نسخه قابل چاپ ارسال به دوستان ذخیره
کد خبر: 20379
زمان انتشار: 22 مرداد 1397 12:08:00

کارایی مطلوب مبدل‏ های کاتالیستی نیازمند بازدیدهای دوره ‏ای است

خودروها منبع آلودگی هستند و آلاینده‌های حاصل از عملکرد آنها در شهرهای بزرگی مانند تهران، مشکلات بسیاری به وجود می آورند. باید به فکر چاره بود...
کارایی مطلوب مبدل‏ های کاتالیستی نیازمند بازدیدهای دوره ‏ای است

 مجله ماشین -  مهندس جواد علیپورصدری / قوانین زیست‌ محیطی ویژه وضع شده در کشورهای مختلف، مقدار آلودگی قابل انتشار از هر خودرو را محدود می کنند و سازندگان خودرو نیز برای رعایت این محدودیت ها راهکارهای متفاوتی جهت کاهش و حتی جلوگیری از تولید آلاینده‌ها بکار بسته  و سیستم‌ های متنوعی برای سوخت‌ رسانی و احتراق بهتر و کامل تر خودروها ابداع کرده‌اند. 

یکی از مهمترین و پرکاربردترین وسیله های کاهش دهنده آلایندگی اتومبیل ها، قطعه ای مفید و جالب به نام مبدل کاتالیتیک است که مواد حاصل از احتراق، قبل از ورود به محیط از این قسمت عبور کرده و تغییر ماهیت پیدا می کنند. در این نوشتار، پس از تشریح آلاینده‌های حاصل از احتراق سوخت در موتور خودروها به بررسی انواع مبدل های کاتالیتیک می پردازیم، وسیله‌ای ساده و جمع و جور که وظیفه‌ای بزرگ بر عهده دارد.

آلاینده‌های خروجی از موتور خودروها
برای کاهش انتشار گازها و مواد آلاینده‌ حاصل از احتراق در پیشرانه اتومبیل، مقدار سوخت مصرفی بوسیله کامپیوتر خودرو به دقت کنترل می شود تا میزان اختلاط هوا با سوخت، هر چه بیشتر به نقطه استوکیومتری نزدیک باشد. از نظر تئوری نسبت ایده‌ال هوا به سوخت در احتراق موتورهای درون سوز با عنوان نقطه استوکیومتری شناخته می شود که با چنین نسبتی تمام سوخت به طور کامل با اکسیژن هوا ترکیب شده و احتراق به صورت کامل صورت می گیرد. 
در موتورهای بنزین سوز، نسبت استوکیومتری حدود 7/14 به 1 است، یعنی سوختن کامل یک واحد بنزین به 7/14 واحد هوا (اکسیژن) نیاز دارد اما در زمان رانندگی، این نسبت همواره در حد ایده‌ آل نبوده و تغییر می کند. برای مثال در برخی موارد، با غنی تر شدن مخلوط هوا و سوخت، نسبت هوا به سوخت از 7/14 پایین تر می رود. اگرچه انتشار دی اکسید کربن موجب گرم شدن تدریجی کره زمین شده است اما بطور کلی برخی از این گازهای خروجی بی خطر هستند. از آنجا که فرایند احتراق هیچ‌گاه کامل نیست، عمده گازهای خروجی از موتور خودرو عبارتند از:
نیتروژن- N2: از آنجایی که 78 درصد هوا را گاز نیتروژن تشکیل می دهد، بیشتر این گاز بدون هیچ‌گونه واکنشی از محفظه احتراق، خارج می شود.
دی اکسید کربن- CO2: این گاز به عنوان یکی از محصولات اصلی احتراق موتور، از ترکیب کربن سوخت با اکسیژن هوا بوجود می آید.
بخار آب- H2O: بخار آب نیز محصول دیگر احتراق است که از ترکیب هیدروژن و هیدروکربورهای سوخت با اکسیژن هوا ایجاد می گردد. 


بسته به نحوه عملکرد هر پیشرانه، بسیاری گازهای آلاینده و مضر نیز در موتور تولید می شوند که برخی از مهمترین آنها عبارتند از:
مونواکسید کربن- CO: گازی بسیار سمی که رنگ و بوی خاصی ندارد و حاصل از احتراق ناقص سوخت است.
هیدروکربن‌ها یا ترکیبات ارگانیک فرار- VOCs: مجموعه گازهایی که نتیجه تبخیر سوخت محترق نشده در موتور هستند. هیدروکربن‏های شکسته شده بر اثر تابش نور خورشید، با اکسیدهای نیتروژن واکنش انجام داده و موجب ایجاد اوزن سطحی، موسوم به «مه دود» می گردند.
اکسیدهای نیتروژن- NOX: منو اکسید نیتروژن (NO) و دی اکسید نیتروژن (NO2) که به صورت NOX نشان داده می شوند ، ضمن ایجاد «مه دود» و باران‌های اسیدی، بروز ناراحتی های پوستی را نیز به دنبال دارند.
این سه ترکیب عواملی کاملا آلاینده‌اند که مبدل کاتالیتیک، به منظور کاستن این آلودگی ها طراحی و ساخته شده است.

شیوه کارکرد مبدل کاتالیتیک
بیشتر خودروهای امروزی و مدرن، مجهز به مبدل کاتالیتیک سه راهه‌ اند تا قادر باشند سه آلاینده مونو اکسیدکربن، مولکول‌ های هیدروکربن و اکسیده های ازت را تا حد امکان کاهش دهند. در این مبدل‌ها از دو نوع کاتالیزور احیاء کننده و کاتالیزور اکسیدکننده استفاده می شود که ساختار سرامیکی هر دوی آنها با کاتالیزورهای فلزی شامل پلاتین، رودیم یا پالادیم پوشانده شده است. در ساخت این مبدل‌ها، رعایت نکات زیر مهم و ضروری است:
1. مبدل باید برای افزایش تماس با گازهای خروجی، بیشترین سطح ممکن را داشته باشد.
2. به دلیل قیمت بسیار زیاد کاتالیزورها، استفاده از این مواد باید کمترین حد ممکن باشد.
بر همین اساس مبدل‌های کاتالیتیک به دو صورت لانه‌زنبوری و بستر سرامیکی ساخته می شوند که امروزه بیشتر خودروها از ساختار لانه زنبوری سود می‌برند.

کاتالیزور احیاء کننده
در اولین بخش مبدل، کاتالیزور احیاء کننده قرار دارد. در این مرحله، به منظور جلوگیری از انتشار اکسیدهای نیتروژن از پلاتین و رودیم استفاده می شود. هنگامی که یک مولکول NO یا NO2 در تماس با کاتالیزور قرار گیرد، بر مبنای فرمول های زیر به مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن شکسته می‌شود:



کاتالیزور اکسیدکننده
دومین قسمت مبدل، شامل کاتالیزور اکسیدکننده است. در این قسمت، با سوزاندن (اکسیدکردن) هیدروکربن‌های نسوخته در مجاورت کاتالیزورهای پلاتین و پالادیم، این هیدروکربن‌ها همراه با مونو اکسیدکربن‌ خروجی، کاهش می یابند. این کاتالیزور، به کمک اکسیژن دود خروجی، مقدار CO و هیدروکربن‌های نسوخته را به شکل زیر کاهش می دهد:


 
حال ببینیم اکسیژن لازم برای انجام این فرآیند از کجا تأمین می‌شود؟

سامانه کنترل اکسیژن گازهای خروجی
در سومین مرحله، سیستم کنترل دود خروجی از اگزوز  وارد عمل شده و با استفاده از نتایج این بررسی، میزان تزریق سوخت را تحت کنترل قرار می‌دهد. در این سامانه یک حسگر اکسیژن، روی چندراهه خروجی موتور و قبل از ورود گازها به مبدل کاتالیتیک، مقدار اکسیژن موجود در دود خروجی را به کامپیوتر موتور یا ECU گزارش کرده و کامپیوتر با تنظیم نسبت سوخت به هوا، مقدار اکسیژن دود خروجی را افزایش یا کاهش می دهد. 
در این روش، همواره موتور در وضعیتی نزدیک به نقطه استوکیومتری قرار می گیرد. با این عمل، همواره اکسیژن کافی در دود خروجی برای اکسیدکردن هیدروکربن‌های نسوخته و CO در اختیار کاتالیزور اکسیدکننده وجود خواهد داشت.

سایر روش های کاهش آلاینده‌ها
بااینکه مبدل کاتالیتیک، نقشی بزرگ در کاهش آلاینده‌های خروجی از موتور یک اتومبیل دارد اما هنوز هم نیازمند برخی تغییرات و تحولات است. یکی از بزرگترین معایب این وسایل، عملکرد بهینه آنها در دمای نسبتاً بالا است زیرا هنگام سرد بودن موتور، مبدل کاتالیتیک تقریباً هیچ اثری در کاهش آلاینده‌های اگزوز ‌ندارد. 


ساده ترین راه حل این مشکل نصب مبدل کاتالیتیک در فاصله ای هر چه نزدیکتر به موتور است تا با برخورد گازهای داغ موتور به مبدل، هر چه سریع‌ تر امکان گرم کردن آن فراهم گردد اما این کار هم می تواند موجب کاستن از عمر آن شود. بنابراین بیشتر سازندگان خودرو، مبدل گازهای خروجی را زیر اتاق و در محل صندلی جلو قرار می دهند تا هم به حد کافی از موتور دور بوده و هم به اندازه لازم به آن نردیک باشد.
پیش گرم کردن مبدل کاتالیتیک نیز یکی از راه های کم کردن انتشار آلاینده‌هاست. ساده‌ترین روش برای رسیدن به این هدف، استفاده از گرمکن‌های الکتریکی است ولی سیستم الکتریکی 12 ولتی خودرو فاقد توان لازم برای گرم کردن سریع و به اندازه کافی مبدل است. از سوی دیگر بیشتر مردم، چند دقیقه قبل از استارت زدن، منتظر گرم شدن مبدل نمی‌مانند. یکی از مزایای خودروهای هیبریدی این است که با وجود مجموعه باطری‌های ولتاژ بالا، از این قابلیت برخوردارند که مبدل را بسیار سریع گرم کنند.
بنابر آنچه گفته شد می توان چنین نتیجه گرفت که همچنان مبدل کاتالیتیک برترین و به صرفه ترین راهکار کاهش آلایندگی خودروها بشمار می آید اما نباید قیمت بالا و همچنین حساسیت شدید آن به روغن (روغن¬سوزی موتور) و وجود ناخالصی در سوخت را فراموش کرد. 
 
تصاویر
OK
نام :
ایمیل :
دیدگاه :
آدرس ايميل شما:
آدرس ايميل گيرندگان:
هر یک از ایمیل ها را در یک سطر وارد نمایید، حداکثر ۲۰ آدرس