مبدل کاتالیست (کاتالیزور) خودرو(پارت 4)

انواع مبدلهای کاتالیستی براساس نوع جنس :

کاتالیستها براساس نوع جنس به سه نوع عمده:
- گلوله ای
- سرامیکی
- فلزی
تقسیم میشوند.

اولین نوع مبدلهای کاتالیستی، گلوله هایی بودند که از کرههای پرسوراخ آلومینا (AL2O3) که فلزات گرانبها (PM) در داخل آنها کاشته شده بود، تشکیل میشدند . قطر این گلوله ها بین 10/1 تا 8/1 اینچ بود که درون محفظهای فلزی، زیر خودروها قرار میگرفتند. این نوع مبدلها برای موتورهای با حجم زیاد، سرعت پایین و دمای پایین، همچون کامیونها استفاده میشدند.

کاتالیستهای نوع دوم، از دیواره های نازک سرامیکی لانه زنبوری تشکیل یافته و مونولیتهای سرامیکی هستند. این دیواره ها، محل نشستن فلزات گرانبها نیستند (شکل 3). بلکه فلزات گرانبها برای داشتن سطوح تماس بیشتر بر روی لایه خارجی به نامwashcoat قرار میگیرند که این لایه، شامل اکسید فلزات (BMO) همچون آلومینا (Al2o3) و سریا (CeO2) است.

 

ساختمان اصلی کاتالیستهای سرامیکی معمولا از طریق اکستروژن ماده سرامیکی کوردریت5 2.Al2O3-5.SiO2-2.MgOساخته میشود.

کاتالیست نوع سوم که کمتر از نوع دوم مورد استفاده قرار میگیرد، مونولیتهای نوع فلزی است که از آلیاژ فلزات با مقاومت حرارتی بالا تشکیل یافته است. مونولیتهای فلزی نیز مانند سرامیکی، از سوراخهای بسیاری تشکیل شده که از ورق های فنری مانند فرم یافته کنار هم ساخته میشوند.

مزایای کاتالیستهای سرامیکی نسبت به فلزی عبارت است از: تولید آسانتر، پوششدهی راحتتر و ارزانتر بودن، قدرت نگهداری دما و بازیافت راحتتر. مزایای نوع فلزی نسبت به سرامیکی، مقاومت بالاتر در برابر ضربه و حرارت، قابلیت کاهش ضخامت دیواره (دارای تعداد سوراخ بیشتر یا cpsi بالاتر) و افت فشار کمتر و گرم شدن سریعتر است.
هماکنون، کاتالیست رایج commercial catalyst، کاتالیست سرامیکی است که حدود 85 درصد از کل تولیدات مبدل کاتالیست را تشکیل میدهد.

شرایط عملکرد مبدل کاتالیستی

گازهای خروجی در یک موتور بنزینی در حد 300 درجه تا 400 درجه سانتیگراد حرارت دارند در حالیکه ممکن است که این درجه حرارت در حالت عمل با بار کامل به 900 درجه سانتیگراد هم برسد

در حالیکه شاخص درجه حرارت برای یک مبدل در شرایط خوب که طیفی بین 500 تا 600 درجه باید باشد بنابراین مبدل ها باید نوری ساخته شوند که طیفی بین 400 تا 800 درجه را بتوانند تحمل کنند.

اگر درجه حرارت مبدل در اگزوز برای مدتی به 800 درجه تا 100 درجه برسد فلز اصلی مبدل و پوشش لایه ای آن به تف جوشی رسیده و در نتیجه به فرسودگی آن کمک می شود کار یک مبدل در شرایط ایده آل در حدود 100000 کیلومتر عمر مفید می باشد.

زور بیش از حد به موتور و در نتیجه هدر رفتن انرژی ممکن است که در اثر احتراق ناقص در اثر سرعت های غیر معقول و یابار بیش از حد در شرایط غیر عادی به وجود بیاید که این می تواند موحد بالا رفتن درجه حرارت گازهای خروجی از اگزوز گردد که اگر این حرارت 1400 درجه سانتی گراد بالاتر رود موجب ذوب شدن لایه های زیرین به کار رفته در مبدل می شود و در نتیجه خرابی مبدل ها را در پاساژهای شانه عسلی بدنبال دارد .

در حالیکه در درجه حرارت ثابت بالای 300 درجه سانتی گراد قابلیت یک ظرف مبدل نو در مورد مونو اکسید کربن ها 68% تا 99 % و برای هیدروکربن ها 95% می باشد .

اگر چه در درجه حرارت خیلی پائین تر از 300 درجه سانتیگراد مبدل ها قابلیت خود را از دست می دهند .

در درجه حرارتی که مبدل ها به قابلیت و کارایی 50% می رسند اصطلاحا درجه حرارت عطف و یا شاخص اطلاق می شود .

یک مبدل کاتالیستی هنگامی کارایی خود را از دست می دهند که مواد فعال در آ در معرض درجه حرارت گازهای اگزوز قرار بگیرند بین معنی که مواد تشکیل دهنده فعال در یک کانورتور کارائی خود را در اثر حرارت زیاد و تف جوشی خاصیت خود را از دست بدهند و این شرایط در اثر قرار گرفتن رویه فعال به مدت طولانی در معرض شرایط گفته شده و در نتیجه از دست دادن خاصیت جذب گازهایی که از پاساژ فعال عبور می کند حاصل می شود تماس طولانی با عناصر مداخله کننده مانند عنصر ضد ضربه انفجار در اثر احتراق ( سرب ) و فسفرهای افزوده در روغن ها باعث بسته شدن سایت فعال در کانورتورها و در نتیجه جلوگیری از تاثیر مواد شیمیایی فعال در کانورتور می شود به این عمل سمی شدن مواد شیمیایی در کنورتور گفته می شود که این عمل در مورد بنزین های بدون سرب در طولانی مدت نیز ممکن است اتفاق بیفتد .

مبدل های کاتالیست باید با کمترین حرارت مواد فعال آنها نسبت به منواکسید کربن ها و هیدروکربت ها فعال شوند که این مدت باید زیر یک دقیقه و حتی در حدود 30 ثانیه باشد و این مهم با قرار دادن کونوتو در نزدیکترین محل به مانیفولد موتور بدست می آید .

اگر چه نزدیکی زیاد بهلوله چند راهه اگزوز باعث می شود که گازهای اگزوز ( در شرایط خاص) و حرارت آنها از درجه مناسب بالاتر رود و بدین ترتیب به فلز اصلی و لایه های فعال کانورتور زیان رسانده و در نتیجه عمر مفید کانورتور را پایین بیاورد باید در شرایط نسبی استاکیومتری نسبت سوخت به هوای ، خوب کار بکند .

تولید اکسید های نیتروژن نسبت زیادی با بار موتور بخصوص ترکیب سوخت و هوای آن بخصوص اگر این نسبت در حدپائین استاکیومتری باشد دارد و این نکته اهمیت ترکیب سوخت و هوارا بخصوص نزدیکی آن به نقطه ایده آل استوکیومتری می رساند چون در این حالت تصاعد گازهای مضر به حداقل می رسد .

به دلیل آنکه ECU خودروها با وجود کاتالیست کالیبره می­ شود، هر گونه تغییر در کاتالیست و یا حذف آن، اگر چه ممکن است در ابتدا موجبات شتاب بیشتر خودرو را فراهم سازد اما در نهایت منجر به کارکرد نامناسب موتور و افزایش مصرف سوخت خواهد گردید.

علاوه بر این از کاربراتور یا انژکتور در موتور انتظار می­ رود سوخت و هوا را به نسبت درستی مخلوط کند. هرگونه خطا در عملکرد کاربراتور یا انژکتور می­ تواند به طور مستقیم بر استوکیومتری واکنش در سیلندرها تأثیر گذاشته و در نتیجه سبب افزایش میزان آلاینده­ ها گردد.

مواد موجود در سوخت نیز می­ تواند به طور مستقیم بر روی میزان آلاینده­ ها و عملکرد کاتالیست تأثیر گذار باشد. به عنوان مثال گوگرد موجب مسمومیت پایدار در کاتالیست می گردد، بدین صورت که با واکنش با سطح فعال کاتالیست، مانع ایجاد واکنش تصفیه شده و کاتالیست را از کار می اندازد.

با توجه به استانداردهای اروپا (98/69/EC و 8/2002/EC) غلظت گوگرد و سرب برای سوخت بنزین مطابق جدول زیر می باشد:

برای ثبت آگهی رایگان به سایت شهر 24 مراجعه کنید.

مبدل کاتالیست (کاتالیزور) خودرو(پارت 3)

گازهای آلایندۀ خروجی از موتور

اصولاً گازهای خروجی از اگزوز خودرو شامل: پارافین ها، اولفین­ها، ترکیبات آروماتیک (که هرسه به عنوان هیدروکربن­ های نسوخته شناخته می­ شوند)، بخار آب، منو اکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن، اکسیدهای گوگرد، نیتروژن، اکسیژن و دی اکسید کربن می­باشد که از میان آنها سه آلاینده اصلی زیانبار و خطرناک : منواکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن و هیدرو کربن­ های نسوخته هستند.

 

به طور مثال: منو اکسید کربن که گازی است بیرنگ و بی بو، با میل ترکیـبی زیاد که از احتراق ناقـص سوخت های فسیـلی به وجود می­ آید می­تواند تا 250 بار سریعتر از اکسیژن با هموگلوبین خون ترکیب شود که اثرات آن از سردرد تا مرگ می ­باشد. از دیگر زیان­های گازهای خروجی از اگزوز می­توان به تولد نوزادهای ناقص یا انواع سرطان­های ریه و... اشاره کرد.

با توجه به آلاینده­های موجود در گازهای خروجی از موتور، هدف تبدیل گازها از طریق واکنش اکسایش و کاهش در کاتالیست­ها به مواد کم ضرر و یا به طور عمده بی ضرر برای محیط زیست و موجودات زنده می­ باشد.

 

انواع مبدل کاتالیست

به طور کلی، در مبدل های کاتالیستی بسته به نوع مبدل، یکی از واکنش های دو مرحله ای یا سه مرحله ای انجام می شود که در ادامه به توضیح هر کدام از آن ها می پردازیم.
(1) مبدل های کاتالیستی مبتنی بر واکنش های دو مرحله ای: طی این واکنش، مونو اکسید کربن و هیدروکربن های ناشی از احتراق ناقص سوخت، به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شوند.
(2) مبدل های کاتالیستی مبتنی بر واکنش های سه مرحله ای: طی این واکنش، پس از اکسیداسیون اکسیدهای نیتروژن به گاز نیتروژن و اکسیژن، مونو اکسید کربن و هیدروکربن های ناشی از احتراق ناقص سوخت، به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شوند.

۱) مبدل کاتالیست دوگانه

این نوع از کاتالیزورها به طور عمده ای در موتورهای دیزلی برای کاهش آلاینده های مونوکسیدکربن و هیدروکربن های نسوخته به کار می روند. به علت عدم توانایی اینگونه از کاتالیست ها در کاهش آلاینده های اکسید نیتروژن، امروزه در موتورهای بنزینی از این نوع کاتالیست ها استفاده نشده و به جای آنها از کاتالیست های سه گانه بهره برده می شود. کاتالیزور دوگانه دو عمل را به طور همزمان انجام می دهد:

آ) اکسیداسیون مونوکسید کربن به دی اکسید کربن: CO + 0.5O2 → CO2
ب) اکسیداسیون هیدروکربن های نسوخته و تبدیل آنها به دی اکسید کربن و آب: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

۲) مبدل کاتالیست سه گانه

مبدل کاتالیستی سه گانه سه وظیفه زیر را انجام می دهد:

آ) کاهش اکسیدهای نیتروژن به اکسیژن و نیتروژن: 2NOx → xO2 + N2
ب) اکسیداسیون مونوکسیدکربن به دی اکسید کربن: CO + 0.5O2 → CO2
پ) اکسیداسیون هیدروکربن های نسوخته و تبدیل آنها به دی اکسید کربن و آب: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

نکته بسیار مهم در رابطه با این نوع از کاتالیست ها این است که زمانی این کاتالیست ها بالاترین راندمان را دارند که گازهای خروجی از موتور و ورودی به کاتالیست به مقدار کمی بالاتر از نقطه استوکیومتری باشند. این بدان معناست که نسبت وزنی هوا به سوخت در مخلوط ورودی به کاتالیست در موتورهای بنزینی در حدود ۱۴/۶ تا ۱۴/۸ باشد.

گفتنی است، علاوه بر واکنش های اصلی مبدل کاتالیستی که منجر به تولید محصولات غیرسمی می شوند، یک سری واکنش های ناخواسته نیز صورت می گیرند که سبب تولید مقادیر بسیار کمی از محصولات سمی نظیر سولفید هیدروژن (H2S) و آمونیاک (NH3) می شود. این نوع واکنش های ناخواسته معمولاً در مبدل های کاتالیستی مبتنی بر واکنش های سه مرحله ای بروز می یابند. اگرچه حذف چنین واکنش هایی به طور کامل امکان پذیر نیست، اما با اعمال یک سری تغییرات در ماهیت ماده کاتالیست و لایه اکسیدی می توان از بروز این واکنش ها تا حد امکان جلوگیری کرد. به طور مثال، جهت جلوگیری از تولید سولفید هیدروژن می توان به لایه اکسید فلزی، نیکل یا منگنز اضافه کرد؛ زیرا این فلزات نسبت به جذب گوگرد حساس هستند مانع از جذب آن توسط لایه اکسیدی می شوند. به عبارت بهتر، سولفید هیدروژن زمانی تولید می شود که گوگرد در دمای پایین توسط لایه اکسیدی جذب شده باشد. پس از جذب گوگرد در دمای پایین، در مرحله بعد در دمای بالا آزاد می شود و پس از ترکیب با هیدروژن، گاز سولفید هیدروژن تشکیل می شود.

برای ثبت آگهی رایگان به سایت شهر 24 مراجعه کنید.