مبدل های کاتالیتیکی (Catalytic Converters)

مقدمه :

میلیــون هــا خــودرو در سرتاســر جهــان در حــال تــردد مــی باشــند کــه هــر کــدام بــه عنــوان یــک منبــع آلــودگی بشمار می روند.این مورد ، خصوصاَ در شهرهای بزرگتر به عنوان مسئله بزرگی و بصورت لاینحل از زمان های قدیم مـورد بحـث بوده است .جهت حل این مشکل ، قوانینی به مرحله اجرا در آمده است که مقادیر آلاینده خروجی از سیستم اگـزوز خودروهـا را تحت کنترل در آورده و محدود کرده است . به همین منظور ،کارخانجات خودروسازی ، سیستم های پالایش کننده ای را جهت کنتـرل مقـادیر آلاینـده خروجـی از سیسـتم هـای موتـور و سـوخت رسـانی تهیـه و مـورد بهـره بـرداری قـرار داده انـد . در ســال  ، 1970 دولــت آمریکــا پــس از آنکــه گــزارش آژانــس کنتــرل آلــودگی هــوای کالیفرنیــا را بررســی کــرد ، اصلاحیه هوای تمیز (Air Act Clean) را از تصویب گذراند . و بدین ترتیب تولید کننده های آمریکایی به شدت دست به کار شده و مطابق قوانین ضدآلودگی وضع شده ، کمبودهای خود را برطرف کردند . در سال  1975قوانینی مصوب گردیدکه اکثریت کمپانی های خودرو سازی ، مجبور به استفاده از سیستم مبدل کاتالیتیکی در خودروها شدند . به طور خلاصه طرز کار این سیستم بدین صورت بود که با انجام واکنش های شیمیایی گازهای سمی را به دی اکسید کربن و بخارآب تبدیل می کرد .نصب مبدل کاتالیتیکی از همین سال در سراسر آمریکا اجباری گردید و در اروپا نیز از سال  1993مورد بهره برداری قرار گرفت . در این مقوله در خصوص انواع آلاینده های تولید شده توسط موتور خودروها و هم چنین نحوه عملکرد مبدل های کاتالیتیکی در خصوص کم کردن مقادیر این آلاینده ها صحبت خواهد شد .

آلاینده های خروجی توسط موتور

جهت کاهش مقادیر آلایند ه های خروجی، موتور خودروهای مدرن امروزی ، مقدار سوخت مورد نیـاز جهـت سـوخته شـدن در سیلندر را کنترل می کنند . این موتورها ، نسبت هوا به سوخت را در حدود مقدار استوکیومتریک (7/14 به 1) ثابـت نگهداشته کـه ایـن نسـبت ، مقـدار ایده آل مقدار هوای مورد نیاز جهت سوخته شدن مقدار متناسب سوخت می باشد . از نظر تئوری ، این نسبت برابر سوخته شدن یک واحد سوخت در ازاء مصرف  14/7واحد اکسیژن می باشد . نسبت مخلوط ، در عمل و بستگی به شرایط رانندگی ، اندکی متفاوت می باشد . گاهی اوقات نسبت مخلوط را فقیر(Lean) می نامند که نشانگر مقدار کم سوخت ( نسبت هوا به سوخت بزرگتـر از 7/14 ) و در مواردی نسبت مخلوط را غنی    Rich می نامند که نشانگر مقدار زیاد سوخت ( نسبت هوا بـه سـوخت کوچکتر از 7/14 ) می باشد .

آلاینده های اصلی موتور خودروها

• گاز نیتروژن (N2) : هوا دارای 78درصد گاز نیتروژن می باشد و اکثر این مقدار از موتور خودروها عبور می کند .
• دی اکسید کربن (CO2) : یکی از آلاینده های ناشی از احتراق در موتورها اتومبیل ها می باشد کـه از ترکیـب کـربن موجود در سوخت با اکسیژن موجود در هوا بوجود می آید .
• بخارآب (H2O) : یکی از دیگر از آلاینده ای ناشی از احتراق در موتور اتومبیل هـا مـی باشـد کـه از ترکیـب هیـدروژن موجود در سوخت با اکسیژن موجود در هوا بوجود می آید . این آلاینده ها اکثراً بی خطر می باشند ( اگر چـه دی اکسـید کربن باعث گرم شدن لایه ازن می شود .) ، اما به علت اینکه ، مرحله احتراق در موتور خودرو ها ، معمـولاً بصـورت کامـل انجام نمی گیرد ، گازهای آلاینده مضری توسط موتور اتومبیل ها تولید می شود که عبارتند از :
• مونوکسید کربن (CO) : گازی سمی که بی بو و بی رنگ می باشد .
• هیدوکربن ها یا ترکیب های فرار شیمیایی (Volatile Organic Compounds): VOCs تبخیر سـوخت هـای که بطور کامل سوخته نشده بوجود می آید.

نور خورشید این آلاینده ها را تبدیل به اکسـیدانت مـی کنـد کـه بـا ترکیـب بـا اکسـیدهای نیتـروژن سـبب بوجـود آمـدن ازن محیطی (O3) شده که از اجزاء اصلی آلودگی و ایجاد مه دود در اتمسفر می شود .

• اکسیدهای نیتروژن (NOX) : سبب بوجود آمدن مه دود و بارانهای اسیدی می شود که باعث بروز آسیب دیدگی های پوستی در انسان می گردد .

موارد فوق از آلاینده های اساسی موتور خودروها می باشد که هدف از کاربرد مبدل های کاتـالیتیکی در خودروهـا ، کـاهش مقادیر زیادی از این آلاینده ها می باشد .

اساس کار و  نحوه عملکرد مبدل های کاتالیتیکی در کاهش آلاینده ها

اکثر خودروهـای مـدرن امـروزی ، مجهـز بـه مبـدل هـای کاتالیتیکی سه راهه ( Three – Way Catalytic Converter ) می باشند . مفهوم سه راهه ، اشاره به سه آلاینـده اساسـی تولیـد شـده توسط موتور خودروها دارد که توسط ایـن مبـدل هـا مـورد پـالایش قـرار مـی گیرنـد ( مونوکسـید کـربن  CO)  هیــدروکربن هــا )   ( VOCs اکســیدهای نیتــروژن ( NOX  ) .

مبــدل کاتــالیتیکی از دو نــوع کاتالیســت جهــت پــالایش آلاینده ها اسـتفاده مـی کنـد : کاتالیست کـاهش دهنده آلـودگی(Reduction Catalyst) کاتالیست اکسید کننـده (Oxidazation Catalyst) هر دو نوع از کاتالیست ها ، از یک ساختمان سرامیکی بـا پوشـش فلـزی کـه معمـولاً از پلاتـین ، رودیـوم و پـالادیوم مـی باشـند ، تشکیل شده است . در مدل هـــای جدیـــد کاتالیســـت ، از ســـاختمانی از کاتالیست ها استفاده می گردد که بیشترین سطح تمـاس را با جریان گازهای خروجی از اگزوز داشته باشد ( زیرا فلـزات فوق الذکر بسیار گران قیمت می باشند .)

دو نوع ساختمان مختلف در ساخت کاتالیست وجود دارد:

 1- ساختمان لانه زنبوری (Honeycomb)

 2- سـاختمان دانـه هـای سرامیکی ( Ceramic beads )

اکثر کاتالیست خودروهـای مدرن امروزی از سـاختمان لانه زنبوری در کاتالیست استفاده می کنند .

کاتالیست کاهش دهنـده آلودگی ( The Reduction Catalyst )

عملکرد کاتالیست کاهش دهنده ، اولـین مرحلـه پـالایش توسـط مبـدل هـای کاتـالیتیکی مـی باشـد . ایـن نـوع کاتالیســت بــا اســتفاده از پلاتــین و رودیــوم ، مقــادیر اکسـیدهای نیتـروژن (NOX) را کـاهش مـی دهـد . هنگـامی کـه مولکـول هـای ( NOیـا NO2)بـه کاتالیســت برخــورد مــی کننــد ، نیتــروژن خــود را از دسـت مـی دهنـد( نیتـروژن موجـود جـذب کاتالیسـت مــی شــود ) و اکســیژن باقیمانــده بــه شــکل (O2) از کاتالیست خارج می شود . نیتـروژن جـذب شـده توسـط کاتالیسـت بـا سـایر مولکـول هـای نیتـروژن موجـود در کاتالیست ترکیب شده و به شکل مولکول  N2در می آید .

2NO ⇒ N2 + O2 (2NO2) ⇒ N2 + 2O2

کاتالیســت اکســید کننـده ( The Oxidization Catalyst )

عملکرد کاتالیست اکسید کننده ، دومـین مرحلـه از پالایش توسط مبدل های کاتالیتیکی می باشد . این نـوع کاتالیست مقادیر هیدروکربن های نسوخته و مونو کسـید کربن را با سوزاندن ( اکسـید کـردن ) آنهـا توسـط عبـور دادن آنها از صفحات کاتالیست پلاتین و پالادیوم ، کاهش می دهــد . ایــن نــوع کاتالیســت مولکــول هــای  COو هیدروکربن ها را با اکسیژن باقیمانده در گازهای خروجی ترکیب می کند.

2CO + O2 ⇒ 2CO2

سیستم کنترل

سومین مرحلـه از پـالایش آلاینـده هـا ، کنتـرل جریـان گازهــای خروجــی جهــت کنتــرل سیســتم پاشــش سوخت می باشد . یک سنسور اکسیژن در قسمت بـالای مبـدل کاتـالیتیکی قــرار دارد کــه موقعیــت مبــدل کاتــالیتیکی نســبت بــه موتور می باشد . این سنسور اطلاعات اکسیژن موجود در گازهای خروجـی را به واحد کنترل الکترونیکی خودرو  (ECU) انتقـال می دهد . واحد کنترل الکترونیکی موتور با استفاده از این اطلاعات ، مقدار افـزایش یـا کـاهش اکسـیژن را بـا تنظـیم نسـبت مخلوط هوا به سوخت مشخص می نماید . این کنترل مقدار هوا ، کارکرد موتور در شرایط نزدیک به مقدار استوکیومتریک را تضمین مـی نمایـد ، هـم چنـین مقدار بهینه اکسیژن در گازهای خروجـی را جهـت انجـام عمـــل اکسیداسیون کاتالیست جهت سـوزاندن هیدروکربن های نسوخته و مونوکسـیدکربن ، مشـخص و تأمین می نماید .