مبدل کاتالیستی (Catalyst Converter)

مبدل کاتالیستی وسیله ای است که برای کاهش مواد سمی و آلاینده گازهای خروجی از اگزوز اتومبیل بکار می رود. این مبدل ها اولین بار در سال 1975 مورد استفاده قرار گرفتند. مبدل کاتالیستی یک محیط شیمیایی را فراهم می سازد که در ان طی واکنش مواد آلاینده با کاتالیست، گاز های سمی حاصل از احتراق به گازهایی با آلایندگی کمتر تبدیل می گردند. هدف از بکار گیری یک مبدل کاتالیستی، کاهش مقادیر هیدرو کربن های نسوخته (HC)، مونو اکسید کربن (CO) و اکسید نیتروژن (NO_x) از گازهای خروجی از اگزوز می باشد.

بیشترین نوع مبدل های کاتالیستی مورد استفاده در اتومبیل های امروزی از نوع سه راهه (Three Way) می باشد که سه نوع آلاینده CO، NO_x و HC را توسط دو قسمت اصلی که در ذیل توضیح داده خواهد شد تصفیه نموده و از آلایندگی آنها می کاهند. هر دوی این قسمت ها از ساختار سرامیکی که توسط کاتالیست فلزی، پلاتینیوم یا پالادیوم، رودیوم و سریم پوشیده شده است تشکیل شده اند. در ساختار مبدل های کاتالیستی سعی می شود تا بیشینه سطح تماس کاتالیست با گازهای خروجی ایجاد شود تا هم حجم مبدل کاهش پیدا نماید و هم میزان کاتالیست مورد استفاده در مبدل به دلیل قیمت بسیار بالا کاهش پیدا کند. دو ساختار رایج در ساخت مبدل های کاتالیستی نوع آرایش شش گوش و مهره سرامیکی می باشد که امروزه از نوع شش گوش بیشتر استفاده می شود.

1. کاتالیست کاهنده (Reduction Catalyst)

اولین مرحله مبدل کاتالیستی بشمار می آید و در آنها تبدیل اکسید های نیتروژن به نیتروژن و اکسیژن و کاهش مونو اکسید کربن انجام می شود. این قسمت برای کاستن از اثرات تخریبی NO_x از پلاتینیوم و رودیوم استفاده می شود.

مرحله  دوم تصفیه گازهای خروجی از مبدل به شمار می آید و وظیفه کاهش هیدرو کربن های نسوخته را بر عهده دارد. این عمل را توسط اکسیژن اضافی موجود در اگزوز و اکسیداسیون هیدرو کربن ها و تبدیل آنها به دی اکسید کربن و آب انجام می دهد.

یکی از مهمترین مسایل در سیستم های دارای مبدل این است که هوا و سوخت موتور به نسبت استوکیومتریک با یکدیگر مخلوط شوند. سیستم های کنترلی نصب شده روی مجموعه، جریان گازهای خروجی را اندازه گیری کرده و از اطلاعات بدست آمده برای کنترل سیستم پاشش سوخت استفاده می نماید. در مجموعه کنترلی مبدل های کاتالیستی یک سنسور اکسیژن قبل از کاتالیست قرار دارد و میزان اکسیژن را به ECU اطلاع داده تا ECU مقدار سوخت را جهت تزریق تنظیم نماید. وظیفه سیستم کنترلی مبدل کاتالیستی، کنترل نمودن نسبت سوخت به هوا جهت دست یابی به نسبت استوکیومتریک و کارکرد بهینه موتور می باشد.

با خروج گازهای خروجی از مبدل کاتالیستی پس از استارت موتور، کاتالسیت به تدریج گرم می شود و اکتیویته آن افزایش می یابد. با افزایش اکتیویته شیمیایی واکنش های احتراق شروع می شود و راندمان کاتالیست در کاهش آلاینده ها افزایش می یابد، تا جایی که راندمان کاتالیست در کاهش آلاینده ها به 50 درصد برسد. این نقطه را نقطه Light off می نامند.هر چقدر کاتالیست زود تر به این نقطه برسد، آلاینده های مربوط به حالت استارت کمتر خواهد بود و امر در رسیدن به میزان مجاز آلاینده ها که در استانداردهای جهانی معین شده است، بسیار مفید می باشد. پس از نقطه Light off با گرم شدن کاتالیست راندمان آن افزایش می یابدتا جایی که کاتالیست در ناحیه کاری خود قرار می گیرد و با حداکثر راندمان ممکن آلاینده ها را کاهش می دهد.

مکانیزم کاهش آلاینده ها در مبدل کاتالیستی به این نحو است که سطح متخلخل سرامیکی (Washcoat) و فلزات گران بهای نشانده شده روی آن، دارای خاصیت کاتالیزوری در برابر واکنش های احتراق بوده و به پیش رفت واکنش ها کمک می کند. بنابر این واکنش های اکسیداسیون و احیای احتراق به صورت جداگانه ادامه پیدا می کند.بنابراین هیدرو کربن های نسوخته (HC) می سوزد، CO با اکسیداسیون به CO₂ تبدیل می شود و با احیای آلاینده های NO_x گاز نیتروژن از کاتالیست خارج می شودوبه این ترتیب آلاینده های اصلی موجود در گاز های خروجی از اگزوز مورد تبدیل قرار گرفته و کاهش می یابند.

نمودار فوق افزایش راندمان کاتالیست در کاهش آلاینده های CO، HC و NO_x  را از حالت استارت سرد تا بعد ار نقطه Light off نشان می دهد.

1. عمده آسیب های وارده به مبدل های کاتالیستی که راندمان آنها را بطور قابل ملاحظه ای کاهش می دهد، موسوم به پدیده Poisoning یا مسمومیت مبدل کاتالیستی هستند که در اثر و جود ترکیبات فسفردار، سرب دار و سولفوردار در گازهای خروجی اگزوز به وجود می آید.

در این پدیده ساختار زیر بنایی مبدل کاتالیستی به تدریج تغییر می کند و از اکتیویته آن در کاهش آلاینده ها کاسته می شود تا جایی که راندمان کاتالیست به حد زیادی افت کرده و عمل کاهش آلاینده ها به میزان لازم انجام نمی شود.

• سرب و فسفر موجود در گازهای خروجی از موتورتاثیر مخرب زیادی روی فلزات گرانبهای کاتالیست دارند. این مواد سطح کاتالیست را پوشانده و مانع از تماس این گازها با کاتالیست شده و از تبدیل شدن گازهای سمی به مواد کم خطر جلوگیری می کند. به عبارتی استفاده از بنزین سرب دار باعث خرابی کامل مبدل کاتالیستی می شود.

• اثر سولفور بر روی مبدل کاتالیستی، منجر به از کار افتادگی تدریجی مبدل شده و مسمومیت با سولفور (Sulfur Poisoning) نامیده می شود.نتایج تجربی بدست آمده از انجام آزمایشات مختلف روی مبدل ها، با سوخت هایی با محتوی درصد متفاوت سولفور، نشان می دهد که هرچقدر میزان سولفور موجود در سوخت بیشتر باشد، کاهش راندمان تبدیل NO_x نیز بیشتر است.

نمودار فوق تاثیر سولفور بر کاهش راندمان تبدیل NO_x در مبدل کاتالیستی را نشان می دهد.

2. کاتالیزور نسبت به تغییرات ترکیبات موجود در گازهای خروجی حساس است. مثلا خرابی واشر سرسیلندر باعث وارد شدن روغن و آب به محفظه احتراق شده، گازهای خروجی را آلوده کرده و به کاتالیزور آسیب می رساند.

3. اگر سیستم جرقه خودروی شما معیوب باشد باعث می شود مخلوط سوخت و هوا ناقس بسوزد و گازهای حاصل از احتراق ناقص عامل دیگری برای تخریب کاتالیزور هستند.

طول عمر مفید کاتالیست 80000 تا 100000 کیلومتر و یا زمان تقریبی 4 سال می باشد. پس از گذشت این زمان مبدل دیگر توانای انجام واکنش های شیمیایی را نداشته و باید تعویض شود.

1. افزایش ناگهانی مصرف سوخت

2. افت شتابگیری

3. ممکن است خودروی شما روشن نشود یا بد استارت بخورد

4. بد کار کردن خودرو همراه با لرزش در حالت دور آرام

5. بوی بد یکی از شایع ترین علائم خرابی کاتالیست می باشد. اگر بویی شبیه تخم مرغ گندیده احساس کردید و به مرور زمان بو بیشتر شد نشانه خرابی کاتالیزور است

6. کاهش دمای کاتالیزور (با توجه به اینکه بازدهی واقعی کاتالیزور هنگامی است که دمای آن بالا می رود و حتی احتمال دارد تا مرز 700 و 800 درجه هم نزدیک شود پس کاتالیزوری که پس از مدتی رانندگی و گرم شدن موتور هنوز به دمای ایده ال خود نرسیده باشد معیوب است)

7. در صورتی که خودرو کاملا سرد باشد اگر کاتالیزور را با دست تکان دهید و صدایی شبیه تکان خوردن سنگریزه در داخل آن به گوش برسد نشانه ای از ریختن شبکه های داخل آن است.

8. چراغ اخطار (چک) در پشت آمپر روشن می شود.