کاتالیزور خودرو چیست و استفاده از آن چه مزایایی دارد؟

کاتالیزور خودرو یا مبدل کاتالیزوری وسیله ای برای کنترل انتشار گازهای اگزوزی است . کاتالیزور واکنش ردوکس (واکنش اکسیداسیون و کاهش) ، گازهای سمی و آلاینده های موجود در گازهای خروجی از یک موتور احتراق داخلی را به آلاینده های کمتر سمی تبدیل می کند. مبدل های کاتالیزوری معمولاً برای موتورهای احتراق داخلی که توسط بنزین یا گازوئیل کار می کنند ، استفاده می شوند.

اگرچه مبدلهای کاتالیزوری معمولاً در سیستم های اگزوز  اتومبیل استفاده می شوند ، اما از آنها در ژنراتورهای الکتریکی ، لیفتراک ، تجهیزات معدن ، کامیون ، اتوبوس ، لوکوموتیو ، موتورسیکلت و کشتی نیز استفاده می شود. حتی در برخی از اجاق های چوبی برای کنترل میزان انتشار گازهای سمی از آنها استفاده می شود.

این استفاده گسترده در پاسخ به مقررات دولت ها برای کاهش گازهای آلاینده یا به دلیل مقرراتی است که برای حفاظت از محیط زیست وضع شده است. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

کاتالیزور در شیمی چیست؟

در شیمی، کاتالیزور را به عنوان ماده ای تعریف می کنند که در صورت اضافه شدن به مخلوط واکنش، سرعت انجام واکنش را بدون این که در خود تغییری ایجاد شود، افزایش می دهد. به عبارتی سرعت رسیدن به حالت تعادل در یک واکنش شیمیایی با استفاده از کاتالیزورها افزایش پیدا می کند. تاثیری که کاتالیزور در واکنش دارد، بدون ایجاد تغییر در موقعیت تعادل است. یکی از مزایایی که استفاده از کاتالیزور دارد، دست یافتن به کاتالیزور بدون تغییر در پایان واکنش است. اما ممکن است این ماده دچار تغییرات فیزیکی اندکی شده باشد.

معنی کاتالیزور

کاتالیزور را در تعریف ماده ی افزایش دهنده سرعت رسیدن به تعادل در یک واکنش به کار می برند. کاتالیزور به عنوان ماده ای که بدون ایجاد تغییر در خود، موجب افزایش سرعت یک واکنش شود، می تواند از نظر صرفه اقتصادی بسیار مهم باشد. زیرا با بالا بردن میزان بازدهی و بهبود عملکرد یک واکنش، در کاهش دادن هزینه ها موثر خواهد بود.

یک کاتالیزور خوب باید فعالیت بالایی داشته و مساحت سطح آن ها زیاد باشد. در کاتالیزور مرغوب، گرمای جذب سطحی متوسط بوده و میزان مقاومت مکانیکی زیاد است. کاتالیزوری مرغوب خواهد بود که پودر نشود، دچار ساییدگی نشده و در دماهای عملیاتی دارای عملکرد خوبی باشد. همچنین این مولکول ها باید دارای عمر مفید بالایی بوده و محصولات جانبی کمتری را تولید کنند.

تاریخچه استفاده از کاتالیزور خودرو

اولین معرفی گسترده مبدل های کاتالیزوری در بازار اتومبیل ایالات متحده بود. برای انطباق با مقررات منع انتشار آلاینده های آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده ، اکثر وسایل نقلیه مجهز به بنزین که از سال ۱۹۷۵ وارد بازار شده اند به مبدل های کاتالیزوری مجهز هستند.

این مبدل های “دو راهه” با ترکیب اکسیژن با مونوکسیدکربن (CO) و هیدروکربن های نسوخته  (CnHn)  ، دی اکسید کربن (CO2)  و آب (H2O) تولید می کنند. در سال ۱۹۸۱ مبدل های کاتالیزوری دو راهه توسط مبدل های “سه راهه” که اکسیدهای نیتروژن را نیز کاهش می دهند، جایگزین شدند. در ایران کاتالیزور خودرو پژو ، کاتالیزور خودرو ۲۰۶ و کاتالیزور تیبا در انواع مختلف با قیمت های متفاوت در بازار موجود هستند به عنوان مثال قیمت کاتالیزور اگزوز ریو بر اساس نوع کاتالیزور متفاوت است.

با این حال ، مبدل های دو راهه هنوز هم برای موتورهای کم سوخت استفاده می شوند زیرا مبدل های سه راهه برای کاهش موفقیت آمیز NO به احتراق قوی یا استوکیومتری نیاز دارند.

ساختار کاتالیزور خودرو

مبدل کاتالیزوری از مواد مختلفی تشکیل شده است. هسته یا بستر کاتالیست با توجه به وسیله نقلیه متفاوت است. به عنوان مثال ، هنگامی که از این دستگاه ها در خودروها استفاده می شود ، هسته آن معمولاً یک مونولیت سرامیکی با ساختار لانه زنبوری است.

هسته های سرامیکی در صورت تولید زیاد می توانند ارزان باشند. فویل های فلزی یکپارچه که از ترکیب آهن – کروم – آلومینیوم ساخته شده اند در برخی کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. هسته های فلزی در صورت تولید برای استفاده در مسیرهای کوچک ، از قیمت کمتری برخوردار هستند ، مانند اتومبیل های ورزشی که در آنها فشار کمتر و قابلیت اطمینان تحت بار ثابت و بالا ضروری است. هر دوی این مواد به منظور تهیه سطح وسیع برای پشتیبانی از روکش کف کاتالیزور طراحی شده اند.

روکش قابل شستشوی کاتالیزور حامل مواد کاتالیزوری است که برای پراکندگی مواد در سطح وسیع استفاده می شود. دی اکسید تیتانیوم ، اکسید آلومینیوم ، دی اکسید سیلیکون یا ترکیبی از سیلیس و آلومینا نیز می توانند استفاده شوند. مواد کاتالیزوری قبل از استفاده در هسته ، در روکش واشر معلق هستند. مواد روکش دارای سطح ناهموار و نامنظمی برای افزایش سطح هستند که به حداکثر رساندن سطح فعال از نظر کاتالیزوری برای واکنش با اگزوز موتور کمک می کند.

کاتالیست مورد استفاده در مبدل بیشتر فلزات گرانبهایی مانند پلاتین ، پالادیوم و رودیم است. پلاتین به عنوان کاتالیزور احیا و اکسیداسیون استفاده می شود. اگرچه پلاتین یک کاتالیزور بسیار فعال است و بسیار مورد استفاده قرار می گیرد ، اما قیمت بالایی دارد و برای همه کاربردها مناسب نیست. اغلب اوقات رودیم به عنوان کاتالیزور احیا ، در حالی که پالادیوم به عنوان کاتالیزور اکسیداسیون استفاده می شود.

در بعضی موارد از سزیم ، آهن ، منگنز و نیکل نیز استفاده می شود. با این حال ، برخی از شرکت ها استفاده از برخی از این ترکیبات را منع می کنند.

اجزاء کاتالیزور خودرو

کاتالیست ها از سه بخش اصلی زیر تشکیل شده اند:

ماده کاتالیزگر:  این قسمت از فلزاتی همچون پالادیوم، رادیوم، پلاتین، طلا، کادمیوم یا ترکیبی از آن‌ها تشکیل شده است. البته استفاده از این فلزات ارزشمند باعث افزایش قیمت کاتالیزور اگزوز می شود که اهمیت حفظ و نگهداری آن را برای عمر طولانی تر نشان می دهد.

هسته کاتالیزور: این قسمت بستری از جنس سرامیک مونولیت است که اکثر اوقات ساختار لانه زنبوری دارد و در مرکز کاتالیست قرار می گیرد.

لایه اکسیدی:  این لایه از اکسید آلومینیوم، سیلیکا، آلومینا یا دی اکسید تیتانیوم ساخته شده است. وظیفه این قسمت محافظت و نگهداری از ماده کاتالیزگر است.

شکل کاتالیزور

همان طور که گفته شد هر کاتالیزور در خودرو که به عنوان مبدل های کاتالسیتی نیز خوانده می شود، از سه قسمت هسته، لایه اکسیدی و ماده کاتالیست تشکیل شده است. شکل و فاز کاتالیزورها در یک واکنش شیمیایی می تواند به صورت هم فاز با مواد واکنش دهنده و یا در اختلاف فازی با آن ها باشد. بر این اساس کاتالیزورها را به دو دسته همگن و ناهمگن تقسیم بندی می کنند. کاتالیزورهای همگن در فاز مشترک با مواد واکنش دهنده هستند. اما نوع ناهمگن آن ها در فازی متفاوت با مواد واکنش دهنده هستند. انجام واکنش در نوع ناهمگن در سطح آن ها انجام می شود.

انواع کاتالیزور

انواع اصلی مبدل های کاتالیزوری با معرفی مختصر در زیر ذکر شده است:

مبدل های اکسیداسیون دو راهه

ابزارهای اکسیداسیون دو راهه دو وظیفه همزمان اکسیداسیون مونوکسیدکربن به دی اکسیدکربن و اکسیداسیون هیدروکربن ها به دی اکسیدکربن و آب را انجام می دهد. این مبدل به طور گسترده ای در موتورهای دیزلی برای کاهش انتشار هیدروکربن و مونوکسیدکربن استفاده می شود. با این حال به دلیل عدم توانایی در کنترل اکسیدهای ازت ، دیگر در ایالات متحده و کانادا استفاده نمی شود.

اکسیداسیون- کاهش سه راهه

دستگاه های اکسیداسیون – کاهش سه راهه در سیستم های کنترل میزان انتشار گاز وسایل نقلیه در بیشتر مناطق جهان از جمله ایالات متحده و کانادا استفاده می شود. مقررات سخت در رابطه با آلاینده های  خودرو استفاده از مبدل های سه طرفه در خودروهای بنزینی را تقریباً اجباری کرده است. این مبدل ها به عنوان یکی از مهمترین اختراعات تاریخ خودرو شناخته شده اند و سه کار همزمان را انجام می دهند ، یعنی کاهش اکسیدهای نیتروژن به نیتروژن و اکسیژن ، اکسیداسیون مونوکسیدکربن به دی اکسید کربن و اکسیداسیون هیدروکربن های نسوخته به دی اکسید کربن و آب.

کاتالیزور اکسیداسیون دیزل (DOC)

DOC معمولاً برای احتراق فشاری مانند موتورهای دیزلی استفاده می شود. این دستگاه از اکسیژن موجود در جریان گازهای خروجی برای تبدیل مونوکسیدکربن به دی اکسید کربن و هیدروکربن ها به آب و دی اکسید کربن استفاده می کند. مشخص شده است که این مبدل ها با کارایی ۹۰٪ کار می کنند ، زیرا آنها می توانند بوی گازوئیل را نیز از بین ببرند و ذرات قابل مشاهده منتشر شده را کاهش دهند.

محل نصب کاتالیست کجاست؟

کاتالیزور اگزوز برای عملکرد خود، نیاز به گرمای بسیار زیادی در حدود ۸۰۰-۹۰۰ درجه سانتی‌گراد دارد بنابراین  روی بخشی از اگزوز قرار می گیرد که بیشترین گرما را تولید می‌ کند. از طرف دیگر کاتالیزور به جذب گرما و در نتیجه کاهش دمای موتور خودرو کمک می کند.

به همین دلیل کاتالیست در قسمت انتهایی اگزوز سمت ماشین نصب می شود که کنار خروجی منیفولد دود قرار گرفته و با وجود دمای بسیار بالا در این قسمت به بهترین نحو عمل می کند.

طول عمر کاتالیست

طول عمر مبدل های کاتالیزوری محدود است زیرا قطعه اسفنجی بکار رفته داخل مبدل کاتالیزور به مرور زمان خاصیت خود را از دست می‌ دهد. در نتیجه  فرآیند تبدیل گاز سمی به گاز غیر سمی دچار اختلال می‌ شود و باید آنرا تعویض کرد.

طول عمر مفید کاتالیست بسته به نوع سوخت مورد استفاده در خودرو به دلیل تولید حجم های مختلفی از آلاینده ها متفاوت است. خریدار کاتالیزور حتما باید به این مسئله توجه کند و در زمان مناسب نسبت به تعویض آن اقدام نماید.

از نشانه‌ های خرابی کاتالیست خودرو می توان به کاهش شتاب موتور،  روشن نشدن خودرو، افزایش  مصرف سوخت ، لرزش خودرو ، بوی بد و افزایش میزان آن به مرور ، کاهش دمای کاتالیست ، سخت استارت خوردن ماشین و روشن شدن چراغ چک اشاره کرد.

عواملی که باعث خرابی کاتالیست می شوند شامل وارد شدن ضربه به کاتالیزور ، سیستم جرقه زنی معیوب ، گرفتگی منافذ اسفنجی کاتالیزور ، واشر سرسیلندر معیوب و استفاده از مکمل های بنزین هستند که بار زیادی به کاتالیزور وارد می کنند.

جایگزین کاتالیزور

استفاده از مبدل های کاتالیستی می تواند تا ۹۰ درصد باعث بی تاثیر شدن گازهای سمی و آلوده کننده خارج شده از اگزور خودروها شود. هیدروکربن های تولید شده در نتیجه سوختن ناقص در موتورها با استفاده از کاتالیزورها تبدیل به آب و دی اکسید کربن می شوند. به عبارتی کاربرد کاتالیزورها، آلودگی های گازهای خروجی را کم کرده و در صورت برداشتن آن، هوا با خودروها بیشتر دچار آلودگی می شود. اما با گذشت زمان و استفاده از این قطعه، باید نقص ایجاد شده در آن برطرف شده و یا حتی با کاتالیزور جدید جایگزینی انجام شود. به طور کل عمر مفید این کاتالیزورها، ۴ سال بوده و بعد از این که کارکرد خودروها به ۵۰ تا ۶۰ هزار کیلومتر رسید، باید آن را با کاتالیزور نو جایگزین کرد.

شستشوی کاتالیزور

با توجه به قیمت بالای مبدل کاتالیزوری اخیرا محلولی برای شستشوی این قطعات ساخته شده است که در مراکز معاینه فنی خودرو مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجاییکه اکثر افراد به دنبال روشی ارزان و به صرفه تر برای رفع مشکلات این قطعه هستند شستشوی این قطعه یکی از بهترین روش ها  برای شستشوی کاتالیست و سنسور اکسیژن است . برای عمل پاکسازی کافی است محلول را روی باک مخزنی که سوخت در آن ذخیره می شود نصب کنید. این محلول با استفاده از سنسور اکسیژن عمل پاکسازی کاتالیزور را انجام می دهد.

مزایا و معایب حذف کاتالیزور خودرو

در صورت حذف کاتالیزور گازهای آلاینده خودرو تا حدود ۳۰ برابر افزایش یافته و منجر به افزایش مصرف سوخت خودرو و صدای موتور می شود.

از مزایای حذف کاتالیست می توان به این مسئله اشاره کرد که در ابتدا شتاب خودرو و قدرت موتور به مقدار خیلی کمی بالاتر می ‌رود. اما به مرور زمان همین مسئله به دلیل افزایش کار باعث فرسایش موتور شده و دیگر افزایش شتاب را مشاهده نخواهید کرد.

قیمت کاتالیزور

با توجه به این که عناصر تشکیل دهنده کاتالیزور چه نوعی است، می تواند قیمت کاتالیزورها متفاوت باشد. در صورت استفاده از فلزات گران قیمت در ترکیب آن ها، قیمت این کاتالیزورها، زیاد می شود. خارجی و یا ایرانی بودن و همچنین نوسانات قیمت ارز، از عوامل موثر در قیمت این مواد خواهد بود. برای این که کاتالیزوری با کیفیت و اورجینال را تهیه کنیم، باید از نمایندگی های مجاز و مراکز معتبر اقدام به خرید آن ها بکنیم.

قیمت خاک کاتالیزور

در نتیجه ی فرسودگی و از بین رفتن مبدل های کاتالیزوری، ضایعاتی از آن ایجاد می شوند که به عنوان خاک کاتالیزور نامیده می شوند. چون فلزاتی که در ساخت مبدل ها استفاده می شوند، بسیار با ارزش هستند، حتی بعد از فرسودگی و پایان عمر مفید آن ها نیز به کار گرفته می شوند. به همین جهت خاک کاتالیزور بسیار با اهمیت است که می توان ضایعات خاک آن را استخراج و بازیافت کرد. به طوری که حتی در افزایش میزان کیفیت اکتان بنزین و همچنین تولید هیدروژن از خاک کاتالیزور استفاده می شود. اما قیمت این ضایعات بستگی به قیمت روز عناصری دارد که در ترکیب این مواد وجود دارد. همچنین ایرانی و یا خارجی بودن خودروها و نوع مدل خودرو نیز از عوامای هستند که می تواند در قیمت این مواد موثر باشد. به طوری که قیمت کاتالیزورها در خودروهای خارجی گران تر است.

اثرات زیست محیطی استفاده از کاتالیست خودرو

مبدل کاتالیزوری به طور خاص برای کاهش آلودگی های مضر ناشی از احتراق سوخت های فسیلی مبتنی بر هیدروکربن در اتومبیل اختراع شده است. مطالعات نشان می دهد که این دستگاه ها می توانند انتشار هیدروکربن ها را تقریباً ۸۷٪ ، مونوکسیدکربن ۸۵٪ و نیتروژن اکسید ۶۲٪ در طول عمر مورد انتظار خودرو کاهش دهند که تاثیر قابل توجهی بر بهبود وضعیت آلودگی هوا خواهد داشت.

با کاهش انتشار گازهای سمی از جمله دی ‌اکسید کربن گازهای گلخانه‌ ای کمتری منتشر شده و روند گرمایش زمین متوقف می شود. از طرف دیگر کاهش این گازها در اتمسفر باعث کاهش ریزش باران های اسیدی می شود که برای کل اکوسیستم های زمین مضر هستند.

اگر کاتالیزور نباشد چه میشود

در حالی که حذف مبدل کاتالیزوری به موتور آسیبی نمی رساند، باید انتظار کاهش قدرت موتور و مصرف سوخت را داشته باشید. یک مزیت بزرگ این است که حرارت موتور کمتر است. موتور بدون مبدل کاتالیزوری با نصف سختی کار می کند. موتور شما نرم تر کار می کند و به خصوص در روزهای گرم سبک تر می شود. با اینحال برداشتن مبدل می تواند منجر به صدای بلندتر اگزوز شود که ممکن است مقررات محلی نویز را نقض کند. آسیب احتمالی – کارکردن خودرو بدون مبدل کاتالیزوری می تواند منجر به افزایش دمای اگزوز شود که ممکن است به سایر اجزای سیستم اگزوز آسیب برساند.

حذف مبدل کاتالیزوری شما یک گزینه مطمئن یا قانونی نیست، زیرا EPA در سال ۱۹۷۵ آن را به عنوان یک جزء ضروری تعیین کرد. خودرو بدون مبدل کاتالیزوری به خوبی کار نخواهد کرد و مشکلات کوچک در نهایت می تواند منجر به خرابی موتور شود. ناگفته نماند که انتشار گازهای مضر در جو بیشتر خواهد شد و باعث آلودگی محیط زیست می شود.

موتور شما هنگام روشن شدن غرش بلند می کند. آنقدر بلند خواهد بود که ممکن است فکر کنید صدا خفه کن ندارید. ماشین شما ممکن است شبیه ماشین مسابقه ای به نظر برسد که وقتی پدال گاز را فشار می دهید صدای آن بلندتر می شود. همچنین متوجه خواهید شد که چراغ چک موتور روشن می شود و مانند حالت عادی زمانی که خودروی خود را روشن می کنید خاموش نمی شود.

همچنین اگر مبدلی در خودرو وجود نداشته باشد، در شتاب دادن به وسیله نقلیه خود با مشکل مواجه خواهید شد. در واقع، شتاب شما باعث می شود که خودروی شما در حین حرکت به جلو چندین بار تکان بخورد. علاوه بر مشکلات شتاب، وسیله نقلیه شما برای کار در سرعت های پایین تر نیز با مشکلاتی مواجه خواهد شد. چون موتور نمی تواند گشتاوری را که برای کار کردن به آرامی نیاز دارد، تولید کند. با توجه به این مشکلات، توصیه می کنیم تا زمانی که مبدل کاتالیزوری تعویض نشده است از رانندگی با خودرو خودداری کنید.