کاتالیزورها قطعاتی جدید و امروزی نیستند و در دنیای خودروهای ساخته‌شده در بیش از پنج دهه اخیر تقریباً در همه خودروها وجود داشته و وظیفه تجزیه و ترکیب انواع گازهای سمی حاصل از احتراق داخلی در موتور خودرو را به گازهای دوست‌دار محیط زیست یا گازهایی که خطر کمتری برای آن داشته باشند بر عهده دارند. شناخت نحوه عملکرد انواع مختلف مبدل‌های کاتالیستی و همچنین عمر مفید آنها، اجزای تشکیل‌دهنده هر نوع و مکان استفاده و شکل کارکرد آنها می‌تواند به نگهداری هر چه بهتر این قطعه در سیستم اگزوز خودرو کمک کند.
این قطعات در هنگام خرابی علائمی داشته که چنانچه رانندگان انواع خودروهای سبک و سنگین با آنها آشنایی داشته باشند می‌توانند از گسترش آسیب به سیستم اگزوز و تخلیه موتور خودرو خود و همچنین محیط زیست جلوگیری کنند. در این نوشتار توضیحاتی درباره نحوه عملکرد مبدل کاتالیستی در خودرو، تاریخچه اختراع و به کار گیری آن، اجزای تشکیل‌دهنده آن و انواع مختلف کاتالیزورهای موجود در بازار ارائه شده و همچنین علائم خرابی این قطعات بیان شده اند.
کاتالیزور خودرو چیست و چگونه کار می‌کند؟
مبدل کاتالیزوری یا کاتالیزور خودرو یک دستگاه کنترل انتشار گازهای سمی حاصل از احتراق از طریق اگزوز است که گازهای سمی و آلاینده‌های موجود در گاز خروجی از موتور احتراق داخلی را با تجزیه کردن طی دو یا سه واکنش شیمیایی به آلاینده‌های دارای درجه سمی کمتر تبدیل می‌کند.
اگرچه مبدل‌های کاتالیزوری معمولا برای سیستم‌های اگزوز در خودروهای استفاده می‌شوند، اما کاربرد آنها در انواع ژنراتورها، بالابرهای مکانیکی، تجهیزات و ماشین‌آلات استخراج در معدن، کامیون‌ها، اتوبوس‌ها، لکومتیوها، موتورسیکلت‌ها و کشتی‌ها و به طور کلی برای سیستم تهویه موتورهای احتراق داخلی که با سوخت‌های بنزین یا گازوئیل کار می‌کنند بسیار گسترده و شایع است.
کاتالیزورمبدلهای کاتالیزوری حتی در برخی از اجاق‌های چوبی و بخاری‌های نفتی نیز برای کنترل انتشار گازهای گلخانه‌ای به کار می‌روند. کاتالیزورها برای درست کار کردن نیاز به دمایی در حدود 800 تا 900 درجه سلسیوس داشته و به همین دلیل در قسمتی از سیستم اگزوز نصب می‌شوند که این دمای بالا برای این قطعات تامین شود.
این مبدل‌ها با قابلیت ایجاد واکنش شیمیایی دو طرفه (دو راهه)، اکسیژن را با کربن مونوکسید (CO) و هیدروکربن‌های نسوخته (CnHn) که هر دو حاصل از احتراق داخلی و سوخت‌های فسیلی در سیلندر‌های پیشرانه خودرو هستند ترکیب کرده و گازهای کم‌خطرتری مانند کربن دی‌اکسید (CO2) و آب (H2O) تولید می‌کنند. همچنین، کاتالیزورها دمای موتور خودرو را نیز جذب می‌کنند که می‌تواند برای احتراق و فرآیند سوخت در موتور بسیار مناسب و بهینه باشد.
چنانچه خودرویی کاتالیزور نداشته باشد یا راننده و تعمیرکار این قطعه را از سیستم اگزوز خودرو خارج کنند، اگرچه ممکن است در ابتدا کمی شتاب خودرو افزایش یابد، اما در ادامه مشکلات پرشماری برای موتور خودرو به وجود می‌آید که از جمله آن می‌توان به تسریع فرسایش خودرو و کاهش شتاب ذکر شده پس از مدتی کوتاه، افزایش مصرف سوخت و ایجاد صدای ناهنجار برای موتور و افزایش آلاینده‌ها تا 30 درصد اشاره کرد.
تاریخچه اختراع کاتالیزور
نخستین مبدل کاتالیزوری برای اولین بار در اواخر قرن نوزدهم در فرانسه طراحی شد، زمانی که تنها چند هزار خودرو درون‌سوز در جاده‌ها وجود داشتند.
نمونه‌های اولیه این قطعات دارای یک ماده بی‌اثر بودند که با پلاتین، ایریدیم و پالادیوم پوشانده و در یک استوانه فلزی دو قسمتی مهر و موم شده بود. چند دهه بعد، یک مبدل کاتالیزوری به‌روزتر توسط یوژین اودری، مهندس مکانیک فرانسوی و متخصص در پالایش نفت کاتالیزوری ثبت اختراع شد. اودری در سال 1930 به ایالات متحده مهاجرت کرد و هنگامی که نتایج مطالعات اولیه گازهای خروجی از اگزوز حاصل از احتراق در ایالات متحده و در شهر لس آنجلس منتشر شد، اودری که نگران نقش گازهای خروجی از اگزوز دودکش‌ها و خودروها در آلودگی هوا بود، شرکتی به نام Oxy-Catalyst را برای تولید و توسعه محصولات کاتالیزوری خود تأسیس کرد.
کاتالیزوراولین معرفی گسترده مبدل‌های کاتالیزوری در بازار خودروی ایالات متحده آمریکا بود. شرکت‌های خودروسازی برای پیروی از مقررات سخت‌گیرانه آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده در مورد انتشار گازهای گلخانه‌ای، اکثر خودروهای بنزینی تولید خود را که از مدل سال 1975 شروع می‌شدند به مبدل‌های کاتالیزوری مجهز کردند. در سال 1981، مبدل‌های کاتالیزوری دو طرفه (دو راهه) منسوخ شده و توسط مبدل‌های کاتالیستی سه طرفه (سه راهه) که انتشار اکسیدهای نیتروژن (NO x ) را نیز کاهش می‌دهند، جایگزین شدند.
با این حال، مبدل‌های دو طرفه هنوز برای بعضی از موتورها استفاده می‌شوند؛ چرا که مبدل‌های سه طرفه برای کاهش NO x تا حدود قابل قبول و استاندارد، به احتراق غنی با رعایت اصول ترکیبی شیمیایی (استوکیومتری) نیاز دارند که برای بعضی از طراحی‌های سیستم احتراق داخلی امکان‌پذیر نیست.
اجزای کاتالیزور خودرو
یک کاتالیزور دستگاهی است که از اجزای مختفی جهت عملکرد بهینه در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای تشکیل شده است. عمده اجزای کاتالیزوها عبارت از سه بخش کلی ماده کاتالیزور، هسته کاتالیزور و لایه اکسیدی هستند که در ادامه هر کدام به صورت مختصر معرفی شده اند.
• ماده کاتالیزور: اگرچه استفاده از فلزات گران‌قیمتی مانند پالادیوم، پلاتین، طلا، کادمیوم و آلیاژهای حاوی این فلزات منجر به افزایش قیمت و گران شدن انواع مبدل‌های کاتالیستی می‌شود، اما همین ترکیبات سبب حفظ این قطعه مهم در خودرو برای مدتی طولانی‌تر و با کارایی بهینه‌تر شده و به عنوان جزء اصلی کاتالیزور بسیار مهم هستند.
• هسته کاتالیزور: هسته یا بستر کاتالیزور قسمتی در میانه این قطعه بوده که از جنس سرامیک مونولیت ساخته می‌شود. این قسمت از کاتالیزور معمولا دارای بستری با نقش لانه‌زنبوری است.
• لایه اکسیدی: جهت حفاظت از ماده کاتالیزور (که همان طور که بیان شد از فلزات گران‌قیمتی ساخته شده است) لایه‌ای اکسیدی از جنس اکسید آلومینیم، سیلیکا، آلومینا و یا تیتانیم دی اکسید برای آن تعبیه می‌شود.
انواع کاتالیزور
همان طور که بیان شد، کاتالیزورها انواع مختلفی دارند که در ادامه سه نوع عمده آنها معرفی شده است.
• مبدل‌های کاتالیستی اکسیداسیون دو طرفه: کاتالیزورهای دو طرفه همان طور که از نامشان پیداست دارای قابلیت تبدیل همزمان دو گاز سمی حاصل از احتراق داخلی خودرو یعنی مونوکسید کربن و هیدروکربن‌ها را به ترتیب به کربن دی‌اکسید و آب - کربن دی‌اکسید دارا هستند. اگرچه این کاتالیزورها امروزه عمدتا برای پیشرانه‌های دیزلی به کار می‌روند، اما به دلیل عدم توانایی در تجزیه اکسیدهای نیتروژن (NOx) تولید و استفاده از آنها در آمریکای شمالی منسوخ و ممنوع شده است.
• مبدل‌های کاتالیستی اکسیداسیون - کاهش سه طرفه: کاتالیزورهای اکسیداسیون - کاهش نوعی از کاتالیزورها هستند که با توجه به مشکلات تجزیه اکسیدهای نیتروژن در مبدل‌های دو طرفه ساخته شده و وظیفه تبدیل همزمان مونوکسید کربن، هیدروکربن‌های حاصل از احتراق و همچنین اکسیدهای نیتروژن (NOx) را به گازهای کم‌خطرتر نیتروژن و اکسیژن، کربن دی‌اکسید و آب بر عهده دارند.
• کاتالیست اکسیداسیون دیزل: این کاتالیست‌ها که به اختصار با حروف DOC نیز نشان داده می‌شوند معمولا به عنوان کاتالیزوری در احتراق‌های فشاری به کار می‌روند. اصول کار این مبدل‌ها به صورتی است که از جریان عبوری اکسیژن برای تجزیه و تبدیل گازهای سمی مانند مونوکسید کربن و هیدروکربن‌های حاصل از سوختن گازوییل به ترتیب به کربن دی‌اکسید و آب - کربن دی‌اکسید استفاده می‌کنند. همچنین مبدل‌های DOC قادر به جلوگیری از انتشار بوی گازوییل و دوده‌های غلیظ خروجی از اگزوز خودروهای دارای موتورهای دیزلی هستند و بازده کارکرد این کاتالیزورها بیش از 90 درصد عنوان شده است.
علائم خرابی کاتالیزور
مبدل‌های کاتالیستی عمدتا عمری بالغ بر 80 هزار کیلومتر یا در حدود چهار سال در خودروهای بنزین‌سوز دارند. پس از طی این مدت یا مسافت، قطعات درونی کاتالیزور از جمله قطعه اسفنجی آن کارایی خود را از دست داده و منفذ آن دچار گرفتگی می‌شوند و کارایی سابق را نخواهند داشت و بنابراین نیاز به تعویض آن است.
چنانچه پس از مدت زمان یا مسافت فوق اقدام به تعویض مبدل کاتالیستی نشود، سبب ایجاد گازهای گلخانه‌ای آلاینده محیط زیست به میزان بیش از 5 برابر می‌شود و همچنین علائمی به نشانه خرابی اینقطعه در خودرو پدیدار می‌شود که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره شده است.
چنانچه کاتالیزور خودرو دچار نقص و خرابی شده باشد، در شتاب خودرو اختلال ایجاد شده و معمولا با بروز علائمی مانند کند کار کردن موتور، سخت روشن شدن یا یا روشن نشدن در هنگام استارت، مصرف بی‌رویه سوخت توسط خودرو، لرزش بدنه و بوی بد گازهای خروجی از خودرو و بیشتر شدن تدریجی علائم فوق خود را نشان می‌دهد.
کاتالیزوردر صورتی خرابی کاتالیزور، در هنگام تست آلایندگی گازهای CO و HC بیشتر از مقدار استاندارد نشان داده شده و خودرو مردود می‌شود. همچنین، همان طور که بیان شد با توجه به این که کاتالیست باید در دمایی بالا و بین 800 تا 900 درجه سانتی‌گراد عمل کند، خرابی کاتالیزور باعث پایین آمدن دمای آن شده و ممکن است چراغ آمپر چک خودرو نیز روشن شود.
برای محافظت از کاتالیست در برابر خرابی و فرسایش باید اول از همه جلوی وارد آمدن انواع ضربه را به این قطعه گرفت. در موتورهای چهار زمانه برای شروع احتراق نیاز به جرقه‌زنی شمع‌ها و آغاز اشتعال بخار سوخت بوده و چنانچه این سیستم و یا واشر سرسیلندرهای خودرو دچار عیب و ایرادی بشوند در عملکرد کاتالیزور اختلال ایجاد می‌شود. همچنین استفاده از انواع مکمل سوخت و یا گرفتگی منافذ عضو اسفنجی کاتالیزور می‌تواند سبب بروز خرابی کاتالیزور بشود.
