کاتالیزور خودرو – به زبان ساده

مبدل کاتالیستی در خودروها یا به عبارت دیگر کاتالیزور خودرو به منظور کاهش انتشار گازهای سمی موتورهای درون‌سوز استفاده می‌شود. به دلیل اینکه در این نوع از موتور خودروها،‌ اکسیژن کافی برای اکسید کردن کربن به دی‌اکسید کربن و آب وجود ندارد، محصولات جانبی شامل اکسیدهای نیتروژن، مونو اکسید کربن و هیدروکربن‌ها تولید می‌شوند که سمی هستند. مبدل‌های کاتالیستی در اگزوز خودروها به منظور فراهم کردن محلی برای اکسایش و کاهش محصولات جانبی سمی حاصل از احتراق سوخت به کار می‌روند. این گازهای سمی به فرآورده‌هایی کم‌خطر مانند دی‌اکسید کربن، بخار آب و گاز نیتروژن تبدیل می‌شوند.

مقدمه

مبدل کاتالیستی در خودروها برای اولین بار در سال 1975 به طور گسترده در خودروهای تولیدی ایالات متحده استفاده شد. استانداردهای جدیدی در آن زمان برای خودروها وضع شد که نیازمند کاهش 75 درصدی انتشار گازهای سمی در خودروهای تولیدی بعد از سال 1975 بود. این مورد تنها به کمک استفاده از کاتالیزور خودرو امکان‌پذیر بود.

فیلم مجموعه آموزش تعمیر و نگهداری خودرو – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

بدون استفاده از مبدل‌ کاتالیستی در خودروها،‌ اکسیدهای نیتروژن، مونو اکسید کربن و همچنین دیگر هیدروکربن‌ها تولید می‌شوند. انتشار این گازهای سمی در نهایت تولید دوده و گرد و غبار را به همراه دارد و برای سلامتی مضر است. مبدل‌های کاتالیستی همچنین در ژنراتورها، اتوبوس‌ها، کامیون‌ها، قطارها و تقریبا در تمامی ماشین‌ آلات با موتورهای احتراق داخلی، دیده می‌شوند. کاتالیزور خودرو به طور معمول به سیستم اگزوز این خودروها متصل هستند.

مبدل کاتالیستی دستگاهی ساده است که از واکنش‌های اکسایش و کاهش (ردوکس) برای کاهش آلایندگی‌های خودرو استفاده می‌کند. کاتالیزور خودرو در حدود 98 درصد از دود‌های سمی خودروها را به گازهایی کم‌خطر تبدیل می‌کند. این قطعه شامل یک محفظه فلزی است که در آن لایه‌های مختلف سرامیکی به شکل لانه زنبور قرار داده شده‌اند. این لایه‌های سرامیکی دیوراه بسیار نازکی دارند که با «آلومینیوم اکسید» $$(Al_ 2 O _ 3)$$ اندود شده‌اند. این نوع از پوشش، متخلخل است و به سبب افزایش سطح تماس، موجب افزایش تعداد واکنش‌ها در سطح خود می‌شود. همچنین این لایه شامل مقدار کمی از فلزات قیمتی همچون پلاتین، «رودیوم» (Rhodium) و پالادیم و مقدار این فلزات در حدود ۴-۹ گرم است.

کاتالیزور خودرو از واکنش‌های ساده اکسایش و کاهش به منظور تبدیل گازهای آلوده استفاده می‌کند. لازم به ذکر است که فلزات قیمتی که در بالا ذکر شد به انتقال الکترون‌ها و در نتیجه انجام واکنش‌های اکسایش و کاهش کمک می‌کنند.

بخش آخر در مبدل کاتالیستی خودرو، کنترل تزریق سوخت را به عهده دارد. این وظیفه به کمک سنسور اکسیژن انجام می‌شود. سنسور اکسیژن خودرو وظیفه کنترل مقدار اکسیژن در اگزوز و همچنین نسبت هوا به سوخت را دارد. این کار سبب می‌شود تا انجام واکنش‌ها در کاتالیزور خودرو با نسبت‌های دقیق استوکیومتری همراه باشد.

سه ویژگی اصلی در کاتالیزور خودرو

یک مبدل کاتالیستی به طور عمده سه ویژگی دارد:

• کاهش اکسیدهای نیتروژن به نیتروژن و اکسیژن

$$N O _ x \rightarrow N _ x + O _ x$$

• اکسیداسیون مونو اکسید کربن به دی‌اکسید کربن

$$CO + O _ 2 \rightarrow C O _ 2$$

• اکسیداسیون هیدروکربن‌ها به آب و کربن دی‌اکسید

$$C _ x H _ {4 x} + 2 x O _ 2 \rightarrow x C O _ 2 + 2 x H _ 2 O$$

دو سیستم مختلف در یک مبدل کاتالیستی بکار گرفته می‌شود: سیستم «رقیق» (Lean) و سیستم «غنی» (Reach). زمانی که سیستم در حالت رقیق باشد،‌ غلظت اکسیژن، بیش از حد موردِ نیاز است و واکنش‌ها به اکسیداسیون مونو اکسید کربن و هیدروکربن‌ها منجر می‌شوند. در مقابل، زمانی که سیستم در حالت غنی باشد، مقدار سوخت بیشتری خواهیم داشت و واکنش‌ها به سمت کاهش اکسیدهای نیتروژن و تبدیل آنها به نیتروژن و اکسیژن پیش می‌روند. انجام این واکنش‌ها در هر حالتِ سیستم، به قیمت عدم انجام واکنش‌های دیگر تمام می‌شود. در نتیجه به دلیل عدم توازن میان این دو حالت، بازده سیستم هیچ‌گاه به $$100 \%$$ نمی‌رسد.

لازم به ذکر است که کاتالیزور خودرو می‌تواند اکسیژن اضافی را در اگزوز ذخیره و در مواقع بعدی از آن استفاده کند. این حالت به هنگام عملکرد سیستم در حالت رقیق اتقاق می‌افتد. زمانی که اکسیژن کافی در اگزوز خودرو موجود نباشد، این گاز آزاد می‌شود. این حالت زمانی انجام می‌شود که به یکباره پدال گاز فشرده شود و سیستم به حالت غنی تغییر وضعیت دهد، در این حالت نسبت هوا به سوخت سریع‌تر از آن تغییر می‌کند که مبدل کاتالیستی بخواهد با آن تطبیق پیدا کند. علاوه بر این، آزاد کردن اکسیژن سبب تحریک اکسیداسیون $$C O$$ و $$C _ x H _ {4x}$$ می‌شود.

خطرات آلاینده‌ها

بدون واکنش‌های اکسید و احیا (ردوکس) برای فیلتر کردن و تبدیل اکسیدهای نیتروژن،‌ مونو اکسیدهای کربن و هیدروکربن‌ها، کیفیت هوای شهرهای بزرگ به شدت پایین می‌آید که برای انسان بسیار خطرناک است. در این قسمت، آلاینده‌های حاصل از عملکرد موتور خودروها را بررسی می‌کنیم.

اکسیدهای نیتروژن

این ترکیبات شامل «نیتریک اکسید» $$(N O)$$، «‌دی اکسید نیتروژن» $$(N O _ 2)$$،‌ «نیتروس اکسید» $$(N _ 2 O )$$ و «پنتا اکسید نیتروژن» $$(N O_5)$$ هستند. زمانی که گازهای $$N O _ x$$ در هوا آزاد می‌شوند، با ترکیبات آلی موجود در هوا واکنش می‌دهند. همچنین نور خورشید موجب تحریک این واکنش‌ها است. در نتیجه این واکنش‌ها، توده‌های مه و غبار تولید می‌شوند. این دوده‌ها اثرات بدی بر فعالیت‌های ریوی کودکان خواهد داشت.

علاوه بر این، واکنش $$N O _ x$$ با دی اکسید گوگرد، سبب تولید باران اسیدی و به تبع آن تخریب زمین می‌شود چراکه خوردگی بسیار شدیدی دارد. باران اسیدی موجب خوردگی فلزات، از بین رفتن گیاهان، ساختمان‌ها، مجسمه‌ها و همچنین آلودگی رودخانه‌ها خواهد بود. همچنین با تغییر خاصیت اسیدی رودخانه‌ها، محیط را برای زندگی ماهی‌ها نامناسب می‌کند. علاوه بر این، $$N O _ x$$ در ترکیب با اوزون سبب «جهش بیولوژیکی» (Biological Mutations) و جلوگیری از انتقال نور خورشید به زمین می‌شود.

مونو اکسید کربن

حالتی خاص و خطرناک از گاز دی اکسید کربن است. این گاز، رنگ و بو ندارد و کاربردی برای آن در زندگی روزمره یافت نشده است.

هیدروکربن‌ها

استنشاق هیدروکربن‌های مشتق از گازوییل، بنزین، شوینده‌ها، قیر و سوخت‌ها مختلف، برای کودکان مرگ‌بار است. همچنین این گازها موجب ایجاد اختلاق در سیستم‌های عصبی و قلب و عروق می‌شوند.

تخریب مبدل کاتالیستی

مبدل کاتالیستی، دستگاهی حساس و شامل فلزات گرانقیمت است. در نبود این فلزات، واکنش‌های اکسایش و کاهش رخ نمی‌دهند. مواد مختلفی هستند که مانع از عملکرد کاتالیزور خودرو یا به اصطلاح سبب مسموم شدن کاتالیزور می‌شوند. این مواد شامل سرب، منگنز و سیلیکون هستند.

سرب

بیشتر خودروها از بنزین بدون سرب استفاده می‌کنند. در مواردی برای افزایش عدد اکتان بنزین به آن سرب اضافه می‌کنند. اگر به هر دلیلی سرب به سوخت اضافه شود، در اثر احتراق، رسوباتی را بر روی فلزات گرانقیمت مبدل کاتالیستی به جا می‌گذارد. این رسوبات مانع از تماس فلزات با گازهای خروجی از اگزور خواهد بود. در نتیجه، واکنش‌های ردوکس مورد نظر انجام نمی‌شوند.

منگنز و سیلیکون

منگنز بیشتر در ترکیبات آلی فلزی نظیر MMT یافت می‌شود. «متیل سیکلو پنتا دی انیل منگنز تری کربونیل» که به اختصار MMT نامیده می‌شود، ترکیبی است که در دهه 1990 برای افزایش عدد اکتان بنزین به آن اضافه می‌کردند. هر قدر عدد اکتان بالاتر باشد، انفجار آن تحت فشار بیشتری رخ می‌دهد که در موتورهای جدید که نسبت فشار در آنها بالاست، این مورد در کارکرد موتور نقشی اساسی دارد. البته در استانداردهای جدید، این ماده از سوخت حذف شده است. سیلیکون نیز از طریق نشت مواد خنک کننده موتور به داخل اگزوز، موجب مسومیت کاتالیزور خودرو می‌شود.

آلاینده‌هایی که در بالا اشاره شد مانع از عملکرد مناسب مبدل کاتالیستی هستند. البته می‌توان به کمک افزایش دمای موتور و به تبع آن افزایش دمای گازهای خروجی، برخی از این آلاینده‌ها را به حالت مذاب تبدیل و از لوله اگزوز خارج کرد. این فرآیند برای سرب قابل انجام نیست چراکه سرب دمای ذوب بالایی دارد. در نتیجه، افزایش حضور سرب در کاتالیزور خوردرو موجب از کار افتادن آن می‌شود و در نهایت این سیستم باید تعویض شود.

ترمودینامیک مبدل‌های کاتالیستی

میدانیم که ترمودینامیک به ما در پیش‌بینی یک واکنش و خود به خودی بودن یا نبودن آن کمک می‌کند اما در خصوص سرعت واکنش اطلاعاتی بدست نمی‌دهد. واکنش‌های اکسایش و کاهشی که در بالا ذکر شد بدون حضور کاتالیزور، با سرعت پایینی انجام می‌شوند. این واکنش‌ها حتی اگر به لحاظ ترمودینامیکی قابل انجام باشند، برای پیشروی نیاز به انرژی دارند. این انرژی موسوم به «انرژی فعال‌سازی» (Activation Energy) است که آن را با نماد $$E _ a$$ نشان می‌دهند. برای انجام یک واکنش باید به میزان $$E _ a$$ به سیستم انرژی بدهیم. یک کاتالیزور با کاهش $$E _ a$$ به انجام یک فرآیند ترمودینامیکی کمک می‌کند. کاتالیزور، خود در یک واکنش شرکت نمی‌کند اما بر سرعت و میزان تولید فرآورده‌ها در واکنش تاثیرگذار است.

گرمایش زمین

با وجود اینکه مبدل کاتالیستی به کاهش انتشار گازهای سمی کمک می‌کند اما اثرات زیست‌محیطی زیان‌باری نیز به همراه دارد. به هنگام تبدیل هیدروکربن‌ها و مونو اکسید کربن، دی‌اکسید کربن نیز تولید می‌شود. این گاز از اصلی‌ترین گازهای گلخانه‌ای است که عامل اصلی در گرمایش زمین است. به کمک دی اکسید کربن، این مبدل‌ها گاهی اوقات ترکیبات نیتروژن و اکسیژن را به نیتروس اکسید تبدیل می‌کنند. این گاز که با نام «گاز خنده‌آور» نیز شناخته می‌شود، همان گازی است که برای افزایش سرعت خودرو موسوم به «نیترو» از آن استفاده می‌‌کنند و ۳۰۰ بار قوی‌تر از دی اکسید کربن در گرمایش زمین تاثیر دارد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش شیمی عمومی
• ثابت تعادل — از صفر تا صد
• آلومینیوم و فرآیند هال — از صفر تا صد

^^