مبدل کاتالیست خودرو چیست و چه کاری انجام می دهد؟

مبدل کاتالیستی یا کاتالیزور یکی از تجهیزاتی است که در مسیر اگزوز خودرو قرار می‌گیرد و ذرات آلاینده ناشی از احتراق و خودرو را تجزیه کرده و به مواد و عناصر کم خطر تر برای محیط زیست تبدیل می‌کند. مبدل کاتالیستی یکی از بهترین راهکارها برای کاستن از آلایندگی خودروهای مختلف بنزینی و دیزلی است و با توجه به نوع موتور خودرو و سوخت مصرفی در آن انواع بخصوصی از مبدل کاتالیستی در مسیر اگزوز خودرو استفاده می‌شود و می‌تواند ذرات و آلاینده‌های خروجی از اگزوز خودرو را کنترل و تبدیل به عناصر کم ضررتر کند.

حال این پرسش به وجود می آید آیا با عملکرد مبدل کاتالیست یا کاتالیزور در خودرو آشنایی دارید؟ در ادامه با الو میتسوبیشی انواع مبدل‌های کاتالیستی و و نحوه عملکرد آن در مسیر خروجی اگزوز خودرو را مورد بررسی قرار می‌دهیم با ما همراه باشید.

نحوه عملکرد مبدل کاتالیستی

مبدل کاتالیستی یا کاتالیزور در مسیر خروج گازهای احتراق خودرو و به نوعی در این میانه اگزوز خودرو قرار می‌گیرد. مبدل کاتالیستی از صفحات حفره دار سرامیکی و یا برخی از فلزات گرانب‌ها همچون طلا ساخته می‌شود. گازهای خروجی از اگزوز خودرو که پس از احتراق در داخل سیلندر، از طریق اگزوز خارج می‌شوند، با واردشدن به داخل مبدل کاتالیستی یا کاتالیزور در حالیکه حاوی ذراتی هستند که از خام سوزی سوخت و یا احتراق سوخت‌های دارای ناخالصی ایجاد می‌شود، با عناصر موجود در مبدل کاتالیستی در هنگام عبور از آن واکنش شیمیایی داده و با فعل و انفعالات شیمیایی، عناصر گاز خروجی از اگزوز تجزیه شده و به موادی غیرسمی و کم‌خطرتر تبدیل می‌شوند. در بیشتر اوقات دی اکسیدکربن و آب از عناصر تجزیه شده پس از خروج گازهای ناشی از احتراق از مبدل کاتالیستی هستند.

گازهای خروجی از اگزوز خودروها حاوی عناصر مضر بسیاری است که در میان آن‌ها، خطرناک‌ترین این ترکیبات اکسیدهای نیتروژن، مونوکسیدکربن و هیدروکربن‌های نسوخته نظیر آروماتیک‌ها هستند. که این عناصر با ورود به مبدل کاتالیستی یا کاتالیزور در پی واکنش شیمیایی با عناصر داخل مبدل کاتالیستی به دی اکسیدکربن، آب و اکسیژن تبدیل می‌شوند. با توجه به عملکرد مبدل کاتالیستی در خودرو می‌توان گفت که کاتالیزور می‌تواند تا ۹۰ درصد از عناصر و ذرات خطرناک و سمی گاز خروجی از اگزوز که پس از احتراق در موتور خودرو تولید می‌شود را تجزیه کرده و به عناصر بی خطر و غیر سمی تبدیل کند. 

کاتالیست تا ۹۰٪ گازهای سمی را بی‌اثر می‌کند به‌گونه‌ای که هیدروکربن‌های نسوخته که از موتور خارج می‌شوند را به آب و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌کند. علاوه بر این اکسید ازت را به گاز ازت تبدیل می‌کند بنابراین کاتالیست در کاهش آلودگی هوا بسیار مؤثر است. طول عمر مفید کاتالیست ۱۰۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ کیلومتر است .  مبدل‌های کاتالیست که هم‌اکنون بر روی خودروهای تولیدی در ایران نصب می‌شود تا میزان آلایندگی آن‌ها را کاهش دهد پس از ۸۰۰۰۰ کیلومتر پر شده و عملاً کارایی خود را از دست می‌دهد و میزان آلایندگی خودرو تا پنج برابر افزایش می‌یابد . متوسط عمر کاتالیست چیزی حدود ۴ سال است و پس از مدت زمان یاد شده باید قطعه مورد نظر تعویض شود. 

 مبدل‌های کاتالیستی از لحاظ نوع عملکرد به دو نوع مبدل‌های کاتالیستی دوگانه و مبدل‌های کاتالیستی سه‌گانه تقسیم می‌شوند. همانگونه که از نام این مبدل‌ها مشخص است، مبدل کاتالیستی دوگانه طی دو مرحله، دو عنصر از گازهای خروجی موتور را تجزیه می‌کند. در مبدل کاتالیستی دوگانه هیدروکربن‌های ناشی از احتراق ناقص سوخت و مونو اکسید کربن، طی واکنش‌هایی‌ به آب و دی‌ اکسید کربن تبدیل می‌شوند.

همچنین مبدل کاتالیستی سه‌گانه در سه مرحله، سه عنصر سمی خروجی از موتور را تجزیه و به مواد غیر سمی تبدیل می‌کند. مبدل کاتالیستی سه‌گانه طی واکنش‌هایی پس از اکسیداسیون اکسیدهای نیتروژن به گاز نیتروژن و اکسیژن، هیدروکربن‌های ناشی از احتراق ناقص سوخت و مونو اکسید کربن را به آب و دی‌ اکسید کربن تبدیل می‌کند.

عناصر تشکیل دهنده

عناصر اصلی که نقش کاتالیستی را انجام می‌دهند بسته به نوع فرایندی که انجام می‌گیرد یا استانداردهای آلایندگی مورد استفاده عبارتند از: فلزهای گران‌بها، مانند پلاتین، پالادیم و رودیم و نیز فلزات غیر گران‌بها مانند آهن، منگنز، نیکل و مس. همچنین عنصر سریم در کاتالیست‌های سه‌گانه به عنوان بافر و ذخیره‌کننده و آزادکننده اکسیژن به کار می‌رود تا مخلوط گاز را همواره در حد نقطه استوکیومتری نگه دارد، زیرا در حول این نقطه کاتالیست‌های سه‌گانه بالاترین کارایی را نشان می‌دهند.

غیرفعال شدن کاتالیزور

کاتالیزورها دارای عمر مفید و معین هستند و با گذشت زمان از فعالیت و تأثیر آن در واکنش کاسته می‌شود یعنی نقاط فعالی روی کاتالیزور وجود دارد که این نقاط به مرور زمان مسموم می‌شوند. مسمومیت می‌تواند: - ایجاد لایه ضخیم از ماده واکنش دهنده بر روی کاتالیزور دهد. - باعث تغییر آرایش بلوری کاتالیزور شود. - باعث جذب ناخالصی‌ها در نقاط فعال شود.

انواع واکنش‌ها جهت کاهش آلاینده‌های خروجی اگزوز

Co ---> co+o2→co2
So2 ---> so2+o2→so3
No ---> No→N2+O2
CxHy ---> CxHy+O2→H2o+co2
NO + NH3 + NO2 = N2 + H2O ( برای خودرو دیزلی )

طول عمر کاتالیست

کاتالیست مرغوب می‌تواند تا ۹۰ درصد از گازهای سمی خروجی از اگزوز را به گازهای بی‌خطر تبدیل کند . اما رفته رفته که به عمر کاتالیزور اضافه می‌شود، این درصد نیز کاهش یافته و کمتر می‌شود؛ بنابراین باید بدانید هر کاتالیست یک عمر مفید دارد و پس از اتمام این عمر مفید باید تعویض شود. تعویض کاتالیست در اگزوزسازی‌ها انجام می‌شود و کاتالیز کهنه با یک کاتالیست جدید معاوضه می‌شود. به‌طور متوسط عمر مفید کارکرد هر کاتالیست خودرو بین ۸۰ تا ۱۰۰ هزار کیلومتر است و از این رقم تجاوز نمی‌کند. به‌طور متوسط هر کاتالیست عمر مفیدی بین ۳ تا ۴ سال دارد و پس از آن کارایی خود را به‌طور کامل از دست می‌دهد و به این ترتیب خودرو به یک آلاینده محیط‌زیست تبدیل می‌شود.

عوامل مخرب و تأثیرگذار بر کاهش طول عمر کاتالیست

کاتالیست‌ها به‌دلیل ساختار خود حساس و شکننده هستند از این‌رو می‌تواند در صورت رعایت نکردن برخی نکات به سرعت آسیب ببیند. رایج‌ترین علل خرابی کاتالیست‌ها به گرفتگی منافذ اسنفجی آن باز خواهد گشت چرا که در صورت گرفتگی باعث می‌شود دود خروجی از سیلندر به‌راحتی از کاتالیست عبور نکند و این فشار بیش از حد موجب تخریب این قطعه خواهد شد.

از دیگر دلایل خرابی کاتالیست‌ها، به ضربه‌های فیزیکی به این قطعه باز خواهد گشت. همان‌طور که اشاره شد ساختار کاتالیست‌ها بسیار شکننده است و در صورت ضربه وارد شدن به محفظه خارجی آن باعث می‌شود کاتالیست خرد گردد. کاتالیست همچنین به دمای زیاد بسیار حساس است به‌طوری‌که اگر دمای این قطعه به بیش از حد مجاز برسد باعث خرابی و از دست دادن خاصیتش خواهد شد. این مشکل زمانی ایجاد می‌شود که دمای موتور به دلایل مختلف بیش از حد افزایش یابد.

میزان خلوص گازهای خروجی از سیلندر برای سلامت کاتالیست بسیار مهم است چراکه اگر گازهای خروجی به مواد دیگری آغشته باشد به مرور زمان اثر خود را از دست خواهد داد. برای مثال زمانی که واشر سرسیلندر خودرو دچار مشکل و ترکیب روغن و آب وارد سیلندر شود، به‌ناچار گازهای خروجی هم به مواد یادشده آغشته شده و به کاتالیست‌ها آسیب می‌زند. خرابی سیستم جرقه‌ زنی موتور از دیگر عوامل خرابی پیش از موعد کاتالیست‌هاست چرا که در صورت احتراق نامناسب، مخلوط هوا و بنزین به‌صورت ناقص می‌سوزد و و گازهای حاصل از این احتراق ناقص باعث آسیب رساندن به کاتالیست‌ها خواهد شد. به‌دلیل وجود سرب در بنزین‌های نامرغوب و همچنین مکمل‌های انژکتورشور در باک یا اکتان بوسترها، استفاده از موارد فوق به کاتالیست آسیب می‌زند.

نشانه‌های خرابی کاتالیست خودرو

  • کاهش شتاب موتور
  • افزایش یک‌باره مصرف سوخت
  • روشن نشدن ماشین
  • لرزش خودرو
  • بوی بد و افزایش میزان آن به مرور
  • کاهش دمای کاتالیست
  • سخت استارت خوردن ماشین
  • بیش از حد بودن میزان HC و CO در تست آلایندگی
  • روشن شدن چراغ چک[۵]

زمان تعویض مبدل کاتالیستی یا کاتالیزور

از آن‌جایی‌که مبدل‌های کاتالیستی در محفظه‌ای با دمای بالا قرار دارند و عملکرد آن‌ها از طریق واکنش‌های شیمیایی  است، بنابراین دارای میزان کارکرد و عمر محدودی هستند که پس از پایان این زمان باید نسبت به تعویض این قطعه در خودرو اقدام کرد. خودروهای موجود در بازار معمولا دارای مبدل‌های کاتالیستی با میزان کارکردی در حدود 70 تا 100 هزار کیلومتر هستند، به‌همین‌دلیل باید پس از رسیدن خودرو به این کارکرد نسبت به تعویض مبدل کاتالیستی اقدام کرد؛ چرا که معیوب شدن این قطعه هم می‌تواند موجب آلایندگی بیشتر خودرو شود و هم مصرف سوخت و شتاب خودرو را تحت تاثیر قرار دهد. از آن‌جایی که مبدل کاتالیستی با ECU خودرو تنظیم می‌شود، خرابی آن یا جدا کردن این قطعه می‌تواند در بلندمدت موجب صدمه به مجموعه موتور و اگزوز خودرو شود.

انواع مبدل‌های کاتالیستی بر اساس جنس

در ادامه مقاله «مبدل کاتالیستی چیست» انواع مبدل کاتالیستی بر اساس نوع جنس را در الو میتسوبیشی برایتان شرح می‌دهیم.

1-مبدل‌های کاتالیستی گلوله ای

مبدل‌های کاتالیستی گلوله‌ای از حفره‌های سوراخ دار میله‌ای از عنصر آلومینا تشکیل شده‌اند. که بیشتر در موتورهای با حجم کمتر و آلایندگی کمتر استفاده می‌شوند.

2- مبدل‌های کاتالیستی سرامیکی

مبدل‌های کاتالیستی سرامیکی از صفحات سرامیکی متخلخل استفاده می‌کنند. این مبدل‌ها در سطح خود دارای عناصری همچون آلومینا هستند که می‌توانند خطرات موجود در گاز خروجی اگزوز را با جذب و تجزیه کنترل کنند.

3-  مبدل‌های کاتالیستی فلزی

نوع سوم مبدل‌های کاتالیستی، کاتالیزورهای فلزی هستند که در آن از آلیاژهای فلزات و ورق های فلزی استفاده می‌شود. مزیت این نوع مبدل‌ها، توان تحمل حرارتی بالا است. در میان این مبدل‌ها، نوع سرامیکی کاربرد زیادی در خودروهای مختلف دارد، در درصد بالایی از خودروها شاهد استفاده از این نوع مبدل کاتالیستی هستیم.

مبدل‌های کاتالیستی از آنجایی که در محفظه با دمای بالا قرار دارند و عملکرد آن‌ها از طریق واکنش‌های شیمیایی  است، بنابراین دارای میزان کارکرد و عمر محدودی هستند که پس از پایان این زمان باید نسبت به تعویض و جایگذاری این قطعه در خودرو اقدام کرد. خودروهای موجود در بازار معمولا دارای مبدل‌های کاتالیستی با میزان کارکردی در حدود ۵۰ هزار تا ۷۰ هزار کیلومتر هستند. باید پس از رسیدن خودرو به این کارکرد نسبت به تعویض مبدل کاتالیستی اقدام کرد چرا که معیوب شدن این قطعه هم می‌تواند موجب آلایندگی بیشتر خودرو شود و هم مصرف سوخت و شتاب خودرو را تحت تاثیر قراردهد. چون این قطعه با ECU خودرو تنظیم می‌شود، خرابی آن یا جدا کردن این قطعه می‌تواند در بلندمدت موجب صدمه به مجموعه موتور و اگزوز خودرو شود.

برگرفته از سایت https://www.hamrah-mechanic.com/ و https://fa.wikipedia.org/