کاتالیست یا کاتالیزور

مبدلهای كاتالیستی از دهه 70 با هدف كاهش آلودگی هوا، بر سر راه خروجی موتورهای بنزینی نصب شدهاند. جدیدترین و مرسومترین نوع آنها، مبدلهای سه راهه هستند كه اولین نوع آنها در 1976 در امریكا برای موتورهای بنزینی اجباری شد.
علت انتخاب نام سه راهه برای این مبدلها آن است كه برای كاهش همزمان سه نوع گاز سمی و آلاینده هوا شامل: مونوكسیدكربن (CO)، هیدروكربنهای حاصل از احتراق ناقص (HC) و اكسید نیتروژن (NOX) و تبدیل آنها به گازهای غیرسمی بخار آب (H2O)، نیتروژن (N2) و دیاكسید كربن ((CO2، مورداستفاده قرار میگیرند (شكل 1).

شكل 1: مبدل كاتالیستی و گازهای ورودی و خروجی

انواع مبدلهای كاتالیستی براساس نوع جنس
كاتالیستها براساس نوع جنس به سه نوع عمده: گلوله ای2 ، سرامیكی3 و فلزی تقسیم میشوند. اولین نوع مبدلهای كاتالیستی، گلولهای بودند كه از كرههای پرسوراخ آلومینا (AL2O3) كه فلزات گرانبها (PM) در داخل آنها كاشته شده بود، تشكیل میشدند (شكل 2). قطر این گلولهها بین 10/1 تا 8/1 اینچ بود كه درون محفظهای فلزی، زیر خودروها قرار میگرفتند. این نوع مبدلها برای موتورهای با حجم زیاد، سرعت پایین و دمای پایین، همچون كامیونها استفاده میشدند.

شكل 2: مبدلهای كاتالیستی گلوله ای

كاتالیستهای نوع دوم، از دیواره های نازك سرامیكی لانه زنبوری4 تشكیل یافته و مونولیتهای سرامیكی هستند. این دیواره ها، محل نشستن فلزات گرانبها نیستند (شكل 3). بلكه فلزات گرانبها برای داشتن سطوح تماس بیشتر بر روی لایه خارجی به نام washcoat قرار میگیرند كه این لایه، شامل اكسید فلزات (BMO) همچون آلومینا (Al2o3) و سریا ((CeO2 است (شكل 4).

شكل 3: مبدلهای كاتالیستی سرامیكی

شكل 4: مشخصات لایه washcoat و چگونگی تعامل فلزات گرانبها و اكسید فلزات

ساختمان اصلی كاتالیستهای سرامیكی معمولا از طریق اكستروژن ماده سرامیكی كوردریت5 2.Al2O3-5.SiO2-2.MgO ساخته میشود.
كاتالیست نوع سوم كه كمتر از نوع دوم مورد استفاده قرار میگیرد، مونولیتهای نوع فلزی است كه از آلیاژ فلزات با مقاومت حرارتی بالا تشكیل یافته است. مونولیتهای فلزی نیز مانند سرامیكی، از سوراخهای بسیاری تشكیل شده كه از ورق های فنری مانند فرم یافته كنار هم ساخته میشوند (شكل 5).

شكل 5: م كاتالیستی فلزی

مزایای كاتالیستهای سرامیكی نسبت به فلزی عبارت است از: تولید آسانتر، پوششدهی راحتتر و ارزانتر بودن، قدرت نگهداری دما و بازیافت راحتتر. مزایای نوع فلزی نسبت به سرامیكی، مقاومت بالاتر در برابر ضربه و حرارت، قابلیت كاهش ضخامت دیواره (دارای تعداد سوراخ بیشتر یا cpsi بالاتر) و افت فشار كمتر و گرم شدن سریعتر است.
هماكنون، كاتالیست رایج commercial catalyst، كاتالیست سرامیكی است كه حدود 85 درصد از كل تولیدات مبدل كاتالیست را تشكیل میدهد.

تكامل تكنیكی مبدلهای كاتالیستی از ابتدا تاكنون
مبدلهای كاتالیستی براساس تكامل تكنیكی از ابتدا تاكنون، به صورت زیر تقسیمبندی میشوند (شكل 6):
• مبدلهای كاتالیستی با عایق حرارتی خارجی6
• مبدلهای كاتالیستی با عایق حرارتی داخلی مخروطی7
• مبدلهای كاتالیستی با عایق حرارتی داخلی همراه با مبدل كاتالیستی گرم كننده 8 كه نزدیكتر به موتور نصب میشوند
• مبدلهای كاتالیستی كه بسیار نزدیك به موتور بوده، اما با فلانج به مانیفولد وصل میشوند 9
• مبدلهای كاتالیستی جوششده به مانیفولد10 

 شكل 6: تكامل تكنیكی مبدلهای كاتالیستی از ابتدا تا اكنون

عوامل مهم طراحی و ساخت مبدل كاتالیستی
میزان كارایی و بازده مبدل كاتالیستی، تابعی از مشخصات و عوامل هندسی همچون چگالی سوراخها (cpsi)، نسبت بازی سطح11 و ضخامت دیوارهها میباشد. همانطور كه در جدول 1 مشخص است، هر چه چگالی سوراخهای (cpsi) بیشتر باشد، دیوارها نازكتر و در نتیجه سطوح تماس بیشتر خواهد بود. سطوح تماس بیشتر (GSA)، باعث افزایش بازده و كاهش افت فشار در طول كاتالیست خواهد بود. مقایسه مطالعات انجام شده درباره مشخصات حفره های كاتالیست، نشان میدهد كه سوراخهایی با شكل نزدیكتر به شكل دایره، دارای بهترین بازده كاتالیست هاست.

جدول 1: مشخصات مهم هندسی مونولیتها

محدوده عوامل مهم تاثیرگذار و متداول در مبدل كاتالیستی، در جدول 2 خلاصه شده است.

جدول 2: محدوده عوامل مهم در مبدل كاتالیستی

چگونگی از بین رفتن كارایی كاتالیست
عوامل از بین رفتن كارایی كاتالیستها عبارتند از:
1. حرارت بالا
2. سمی شدن بهوسیله مواد خروجی از موتور
3. خرابی مكانیكی مبدل
دمای بسیار بالا، باعث چسبیدن فلزات گرانبها به هم و كاهش سطوح محل اثر آنها در كاتالیستها و در نتیجه، كاهش اثردهی آنها میشود. معمولاً دمای 800 تا 1000 درجه سانتیگراد به بالا، باعث تهنشینی و چسبیدن فلزات گرانبها میشود. عامل اصلی در افزایش دما عدم جرقهزنی شمعهاست.
سموم رایج در كاتالیستها، عبارتند از: سرب، فسفر و سولفور كه معمولا جزئی از افزودنیهای معمولی به بنزین و روغن هستند. سرب، معمولا به عنوان عامل ضدصدا، فسفر به عنوان ماده افزودنی در روغن و سولفور بهعنوان عامل موجود در بنزین و روغن شناخته شده اند. دو عامل اول، اثر منفی بیشتری بر فلزات گرانبها و عامل سوم، اثر منفی بیشتری بر اكسید فلزات دارند.
ضربه های مكانیكی خارجی وارده بر مبدلهای كاتالیستی، بویژه كاتالیستهای كاركردهای كه حالت تردی پیدا میكنند، باعث شكستن، گرفتگی و … در كاتالیستها میشوند.
هر یك از سه عامل یاد شده، باعث پایین آمدن كارایی كاتالیست در خودروها میشوند.

چگونگی اثر سوخت در بازده مبدلهای كاتالیستی و كنترل آن
نمایی كلی از موقعیت كاتالیست و سیستم كنترل آن در شكل 7 ارائه شده است. برای اینكه بتوان نسبتی مناسب از تركیب هوا به سوخت را به منظور تبدیل مناسب گازهای سمی به غیر سمی داشته باشیم، سیستم كنترل نسبت هوا به سوخت میبایستی در خودرو نصب شود. هدف این است كه نسبت هوا به سوخت را در محدودهای باریك به نام «پنجره

» نگاه داریم. این همان محدودهای است كه در آن، همزمان سه گاز، HC، CO و NOX قابل تبدیل با بازده مناسب میباشند. پهنای این پنجره باریك (محدود) بوده و حدود 3 درصد نسبت هوا به سوخت است. این پهنا به فرمولاسیون كاتالیست و شرایط كاری موتور بستگی دارد (شكل 8).

شكل 7: نمای كلی موقعیت كاتالیست و سیستم كنترل آن

 

شكل 8: محدوده نسبت هوا به سوخت برای بازده بالای تبدیل HC، CO و NOX، نسبت هوا به سوخت 6/14 به معنی عملكرد استوكیومتری است.

 

چگونگی كنترل نسبت سوخت به هوا در شكل 1 نشان داده شده است. معمولا این كنترل توسط ECUا12 انجام میشود.

معیارهای تست آلودگی
برای اینكه كاتالیستی از نظر آلودگی بتواند شرایط لازم را احراز كند، آن را براساس معیارهایی ارزیابی میكنند كه یكی از مهمترین آنها، استاندارد اروپایی یورو 1 تا 5 است. این معیارها در جدول شماره 3 ارائه شده اند.

جدول 3: معیارهای استاندارد آلودگی اروپایی یورو 1 تا 5

هم اكنون، استاندارد رایج در ایران، استاندارد یورو 2 است.
قبل از انجام تست آلودگی، كاتالیست را بر این اساس كه Fresh، Degreened (3000كیلومتر) و یا Aged (80 یا 100 هزار كیلومتر) باشد، آماده میكنند. این آمادهسازی برای كاتالیستهای degreened و aged، میتواند براساس نوع كوره، مدلسازی با موتور و یا خودروی اصلی، انجام پذیرد كه براساس نیاز مشتری و اعلام چرخه و زمان موردنیاز آنها انجام میشود. روش مرسوم برای انجام Aging معمولا مدلسازی با موتور است. بعد از آمادهسازی كاتالیست، آن را بر روی دینو13 توسط ماشین و مطابق چرخههای اروپایی، تست میكنند. نتایج چرخه تست آن در نمودار شكل 9 ارائه شده است. بعد از جمع آوری گازهای آلاینده خروجی در زمان تست، میزان آن را با معیار موجود در جدول 3 مقایسه و بررسی میكنند.

شكل 9: نمودار چرخه تست اروپایی در دو بخش 1 (شهری) و 2 (برون شهری)

مشكلات موجود
با توجه به افزایش آلودگیهای شهرها بویژه شهرهای بزرگ، به نظر میرسد كه برای حل این معضل، باید مشكلات را هر چه زودتر از میان برداشت، این مشكلات عبارتند از:
1. مشكل عدم آگاهی كه ناشی از عدم آشنایی مردم با مبدل كاتالیست و تاثیر آن بر بهبود آلودگی هواست و نیازمند كار فرهنگی در سطح جامعه است. برخی افراد از كاهش قدرت موتور به دلیل عملكرد مبدل كاتالیست گله دارند كه باید به آنها گفت، در صورتی كه موتور و سیستمها تنظیم باشند، مبدل كاتالیست فقط مقدار كمی بر شتاب اثر میگذارد كه این بها را میبایستی همگان برای بهبود و پاكیزگی هوا پرداخت كنند.
2. نبود الزام استفاده از كاتالیست در خدمات پس از فروش و خودروهای قدیمی. با توجه به تعداد بسیار زیاد خودروهای قدیمی اكثر آلودگیهای شهرها ناشی از عملكرد این نوع خودروهاست. سازمان محیطزیست باید طرح اجباری شدن استفاده از مبدل كاتالیست را برای تمام خودروهای قدیمی اجرا كند تا هزینههای دولت در اجباری كردن خودروهای تولیدی جدید، هدر نرود.
3. نبود افراد متخصص و عدم دقت در ایستگاههای تست معاینه فنی. باتوجه به اینكه خودروها، مجبور به گذراندن مراحل معاینه فنی سالانه شدهاند، سازمان حفاظت از محیطزیست باید نظارت خود را در این ایستگاهها افزایش دهد تا احیانا تخلفی (عمدی یا سهوی) صورت نپذیرد. برای مثال، مشاهده شده است كه خودروهای قدیمی قبل از تست معاینه فنی، توسط مكانیك كاملا هواخور (Lean) شدهاند، به طوریكه اگر گاز داده نشود، خاموش میشوند. این خودروها به معاینه فنی مراجعه كرده و تست آلودگی را پاس میكنند. سپس، با مراجعه به مكانیك به حالت معمولی تنظیم میشوند. با توجه به اینكه كاتالیستها در محدودهای خاص از نسبت هوا به سوخت، كار میكنند (معمولا بین 03,0±1 شكل 8) اگر تستكننده به این مسئله دقت كند و در زمان تست، نسبت هوا به سوخت در این محدوده باشد، نتیجه تست هر چه كه باشد، واقعی بوده و در غیر این صورت، كاملا غلط است. برای دقت بیشتر در تستها، پیشنهاد میشود تست معاینه فنی حداقل هر 6 ماه یكبار، انجام پذیرد.
ناگفته پیداست كه برای رفع معضل آلودگیهای هوا كه همگی در آن نقش داشتهایم، باید دست در دست یكدیگر گذاشته و از تندرستی افراد جامعه بویژه كودكان و سالخوردگان، حفاظت كنیم