده های مضر در هوا افزایش پیدا می کنند و کیفیت هوای شهرها به شدت پایین می آید و این آلودگی محیط زیست و انسان ها را نابود می کند.

مونواکسید کربن، حالتی خطرناک از گاز دی اکسید کربن است. مونواکسید کربن رنگ و بو ندارد و کاربردی از آن برای زندگی روزمره یافت نشده و حتی سمی است. استنشاق هیدروکربن های مشتق از گازوئیل، بنزین، شوینده ها، قیر و سوخت های مختلف برای کودکان خطرناک و مرگبار است. ایجاد مشکلاتی در سیستم عصبی و قلب و عروق از دیگر ضررهای گاز هیدروکربن است.

گرمای شدید، حاصل از عملکرد موتور باعث ترکیب مولکول های اکسیژن و نیتروژن می شود که به این ترکیب اکسید نیتروژن می گویند. این گازها باعث بارش باران های اسیدی می شوند و از ترکیبات مضر به حساب می آیند. مبدل کاتالیست قطعه ای ساده اما بسیار مهم در سلامت محیط و انسان است.

از مبدل های کاتالیزوری به طور معمول در سیستم های اگزوز خودرو استفاده می کنند. از مبدل های کاتالیزوری در لیفتراک، اتوبوس، کامیون، تجهیزات معدن، ژنراتورهای الکتریکی، لوکوموتیو، کشتی و موتور سیکلت هم استفاده می شود.

مبدل های کاتالیستی که امروزه بر روی اگزوز خودروهای تولید شده در ایران نصب می شوند بعد از 80000 کیلومتر کارایی خود را از دست می دهند و بعد از آن آلایندگی خودرو تا پنج برابر افزایش می یابد. متوسط عمر کاتالیست چیزی حدود 4 سال است و بعد از این مدت لازم است قطعه مبدل کاتالیستی تعویض شود.

انواع مبدل های کاتالیست

مبدل های کاتالیستی از لحاظ عملکرد به دو نوع مبدل کاتالیستی تقسیم می شوند و به مبدل کاتالیستی دوگانه و سه گانه معروف هستند. و همینطور مبدل های کاتالیستی در سه جنس مختلف ساخته می شوند که عبارت اند از:

مبدل کاتالیست گلوله ای

این مبدل از حفره های سوراخ دار میله ای عنصر آلومینا تشکیل شده است. از این مبدل در موتورهایی با حجم کم و آلایندگی کمتر استفاده می شود.

مبدل کاتالیست سرامیکی

این مبدل از صفحات سرامیکی متخلخل ساخته شده است. در سطح مبدل های سرامیکی از عناصر آلومینا استفاده شده است و این کارایی را دارد که خطرات موجود در گاز خروجی اگزوز را با جذب و تجزیه کنترل کند.

مبدل کاتالیست فلزی

در کاتالیزور های فلزی از آلیاژهای فلز و ورق های فلزی استفاده شده است. این مبدل ها تحمل حرارت های بالا را دارند و در میان مبدل های کاتالیستی نوع سرامیکی کاربرد زیادی در خودروهای مختلف دارد.

مبدل های کاتالیستی، در محفظه هایی با دمای بالا قرار دارند و عملکرد آن ها از طریق واکنش های شیمیایی است. مبدل های کاتالیستی به دلیل ساختاری که دارند دارای طول عمر مشخص و محدودی هستند و بعد از گذشت طول عمر مورد نظر ، مبدل باید تعویض شود.

خودروهای موجود در بازار معمولا دارای مبدل های کاتالیستی با میزان کارکرد مشخصی هستند. کارکرد استفاده از مبدل های کاتالیستی در حدود 50 هزار تا 70 هزار کیلومتر است. باید بعد از رسیدن خودرو به کارکرد مشخص شده مبدل کاتالیستی تعویض شود. معیوب بودن مبدل کاتالیزوری باعث تولید آلایندگی بیشتر خودرو و مصرف سوخت بالا می شود و همچنین شتاب خودرو را تحت تاثیر قرار می دهد. تعویض نکردن مبدل کاتالیزوری می تواند به موتور و اگزوز خودرو آسیب برساند

انواع کاتالیست خودرو

مبدل های کالیستی از لحاظ نوع عملکرد به دو نوع مبدل دوگانه و مبدل کاتالیستی سه گانه تقسیم می شوند هر دو نوع این مبدل ها گازهای مضر را طی فرآیندی تبدیل به گازهای بی خطر می کنند. عملکرد این کاتالیست ها در تجزیه گازهای مضر بسیار مهم است و مبدل های سه راهه به دلیل تجزیه همزمان سه گاز سمی به گاز بی خطر بیشتر مورد استقبال قرار می گیرند.

مبدل اکسیداسیون دو راهه

اکسیداسیون دوراهه وظیفه همزمان تبدیل مونوکسید کربن به دی اکسید کربن و همینطور اکسیداسیون هیدروکربن ها به دی اکسید کربن و آب را بر عهده دارد. از مبدل اکسیداسیون دو راهه در موتورهای دیزلی به طور گسترده استفاده می شود. مبدل در موتورهای دیزلی وظیفه کاهش انتشار هیدروکربن و مونوکسید کربن را برعهده دارد. مبدل اکسیداسیون دو راهه توانایی کنترل اکسیدهای ازت را ندارد به همین دلیل در ایالات متحده از این مدل مبدل کاتالیست استفاده نمی شود.

مبدل اکسیداسیون سه راهه

از دستگاه اکسیداسیون کاهش سه راهه در سیستم های کنترل میزان انتشار گاز وسایل حمل و نقل در اکثر نقاط جهان استفاده می شود. طبق مقررات استفاده از مبدل های سه راهه در خودروهای بنزینی اجباری است. مبدل اکسیداسون سه راهه یکی از اختراعات مهم در زمینه خودرو محسوب می شود و توانایی انجام سه کار را به طور همزمان دارد. از توانایی اکسیداسیون سه راهه، کاهش اکسیدهای نیتروژن به نیتروژن و اکسیژن، تبدیل مونوکسید کربن به دی اکسید کربن و اکسیداسیون هیدروکربن های نسوخته به دی اکسید کربن و آب است.

کاتالیزور اکسیداسیون دیزلی

از این کاتالیزور برای احتراق فشاری مانند موتورهای دیزلی استفاده می شود. این دستگاه از اکسیژن موجود در گازهای خروجی برای تبدیل مونوکسید کربن به دی اکسید کربن و هیدروکربن ها به آب و دی اکسید کربن استفاده می کند. میزان کارایی این کاتالیزورها 90 درصد است و قابلیت این را دارند که بوی گازوئیل را از بین ببرند و ذرات قابل مشاهده که از موتورهای دیزلی منتشر می شود را کاهش دهند.

اجزای کاتالیزور خودرو

هر مبدل کاتالیستی از یک ماده اصلی به نام ماده کاتالیست تشکیل شده است. مبدل کاتالیست از فلزهای گران قیمت مانند، پالادیوم، طلا، کادمیم و رادیوم ساخته می شود. برای صرفه جویی در هزینه از فلزهای رادیوم و پالادیوم استفاده می شود. کاتالیزور از پوسته ای عایق کاری شده، ضد زنگ و محفظه ای تشکیل شده است. کاتالیزور در مسیر اگزوز قرار داده می شود در ایران از سال  1381 قانون قرار دادن مبدل کاتالیست در همه خودروهای داخلی و وارداتی تصویب شد.

کاتالیزور از 3 بخش، هسته کاتالیست، لایه اکسیدی و ماده کاتالیست تشکیل شده است این سه بخش از مهم ترین اجزای تشکیل دهنده کاتالیزور هستند.

هسته کاتالیست

در مبدل هایی که ویژه خودروها هستند از بعضی بستر های سرامیکی مونولیت با ساختار لانه زنبوری استفاده می شود که به آن هسته کاتالیست گفته می شود.

لایه اکسیدی

به نگهدارنده ماده کاتالیستی لایه اکسیدی گفته می شود. لایه اکسیدی افزایش دهنده سطح مخصوص کاتالیزور می باشد. جنس لایه اکسیدی از اکسید آلومینیوم، دی اکسید تیتانیوم، دی اکسید سیلیکون و ترکیبی از سیلیکا و آلومینا است.

ماده کاتالیست

هر مبدل کاتالیستی یک ماده اصلی دارد که ماده کاتالیست یا مایع کاتالیزور نامیده می شود. ماده کاتالیست از جنس های پالادیوم، رادیوم، پلاتین، طلا و کادمیوم ساخته می شود. ماده کاتالیست، اصلی ترین اجزای کاتالیزور است.

نتیجه گیری

بسیاری از افراد برای از بین بردن کوچکترین فشاری که به خودرو وارد می شود تصمیم می گیرند مبدل کاتالیزوری را از روی خودروی خود حذف کنند. این موضوع یک ایده بد است که عواقب جبران ناپذیری را در پی خواهد داشت.

حذف مبدل کاتالیزوری کاری غیرقانونی است و باعث آلودگی محیط زیست و از بین رفتن آن می شود. مبدل کاتالیزوری قطعه ای است که باید مانند قطعه های دیگر خودرو مورد اهمیت قرار داده شود و در نگهداری آن دقت لازم انجام شود.