مبدل کاتالیست راهی برای سرعت بخشیدن به فرآیندهای شیمیایی و افزایش راندمان آن‌ها است. امروزه در خودروها از کاتالیزور به منظور جذب گازهای سمی موتور و ممانعت از پخش آن‌ها در محیط زیست استفاده می‌شود.
این مقاله از رادار به موضوع اهمیت استفاده از کاتالیزور در خودروهای امروزی و بررسی دلایل خرابی آن می‌پردازد.
کاتالیزور چیست؟ و چرا از آن استفاده می‌شود؟
کاتالیزور نوعی ماده شیمیایی است که در فرآیندهای شیمیایی منجر به افزایش سرعت واکنش می‌شود. این مواد را با نام‌های مبدل کاتالیست و کاتالیزگر نیز معرفی می‌کنند. شناخت فاکتورهای تبدیل شیمیایی در فرآیندهای شیمیایی باعث ایجاد شرایط بهینه در فرآیندها شده و بازدهی آن‌ها را بالا می‌برد. به طور کلی در هر واکنش شیمیایی که سرعت و شرایط بهینه مدنظر باشد، از کاتالیست استفاده می‌گردد.
تاریخچه استفاده از کاتالیزور
اولین گزارش از استفاده کاتالیزور در تاریخ به کریشف مربوط می‌شود. وی توانست به کمک یک اسید در قالب کاتالیزور، نشاسته را به قند هیدرولیز کند. پس از آن دیوی موفق شد واکنش اکسیداسیون هیدروژن را با اکسیژن در حضور کاتالیزگر پلاتین به سرانجام برساند. این واکنش، یک واکنش گرماگیر بوده و در زمان انجام آن جرقه تولید می‌شود. فارادی نیز اولین کسی بود که توضیحی مشخص برای استفاده از کاتالیزور و نقش آن در فرآیندهای شیمیایی ارائه نمود.
در سال‌های 1950 تا 1980، انقلابی در صنعت استفاده از کاتالیزورها رخ داد. در دهه اول این سال‌ها، کاتالیزگرهای زیگر-ناتا روی کار آمدند که از آن‌ها در تولید ترکیبات مهم و استراتژیکی استفاده می‌شد.
صنعت خودروسازی ایالات متحده اولین قدم را در راه استفاده از مبدل‌های کاتالیزوری گذاشت. در آن زمان خودروسازان به جهت رعایت مقررات منع انتشار آلاینده‌ها آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده، مبدل‌های کاتالیزوری را به خودروهای بنزینی اضافه کردند. این اتفاق در سال 1975 رخ داد.
کاتالیزورها در چه صنایعی کاربرد دارند؟
از جمله مهم‌ترین کاربردهای کاتالیزور در صنایع مختلف می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- صنعت نفت و گاز یکی از عمده‌ترین صنایع مصرف کاتالیزگرهاست. از این مواد مبدل در دو فرآیند کراکینگ (شکستن مولکول‌های درشت به کوچک) و رفرمینگ (دوباره بازآرایی و ترکیب مولکول‌ها برای تولید) استفاده می‌شود. کاتالیزورهایی نظیر زیگلرناتا، ارگانومتالیک و فلزی بیشتری کاربرد را در صنعت نفت و گاز دارند.
- واحدهای پتروشیمی یکی دیگر از صنایع استفاده‌کننده از کاتالیست‌ها هستند. در این صنعت برای تولید موادی مانند پلی اتیلن، اتیلن، پروپین، سیکلو هگزان و هیدروژن‌زدایی از پارافین‌های خطی از کاتالیزور استفاده می‌شود.
- صنایع خودروسازی سومین گروه استفاده‌کننده از کاتالیزگر هستند که به صورت مستقیم و غیرمستقیم این مواد را به کار می‌برند. امروزه در اگزوز ماشین‌ها بستری از فلزات جامد مانند Pt بر پایه آلومینات وجود دارد. این کاتالیست موظف به جذب هیدروکربن‌های مضر از جمله CO و … می‌باشد.
یک کاتالیزگر خوب چه ویژگی‌هایی دارد؟
اگر بخواهیم یک کاتالیزگر را خوب و کاربردی بنامیم، باید از ویژگی‌های زیر برخوردار باشد:
- فعالیت بالا
- مساحت سطح بالا
- گرمای جذب سطحی متوسط
- مقاومت مکانیکی بالا
- مقاومت در برابر پودر شدن و ساییده شدن
- عدم تغییر آرایش
- خاصیت گزینش‌پذیری
- برخورداری از محصولات جانبی کم
- دارای طول عمر بالا
- عملکرد مناسب در دماهای عملیاتی
منظور از کاتالیزگرهای همگن و ناهمگن چیست؟
زمانی که ماده کاتالیزگر مورد استفاده در یک واکنش شیمیایی با فاکتورهای واکنش در یک فاز است، کاتالیزور همگن نامیده می‌شود. اما کاتالیزورهای ناهمگن زمانی به کار می‌روند که مواد واکنش‌دهنده و کاتالیست در دو فاز مجزا قرار بگیرند. به این کاتالیزورها، کاتالیزگر سطحی نیز می‌گویند.
کاتالیست‌های مرغوب و نامرغوب
اگر استفاده از یک کاتالیست در یک فرآیند شیمیایی منجر به تولید تنها یک محصول نهایی شود، آن را مرغوب می‌نامند. اما در صورتی که استفاده از کاتالیزور منجر به تولید محصولات مختلفی در پایان فرآیند شیمیایی شود، آن را نامرغوب تلقی می‌کنند.
غیرفعال شدن کاتالیزور چه زمانی رخ می‌دهد؟
اغلب کاتالیزورها دارای طول عمر مفید و معینی هستند و با گذشت زمان از قدرت آن‌ها کاسته می‌شود. به عبارت دیگر در طی زمان و مواجهه با واکنش‌های شیمیایی مختلف، کاتالیزگر دچار افت فعالیت خواهد شد. در این مواقع می‌گوییم مبدل کاتالیست غیرفعال شده است. اما چه اتفاقی منجر به این مسئله می‌شوند؟
به طور کلی موارد زیر را می‌توان دلایل غیرفعال شدن یک کاتالیزگر دانست:
- ایجاد لایه‌ای ضخیم از ماده واکنش‌دهنده بر روی کاتالیزور
- مسموم شدن کاتالیزگر و تغییر آرایش بلوری آن
- وجود ناخالصی‌های فلزی در سطح کاتالیزور
- مواجهه با شک‌های حرارتی متعدد و مسدود شدن میکرو پرزهای ساختمان کاتالیست
کاربرد کاتالیست در خودرو چیست؟
مبدل کاتالیست در خودرو معمولا از فلزات گران و بدنه اسفنجی شکل ساخته می‌شود. برخی از این مبدل‌ها بر پایه فلز یا سرامیک بوده که روی آن را با آلیاژ ایریدیوم- پلاتین پوشانده‌اند. این مبدل جذب‌کننده گازهای سمی موتور بوده و هنگام عبور گازها از آن بسیار داغ می‌شود. در نتیجه می‌تواند مواد مضر موجود در گازهای خروجی را سوزانده و درصد آن‌ها را در دود خروجی کاهش دهد.
گازهای ناشی از احتراق سوخت در موتور بسیار سمی بوده و برای محیط زیست، خطرناک هستند. برخی از این گازها عبارتند از: مونوکسید کربن، اکسید نیتروژن، هیدروکربن و اکسید ازت. کاتالیست موظف است این گازهای سمی خروجی را به خود جذب کند. از این رو وجود لایه‌های اسفنجی درون آن منجر به ایجاد تماس بیشتر میان کاتالیزور و گازهای سمی می‌شود. در نتیجه درصد بیشتری از آن‌ها جذب مبدل کاتالیست شده و گاز نهایی خروجی از اگزوز، پاک و بی‌خطر است.
البته نمی‌توان اذعان داشت که مبدل کاتالیست تمام آلایندگی‌های ناشی از احتراق سوخت را به خود جذب می‌کند. با این حال بیش از 90 درصد این گازهای سمی جذب کاتالیزگر شده و به گازهای کم خطرتری همچون دی اکسید کربن و نیتروژن تبدیل می‌شوند.
مبدل کاتالیزوری در خودرو، چه اثرات زیست محیطی دارد؟
مبدل کاتالیزوری با هدف کاهش آلودگی‌های مضر ناشی از احتراق سوخت در سیلندرها مورد استفاده قرار می‌گیرد. تحقیقات نشان داده استفاده از این مبدل‌ها می‌تواند از انتشار هیدروکربن تا 87 درصد، مونوکسید کربن تا 85 درصد و نیتروژن اکسید تا 62 درصد جلوگیری کند. از این رو تاثیرات قابل توجهی بر بهبود شرایط محیط زیست داشته و آلودگی هوا را کاهش می‌دهد. علاوه بر این با کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، روند گرمایش زمین نیز متوقف خواهد شد. همچنین کاهش این گازها در کاهش ریزش باران‌های اسیدی هم موثر است.
ساختار کاتالیزور خودرو چگونه است؟
ساختار یک کاتالیزور خودرو از سه بخش کلی تشکیل شده است که عبارتند از:
- هسته کاتالیزور (همان بستر کاتالیست) که معمولا از جنس مونولیت سرامیکی با ساختار لانه زنبوری است. اما این بستر با توجه به مدل وسیله نقلیه می‌تواند از جنس متفاوتی همچون فلز ساخته شود. هسته‌های سرامیکی در صورت تولید با حجم زیاد، ارزان‌تر بوده و برای خودروسازان صرفه بیشتری دارند. اما مدل‌های فلزی معمولا در تولید با حجم کم، صرفه اقصادی دارد. در نتیجه از آن‌ها برای خودروهای مسابقه استفاده می‌شود.
- لایه اکسیدی (روکش قابل شستشوی کاتالیست)، نیز دارای مواد کاتالیزوری بوده که از آن جهت پراکندگی مواد در سطح وسیع استفاده می‌شود. این روکش اغلب از جنس دی اکسید تیتانیوم، اکسید آلومینیوم، دی اکسید سیلیکون و یا ترکیبی از سیلیکا و آلومینیا ساخته می‌شود. مهم‌ترین وظیفه این لایه، محافظت و نگهداری از ماده کاتالیزگر است.
- ماده کاتالیزگر هم اغلب از فلزات گران‌بهایی همچون پلاتین، طلا، پالادیوم، کادمیوم و رودیم ساخته می‌شود. این فلزات قابلیت احیا و اکسیداسیون بسیار بالایی دارند و انتخابی ایده‌آل برای مبدل‌های کاتالیسیتی می‌باشند. در این میان استفاده از پلاتین کمی گران‌تر از دو فلز دیگر بوده و معمولا آن را در خودروهای لوکس به کار می‌برند. البته برخی خودروسازان نیز برای کاهش قیمت تمام شده کاتالیزگر از ترکیباتی نظیر سزیم، آهن، منگنز و نیکل برای این منظور استفاده می‌کنند.
محل نصب کاتالیست خودرو کجاست؟
کاتالیست خودرو برای انجام درست وظایفش به گرمای بسیار زیادی در حدود 800 تا 900 درجه سانتی‌گراد نیاز دارد. از این رو بهترین محل نصب آن، در قسمت انتهایی اگزوز و کنار خروجی منیفولد دود است. این مکان داغ‌ترین بخش اگزوز بوده و نیاز کاتالیزور به دمای بالا را تامین می‌کند.
انواع کاتالیزور خودرو
انواع اصلی مبدل‌های کاتالیزور خودرو شامل موارد زیر است:
- مبدل‌های اکسیداسیون دو راهه: این مبدل‌ها موظفند به طور همزمان اکسیداسیون مونوکسید کربن به دی اکسید کربن و اکسیداسیون هیدروکربن‌ها به دی اکسید کربن و آب را انجام دهند. امروزه از این مدل مبدل‌ها در خودروهای دیزلی استفاده می‌شود تا انتشار هیدروکربن و مونوکسید کربن را کاهش دهند. اما مشکل این مبدل‌ها در عدم توانایی کنترل اکسیدهای ازت است.
- مبدل‌های اکسیداسیون-کاهش سه راهه: این گروه از مبدل‌ها قادر به کاهش اکسیدهای نیتروژن به نیتروژن و اکسیژن، اکسیداسیون مونوکسید کربن به دی اکسید کربن و اکسیداسیون هیدروکربن‌های نسوخته به دی اکسید کربن و آب می‌باشند. از این رو آن‌ها در زمره مهم‌ترین اختراعات تاریخ خودروسازی می‌دانند. در حال حاضر استفاده از این مبدل‌ها برای خودروهای بنزینی، در بیشتر مناطق جهان از جمله ایالات متحده و کانادا اجباری شده است.
- مبدل کاتالیزور اکسیداسیون دیزل (DOC): این مبدل‌ها اغلب برای احتراق فشاری مانند موتورهای دیزلی به کار می‌روند. این سیستم از اکسیژن موجود در گازهای خروجی برای تبدیل مونوکسید کربن به دی اکسید کربن و هیدروکربن‌ها به آب و دی اکسید کربن استفاده می‌کند. کارایی این مبدل‌ها حدود 90 درصد بوده و می‌توانند بوی گازوئیل را هم از بین ببرند.
مزایا و معایب حذف کاتالیزگر از خودرو
حذف شدن کاتالیزگر از خودرو می‌تواند مشکلاتی نظیر افزایش میزان آلایندگی خودرو تا حدود 30 برابر را ایجاد کند. در نتیجه مصرف سوخت و صدای موتور هم نسبت به قبل بیشتر خواهد شد.
مزیت‌های حذف این مبدل‌ها از ساختار خودرو نیز شامل افزایش شتاب و قدرت موتور به مقدار خیلی کم است. البته این مسئله در طول زمان، منجر به فرسایش موتور شده و دیگر همین مقدار افزایش شتاب را هم از دست می‌دهیم.
علل خرابی کاتالیزور خودرو چیست؟
اگر بخواهیم به بررسی علل خرابی کاتالیزور خودرو را بپردازیم، موارد زیر تاثیرگذار خواهند بود:
- عملکرد بد سیستم احتراق منجر به احتراق ناقص در موتور و بدسوزی (میس فایر) می‌شود. در نتیجه این سوختن ناقص، مقدار زیادی دود تولید شده که درون مبدل جمع می‌شوند. اگر این دوده‌ها سریعا تمیز کنید، مشکلی پیش نخواهد آمد. اما در صورت تمیز نکردن به موقع و ذوب شدن سیم‌پیچ، دیگر کاری از دستتان ساخته نبوده و کاتالیست دچار آسیب می‌شود.
- استفاده از سوخت با کیفیت پایین باعث عدم احتراق کامل درون سیلندر شده و باقی‌مانده فرآیند سوخت در کلکتور و مبدل انجام می‌شود. این مسئله منجر به ایجاد ذرات ریز ناشی از سوختن به روی فیلتر مبدل می‌شود. در نتیجه هوا به خوبی از آن عبور نکرده و کاتالیزور خراب می‌شود.
- کاتالیست بی‌کیفیت یا تقلبی، طول عمر کوتاهی داشته و به زودی خراب می‌شود. قطر سلول‌های داخلی این مبدل‌ها نسبت به حالت معمول کوچکتر است. در نتیجه حفره‌های آن سریعا مسدود شده و از کار می‌افتند.
- مصرف بیش از حد روغن در موتور موجب ایجاد دود سیاه خورنده‌ای در موتور می‌شود. این دود هنگام خروج همراه با پسماندهای احتراق وارد مبدل کاتالیست شده و آن را مسدود می‌کند.
از دیگر عواملی که باعث خرابی کاتالیست می‌شوند، می‌توان به وارد شدن ضربه به کاتالیزگر، خرابی سیستم جرقه‌زنی، معیوب بودن واشر سرسیلندر و استفاده از مکمل‌های بنزین اشاره نمود.
خرابی کاتالیست خودرو چه علائمی دارد؟
بروز نشانه‌ها و علائم مختلفی در خودرو حاکی از خرابی کاتالیست است. با تشخیص به موقع این علائم می‌توانید از ایجاد مشکلات جدی در اثر خرابی کاتالیزگر جلوگیری نمایید. این علائم عبارتند از:
- روشن شدن چراغ چک خودرو
- کاهش قدرت ماشین و احساس تکان و لرزش ناگهانی در موتور
- شنیدن صدای ضربه در دور موتور بالا یا هنگام استارت زدن
- روشن نشدن خودرو و یا سخت استارت خوردن آن
- استشمام بوی بد و افزایش آن در طی زمان
- کاهش دمای کاتالیست
- افزایش مصرف سوخت
- از بین رفتن حالت لرزشی یا نوسانی گازهای خروجی از اگزوز (این نشانه را با گرفتن دست جلوی لوله اگزوز ماشین روشن متوجه خواهید شد.)
البته تشخیص دقیق خرابی کاتالیزور کاری است که نیاز به تجربه و ابزارهای تشخیصی لازم دارد. بنابراین برای اطمینان از خرابی این قطعه بهتر است به تعمیرکارهای ماهر مراجعه نمایید.
چطور سلامت کاتالیزور خودرویمان را بررسی کنیم؟
برای بررسی سلامت کاتالیزور خودرو بهتر است طبق مراحل زیر پیش بروید:
- بررسی قسمت بیرونی مبدل کاتالیست: ابتدا قسمت بیرونی مبدل را به دقت بررسی می‌کنیم. در این مرحله وجود هرگونه آسیب مکانیکی، فرورفتگی، خراش یا تراشه بر مبدل می‌تواند نشانه خرابی آن باشد.
- خارج کردن مبدل و بررسی تمام قسمت‌های آن: پس از اطمینان از سلامت ظاهری کاتالیزور، باید آن را از جایش خارج کرده و وضعیت سلول‌هایش را بررسی کنید.
- بررسی فشار گازهای خروجی: برای انجام این مرحله به دستگاه فشارسنج نیاز دارید. فشارسنج می‌تواند فشار گازهای خروجی از اگزوز را اندازه‌گیری نموده و در صورت نرمال نبودن آن، اطلاع‌رسانی کند.
طول عمر کاتالیست چقدر است؟
کاتالیست دارای طول عمر محدودی است که معمولا با زمان خراب شدن قطعه اسفنجی داخل آن همزمان است. به طور کلی عمر مفید کاتالیزگر خودرو را می‌توان حدود 80 هزار کیلومتر یا 4 سال رانندگی با ماشین دانست. البته این مدت زمان با توجه به نوع سوخت مصرفی در خودروهای مختلف می‌تواند متفاوت باشد.
شستشوی کاتالیزور خودرو
با در نظر گرفتن قیمت بالای مبدل کاتالیزور خودرو، قطعا یافتن راه‌حلی برای راه‌اندازی مجدد آن به صرفه است. اخیرا محلولی برای شستشوی این مبدل ساخته شده که در مراکز معاینه فنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
برای شستشوی مبدل کاتالیزگر باید محلول مورد بحث را روی باک ذخیره سوخت نصب کنید. سپس این محلول با استفاده از سنسور اکسیژن عمل پاکسازی کاتالیست را انجام می‌دهد.
سخن پایانی
مبدل کاتالیست یکی از قطعات بسیار مهم و در عین حال گران خودرو است که باید به خوبی از آن مراقبت نمود. این قطعه گازهای سمی خروجی از موتور را جذب نموده و تاثیر زیادی در کاهش آلایندگی ماشین دارد. بنابراین خراب شدن آن منجر به افزایش میزان آلایندگی خودرو شده و آسیب زیادی به محیط زیست می‌زند. بنابراین لازم است به نشانه‌های خرابی آن توجه داشته و در صورت لزوم آن را تمیز یا تعویض نمایید.