مبدل كاتاليستي يا كاتاليزور در موتورهاي بنزيني

مبدلهاي كاتاليستي از دهه 70 با هدف كاهش آلودگي هوا، بر سر راه خروجي موتورهاي بنزيني نصب شدهاند. جديدترين و مرسومترين نوع آنها، مبدلهاي سه راهه هستند كه اولين نوع آنها در 1976 در امريكا براي موتورهاي بنزيني اجباري شد. علت انتخاب نام سه راهه براي اين مبدلها آن است كه براي كاهش همزمان سه نوع گاز سمي و آلاينده هوا شامل: مونوكسيدكربن (CO)، هيدروكربنهاي حاصل از احتراق ناقص (HC) و اكسيد نيتروژن (NOX) و تبديل آنها به گازهاي غيرسمي بخار آب (H2O)، نيتروژن (N2) و دياكسيد كربن ((CO2، مورداستفاده قرار ميگيرند (شكل 1).

شكل 1: مبدل كاتاليستي و گازهاي ورودي و خروجي

انواع مبدلهاي كاتاليستي براساس نوع جنس كاتاليستها براساس نوع جنس به سه نوع عمده: گلوله اي2 ، سراميكي3 و فلزي تقسيم ميشوند. اولين نوع مبدلهاي كاتاليستي، گلولهاي بودند كه از كرههاي پرسوراخ آلومينا (AL2O3) كه فلزات گرانبها (PM) در داخل آنها كاشته شده بود، تشكيل ميشدند (شكل 2). قطر اين گلولهها بين 10/1 تا 8/1 اينچ بود كه درون محفظهاي فلزي، زير خودروها قرار ميگرفتند. اين نوع مبدلها براي موتورهاي با حجم زياد، سرعت پايين و دماي پايين، همچون كاميونها استفاده ميشدند. شكل 2: مبدلهاي كاتاليستي گلوله اي

كاتاليستهاي نوع دوم، از ديواره هاي نازك سراميكي لانه زنبوري4 تشكيل يافته و مونوليتهاي سراميكي هستند. اين ديواره ها، محل نشستن فلزات گرانبها نيستند (شكل 3). بلكه فلزات گرانبها براي داشتن سطوح تماس بيشتر بر روي لايه خارجي به نام washcoat قرار ميگيرند كه اين لايه، شامل اكسيد فلزات (BMO) همچون آلومينا (Al2o3) و سريا ((CeO2 است (شكل 4).

شكل 3: مبدلهاي كاتاليستي سراميكي

شكل 4: مشخصات لايه washcoat و چگونگي تعامل فلزات گرانبها و اكسيد فلزات

ساختمان اصلي كاتاليستهاي سراميكي معمولا از طريق اكستروژن ماده سراميكي كوردريت5 2.Al2O3-5.SiO2-2.MgO ساخته ميشود. كاتاليست نوع سوم كه كمتر از نوع دوم مورد استفاده قرار ميگيرد، مونوليتهاي نوع فلزي است كه از آلياژ فلزات با مقاومت حرارتي بالا تشكيل يافته است. مونوليتهاي فلزي نيز مانند سراميكي، از سوراخهاي بسياري تشكيل شده كه از ورق هاي فنري مانند فرم يافته كنار هم ساخته ميشوند (شكل 5). شكل 5: م كاتاليستي فلزي

مزاياي كاتاليستهاي سراميكي نسبت به فلزي عبارت است از: توليد آسانتر، پوششدهي راحتتر و ارزانتر بودن، قدرت نگهداري دما و بازيافت راحتتر. مزاياي نوع فلزي نسبت به سراميكي، مقاومت بالاتر در برابر ضربه و حرارت، قابليت كاهش ضخامت ديواره (داراي تعداد سوراخ بيشتر يا cpsi بالاتر) و افت فشار كمتر و گرم شدن سريعتر است. هماكنون، كاتاليست رايج commercial catalyst، كاتاليست سراميكي است كه حدود 85 درصد از كل توليدات مبدل كاتاليست را تشكيل ميدهد.

تكامل تكنيكي مبدلهاي كاتاليستي از ابتدا تاكنون مبدلهاي كاتاليستي براساس تكامل تكنيكي از ابتدا تاكنون، به صورت زير تقسيمبندي ميشوند (شكل 6): • مبدلهاي كاتاليستي با عايق حرارتي خارجي6 • مبدلهاي كاتاليستي با عايق حرارتي داخلي مخروطي7 • مبدلهاي كاتاليستي با عايق حرارتي داخلي همراه با مبدل كاتاليستي گرم كننده8 كه نزديكتر به موتور نصب ميشوند • مبدلهاي كاتاليستي كه بسيار نزديك به موتور بوده، اما با فلانج به مانيفولد وصل ميشوند9 • مبدلهاي كاتاليستي جوششده به مانيفولد10 شكل 6: تكامل تكنيكي مبدلهاي كاتاليستي از ابتدا تا اكنون

عوامل مهم طراحي و ساخت مبدل كاتاليستي ميزان كارايي و بازده مبدل كاتاليستي، تابعي از مشخصات و عوامل هندسي همچون چگالي سوراخها (cpsi)، نسبت بازي سطح11 و ضخامت ديوارهها ميباشد. همانطور كه در جدول 1 مشخص است، هر چه چگالي سوراخهاي (cpsi) بيشتر باشد، ديوارها نازكتر و در نتيجه سطوح تماس بيشتر خواهد بود. سطوح تماس بيشتر (GSA)، باعث افزايش بازده و كاهش افت فشار در طول كاتاليست خواهد بود. مقايسه مطالعات انجام شده درباره مشخصات حفره هاي كاتاليست، نشان ميدهد كه سوراخهايي با شكل نزديكتر به شكل دايره، داراي بهترين بازده كاتاليست هاست.

جدول 1: مشخصات مهم هندسي مونوليتها

محدوده عوامل مهم تاثيرگذار و متداول در مبدل كاتاليستي، در جدول 2 خلاصه شده است. جدول 2: محدوده عوامل مهم در مبدل كاتاليستي

چگونگي از بين رفتن كارايي كاتاليست عوامل از بين رفتن كارايي كاتاليستها عبارتند از: 1. حرارت بالا 2. سمي شدن بهوسيله مواد خروجي از موتور 3. خرابي مكانيكي مبدل دماي بسيار بالا، باعث چسبيدن فلزات گرانبها به هم و كاهش سطوح محل اثر آنها در كاتاليستها و در نتيجه، كاهش اثردهي آنها ميشود. معمولاً دماي 800 تا 1000 درجه سانتيگراد به بالا، باعث تهنشيني و چسبيدن فلزات گرانبها ميشود. عامل اصلي در افزايش دما عدم جرقهزني شمعهاست. سموم رايج در كاتاليستها، عبارتند از: سرب، فسفر و سولفور كه معمولا جزئي از افزودنيهاي معمولي به بنزين و روغن هستند. سرب، معمولا به عنوان عامل ضدصدا، فسفر به عنوان ماده افزودني در روغن و سولفور بهعنوان عامل موجود در بنزين و روغن شناخته شده اند. دو عامل اول، اثر منفي بيشتري بر فلزات گرانبها و عامل سوم، اثر منفي بيشتري بر اكسيد فلزات دارند. ضربه هاي مكانيكي خارجي وارده بر مبدلهاي كاتاليستي، بويژه كاتاليستهاي كاركردهاي كه حالت تردي پيدا ميكنند، باعث شكستن، گرفتگي و ... در كاتاليستها ميشوند. هر يك از سه عامل ياد شده، باعث پايين آمدن كارايي كاتاليست در خودروها ميشوند. چگونگي اثر سوخت در بازده مبدلهاي كاتاليستي و كنترل آن نمايي كلي از موقعيت كاتاليست و سيستم كنترل آن در شكل 7 ارائه شده است. براي اينكه بتوان نسبتي مناسب از تركيب هوا به سوخت را به منظور تبديل مناسب گازهاي سمي به غير سمي داشته باشيم، سيستم كنترل نسبت هوا به سوخت ميبايستي در خودرو نصب شود. هدف اين است كه نسبت هوا به سوخت را در محدودهاي باريك به نام «پنجره

» نگاه داريم. اين همان محدودهاي است كه در آن، همزمان سه گاز، HC، CO و NOX قابل تبديل با بازده مناسب ميباشند. پهناي اين پنجره باريك (محدود) بوده و حدود 3 درصد نسبت هوا به سوخت است. اين پهنا به فرمولاسيون كاتاليست و شرايط كاري موتور بستگي دارد (شكل 8).

شكل 7: نماي كلي موقعيت كاتاليست و سيستم كنترل آن

شكل 8: محدوده نسبت هوا به سوخت براي بازده بالاي تبديل HC، CO و NOX، نسبت هوا به سوخت 6/14 به معني عملكرد استوكيومتري است.

چگونگي كنترل نسبت سوخت به هوا در شكل 1 نشان داده شده است. معمولا اين كنترل توسط ECUا12 انجام ميشود.

معيارهاي تست آلودگي براي اينكه كاتاليستي از نظر آلودگي بتواند شرايط لازم را احراز كند، آن را براساس معيارهايي ارزيابي ميكنند كه يكي از مهمترين آنها، استاندارد اروپايي يورو 1 تا 5 است. اين معيارها در جدول شماره 3 ارائه شده اند. جدول 3: معيارهاي استاندارد آلودگي اروپايي يورو 1 تا 5

هماكنون، استاندارد رايج در ايران، استاندارد يورو 2 است. قبل از انجام تست آلودگي، كاتاليست را بر اين اساس كه Fresh، Degreened (3000كيلومتر) و يا Aged (80 يا 100 هزار كيلومتر) باشد، آماده ميكنند. اين آمادهسازي براي كاتاليستهاي degreened و aged، ميتواند براساس نوع كوره، مدلسازي با موتور و يا خودروي اصلي، انجام پذيرد كه براساس نياز مشتري و اعلام چرخه و زمان موردنياز آنها انجام ميشود. روش مرسوم براي انجام Aging معمولا مدلسازي با موتور است. بعد از آمادهسازي كاتاليست، آن را بر روي دينو13 توسط ماشين و مطابق چرخههاي اروپايي، تست ميكنند. نتايج چرخه تست آن در نمودار شكل 9 ارائه شده است. بعد از جمع آوري گازهاي آلاينده خروجي در زمان تست، ميزان آن را با معيار موجود در جدول 3 مقايسه و بررسي ميكنند. شكل 9: نمودار چرخه تست اروپايي در دو بخش 1 (شهري) و 2 (برون شهري)

مشكلات موجود با توجه به افزايش آلودگيهاي شهرها بويژه شهرهاي بزرگ، به نظر ميرسد كه براي حل اين معضل، بايد مشكلات را هر چه زودتر از ميان برداشت، اين مشكلات عبارتند از: 1. مشكل عدم آگاهي كه ناشي از عدم آشنايي مردم با مبدل كاتاليست و تاثير آن بر بهبود آلودگي هواست و نيازمند كار فرهنگي در سطح جامعه است. برخي افراد از كاهش قدرت موتور به دليل عملكرد مبدل كاتاليست گله دارند كه بايد به آنها گفت، در صورتي كه موتور و سيستمها تنظيم باشند، مبدل كاتاليست فقط مقدار كمي بر شتاب اثر ميگذارد كه اين بها را ميبايستي همگان براي بهبود و پاكيزگي هوا پرداخت كنند. 2. نبود الزام استفاده از كاتاليست در خدمات پس از فروش و خودروهاي قديمي. با توجه به تعداد بسيار زياد خودروهاي قديمي اكثر آلودگيهاي شهرها ناشي از عملكرد اين نوع خودروهاست. سازمان محيطزيست بايد طرح اجباري شدن استفاده از مبدل كاتاليست را براي تمام خودروهاي قديمي اجرا كند تا هزينههاي دولت در اجباري كردن خودروهاي توليدي جديد، هدر نرود. 3. نبود افراد متخصص و عدم دقت در ايستگاههاي تست معاينه فني. باتوجه به اينكه خودروها، مجبور به گذراندن مراحل معاينه فني سالانه شدهاند، سازمان حفاظت از محيطزيست بايد نظارت خود را در اين ايستگاهها افزايش دهد تا احيانا تخلفي (عمدي يا سهوي) صورت نپذيرد. براي مثال، مشاهده شده است كه خودروهاي قديمي قبل از تست معاينه فني، توسط مكانيك كاملا هواخور (Lean) شدهاند، به طوريكه اگر گاز داده نشود، خاموش ميشوند. اين خودروها به معاينه فني مراجعه كرده و تست آلودگي را پاس ميكنند. سپس، با مراجعه به مكانيك به حالت معمولي تنظيم ميشوند. با توجه به اينكه كاتاليستها در محدودهاي خاص از نسبت هوا به سوخت، كار ميكنند (معمولا بين 03,0±1 شكل 8) اگر تستكننده به اين مسئله دقت كند و در زمان تست، نسبت هوا به سوخت در اين محدوده باشد، نتيجه تست هر چه كه باشد، واقعي بوده و در غير اين صورت، كاملا غلط است.آموزش مكانيك خودرو براي دقت بيشتر در تستها، پيشنهاد ميشود تست معاينه فني حداقل هر 6 ماه يكبار، انجام پذيرد. ناگفته پيداست كه براي رفع معضل آلودگيهاي هوا كه همگي در آن نقش داشتهايم، بايد دست در دست يكديگر گذاشته و از تندرستي افراد جامعه بويژه كودكان و سالخوردگان، حفاظت كنيم

نويسنده : دكتر تورج خصوصي