همه چیز در مورد کاتالیست خودرو و نحوه کار آن؟

در مورد کاتالیست و نحوه عملکرد آن چه می دانید؟ به عنوان یک مهندس فنی از شما انتظار می رود در مورد تمامی زیر مجموعه های خودرو اطلاعات کافی داشته باشید، پس باید در مورد کاتالیست هم اطلاعات خود را بالاتر ببرید.

اگر هر روز صبح وقتی در خانه را باز می کنید با صحنه ساختمان های تیره و خیابان های تنگ و تاریک روبه رو می شوید، احتمالا در شهری بزرگ مثل لوس آنجلس، لندن، پاریس، تهران یا پکن زندگی می کنید. خودروها، اتوبوس ها و کامیون ها یک هدیه عالی برای جهان هستند، چون سفر و حمل نقل را برای ما آسان می کنند. اما دود خروجی از موتور آن ها هوا را آلوده می کند و برای سلامتی انسان ها مضر است.

 خوشبختانه امروزه اکثر وسائل نقلیه مجهز به مبدل های کاتالیزوری هستند که مواد شیمیایی مضر خروجی از اگزوز خودروها را به گازهای بی خطری همچون بخار آب تبدیل می کنند. با ما همراه باشید تا با نحوه کارکرد این سیستم ها آشنا شویم.

طرح کلی یک مبدل کاتالیزوری: مبدل بین موتور خودرو و لوله اگزوز نصب شده است، هوای کثیف را به عنوان ورودی می گیرد و با استفاده از کاتالیزورهای شیمیایی مقادیر قابل توجهی از آلاینده ها را از هوای ورودی حذف می کند.

چرا موتور وسایل نقلیه باعث آلودگی هوا می شود ؟

ستون های پارتنون در آتن یونان به خاطر آلاینده های تولیدی توسط وسائل نقلیه سیاه شده است. آتن یکی از آلوده ترین شهر های دنیا است (در اثر آلاینده های خروجی از وسائل نقلیه).

موتور خودروها یا گازسوز و یا بنزین سوز هستند، که هردو از فرآورده های نفتی می باشند. فرآیند تشکیل نفت خام به زبان ساده به این ترتیب است: بقایای موجودات ریز دریایی در کف دریا ته نشین می شوند، زیر لایه های عمیق سنگهای بستر دریا تحت حرارت و فشار قرار می گیرند و درنهایت تبدیل به نفت خام می شوند. نفت خام مخلوطی ازهیدروکربن هاست ( ملکول های ساخته شده از ترکیب کربن وهیدروژن)، زیرا بخش عمده ای از ساختمان موجودات زنده نیز از اتم های کربن و هیدروژن تشکیل شده است.

موضوع مرتبط: آموزش انسیس فلوئنت (Ansys Fluent 18) شامل ۱۰ پروژه آموزشی

در تئوری، ترکیب هر سوخت هیدروکربنی با اکسیژن هوا باعث آزاد شدن مقدار زیادی انرژی، کمی کربن دی اکسید و آب می شود که پاک و نسبتا بی ضرر هستند. در حالی که در عمل، بنزین ترکیبی از حدود 150 ماده شیمیایی مختلف است نه فقط هیدروکربن ها؛ و محصول سوختن آن با اکسیژن هوا به آن تمیزی هم که ما انتظار داریم نیست. این یعنی در اثر سوختن بنزین محصولات جانبی تولید می شود که آلاینده هوا هستند. گازهای آلاینده خروجی از موتور خودروها شامل گازی سمی به نام کربن مونواکسید، VOC  ها (ترکیبات آلی فرار) و همچنین ترکیبات نیتروژن اکسید است که باعث ایجاد مه دود می شود (دود سرفه آوری از اگزوز خودروها خارج می شود) .

کاتالیست چیست؟

گازهای آلاینده از ترکیبات مولکولی مضری تشکیل شده اند، در حالی که اتم های سازنده این مولکول ها نسبتا بی ضرر هستند. بنابراین اگر بتوانیم راهی برای تجزیه مولکول ها، هنگام خروج گازها از موتور خودرو و پیش از منتشر شدن آنها در هوا پیدا کنیم، مشکل آلودگی یا حداقل بخشی از آن قابل حل خواهد بود. این همان کاری است که مبدل کاتالیزوری انجام می دهد.

یک کاتالیست جدید در آزمایشگاه روی یک خودرو آزمایش می شود. عکس از موسسه تحقیقات جنوب غربی و وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا / آزمایشگاه انرژی تجدید پذیر ملی ایالات متحده (DoE / NREL).

این مبدل ها بسیار ساده تر از آنچه به نظر می رسند عمل می کنند. کاتالیزور ماده ای شیمیایی است که یک واکنش شیمیایی را تسریع می کند، بدون اینکه خودش در طول واکنش تغییر کند. نقش کاتالیزور کمی شبیه به مربی است که کنار زمین می ایستد و و دوندگان را تشوق میکند تا سریع تر بدوند. مربی نمی دود، او فقط سرجای خود می‌‌ایستد و با تکان دادن دست هایش باعث می شود دوندگان با سرعت بیشتری بدوند.

 در یک مبدل کاتالیزوری، نقش کاتالیزور تسریع فرآیند حذف آلاینده هاست. معمولا از ترکیبات پلاتین یا فلزات شبه پلاتین مثل پالادیوم و رادیوم به عنوان کاتالیزور استفاده میشود.

مبدل کاتالیزوری یک جعبه فلزی بزرگ است که به زیر اتوموبیل پیچ شده است و دو لوله از آن خارج میشود. یکی از لوله ها (ورودی مبدل) به موتور خودرو متصل می شود و بخارات آلاینده و داغ تولیدی در سیلندرهای موتور ( جایی که با سوختن بنزین یا گازوئیل توان پیش برنده خودرو تولید می شود) از طریق آن به داخل مبدل هدایت می شوند. لوله دوم ( خروجی مبدل) نیز به اگزوز خودرو متصل است. وقتی گازهای آلاینده ناشی از سوختن بنزین از کاتالیزور عبور می کنند، واکنش های شیمیایی که در سطح آن رخ می دهند باعث تجزیه گازهای آلاینده می شوند و آنها را به گازهای غیرسمی و ایمن تبدیل می کنند. در نهایت این گازها از طریق اگزوز خودرو به بیرون هدایت می شوند.

باید توجه داشت که برای استفاده از مبدل های کاتالیزوری، سوخت مصرفی خودرو لزوماً باید بدون سرب باشد. زیرا سرب موجود در سوخت های متداول، کاتالیزور را “مسموم” می کند، به طوری که کاتالیزور دیگر قدرت جذب آلاینده های موجود در گازهای خروجی را نخواهد داشت.

در داخل مبدل کاتالیست چه اتفاقی می افتد؟

مهندسین به طور مداوم در تلاش برای بهبود عملکرد کاتالیست ها هستند، مثلا تولید کاتالیزور هایی که در دماهای پائین نیز کارآمد باشند. در تصویر نمونه ای از کاتالیزورهای اکسایش دما پائین از جنس اکسید قلع و پلاتین را میبینید. عکس از مرکز تحقیقات لانگلی ناسا (NASA-LaRC)

 داخل مبدل، گازها از درون ساختار کندویی متراکم از جنس سرامیک با روکش کاتالیزور عبور می کنند. ساختار کندویی مبدل باعث می شود مولکوهای گاز در هر لحظه با سطح بزرگتری از کاتالیزور تماس داشته باشند، بنابراین واکنش شیمیایی به شکل سریع تر و موثرتری رخ می دهد.

معمولاً در مبدل های کاتالیزوری از یکی از دو نوع کاتالیزور زیر استفاده می شود:

• یکی از آن ها با استفاده از یک فرآیند شیمیایی به نام کاهش (حذف اکسیژن) با آلودگی اکسید نیتروژن مقابله می کند. این واکنش شیمیایی باعث تجزیه اکسیدهای نیتروژن به گازهای ازت و اکسیژن می شود (که بی ضرر هستند، زیرا به طور معمول در هوای اطراف ما وجود دارند).
• کاتالیزور دیگر از طریق یک فرآیند شیمیایی معکوس به نام اکسایش (افزودن اکسیژن) مونوکسیدکربن را به دی اکسید کربن تبدیل می کند. سپس در طی یک واکنش اکسایش دیگر هیدروکربن های نسوخته در گازهای خروجی به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شوند.

در واقع  در مبدل های کاتالیزوری سه واکنش شیمیایی مختلف به طور همزمان اتفاق می افتد. به همین دلیل است که به آنها مبدل های کاتالیزوری سه گانه گفته می شود. در بعضی مبدل های ضعیف تر تنها دو واکنش اول (اکسایش) انجام میشود، بنابراین به آنها مبدل های کاتالیزوری دوگانه گفته می شود. بعد از اینکه کاتالیزور وظیفه خود را انجام داد، گازهای خروجی از اگزوز عمدتاً نیتروژن، اکسیژن، کربن دی اکسید و آب ( به شکل بخار) خواهند بود.

مبدل های کاتالیست چقدر موثر هستند؟

نمودار: میزان اثرگذاری کاتالیست. همانطور که می بینید، مبدل های کاتالیزوری با کاهش غلظت آلاینده ها تفاوت قابل توجهی در هوای محیط ایجاد می کنند. همچنین مبدل های کاتالیزوری سه گانه عملکرد بسیار بهتری نسبت به مبدل های دوگانه دارند. در این نمودار ها غلظت آلاینده ها با واحد گرم بر کیلومتر نشان داده شده و میزان آن ها در 80000 کیلومتر اندازه گیری شده است. نمودارها با استفاده از داده های مربوط به وسایل نقلیه با سوخت بنزین سبک رسم شده اند.

مبدل های کاتالیزوری در اصل به منظور کاهش فوری و محلی آلودگی هوا طراحی می شوند و این نمودار مشخصا نشان می دهد که این مبدل ها عملکرد خوبی دارند. با این حال گاهی این پرسش مطرح میشود که آیا این دستگاه ها به آن اندازه که به نظر می آید موثر هستند یا نه. در پاسخ به این سوال نباید فراموش کنید که مبدل ها غلظت آلاینده ها را کاهش می دهند و آن ها را کامل از بین نمی برند.

یکی از مشکلات این مبدل ها اینست که فقط در دماهای بالا ( بیش از 300 درجه سانتیگراد) و وقتی که موتور به اندازه کافی گرم شده باشد کار می کنند. مدل های اولیه مبدل های کاتالیزوری معمولاً بین 10 تا 15 دقیقه زمان برای گرم شدن لازم داشتند، بنابراین برای چند کیلومتر اول ( یا هر قسمت از یک سفر خیلی کوتاه)  کاملا بی تاثیر بودند. در مبدل های امروزی این زمان به دو الی سه دقیقه رسیده است، با این حال در طی این مدت زمان آلاینده های زیادی ممکن است وارد هوا شوند.

مسئله دیگر نقش مبدل های کاتالیزوری در افزایش گازهای گلخانه ای است. ما کربن دی اکسید را به عنوان یک گاز ایمن در نظر می گیریم، زیرا در غلظت های روزمره سمی نیست. با این حال این گاز کاملاً بی ضرر نیست، زیرا همانطور که می دانیم کربن دی اکسید عامل اصلی گرمایش زمین و تغییرات اقلیمی است.

کاتالیست بر محیط زیست چه تاثیری دارد؟

 برخی از افراد معتقدند که مبدل های کاتالیزوری تغییرات اقلیمی را تشدید می کنند زیرا کربن مونواکسید را به کربن دی اکسید تبدیل می کنند. در واقع کربن مونواکسید تولیدی خودروی شما در نهایت به طور طبیعی در جو زمین به کربن دی اکسید تبدیل می شود، بنابراین مبدل های کاتالیزوری تفاوتی در غلظت کربن دی اکسید  هوا ایجاد نمی کند. مبدل کاتالیزوری تنها میزان کربن مونواکسیدی را که هنگام حرکت از اگزوز خودروها وارد هوای خیابان می شود کاهش می دهد و به بهبود کیفیت هوای آن خیابان و محل کمک می کند.

در مورد تغییرات اقلیمی، سال هاست که مهندسین خودرو و کارشناسان محیط زیست انگشت اتهام خود را به سمت مسئله دیگری نشانه گرفته اند. با اینکه مبدل های کاتالیزوری بیشتر نیتروژن اکسید را به نیتروژن و اکسیژن تبدیل می کنند، اما در این فرآیند مقدار خیلی کمی هم نیترو اکسید (N₂O)  تولید میشود. مشکل اینجاست که با وجود تعداد زیادی خودرو و وسائل نقلیه در خیابان ها، حتی مقادیر جزئی نیترو اکسید هم اثر مخرب دارد.

در سال 2000، هیئت بین‌دولتی تغییر اقلیم اعلام کرده بود که استفاده از مبدل های کاتالیزوری به عنوان اقدامی جهت کنترل آلودگی هوا در بسیاری از کشورهای صنعتی دنیا، منجر به افزایش قابل توجه انتشار گاز نیترو اکسید از خودروهای بنزینی می شود. خوشبختانه مبدل های کاتالیزوری جدید مقادیر بسیار کمتری نیترو اکسید تولید می کنند. با این حال، با اینکه مبدل های کاتالیزوری به ما در مقابله با آلودگی هوا در کوتاه مدت کمک می کنند، نگرانی هایی در رابطه با اثر بلندمدت آنها بر تغییرات اقلیمی وجود دارد.

همچنین ببینید: آموزش رویت مپ Revit MEP 2020 – طراحی تاسیسات ساختمان

کاتالیست چطور کار می کند؟

پیش از اختراع کاتالیست، گازهای تولیدی در موتور خودرو مستقیم از لوله اگزوز آن درهوا و جو منتشر میشدند. مبدل کاتالیزوری بین موتور و لوله اگزوز قرار می گیرد، اما نحوه کار آن مانند یک فیلتر ساده نیست، بلکه با تغییر چینش اتم های سازنده مولکول ها، ترکیب شیمیایی گازهای خروجی را تغییر می دهد:

1. مولکول های گازهای آلاینده خروجی از موتور، از کاتالیزوری با ساختار کندویی از جنس پلاتین، پالادیوم یا رادیوم عبور می کند.
2. کاتالیزور مولکول ها را به اتم های سازنده آنها تجزیه می کند.
3. سپس اتم ها دوباره باهم ترکیب می شوند و مولکول های جدید نسبتاً بی ضرری مثل کربن دی اکسید، نیتروژن و آب تشکیل می دهند. در نهایت این گازهای بی خطر از اگزوز ماشین خارج می شوند.

آیا کاتالیست برای موتورهای دیزلی کار می کند؟

تنها درصد کمی از گازهای خروجی از موتور دیزلی (حدود یک درصد) آلاینده هستند. این یک درصد عمدتًا از ترکیبات نیتروژن اکسید ( حدود 50 درصد) و ذرات معلق با مقادیر نسبتا جزئی کربن مونواکسید، هیدروکربن ها و سولفور اکسید تشکیل شده است.

از مبدل های کاتالیزوری در موتورهای دیزلی نیز می توان استفاده کرد، اما با چند تفاوت مهم نسبت به موتورهای بنزینی:

• به جای کاتالیزورهای سه گانه، دیزل ها از کاتالیزورهای اکسایش دوگانه ( که فقط غلظت کربن مونواکسید و هیدروکربن ها را کاهش می دهند) و کاتالیزورهای مخصوصی که برای موتورهای دیزلی طراحی شده اند و در دماهای پائین تر نیز کار می کنند استفاده می کنند. در موتورهای دیزلی دمای گازهای خروجی موتور بسیار خنک تر از موتورهای بنزینی است.
• از آنجایی که موتورهای دیزلی فاقد کاتالیزور کاهشی هستند، میزان نیتروژن اکسید خروجی از اگزوز این موتورها نسبت به موتورهای بنزینی خیلی بالاتر است ( مکانیزم های مختلف دیگری برای مقابله با ترکیبات نیتروژن اکسید وجود دارد که می توان در موتورهای دیزلی به کار گرفت، اما ما وارد جزئیات آنها نمی شویم).
• مبدل های کاتالیزوری در موتورهای دیزلی به کاهش ذرات معلق کمک می کنند (غالبا دوده)، اما خیلی کم. آنها به طور خاص با یک نوع از ذرات معلق به نام ذرات آلی محلول (SOF) که از هیدروکربن های متصل به دوده تشکیل شده اند، مقابله می کنند. برای کاهش قابل توجه میزان ذرات دوده خروجی از موتور باید از فیلترهای ذرات معلق دیزلی (DPFs) استفاده شود.
• به جز خودروهای شخصی، در مقایسه با موتورهای بنزینی، از موتورهای دیزلی برای وسائل نقلیه خیلی بزرگتر( مثل ماشین های عمرانی بزرگ) با میزان آلاینده های خروجی خیلی بالاتری استفاده می شود. به همین علت، به جای یک مبدل بین موتور و اگزوز، در موتورهای دیزلی از چندین واحد مستقل به صورت موازی برای مقابله با حجم بالای آلاینده های خروجی استفاده می شود. (مطابق شکل زیر)

طرح کاتالیست مدولار و صدا خفه کن برای موتور احتراق داخلی اختراع شده توسط اسکات وایت و کاترپیلار. حجم گازهای خروجی از موتورهای دیزلی بزرگ بسیار بیشتر از موتورهای بنزینی است، بنابراین ممکن است لازم باشد از چندین مبدل کاتالیزوری به صورت موازی استفاده شود. در این طرح که در دهه 1990 توسط کاترپیلار ترسیم شده، مبدل بزرگ (خاکستری) شعاعی برابر با یک متر دارد. گازهای تولیدی موتور از سمت چپ (1) وارد می شوند،  توسط واحد توزیع کننده (آبی 2) به جریان های مساوی تقسیم می شوند، از یکی از هفت مبدل کاتالیزوری مجزا (قرمز 3) عبور می کنند و تصفیه می شوند، برای کاهش نویز از یک صدا خفه کم یا مافلر عبور می کنند و در نهایت هوای نسبتًا تمیز از لوله اگزوز (5) خارج می شود.

مخترع کاتالیست چه کسی است؟

از چه کسی باید بابت هوای پاک تر شهرها و خیابان ها تشکر کنیم؟ مهندسی شیمی فرانسوی، یوجین هودری (1892-1962) در 5 می 1950 اختراعی را ثبت کرد که به نظر می رسد اولین مبدل کاتالیزوری در آمریکا باشد. اختراع او 4 سال بعد در 6 آوریل 1954 تائید شد. هودری پیش‌تر فرایند صنعتی ترک خوردگی کاتالیزوری را (فرآیند تجزیه مواد شیمیایی آلی با مولکول های پیچیده و بزرگ موجود در نفت خام به فرآورده های سودمند از جمله بنزین) اختراع کرده بود. او پس از آن روی ساخت سوخت های مختلف برای وسائل نقلیه و تمیزتر کردن آنها تحقیق می کرد.

 اگرچه او به مشکل آلودگی هوا پی برده بود، اما ایده های او بسیار جلوتر از زمان خود بود: مبدل های کاتالیزوری به خاطر مواد افزودنی سربی که برای بهبود کارایی بنزین به آن اضافه میشد، “مسموم” می شدند. خوشبختانه در دهه 1970 مردم کم کم متوجه خطرات سرب که یک فلز سنگین و سمی است شدند. در سال 1973 آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده آمریکا (EPA) گزارشی را منتشر کرد که نشان میداد سرب چطور سلامتی مردم را به خطر می اندازد. پس از این انتشار این گزارش، فرآیند تدریجی حذف سرب از بنزین آغاز شد. اولین مبدل کاتالیزوری مدتی بعد در اواسط دهه 1970 معرفی شد و از آن تاریخ به بعد در موتور خودروها مورد استفاده قرار گرفت.

طرح اصلی کاتالیست یوجین هودری. این مبدل از تعدادی لوله فلزی هم مرکز (آبی) تشکیل شده که گازهای خروجی از داخل آنها عبور میکنند. هوای تمیز به کمک لوله ونتوری ( نارنجی) از طریق سوراخ های تهویه (زرد) به داخل مکیده می شوند. هودری توضیح می دهد که ” کاتالیزورهای فلزی مجزا بهتر است از جنس پلاتین باشند”، همانطور که در مبدل های امروزی می بینیم. اگرچه از فلزات مشابه دیگری نیز می توان استفاده کرد. برخلاف مبدل های کاتالیزوری امروزی، کاتالیزور ها (سبز) ساختار کندویی ندارند و در 16 حلقه مجزا (قرمز) در فواصل مرتب در طول لوله نصب شده اند و به صورت موازی باهم کار می کنند.

هودری کاتالیزور اکسایش اولیه را برای مقابله با کربن مونواکسید اختراع کرد. مبدل های کاتالیزوری سه گانه بهبودیافته که قادر به مقابله با نیتروژن اکسید نیز بودند، در اوایل دهه 1970 توسط کارل کیت (1920-1988)، جان مونی (1929-) و مهندسین شمی در شرکت انگلهارد طراحی شدند. این مبدل ها به جز حذف آلاینده های بیشتر نسبت به مبدل های اولیه، خیلی سریعتر شروع به تصفیه گازهای آلاینده خروجی میکردند، بنابراین برای سفرهای کوتاه کارآمدترند.

در طرح بهبودیافته کارل کیت و جان مونی، دو مبدل کاتالیزوری مجزا وجود دارد. گازهای آلاینده از موتور ( قرمز 10) و منیفولد اگزوز (نارنجی 11) بیرون می آیند و پیش از خروج از لوله اگزوز( خاکستری 26)،  از کاتالیزور اول ( سبز 13) و سپس از کاتالیزور دوم (25) که با فاصله از کاتالیزور اول قرار گرفته است عبور می کنند.