مبدل کاتالیستی، کاتالیزور

وظیفه، انواع و اجزا

یکی از دغدغه‌های مالکان خودرو دریافت معاینه فنی سالیانه است. در قسمت معاینه فنی بخش‌های متفاوتی مورد بررسی عملکرد قرار می‌گیرد یکی از مهم‌ترین این موارد میزان آلایندگی گازهای خروجی است. قسمت‌های مختلفی در کنترل میزان آلاینده‌های خروجی مؤثر هستند. اما شناخته‌شده‌ترین آنها مبدل کاتالیستی است. عملکرد نادرست
مبدل کاتالیستی یا به قول رایج در بازار ایران کاتالیزور خودرو از مهم‌ترین دلیل عدم کسب معاینه فنی است. مبدل کاتالیستی یکی از اجزا سیستم اگزوز خودرو است. در مقاله سیستم اگزوز مقدمه ای در مورد عملکرد این عضو به صورت بسیار ساده مواردی بیان شد. در این مقاله به بررسی انواع و عملکرد آن پرداخته خواهد شد.

مبدل کاتالیستی

همانطور که در مقدمه اشاره شد مبدل کاتالیستی یکی از مهم‌ترین اجزا سیستم اگزوز است که باهدف کاهش میزان آلاینده‌های تولیدی در موتور خودرو در این سیستم قرار داده شده است. البته بخش‌های مختلفی در مدیریت میزان آلاینده‌های خودرو فعال هستند که شکل 1 زیر سیستم‌هایی که در این مدیریت دخیل هستند را نشان می‌دهد.

شکل 1- سیستم‌های فعال در مدیریت آلایندگی

همانطور که در شکل ملاحظه می‌شود سیستم کنترل گازهای خروجی در اگزوز به‌عنوان آخرین عضو در حلقه کنترل آلاینده‌های موتورهای احتراق داخلی در خودروها مطرح است. اصلی‌ترین عضو این حلقه در سیستم اگزوز مبدل کاتالیستی است که همانطور که اشاره شد در بازار به نام مبدل کاتالیزوری یا کاتالیزور موتور یا کاتالیزور اگزوز نیز شناخته می‌شود.

تاریخچه

ایده اولیه مبدل کاتالیستی در دهه 1950 توسط یک مهندس فرانسوی با نام یوجین هادری Eugene Houdry ارائه شد و پس از تکمیل طرح، در اواسط دهه 1970 روی خودروها شروع به استفاده شد. شکل 2 نمونه برش خورده از مبدل‌های کاتالیستی اولیه را نشان می‌دهد.

شکل 2- مبدل کاتالیستی خودرو دوج 1975

گازهای خروجی ناشی از احتراق در موتور

باتوجه‌به اینکه ماده اصلی موتورهای احتراق داخلی اعم از بنزینی – دیزل و گازسوز در واقع هیدروکربن است؛ بنابراین می‌توان گازهای ناشی از فرایند احتراق را به‌صورت زیر در نظر گرفت. احتراق کامل به دلیل اینکه شرایط ایده آل در نظر گرفته می‌شود عموماً اتفاق نمی‌افتد البته تمامی سیستم‌های کنترلی به‌منظور دسترسی به حالت احتراق ایده آل و کامل طراحی می‌شوند اما دسترسی به این حالت (حداقل) فعلاً امکان‌پذیر نیست؛ بنابراین همه موتورهای احتراقی دارای واکنش احتراقی از نوع ناقص هستند. شکل 3 احتراق ناقض در موتورهای احتراق داخلی را نشان می‌دهد.

1- مولکول سوخت 2- هوا (اکسیژن+ نیتروژن) 3- دی‌اکسیدکربن 4- اکسیدها نیتروژن
5- هیدروکربن نسوخته 6- منوکسید کربن 7- کربن (دوده)
شکل 3- محصولات احتراق ناقص

همانطور که در شکل 3 مشاهده می‌شود تولیدات ناشی از احتراق ناقص در موتورهای احتراق داخلی عبارت‌اند از:
CO – منوکسید کربن
CO2 – دی‌اکسیدکربن
NOX – اسیدهای نیتروژن شامل NO- NO2- NO3
C – دوده
HC- هیدروکربن‌های نسوخته
از بین موارد ذکر شده تقریباً می‌توان گفت میزان خطرناک بودن CO2 نسبت به سایر موارد کمتر است؛ بنابراین سایر موارد باید به روشی کاهش یا تبدل به ماده دیگری شوند. در واحد مبدل کاتالیست با استفاده از کاتالیزورها و واکنش‌های شیمیایی محصولات خطرناک به محصولات با خطر کمتر یا محصولات با قابلیت کنترل بیشتر تبدیل می‌شود.

انواع مبدل‌های کاتالیستی

مبدل‌های کاتالیستی را می‌تواند به روش‌های مختلف دسته‌بندی کرد. نمودار شکل 4 نمونه‌ای از روش‌های دسته‌بندی مبدل‌های کاتالیستی را نشان می‌دهد.

شکل 4- انواع دسته‌بندی مبدل کاتالیستی

مبدل کاتالیستی دو راهه یا دومنظوره

مبدل‌های کاتالیستی دوراهه بر روی دو محصول گازهای خروجی موتور تمرکز دارد. در واقع این نوع مبدل‌ها با استفاده از فرایند اکسیداسیون باعث تبدیل هیدروکربن‌های نسوخته و منوکسید کربن به دی‌اکسیدکربن می‌شوند. شکل 5 این موضوع را نشان می‌دهد.

شکل 5- فرایند اکسیداسیون در مبدل کاتالیست دوراهه

این نوع مبدل‌ها در خودروها با موتور دیزل کاربرد بیشتری دارد. موتورهای بنزینی تا ابتدای دهد 1980 نیز از این نوع کاتالیست‌ها استفاده می‌کردند. امروزه خودروهای بنزینی/گازسوز از مبدل‌های کاتالیستی سه‌راهه استفاده می‌کنند.

این نوع مبدل‌ها در خودروها با موتور دیزل کاربرد بیشتری دارد. موتورهای بنزینی تا ابتدای دهد 1980 نیز از این نوع کاتالیست‌ها استفاده می‌کردند. امروزه خودروهای بنزینی/گازسوز از مبدل‌های کاتالیستی سه‌راهه استفاده می‌کنند.

مبدل کاتالیستی سه‌ راهه یا سه منظوره

همانطور که اشاره شد در موتورهای بنزینی استفاده از مبدل‌های کاتالیستی دوراهه منسوخ شده است. دلیل این کار اهمیت کنترل آلاینده مهم دیگری است که در مبدل دوراهه اتفاق نمی‌افتد و از اکسیدهای نیتروژن است. در واقع مبدل‌های کاتالیستی سه‌راهه توسعه‌یافته نوع ده راه‌ها هستند که یک مرحله به مراحل عملکرد آن اضافه شده است. در این مبدل‌ها با استفاده از فرایند احیا اکسیدهای نیتروژن را به نیتروژن و اکسیژن تجزیه می‌کنند. شکل 6 این فرایند را نشان می‌دهد.

شکل 6- فرایند احیا در مبدل کاتالیستی سه‌ منظوره

فرایند اکسیداسیون یا احیا فرایند کند (سرعت کم) است. برای سرعت بخشیدن به فرایند اکسیداسیون یا احیا می‌شود از کاتالیزور استفاده می‌شود. به همین دلیل است که به آن مبدل کاتالیستی می‌گویند برای این کار از عناصری مانند پلاتینیم (Pt) رودیم (Rh) و پالادیوم (Pd) استفاده می‌شود. این عناصر بسیار گران‌قیمت هستند بنابراین استفاده از آنها سبب گران‌قیمت شدن مجموعه مبدل کاتالیستی می‌شود. در بخش احیا معمولاً از ترکیب پلاتینیم و رودیم و در بخش اکسیداسیون از ترکیب پلاتینیم و پالادیوم استفاده می‌شود. شکل 7 عناصر اصلی مبدل‌های کاتالیستی را نشان می‌دهد

شکل 7- عناصر اصلی در مبدل کاتالیستی

در مبدل‌های کاتالیستی سه‌راهه ابتدا بخش احیا و سپس بخش اکسیداسیون قرار داده می‌شود. معمولاً این عناصر روی مواد دیگری به‌صورت پوشش قرار داده می‌شوند. اینکه بدنه یا قسمت زیرین عناصر اصلی چه است. نوع دیگری از دسته‌بندی را مشخص می‌کند.

مبدل‌های ساچمه‌ای

قدیمی‌ترین مبدل‌های کاتالیستی به نوع ساچمه‌ای معروف هستند. در این نوع از مبدل‌ها عناصر اصلی روی ساچمه‌هایی از جنس اکسید آلومینیوم (Al2o3) پوشش داده می‌شوند. عبور گازهای خروجی از اطراف این ساچمه‌ها سبب انجام واکنش‌هایی شیمیایی شده و گازهای خطرناک‌تر مانند NoX – CO به گازها با خطر کمتر مانند CO2 یا گازهایی ماند N2 تبدیل می‌شوند. شکل 8 نمونه‌ای از این نوع مبدل کاتالیستی را نشان می‌دهد.

شکل 8- مبدل کاتالیستی از نوع ساچمه‌ای

پس از مرور زمان این مبدل‌ها به‌صورت شکل 2 تبدیل خواهند شد. شکل 9 عبور گازها را از مصیر ساچمه‌ها نشان می‌دهد.

شکل 9- مسیر عبور گازها از مبدل ساچمه‌های

مبدل کاتالیستی فلزی

مبدل‌های فلزی از بلوک‌های فلزی برای لایه‌های زیرین عناصر اصلی استفاده می‌کنند. این لایه‌های فلزی معمولاً از اکسیدهای آلومینیوم و کرم استفاده می‌کند که توسط عناصر اصلی یعنی پلاتینیم / رودیم / پالادیم پوشش داده می‌شوند. ساختار کلی این مبدل‌ها به‌صورت لانه‌زنبوری است. شکل 10 این نوع مبدل کاتالیستی را نشان می‌دهد.

شکل 10- ساختار لانه‌زنبوری مبدل کاتالیستی از نوع فلزی

مبدل‌های کاتالیستی فلزی گران‌قیمت هستند و برای خودروهای کلاس متوسط استفاده نمی‌شوند.

مبدل کاتالیستی سرامیکی

بیشتر خودروها از مبدل‌های کاتالیستی سرامیکی استفاده می‌کنند. در این نوع مبدل‌ها عناصر اصلی روی بدنه سرامیکی پوشش داده می‌شوند. شکل 11 مبدل سرامیکی را در کنار مبدل فلزی نشان می‌دهد.

شکل 11- مقایسه مبدل سرامیکی با فلزی

باتوجه‌به اختلاف قیمت تولید سرامیک نسبت به فلز، قیمت تمام شده مبدل‌های سرامیکی کمتر از نوع فلزی است. به همین دلیل این نوع مبدل‌ها کاربرد بیشتری در خودروها دارد. خودروهای ساخت داخل از مبدل‌های کاتالیستی سرامیکی استفاده می‌کنند.