مبدل های کاتالیتیکی

میلیون ها خودرو در سرتاسر جهان در حال تردد می باشند که هر کدام به عنوا ن یک منبع آلودگی بشمار می روند .این مورد ، خصوصاَ در شهرهای بزرگتر به عنوان مسئله بزرگی و بصورت لاینحل از زمان های قدیم مورد بحث بوده است .جهت حل این مشکل ، قوانینی به مرحله اجرا در آمده است که مقادیر آلاینده خروجی از سیستم اگزوز خودروها را تحت کنترل در آورده و محدود کرده است . به همین منظور ،کارخانجات خودروسازی ، سیستم های پالایش کننده ای را جهت کنترل مقادیر آلاینده خروجی از سیستم های موتور و سوخت رسانی تهیه و مورد بهره برداری قرار داده اند .

در سال 1970 ، دولت آمریکا پس از آنکه گزارش آژانس کنترل آلودگی هوای کالیفرنیا را بررسی کرد ، اصلاحیه هوای تمیز 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 1975 قوانینی 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 1993 مورد 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 نیاز جهت سوخته شدن در سیلندر را کنترل می کنند . این موتورها ، نسبت هوا به سوخت را در حدود مقدار استوکیومتریک 7/14 به 1 ثابت نگهداشته که این نسبت ، مقدار 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 7/14 واحد اکسیژن می باشد نسبت مخلوط ، در عمل و بستگی به شرایط رانندگی ، اندکی متفاوت می باشد . گاهی اوقات نسبت مخلوط را فقیر می نامند که نشانگر مقدار کم سوخت ( نسبت هوا به سوخت بزرگتر از7/14 ) و در مواردی نسبت مخلوط را غنی می نامند که نشانگر مقدار زیاد سوخت (نسبت هوا به سوخت کوچکتر از7/14 ) می باشد .

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

اکثر خودروهای مدرن امروزی ، مجهز به مبدل های کاتالیتیکی سه راهه

( Three – Way Catalytic Converter ) می باشند .

مفهوم سه راهه ، اشاره به سه آلاینده اساسی تولید شده توسط موتور خودروها دارد که توسط این مبدل ها مورد، ( CO ) پالایش قرار می گیرند ( مونوکسید کربن اکسیدهای نیتروژن ، ( VOCs ) هیدروکربن ها

. ( ( NOX )

مبدل کاتالیتیکی از دو نوع کاتالیست جهت پالایش آلاینده ها استفاده می کند : کاتالیست کاهش دهنده  آلودگی ( Reduction Catalyst ) کاتالیست اکسید کننده ( Oxidazation Catalyst ) هر دو نوع از کاتالیست ها ، از یک ساختمان سرامیکی با پوشش فلزی که معمولاً از پلاتین ، رودیوم و پالادیوم می باشند ،

تشکیل شده است . در مدل های جدید کاتالیست ، از ساختمانی از کاتالیست ها استفاده می گردد که بیشترین سطح تماس را با جریان گازهای خروجی از اگزوز داشته باشد ( زیرا فلزات فوق الذکر بسیار گران قیمت می باشند . )

دو نوع ساختمان مختلف در ساخت کاتالیست وجود دارد:

1. ساختمان لانه زنبوری
2. ساختمان دانه های سرامیکی

اکثر کاتالیست خودروهای مدرن امروزی از ساختمان لانه زنبوری در کاتالیست استفاده می کنند .

کاتالیست کاهش دهنده آلودگی

عملکرد کاتالیست کاهش دهنده ، اولین مرحله پالایش توسط مبدل های کاتالیتیکی می باشد . این نوع

کاتالیست با استفاده از پلاتین و رودیوم ، مقادیر اکسیدهای نیتروژن ( NOX ) را کاهش می دهد  هنگامی که مولکول های ( NO )یا (NO2) به کاتالیست برخورد می کنند ، نیتروژن خود را از دست می دهند ( نیتروژن موجود جذب کاتالیست می شود ) و اکسیژن باقیمانده به شکل (O2) از کاتالیست خارج می شود . نیتروژن جذب شده توسط کاتالیست با سایر مولکول های نیتروژن موجود در کاتالیست ترکیب شده و به شکل مولکول N2 در می آید

کاتالیست اکسید کننده

 عملکرد کاتالیست اکسید کننده ، دومین مرحله از پالایش توسط مبدل های کاتالیتیکی می باشد . این نوع کاتالیست مقادیر هیدروکربن های نسوخته و مونو کسید کربن را با سوزاندن ( اکسید کردن ) آنها توسط عبور دادن آنها از صفحات کاتالیست پلاتین و پالادیوم ، کاهش می دهد . این نوع کاتالیست مولکول های CO هیدروکربن ها را با اکسیژن باقیماند ه در گازهای خروجی ترکیب می کند.

کاتالیست با ساختمان لانه زنبوری

کاتالیست با دانه های سرامیکی

سیستم کنترل

سومین مرحله از پالایش آلاینده ها ، کنترل جریان گازهای خروجی جهت کنترل سیستم پاشش

سوخت می باشد . یک سنسور اکسیژن در قسمت بالای مبدل کاتالیتیکی قرار دارد که موقعیت مبدل کاتالیتیکی نسبت به موتور می باشد . این سنسور اطلاعات اکسیژن موجود در گازهای خروجی را به واحد کنترل الکترونیکی خودرو انتقال می دهد واحد کنترل الکترونیکی موتور با استفاده از این اطلاعات ، مقدار افزایش یا کاهش اکسیژن را با تنظیم نسبت مخلوط هوا به سوخت مشخص می نماید . این کنترل مقدا ر هوا ، کارکرد موتور در شرایط نزدیک به مقدار استوکیومتریک را تضمین می نماید ، هم چنین مقدار بهینه اکسیژن در گازهای خروجی را جهت انجام عمل اکسیداسیون کاتالیست جهت سوزاندن هیدروکربن های نسوخته و مونوکسیدکربن ، مشخص و تأمین می نماید .

منبع : سایپا یدک (اداره فنی و مهندسی )