کاتالیزور

مبدل کاتالیستی (یا کاتالیزور) یک وسیله برای کنترل آلاینده‌های خروجی از اگزوز است که کمک می‌کند تا گازهای سمی و آلاینده‌های خروجی از یک موتور احتراق داخلی به آلاینده‌هایی تبدیل شوند که کمتر سمی هستند. برای این کار از واکنش‌های کاهش و اکسایش استفاده می‌شود. کاتالیزورها معمولاً برای موتورهای احتراق داخلی بنزینی یا دیزلی مورد استفاده قرار می‌گیرند - و البته برای موتورهایی با سوخت ناب و هیترها و اجاق‌های با سوخت نفت سفید نیز مورد استفاده هستند.

شبیه‌سازی جریان درون یک کاتالیزور

کاتالیزورها برای اولین بار به صورت گسترده در خودروهای بازار ایالات متحده معرفی شد. برای آن‌که بتوان قوانین سخت‌گیرانه‌ی سازمان حفاظت از محیط‌زیست ایالات متحده را رعایت نمود، بیشتر خودروهای بنزینی مدل سال 1975، مجهز به کاتالیزورها هستند. در این مبدل‌های «دو طرفه» اکسیژن با مونوکسیدکربن (CO) و هیدروکربن‌های سوخته‌نشده (C_nH_n) ترکیب می‌شوند تا دی‌اکسیدکربن (CO₂) و آب (H₂O) تولید شود. در سال 1981، مبدل‌های کاتالیزور دو راهه منسوخ شده و جای خود را به مبدل‌های «سه‌راهه‌ای» دادند که در آن‌ها مقدار اکسیدهای‌نیتروژن (NO_x) هم کاهش می‌یافت. با این حال، از مبدل‌های دوراهه هنوز هم در موتورهای سوخت ناب استفاده می‌شود. دلیل این امر هم آن است که در مبدل‌های سه‌راهه باید احتراقی غنی یا استوکیومتری وجود داشته باشد تا بتوان مقدار NO_x را به شکل موفقیت‌آمیزی کاهش داد.

هر چند از کاتالیزورها بیشتر در سیستم‌های اگزوز در خودروها استفاده می‌شود، اما از این دستگاه‌ها در ژنراتورهای برق، جرثقیل‌های چنگک‌دار، تجهیزات استخراج معدن، کامیون‌ها، اتوبوس‌ها، لوکوموتیوها، موتورسیکلت‌ها و کشتی‌ها نیز استفاده می‌شود. استفاده از این تجهیزات بیشتر به منظور رعایت قوانین دولتی، اعم از قوانین مستقیم در خصوص مقررات محیط زیست یا برای قوانین ایمنی و بهداشت است.

تاریخچه کاتالیزور

انواع مختلف کاتالیزورها برای اولین بار در فرانسه در انتهای قرن نوزدهم میلادی بر روی چند هزار خودروی نفتی جاده‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌اند؛ در این تجهیزات، یک ماده به درون دستگاه وارد می‌شود که پوششی از پلاتین، ایریدیوم و پالادیوم روی آن را پوشانده است. این مجموعه به صورت آب‌بندشده در درون یک استوانه فلزی دو جداره قرار می‌گیرد.

چند دهه بعد نیز Eugene Houdry یک کاتالیزور را اختراع و به ثبت رسانده است. او یکی از مهندسین و متخصصین فرانسوی است که در زمینه پالایش نفت کاتالیستی کار می‌کرد و در سال 1930 به ایالات متحده مهاجرت کرده است. زمانی که نتایج تحقیقات اولیه در خصوص دود در لس‌آنجلس منتشر شد، Houdry دغدغه‌ گازهای خروجی از تنوره اگزوز و آلودگی هوا را در سر داشت و بنابراین، شرکتی با نام Oxy-Catalyst تأسیس نمود. Houdry ابتدا کاتالیزورها را برای تنوزه‌ها ابداع کرد و نام آن‌ها را به اختصار “cats” گذاشت. پس از آن نیز مبدل‌های کاتالیزور را برای انباره جرثقیل‌های چنگک‌دار ابداع نمود که در آن‌ها از بنزین‌های بدون سرب و درجه پایین استفاده می‌شد. در اواسط دهه 1950 میلادی، او تحقیقات خود را آغاز نمود تا کاتالیزورها برای موتورهای بنزینی مورد استفاده در خودروها ابداع کند. او توانست اختراع خود را با شماره 2742437 به ثبت برساند.

کاتالیزورها برای اولین بار به صورت گسترده در خودروهای بازار ایالات‌متحده مورد استفاده قرار گرفت. برای آن‌که بتوان قوانین سخت‌گیرانه‌ی سازمان حفاظت از محیط زیست ایالات متحده را رعایت نمود، بیشتر خودروهای بنزینی مدل سال 1975، مجهز به کاتالیزورها هستند. در این مبدل‌های «دو طرفه» اکسیژن با مونوکسید کربن (CO) و هیدروکربن‌های سوخته‌نشده (C_nH_n) ترکیب می‌شود تا دی‌اکسید کربن (CO₂) و آب (H₂O) تولید شود. بر اساس این قوانین سخت‌گیرانه برای کنترل آلاینده‌ها، سرب‌تترااتیل که از ضربه‌ها جلوگیری می‌کند، باید از بنزین خودروها حدف شود تا میزان سرب در هوا کاهش یابد. سرب یکی از کاتالیزورهای سمی است و باعث می‌شود تا پوششی بر روی سطح کاتالیزور ایجاد شده و آن را خراب می‌کند. با وجود الزامات قانونی برای حذف سرب، از کاتالیزورها استفاده شد تا استانداردهای آلایندگی در قوانین و مقررات رعایت شوند.

در اوایل دهه 1970 میلادی، William C. Pfefferle یک سوختگاه کاتالیستی (محفظه‌ی احتراق و اجزای وابسته به آن) برای توربین‌های گازی ابداع نمود که در آن، بدون این‌که اکسیدهای نیتروژن و مونوکسیدکربن به مقدار زیاد تولید شوند، احتراق صورت می‌گرفت.

کاتالیزور با مرکز سرامیکی

ساختار کاتالیزور

ساختار کاتالیزور به صورت زیر است:

1. تکیه‌گاه یا بستر کاتالیست

در کاتالیزورها خودروها، قسمت مرکزی به صورت یک تکه‌سنگ سرامیکی به شکل لانه‌زنبوری (معمولاً مربعی یا شش ضلعی) است. (در کاتالیزورها مدل‌های اواسط دهه 1980 که در موتورهای جنرال‌موتورز به کار رفته بود، ماده‌ی کاتالیزگر بر روی یک بستر فشرده از دانه‌های آلومینیومی رسوب می‌کرد). به خصوص در مواردی که لازم باشد تا مقاومت زیادی در مقابل حرارت وجود داشته باشد، از تکه‌های محکمی از فویل فلزی و از جنس کانتال (FeCrAl) استفاده می‌شود. ساختار بستر نیز به گونه‌ای است که یک سطح بزرگ را تولید می‌کند. در بیشتر کاتالیزورها که توسط Rodney Bagley، Irwin Lachman و Ronald Lewis در شرکت Corning Glass ابداع شده است، از یک بستر سرامیکی کوردیریتی[1] استفاده شده است. این مدل از کاتالیزورها در سال 2002 در تالار مشاهیر ملّی مخترعین ارائه شده است.

2. آستر یا washcoat

آستر در واقع حاملی برای مواد کاتالیستی است که از آن برای حمل مواد بر روی سطحی بزرگ استفاده می‌شود. می‌توان از اکسیدآلومینیوم، دی‌اکسیدتیتانیوم، دی‌اکسیدسیلیکون یا مخلوطی از سیلیس و آلومینیوم برای آستر استفاده کرد. پیش از آن‌که مواد کاتالیستی به مرکز کاتالیزور وارد شوند، در آستر به صورت معلق قرار می‌گیرند. مواد آستر به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که یک سطح سخت و نامنظم تشکیل شده و مساحت این سطح نسبت به سطح نرم در بستر عریان بیشتر شود.

3. سیریا یا سیریا زیرکونیوم

این اکسیدها معمولاً به عنوان موادی برای افزایش ذخیره اکسیژن مورد استفاده قرار می‌گیرند.

4. خود کاتالیست

در بیشتر موارد به صورت مخلوطی از مواد گرانبها بوده و بیشتر، از گروه‌های پلاتین است. پلاتین، فعال‌ترین کاتالیستی است که به وفور هم از آن استفاده می‌شود، اما با توجه به این‌که این ماده واکنش‌های اضافی ناخواسته انجام می‌دهد و قیمت آن هم بسیار گران است، بنابراین استفاده از آن برای همه موارد مناسب نیست. دو عنصر گران‌بهای دیگر که از آن‌ها هم استفاده می‌شود، پالادیوم و رودیوم هستند. از رودیوم معمولاً به عنوان کاتالیست کاهش‌دهنده و از پالادیوم به عنوان کاتالیست اکسایش استفاده می‌شود. از پلاتین می‌توان هم به عنوان کاهش‌دهنده و هم به عنوان اکسیدکننده استفاده کرد. هر چند سیریوم، آهن، منگنز و نیکل دارای محدودیت‌هایی در این زمینه هستند، اما از این عناصر هم استفاده می‌شود. با توجه به این‌که نیکل با مونوکسیدکربن واکنش نشان می‌دهد و ماده‌ای سمّی به نام تتراکربونیل نیکل تشکیل می‌شود، بنابراین استفاده از نیکل در اتحادیه اروپا ممنوع اعلام شده است. از مس نیز در سرتاسر دنیا به جز کشور ژاپن می‌توان استفاده نمود.

در صورتی که کاتالیزورها خراب شوند، می‌توان آن‌ها را به قراضه تبدیل نمود و مواد گران‌بهای موجود در آن‌ها مانند پلاتین، پالادیوم و رودیوم را استخراج کرده و بازیافت نمود.

نمای برش‌خورده از یک کاتالیزور با مرکز فلزی

محل قرارگیری کاتالیزورها

برای آن‌که کاتالیزورها بتوانند عملکرد خوبی از خود نشان دهند، دما باید حدود 800 درجه فارنهایت (426 درجه سانتی‌گراد) باشد. بنابراین، این تجهیزات را تا حد ممکن در نزدیک‌ترین محل به موتور تعبیه می‌کنند یا این‌که یک یا چند کاتالیزور کوچک‌تر (که به آن‌ها “pre-cats” گفته می‌شود) را درست پس از منیفولد اگزوز قرار می‌دهند.

انواع مدل‌های کاتالیزور

مدل دو راهه

کاتالیزورها دو راهه (یا «اکسیداسیون» که گاهی به آن “oxi-cat” هم می‌گویند)، دو کار همزمان را انجام می‌دهند:

1. اکسایش مونوکسیدکربن و تبدیل آن به دی‌اکسیدکربن: 2CO + O₂ → 2CO₂
2. اکسایش هیدروکربن‌ها (سوخته‌نشده یا هیدروکربن‌هایی که بخشی از آن‌ها سوخته است) و تبدیل آن‌ها به دی‌اکسیدکربن و آب: C_xH_2x+2 + [(3x+1)/2] O₂ → x CO₂ + (x+1) H₂O (یک واکنش در احتراق)

از این نوع کاتالیزورها در موتورهای دیزلی، به وفور برای کاهش میزان آلاینده‌های هیدروکربنی و مونوکسیدکربن استفاده می‌شود. از این مدل کاتالیزورها همچنین در موتورهای بنزینی در خودورهای بازار آمریکا و کانادا نیز تا سال 1980 استفاده می‌شده است. با توجه به این‌که این مدل مبدل‌های کاتالیزوری، نمی‌توانستند اکسیدهای نیتروژن را کنترل کنند، منسوخ شده و جای خود را به مبدل‌های سه‌راهه داده‌اند.

مدل سه‌راهه

کاتالیزورها سه‌راهه، مزیت دیگری هم دارند و آن، این‌که می‌توانند میزان آلاینده‌های اکسیدنیتریک (NO) و دی‌اکسیدنیتروژن (NO₂) را نیز کنترل کنند. به هر دوی این آلاینده‌ها NO_x گفته می‌شود تا با اکسیدنیتروس (N₂O) اشتباه گرفته نشوند. وجود این مواد در هوا منجر به باران‌های اسیدی و دود می‌شود.

از سال 1981 به بعد، از کاتالیزورها سه‌راهه  (اکسایش-کاهش) در سیستم‌های کنترل آلاینده‌ها در خودروهای آمریکایی و کانادایی استفاده شده است؛ در بسیاری از کشورهای دیگر جهان نیز قوانین سخت‌گیرانه برای میزان آلاینده‌های خودرو وضع شده است که در نتیجه، استفاده از مبدل‌های سه‌راهه  در خودروهای بنزینی به صورت الزام مطرح شده است. کاتالیست‌های کاهشی و اکسایشی را معمولاً در یک محفظه‌ مشترک تعبیه می‌کنند؛ اما در برخی از موارد، ممکن است این دو را در محفظه‌های مجزای از یکدیگر قرار دهند. کاتالیزورها سه‌راهه، سه کار را به صورت همزمان انجام می‌دهند:

کاهش اکسیدهای نیتروژن و تبدیل آن‌ها به نیتروژن (N₂)

اکسایش کربن، هیدروکربن‌ها و مونوکسیدکربن و تبدیل آن‌ها به دی‌اکسیدکربن

این سه واکنش، در صورتی به بهترین شکل ممکن انجام می‌شوند که ورودی به کاتالیزور از خروجی موتوری باشد که در نقطه‌ای کمی بالاتر از نقطه‌ استوکیومتری کار می‌کند. در موتورهای بنزینی، این نسبت بین 14.6 تا 14.8 قسمت هوا به قسمت سوخت، از نظر وزنی است. این نسبت برای سوخت‌های اتوگاز (یا گاز نفتی مایع‌شده LPG)، گاز طبیعی و اتانول تا حد بسیار زیادی با یکدیگر متفاوت است. نکته قابل توجه آن‌که در سوخت‌های دارای پایه اکسیژن‌شده یا الکلی دارای e85، تقریباً مقدار سوخت باید 34 درصد بیشتر باشد و این مسأله ایجاب می‌کند که در صورت استفاده از این سوخت‌ها باید سیستم سوخت و اجزای مرتبط با آن تنظیم و اصلاح شوند. به طور کلی، در موتورهایی که در آن‌ها از کاتالیزورها سه‌راهه استفاده می‌شود، یک سیستم تزریق سوخت کامپیوتری دارای بازخورد حلقه بسته وجود دارد که در آن‌ها از یک یا چند سنسور اکسیژن استفاده می‌شود. اما در مبدل‌های سه‌راهه اولیه و قدیمی، کاربراتور موتورها از یک سیستم کنترل مخلوط دارای بازخورد استفاده می‌شد.

کاتالیزورها در صورتی بهترین عملکرد را از خود نشان می‌دهند که در باند باریکی از نسبت‌های هوا-سوخت و در نزدیکی نقطه استوکیومتری کار کنند، به طوری که ترکیب گاز خروجی از اگزوز بین حالت غلیظ (سوخت اضافی) و خالص (اکسیژن اضافی) باشد. در صورتی که موتور در حالتی خارج از این محدوده کار کند، بازدهی مبدل به سرعت کم می‌شود. وقتی که موتور در حالت خالص کار می‌کند، در خروجی اگزوز اکسیژن زیادی وجود دارد و مقدار کمتر NO_x مطلوب نیست. در شرایط پرسوخت یا غلیظ نیز تمامی اکسیژن موجود، پیش از ورود به کاتالیست مصرف شده و تنها اکسیژن ذخیره‌شده در کاتالیست است که از آن، برای اکسایش استفاده می‌شود.

با توجه به این‌که برای کاهش NO_x و اکسایش HC باید همواره تعادل وجود داشته باشد، برای آن‌که کاتالیزورها سه‌راهه بتوانند به شکل مؤثری کار کنند، لازم است که سیستم‌های حلقه بسته‌ کنترلی برای آن‌ها تعبیه شود. هدف از این سیستم کنترلی، پیشگیری از اکسایش کامل کاتالیستی است که NO_x را کاهش می‌دهد. همچنین، مواد ذخیره اکسیژن نیز مجدداً پر می‌شوند تا عملکرد کاتالیست اکسایش همچنان برقرار باقی بماند.

مبدل‌های کاتالیست سه‌راهه می‌توانند اکسیژن خروجی از جریان گاز اگزوز را ذخیره کنند و این موضوع، معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که نسبت هوا-سوخت خالص باشد. در صورتی که اکسیژن کافی در جریان اگزوز وجود نداشته باشد، مقدار اکسیژن ذخیره‌شده آزاد و مصرف می‌شود. در صورتی که اکسیژن گرفته‌شد از فرآیند کاهش NO_x کافی نباشد یا در صورتی که مخلوط هوا و سوخت به واسطه انجام مانورهایی مانند شتاب شدید به قدری غلیظ شود که دیگر، مبدل نتواند اکسیژن کافی را تأمین کند، در هر دو صورت اکسیژن کافی وجود نخواهد داشت.

کاتالیزور سه‌راهه  به کار رفته در یک Dodge Ram بنزینی مدل 1996

واکنش‌های نامطلوب کاتالیزور

واکنش‌های نامطلوب باعث می‌شوند تا سولفید هیدروژن و آمونیاک تولید شده و محیط کاتالیست سمّی شود. گاهی نیکل یا منگنز را به آستر اضافه می‌نمایند تا میزان آلاینده‌های سولفید هیدروژن کنترل شود. سوخت‌های بدون گوگرد یا سوخت‌هایی که میزان گوگرد در آن‌ها کم است، با سولفید هیدروژن مشکلی ندارند یا فقط مشکلات کمی با آن دارند.

استفاده از کاتالیزور در موتورهای دیزلی

پر استفاده‌ترین کاتالیزور در موتورهای احتراقی-اشتعالی (مانند موتورهای دیزلی)، کاتالیست اکسایش دیزل (DOC) است. کاتالیست‌های اکسایش دیزل (DOC) حاوی پالادیوم و یا دارای پلاتین بر روی آلومینیوم هستند.

در این کاتالیزورها، مواد خرده و ریزه، هیدروکربن‌ها و مونوکسیدکربن به دی‌اکسیدکربن و آب تبدیل می‌شوند. بازده این مبدل‌ها معمولاً در حدود 90 درصد است و تقریباً هیچ بوی دیزلی از آن‌ها به مشام نمی‌رسد. این مبدل‌ها همچنین کمک می‌کنند تا ذرات ریز هم دیده نشوند. این مبدل‌ها برای NO_xها چندان کاری نمی‌کنند.

با اضافه‌نمودن گازهای خروجی اگزوز به هوای ورودی، موضوع آلاینده‌های NO_x در موتورهای احتراقی-اشتعالی حل و فصل شده است. به این کار، چرخش مجدد گاز خروجی اگزوز (EGR) گفته می‌شود.

در سال 2010 میلادی، تولیدکنندگان موتورهای دیزلی سبک در ایالات‌متحده از سیستم‌های کاتالیستی در خودروهای خود استفاده نمودند تا بتوانند الزامات مربوط به قوانین دولتی برای آلاینده‌ها را رعایت کنند.

از دو روش به منظور کاهش آلاینده‌های NO_x در کاتالیست‌ها در شرایط خالص اگزوز استفاده شده است که عبارتند از: کاهش انتخابی کاتالیست (SCR) و استفاده از جاذب‌های NO_x.

بیشتر تولیدکننده‌ها به جای آن‌که از جاذب‌های حاوی فلزات برای جذب NO_x استفاده کنند، از سیستم‌های SCR با پایه فلزی استفاده کردند. در این سیستم‌ها از یک ماده شناساگر مانند آمونیاک به منظور کاهش NO_x و تبدیل آن به  استفاده می‌شود. با تزریق اوره به داخل اگزوز، آمونیاک به سیستم وارد می‌شود و سپس، تجزیه حرارتی و هیدرولیز در آمونیاک انجام می‌شود. به این روش اوره همچنین، سیال خروجی دیزل (DEF) هم گفته می‌شود.

در خروجی موتورهای دیزل، مقادیر نسبتاً زیادی از PM نیز وجود دارد. کاتالیزورها صرفاً 20 تا 40 درصد از PM را از بین می‌برند، به طوری که ذرات موجود به وسیله یک تله دوده یا فیلتر ذرات دیزل (DPF) تمیز می‌شوند. در کشور ایالات متحده، تمامی خودروهای سبک جاده‌ای، خودروهای متوسط و سنگین که دارای موتورهای دیزلی هستند و پس از تاریخ 1 ژانویه سال 2007 تولید شده‌اند، باید مقررات مربوط به ذرات آلاینده دیزلی را رعایت کنند. این بدان معنا است که این خودروها باید مجهز به کاتالیزورها دو راهه و فیلتر ذرات دیزل باشند. خودروهایی که پیش از تاریخ 1 ژانویه سال 2007 تولید شده‌اند، دارای سیستم DPF نیستند. این مسأله باعث شد تا موجودی موتورهایی که در اواخر سال 2006 تولید شده بودند، زیاد شود و بنابراین خودروهای داری PDF قبلی، تا سال 2007 نیز فروخته می‌شد.

موتورهای اشتعال جرقه‌ای با سوخت خالص

در موتورهای اشتعال جرقه‌ای با سوخت خالص، از کاتالیست اکسایش به همان شکل موتورهای دیزلی استفاده می‌شود. آلاینده‌های خروجی از موتورهای اشتعال جرقه‌ای بسیار شبیه به همان آلاینده‌های خروجی از موتورهای اشتعال تراکمی دیزلی است.

نصب کاتالیزور

در بسیاری از خودروهایی که در آن‌ها از کاتالیزور بسته جفتی استفاده شده است، این کاتالیست‌ها را در نزدیکی منیفولد اگزوز تعبیه می‌کنند. با توجه به این‌که مبدل در معرض گازهای بسیار داغ اگزوز قرار دارد، بنابراین به سرعت گرم می‌شود و می‌تواند آلاینده‌های نامطلوبی که در حین گرم‌شدن خودرو به وجود می‌آیند را از بین ببرد. برای این کار، هیدروکربن‌های اضافی می‌سوزند. این هیدروکربن‌ها به خاطر وجود مخلوط‌های بسیار غلیظی به وجود آمده‌اند که برای استارت در زمان سرد بودن لازم بوده است.

زمانی که برای اولین بار، کاتالیزورها به بازار آمدند، خودروها بیشتر کابراتوری بودند و نسبت هوا-سوخت در آن‌ها نسبتاً زیاد بود. بنابراین، مقدار اکسیژن (O₂) موجود در جریان اگزوز معمولاً به قدری نبود که امکان انجام واکنش به اندازه‌ کافی برای کاتالیست وجود داشته باشد. بنابراین، در بیشتر مدل‌های آن زمان، از تزریق ثانویه برای سوخت استفاده می‌شد، به طوری که هوا به داخل جریان اگزوز تزریق می‌شد. این کار باعث می‌شد تا مقدار اکسیژن موجود افزایش یابد و کاتالیست به درستی کار کند.

در برخی از سیستم‌های کاتالیزور سه‌راهه نیز سیستم‌های تزریق هوا وجود دارند. در این مدل‌ها، هوا در بین مراحل اول (کاهش NO_x) و دوم (اکسایش HC و CO) تزریق می‌شود. درست همان‌گونه که در مبدل‌های دو راهه هم مشاهده می‌شود، این هوای تزریق‌شده، اکسیژن لازم برای واکنش‌های اکسایش را فراهم می‌نماید. در برخی موارد، همچنین نقطه تزریق هوا رو به بالا، در جلوی کاتالیزور نیز تعبیه شده است که فقط در حین گرم‌شدن موتور، اکسیژن اضافی را برای آن تأمین می‌نماید. این کار باعث می‌شود تا سوختی که سوخته نشده است، در مسیر اگزوز بسوزد و به هیچ وجه به کاتالیزور نرسد. با این روش، زمان کارکرد موتور که برای رسیدن کاتالیزور به حالت «خاموش» یا رسیدن به دمای کاری لازم است، کاهش یابد.

در خودروهای جدیدتر سیستم‌های تزریق سوخت برقی وجود دارد و بنابراین، دیگر نیازی به استفاده از سیستم‌های تزریق هوا در اگزوز آن‌ها وجود ندارد. به جای این کار، در این مدل‌ها مخلوط هوا-سوخت به صورت دقیق کنترل می‌شوند، به طوری که چرخه‌های سریع و پیوسته‌ای بین احتراق خالص و غلیظ به وجود می‌آید. سنسورهای اکسیژن نیز مقدار اکسیژن در اگزوز را پیش و پس از کاتالیزور اندازه‌گیری می‌کنند. واحد کنترل موتور از این اطلاعات به منظور تنظیم تزریق سوخت استفاده می‌کنند تا مقدار بار اکسیژن در کاتالیست اول (کاهش NO_x) بیش از اندازه معمول نشود. در عین حال، تضمین می‌شود که دومین کاتالیست (اکسایش HC و CO) نیز به اندازه کافی از اکسیژن اشباع شده‌اند.

آسیب کاتالیزور

در صورتی که مبدل کاتالیست در معرض گازهای خروجی‌ای قرار داشته باشد که سطوح کاری آن را بپوشانند و نتواند با اگزوز در تماس بوده و واکنش نشان دهد، سمی می‌شود. مهم‌ترین ماده آلاینده سرب است. بنابراین، خودروهایی که مجهز به کاتالیزورها هستند، صرفاً می‌توانند با سوخت‌های بدون سرب کار کنند. سایر مواد سمی موجود در کاتالیست هم گوگرد، منگنز (که اساساً به خاطر اضافه‌کردن MMT به بنزین به وجود می‌آید) و سیلیکون هستند. در صورتی که موتور نشتی داشته باشد و ماده خنک‌کاری به درون محفظه احتراق وارد شود، مواد نام‌برده می‌توانند به جریان اگزوز وارد شوند. هر چند دیگر از فسفر در بنزین‌ها استفاده نمی‌شود، اما از این ماده (و روی که یکی دیگر از آلاینده‌های کم‌مقدار در کاتالیست‌ها است)، به وفور در مواد افزودنی ضدخوردگی در روغن موتور استفاده می‌شود که از جمله این مواد می‌توان به دی‌تیوفسفات (ZDDP) اشاره نمود. از سال 2004 به بعد، مقرراتی در API SM و ILSAC GF-4 برای حدود مجاز فسفر در روغن‌های موتور تعیین شده است.

بسته به نوع آلاینده، گاهی می‌توان با کار کردن موتور در شرایط بار بسیار سنگین برای مدت بیشتر، از سمی‌شدن کاتالیست جلوگیری کرد و آن را برگرداند. در برخی از موارد نیز می‌توان دمای اگزوز را زیاد کرد تا آلاینده‌های موجود تبخیر شده یا پالایش شوند و از سطح کاتالیست جدا شوند. اما با توجه به این‌که نقطه جوش سرب بالا است، معمولاً از بین بردن رسوب سرب‌ها به این شیوه امکان‌پذیر نیست.

هرگونه شرایطی که باعث شود تا مقادیر زیادی از هیدروکربن‌های سوخته‌نشده (سوخت یا روغن‌های خام یا کاملاً سوخته‌نشده)  به مبدل برسند، معمولاً منجر به افزایش دمای آن می‌شوند. در این صورت، بستر ممکن است ذوب شده، کاتالیست غیرفعال شده و مقدار خروجی از اگزوز واقعاً محدود شود. از جمله این شرایط می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: خرابی در اجزایی که جریان رو به بالا را در سیستم اگزوز ایجاد می‌کنند (مانند مجموعه منیفولد یا بالادستی و گیره‌های همراه با آن‌ها که در معرض زنگ‌زدگی یا خوردگی و یا خستگی قرار دارند، مثلاً این‌که ممکن است پس از چرخه‌های تکراری دما، منیفولد اگزوز جدا شود)؛ آسیب به سیستم اشتعال مانند مجموعه کویل و یا اجزای اصلی در سیستم سوخت (مانند دریچه توزیع‌کننده، رگولاتور فشار سوخت و سنسورهای مربوط به آن‌ها). نشتی روغن و یا ماده خنک‌کاری که ممکن است به واسطه نشتی از آب‌بند سرسیلندر به وجود آید نیز می‌تواند منجر به تولید هیدروکربن‌های سوخته‌نشده زیاد شود. از سال 2006 به بعد (در ایالات متحده)، 10 درصد اتانول به بنزین‌ها اضافه می‌کنند. سوخت‌های حاوی اتانول می‌توانند مقادیر زیادی از آب را در خود حل کنند و احتمالاً حاوی یون‌های خورنده و ترکیبات اسیدی هستند که به اجزای سیستم سوخت وارد می‌شوند. اتانول، خود نیز در صورت وجود آب توسط استوباکترها خورده شده و اسید استیک تولید می‌شود که خورندگی دارد. این عوامل منجر به خوردگی در اجزای سیستم سوخت و همچنین، مقادیر غیرعادی و زیاد در نسبت هوا سوخت می‌شوند.

مقررات مربوط به کاتالیزورها

مقررات مربوط به آلاینده‌ها در دادگاه‌های مختلف با هم متفاوت هستند. از سال 1975 میلادی به بعد، بیشتر موتورهای اشتعال با جرقه در آمریکای شمالی مجهز به کاتالیزورها شده‌اند و بیشتر فناوری‌های مورد استفاده در وسایل غیرخودرویی نیز معمولاً مشابه با همان فناوری‌های خوردویی است. در بسیاری از دادگاه، برداشتن یا غیر فعال‌کردن کاتالیزورها به هر دلیل غیر مجاز است، مگر آن‌که بخواهید آن را بلافاصله تعویض کنید. با این وجود، بعضی از مالکین خودروها کاتالیزورها خودروی خود را بر می‌دارند یا دل و روده‌ آن را خارج می‌کنند. در این‌گونه موارد، معمولاً یک لوله‌ معمولی یا یک «لوله تست» دارای فلنج را در درون آن جوش داده یا قرار می‌دهند. این کار به ظاهر به این معنا است که تست می‌کنند تا مشخص شود که موتور با مبدل یا بدون وجود مبدل به چه صورتی کار می‌کند و آیا مسدود می‌شود یا خیر. با این کار می‌توان مبدل را به صورت موقت نصب نمود تا خودرو بتواند تست آلاینده‌های خود را پاس کند.

در کشور ایالات متحده، بر اساس بند 203(a)(3)(A) از اصلاحیه سال 1990 برای قانون هوای پاک، هیچ تعمیرگاهی حق ندارد که مبدل را از روی خودرو باز کند یا دلیلی برای بازکردن آن از روی خودرو بیاورد، مگر آن‌که بخواهد آن را عوض کند. بر اساس بند 203(a)(3)(B) نیز هیچ شخصی اجازه ندارد که قطعه‌ای را بفروشد یا نصب کند که سیستم‌ها، دستگاه‌ها یا اجزای طراحی‌شده برای کنترل آلاینده‌ها را دور بزند، از کار بیندازد یا غیر فعال کند. خودروهایی که کاتالیزورها در آن‌ها به درستی کار نکنند، نمی‌توانند در بازرسی‌های مربوط به آلاینده‌ها قبول شوند. در بازارهای لوازم یدکی خودرو، مبدل‌های جریان بالایی برای خودروهای مجهز به موتورهای ارتقایافته یا برای خودروهایی که مالکین آن‌ها قصد دارند تا سیستم اگزوز خودروی آن‌ها بزرگ‌تر از ظرفیت معمول باشد، یافت می‌شود.

تأثیرکاتالیزور خراب بر جریان اگزوز

کاتالیزورها خراب یا حتی مدل‌های قدیمی‌تر این تجهیزات باعث می‌شوند تا جریان خروجی از اگزوز کم شده و بنابراین، عملکرد خودرو کاهش یافته و میزان مصرف سوخت آن بالاتر می‌رود. مبدل‌های جدیدتر، اما جریان اگزوز را کم نمی‌کنند. به عنوان مثال، یکی از تست‌هایی که در سال 2006 بر روی خودروی هوندا سیویک مدل 1999 انجام شده است، نشان می‌دهد که باز کردن کاتالیزور از روی خودرو صرفاً 3 درصد قدرت اسب بخار خودرو را افزایش داده است؛ همچنین، در صورتی که از مبدل‌های دارای مرکز فلزی استفاده شود، در مقایسه با حالتی که مبدل اصلاً وجود نداشته باشد، صرفاً 1 درصد اسب بخار کم می‌شود.

خطرات کاتالیزورها

در موتورهای کابراتوری قبل از سال 1981 که در آن‌ها سیستم کنترل مخلوط هوا-سوخت با بازخورد برای ECU هم وجود ندارد، مقدار سوخت بسیار زیادی به موتور وارد می‌شود که باعث می‌شود تا کاتالیزور بیش از اندازه داغ شود و احتمالاً موادی در زیر خودرو مشتعل شده و شعله دیده می‌شود.

مدت زمان گرم‌شدن کاتالیزور

در خودروهای مجهز به کاتالیزورها، بیشتر مقدار آلاینده‌های محیطی در همان پنج دقیقه اول از کارکرد موتور منتشر می‌شوند؛ مثلاً پیش از آن‌که مبدل کاتالیزوری به اندازه کافی گرم شده و بتواند به شکل مؤثر کار کند.

در سال 1995 میلادی، آلپینا کاتالیستی را معرفی نمود که به صورت برقی گرم می‌شد. از این کاتالیست که “E-KAT” نام داشت، مدل Alpina's B12 5,7 E-KAT در BMW 750i استفاده شد. در این مدل، کویل‌های حرارتی در درون مجموعه کاتالیزور تعبیه شده‌اند که پس از روشن‌شدن موتور، برق به آن‌ها وارد می‌شود. بدین ترتیب، این کاتالیست‌ها به سرعت به دمای کاری خود می‌رسند و خودرو می‌تواند با میزان آلاینده‌های کم (LEV) کار کند. پس از آن نیز شرکت BMW از کاتالیست حرارتی مشابهی برای مدل 750i سال 1999 خود استفاده کرد که با همکاری شرکت‌های امیتک، آلپینا و BMW ساخته شده بود.

در برخی از خودروها نیز یک پیش‌کاتالیزور (pre-cat) وجود دارد. این وسیله در واقع یک کاتالیزور کوچک است که به سمت بالای کاتالیزور اصلی قرار می‌گیرد که در زمان روشن‌شدن خودرو سریع‌تر گرم می‌شود و باعث می‌شود تا میزان آلاینده‌های ناشی از روشن‌شدن سرد کاهش یابند. سازندگانی که قصد دارند تا به امتیاز بسیار بالایی از نظر کاهش در میزان آلاینده‌ها دست یابند (ULEV)، مانند تویوتا MR2 روداستار، معمولاً از این پیش‌کاتالیزورها استفاده می‌کنند.

اثرات زیست محیطی

ثابت شده است که مبدل‌های حرارتی، تجهیزاتی قابل اطمینان و مؤثر در کاهش میزان آلاینده‌های سمی در لوله اگزوز هستند. اما این وسایل در عمل دارای مشکلاتی هم بوده و اثراتی نامطلوبی بر محیط زیست هم دارند:

• موتورهایی که مجهز به کاتالیست‌های سه‌راهه هستند، در نقطه استوکیومتری کار می‌کنند و این بدان معنا است که سوخت بیشتری در مقایسه با موتورهای دارای سوخت خالص مصرف می‌شود. بدین ترتیب، میزان آلاینده‌های CO₂ در این خودروها در حدود 10 درصد بیشتر است.
• در کاتالیزورها باید از پالادیوم یا پلاتین استفاده شود؛ بخشی از این مواد گرانبها توسط شرکت Norilsk در روسیه تولید می‌شود و همین مسأله باعث شده است تاNorilsk در این صنعت به فهرستی از مشهورترین مکان‌ها جهان از نظر مجله Time تبدیل شود.
• قطعات به کار رفته در کاتالیزورها و حتی دمای بیش از حد در خود مبدل‌ها ممکن است منجر به آتش‌سوزی، به ویژه در محل‌های خشک شوند.

سرقت کاتالیزور

با توجه به این‌که کاتالیزورها در قسمت بیرونی موتور قرار می‌گیرند و حاوی مواد گرانبهایی همچون پلاتین، پالادیوم و رودیوم هستند، همواره در معرض سرقت قرار دارند. این مشکل به ویژه در کامیون‌های مدل جدید و خودروهای شاسی‌بلند (SUV) مرسوم است. خودروهایی که روی آن‌ها هم جوش داده شده است، ممکن است سرقت شوند، زیرا به آسانی می‌توان آن‌ها را برید. برخی از سارقین از دستگاه‌های برش لوله برای جدا کردن مبدل‌ها استفاده می‌کنند، اما برخی دیگر از ابزارهای قابل حملی مانند اره‌های آهن‌بر استفاده می‌کنند که در نتیجه منجر به آسیب‌دیدن قسمت‌هایی از خودرو مانند دینام، سیم‌کشی‌ها یا خطوط انتقال سوخت شده و عواقب خطرناکی در پی خواهند داشت. افزایش قیمت فلزات در دوره رونق دهه 2000 میلادی در ایالات متحده باعث افزایش در تعداد سرقت این مبدل‌ها شد و همچنین، قیمت تعویض آن‌ها به 1000 دلار رسید. همچنین، در صورتی که سارقین در حین سرقت به قسمت‌های دیگر خودرو نیز آسیب می‌رساندند، این عدد بیش از این هم می‌شد که معمولاً خیلی هم بیشتر بود.

در سال‌های 2019 و 2020 نیز در کشور ایالات متحده، سارقین بیشتر خودروهای هیبریدی مدل‌های قدیمی‌تر را هدف خود قرار دادند، زیرا ارزش قراضه‌های این قطعات به واسطه اجزای نایاب آن‌ها در سطح زمین افزایش یافت. این امر باعث شد تا قطعات تعویضی نایاب شده و مردم مجبور بودند تا مدت زمان زیادی را برای دریافت این قطعات و تعویض آن‌ها صرف کنند.

عیب‌یابی کاتالیزور

بر اساس بسیاری از قوانین مختلف، اکنون الزام شده است که در خودروها باید ابزار تشخیص روی خودرو وجود داشته باشند که بتوانند عملکرد و شرایط سیستم کنترلی آلاینده‌ها و از جمله کاتالیزور را پایش کنند. سیستم‌های تشخیصی OBD-II به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در صورتی که شرایط احتراق مناسب نباشد، چراغ چک روی داشبورد روشن می‌شود. در صورتی که شرایط نامناسب به قدری وخیم شود که بتواند به کاتالیزور آسیب برساند هم این چراغ چشمک‌زن می‌شود.

سیستم‌های تشخیصی شکل‌های مختلفی دارند.

از سنسورهای دمایی به دو منظور استفاده می‌شود. اولین هدف از این سیستم‌ها همان هشدار است که معمولاً برای کاتالیزورها دو راهه، مانند مبدل‌هایی که هنوز هم در بعضی از جرثقیل‌های چنگک‌دار LPG مورد استفاده قرار می‌گیرد، در نظر گرفته می‌شود. کارکرد این سنسورها، هشدار برای دمای کاتالیزور است که در صورتی که دما از حد ایمنی 750 درجه سلسیوس (1380 °F) بالاتر رود، هشدار می‌دهد. مدل‌های جدید کاتالیزورها در معرض آسیب‌های دمایی قرار ندارند و می‌توانند دماهای بالایی تا 900 °C (1,650 °F) را نیز تحمل کنند. از سنسورهای دما همچنین برای پایش عملکرد کاتالیست نیز استفاده می‌شود: معمولاً از دو سنسور استفاده می‌شود که قبل و بعد از کاتالیست قرار می‌گیرند. این سنسورها می‌توانند افزایش دما در مرکز کاتالیزور را اندازه‌گیری کنند.

سنسور اکسیژن، اصلی‌ترین سیستم کنترلی حلقه بسته در یک موتور احتراق با جرقه و دارای سوخت غلیظ به حساب می‌آید؛ همچنین، از این سنسور به منظور تشخیص هم استفاده می‌شود. در خودروهای مجهز به OBD-II، یک سنسور دوم هر پس از کاتالیزور قرار می‌دهند تا مقدار O₂ اندازه‌گیری شود. مقادیر O₂ به منظور پایش بازده در فرآیند سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرد. ECU موتور مقادیر این دو سنسور را با هم مقایسه می‌نماید. مقادیر خوانده‌شده بر اساس مقادیر ولتاژ هستند. در صورتی که مقادیر خوانده‌شده از این دو سنسور با هم برابر باشند یا در صورتی که O₂ عقبی سوئیچ کند، کامپیوتر این مورد را چنین تشخیص می‌دهد که کاتالیزور درست کار نمی‌کند یا از روی خودرو باز شده است. در نتیجه، یک چراغ روشن می‌شود و نشان می‌دهد که بر روی عملکرد موتور تأثیر گذاشته شده است. «شبیه‌سازهای سنسور اکسیژن» نیز ابداع شده‌اند که می‌توانند با شبیه‌سازی تغییرات در مدل‌های کاتالیستی بر اساس طرح‌ها و دستگاه‌های از پیش‌مونتاژشده موجود بر روی اینترنت، مشکل را برطرف کنند. هر چند استفاده از این شبیه‌سازی‌ها برای جاده مجاز نیست، اما برای مخلوط‌های مختلف از آن‌ها استفاده شده است. دستگاه‌های مشابه دیگری هم وجود دارند که سیگنال‌های سنسور را آفست می‌کنند و امکان کارکرد موتور با مقادیر اقتصادی‌تر و خالص‌تر را فراهم می‌آورند، اما به موتور یا به کاتالیزور آسیب می‌رسانند.

سنسورهای NO_x بسیار گران هستند و معمولاً از آن‌ها صرفاً زمانی استفاده می‌شود که در موتور تراکمی-احتراقی از مبدل انتخابی کاهش کاتالیستی (SCR) یا جاذب NO_x در سیستم بازخورد استفاده شده باشد. در صورت کاربرد، ممکن است از یک یا دو سنسور در سیستم SCR استفاده شود. در صورتی که از یک سنسور استفاده شود، آن را قبل از کاتالیزور قرار می‌دهند؛ در صورتی که از دو سنسور استفاده شده باشد، دومین سنسور نیز بعد از کاتالیزور قرار می‌گیرد. هر دوی این سنسورها به دلایل و شیوه‌ای مشابه با سنسورهای اکسیژن به کار می‌روند؛ تنها تفاوت این دو نوع سنسور، همان ماده‌ای است که این سنسورها پایش می‌کنند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در خصوص خرید لوازم یدکی کیا و لوازم یدکی هیوندای می توانید از طریق وب سایت با مراجعه به صفحه تماس با ما می توانید با کارشناسان ما در ارتباط باشید.

[1]سیلیکات منیزیم و آلومینیم (Mg2Al4Si5O18) که دارای قدری آهن هم هست.