آشنایی با کاتالیست و تاثیر آن بر آلایندگی خودرو

نقش کاتالیست ها و اثر آن بر آلایندگی خودرو

کاتالیست ها در کنترل آلایندگی خودرو نقش مهمی دارند. امروزه میلیون ها خودرو در سرتاسر جهان در حال تردد می باشند که هر کدام یک منبع آلودگی محسوب می شود. این مسئله خصوصا در شهرهای بزرگ به یک معضل لاینحل تبدیل شده و خودروسازان از سال ها پیش در جستجوی راه حلی برای کنترل آلایندگی خودروها بوده اند. مونوکسیدکربن (CO)، اکسیدهای نیتروژن (NO_X) و هیدروکربن ها (HC) از آلاینده های اصلی خودرو می باشند که هر کدام به نوبه خود تاثیرات مخربی روی محیط زیست دارند.

از دیگر عوارض این گازها سرطان خون و آسیب به سیستم تنفسی انسان می باشد. CO گازی بی بو، بی رنگ، سمی و خطرناک است.  NO_X از عوامل بارش باران های اسیدی است که می تواند عوارض پوستی شدیدی برای انسان به همراه داشته باشد.HC نیز از تبخیر سوخت باقی مانده از احتراق ناقص بوجود می آید و در هوا معلق می شود.

یکی از راه های ابداع شده جهت کنترل آلایندگی خودرو استفاده از کاتالیست (مبدل کاتالیتیکی) در مسیر دود خروجی اگزوز می باشد. کاتالیست ها با انجام واکنش های شیمیایی گازهای سمی و آلاینده را به دی اکسید کربن و بخار آب تبدیل می کنند. اگر کاتالیست فقط در جهت کاهش میزان HC و CO عمل کند، دوراهه و اگر NO_X را نیز مورد پالایش قرار دهد سه راهه (TWC) خوانده می شود.

اکثر خودروهای مدرن امروزی به (TWC) مجهز می باشند. در یک کاتالیست سه راهه از یک کاتالیست کاهنده و یک کاتالیست اکساینده استفاده می شود. در اولین مرحله پالایش، کاتالیست کاهنده با استفاده از پلاتین و رودیوم اکسیدهای نیتروژن را کاهش می دهد و در مرحله دوم کاتالیست اکساینده هیدروکربن های نسوخته و مونوکسیدکربن را در دمای بالا و در مجاورت پلاتین و پالادیوم می سوزاند.

جهت اندازه گیری و کنترل میزان آلایندگی خودرو از سنسور اکسیژن (لامبدا) استفاده می شود که می تواند میزان گازهای آلاینده تولید شده توسط موتور را قبل از کاتالیست اندازه گیری و به واحد کنترل الکترونیکی (ECU) اطلاع رسانی کند. این واحد در صورت تشخیص افزایش آلایندگی موتور، با تغییر در پارامترهای تحت کنترل خود از جمله نسبت هوا به سوخت اقدام به اصلاح وضع موجود می کند.

دربرخی از خودروهای جدید از سنسور اکسیژن دیگری بعد از کاتالیست استفاده می شود که با مقایسه اطلاعات ارسالی این سنسور و سنسور اکسیژن اول می توان به میزان اثر بخشی کاتالیست در پالایش آلایندگی موتور پی برده و در صورت بروز عیب در عملکرد مجموعه کاتالیست، هشدار لازم جهت رفع عیب یا تعویض کاتالیست از سوی واحد کنترل الکترونیک به مالک داده می شود.

نکات مهم در استفاده از خودروهای مجهز به کاتالیست

• از بنزین بدون سرب  استفاده کنید چرا که رسوبات سرب باعث آسیب به فلزات گران قیمت کاتالیست و گرفتگی آن می شود.
• سیستم سوخت رسانی و جرقه زنی خودرو را همواره در شرایط استاندارد و توصیه شده کارخانه سازنده نگه دارید.
• از اضافه نمودن مکمل های بنزین به جز در موارد توصیه کارخانه سازنده خودرو خودداری فرمایید.
• در لحظه خاموش کردن خودرو گاز ندهید.
• از آنجا که کاتالیست در دمای بالا کار می کند بعد از رانندگی طولانی مدت، از توقف روی علفزار خشک و بلند و یا دیگر موارد آتشگیر خودداری کنید.
• گاها از کاتالیست خودروهای نو بوی گوگرد مانندی (شبیه به بوی تخم مرغ گندیده) متصاعد می شود که بعد از طی چند صد کیلومتر یا بیشتر به تدریج مرتفع می شود.
• پیاده کردن کاتالیست به بهانه افزایش قدرت و شتاب خودرو، کاری غیر فنی و غیر اخلاقی است.
• از روشن کردن خودرو به وسیله هل دادن خودداری کنید.

فرآیند سوختن در خودرو

تمامی ترکیبات و سوختن در موتور اتومبیل به شکل کلی زیر می باشد:

گازهای خروجی + بخار آب                               هوا + هیدروکربن

هیدروکربن (HC) همان سوخت می باشد و منظور از هوا، اکسیژن و نیتروژن و مقداری گازهای دیگر می باشد که مقدار این گازها به صورت زیر است.

اکسیژن                         % 8/20

نیتروژن                         % 78

حدود 2/1 درصد گازهای دیگر

گازهای خروجی اگزوز اتومبیل که دستگاه آنها را اندازه گیری می کند و به صورت پرینت نمایش می دهد عبارتند از:

O2: اکسیژن

HC: هیدروکربن  (سوخت)

CO: منوکسید کربن

CO2: دی اکسید کربن

NOX: اکسیدهای نیتروژن که در آنالیز 5 گاز علاوه بر 4 گاز بالا اندازه گیری می شود.

در موتور اتومبیل سوختن به دو صورت کلی انجام می شود که عبارتند از:

سوختن کامل : که درآن تمامی هیدروکربن به صورت کامل سوخته و حاصل این سوختن بخار آب و گاز دی اکسید کربن بوده که این خروجی به طبیعت و محیط زیست هیچ گونه آسیبی نمی رساند. منظور از ساختن ترکیب شدن با اکسیژن می باشد.

این نوع سوختن در شرایط ایده آل و آزمایشگاهی بوده و در محیط طبیعی و در شرایط عادی رسیدن به این نوع سوختن کاری غیر ممکن است. اما هدف از تنظیم موتور نزدیک کردن سوختن اتومبیل به سوختن کامل می باشد و هرچه این نزدیکی بیشتر باشد اتومبیل در شرایط بهتری قرار دارد. شکل کلی این سوختن به صورت زیر می باشد:

HC+O                    CO2+H2O

سوخت ناقص : که درآن تمامی هیدروکربن به صورت کامل نسوخته و به صورت گازهای خروجی از اگزوز خارج می شود. در این حالت محصول سوختن شامل دو قسمت می باشد که یکی همان سوختن کامل بوده که در قسمت بالا آورده شد و دیگری سوختن ناقص بوده که شامل گازهای منوکسید کربن و سوختن (بنزین) می باشد.

HC + O2                     CO2 + H2O + CO + HC

مبدل کاتالیزوری و نقش آن در آلودگی هوا  

اکثر خودروهای نوین مجهز به مبدل کاتالیزوری سه وجهی می باشند. (سه وجهی به سه گاز خروجی تحت کنترل، که وسیله در تلاش برای کاهش شان می باشد، بر میگردد). مبدل کاتالیزوری در کاهش آلودگی هوا نقش مهمی دارد.

مونوکسید کربن، CO و مولکول های  NOX مبدل از دو نوع کاتالیزور متفاوت استفاده می کند، یک کاتالزور کاهش و یک کاتالیزور اکسید گر، هر دو نوع شامل یک ساختار سرامیکی می باشند که با یک هدف، ایجاد یک ساختار است که بیشترین سطح پوشش کاتالیست را روی گاز خروجی اعمال کند، همچنین در عین حال، میزان به کارگیری کاتالیزور را به حداقل برساند (این مواد بسیار گران قیمت می باشند).

دو نوع ساختار اصلی برای مبدل های کاتالیزوری وجود دارد. بافت لانه زنبوری و مهره های سرامیکی که اکثر خودروهای امروزی از ساختار لانه زنبوری بهره می برند.

کاتالیزور کاهش

اولین مرحله مبدل کاتالیزوری، کاتالیست کاهش می باشد. این کاتالیست با استفاده از پلاتینیوم و ردیوم به کاهش خروجی های NOX کمک می نماید. هنگامی که یک مولکول NO و یا NO2 با کاتالیست برخورد می کند،کاتالیزور، اتم نیتروژن با دیگر اتم های نیتروژنی که به کاتالیزور چسبیده اند، پیوند خورده و N2 را تشکیل می دهند. برای مثال :

NO2                    N2 + O2

2NO2                  N2 + 2O2

کاتالیزور اکسید گر

دومین مرحله مبدل کاتالیزوری، کاتایزور اکسید گر می باشد. این کاتالیست با سوزاندن (اکسید کردن) هیدروکربن های نسوخته و مونوکسید کربن بر روی یک کاتالیزور پلاتینییوم و پالادیوم، از مقدار آنها می کاهد. این کاتالیزور، به واکنش  CO و هیدروکربن ها با باقیمانده اکسیژن موجود در گاز خروجی، یاری می رساند. برای مثال :

2CO + O2                      2CO2

HC + O2                     H2O + CO2

راه های دیگر کاهش آلودگی

مبدل کاتالیزوری نقش بسیار مهمی در کاهش آلودگی هوا ایفا می کند، اما در واقع برای بهترشدن، هنوز جای کار دارد. یکی از بزرگترین نواقصش این است که مبدل، تنها در دمای بالا کارایی دارد. هنگامی که شما خودروی خود را پس از مدتی روشن کنید و موتور سرد باشد، مبدل کاتالیزوری برای کاهش آلودگی گاز خروجی، تقریبا هیچ کاری انجام نمی دهد.

یک راه حل ساده برای این مشکل، نزدیک تر کردن مبدل به موتورخودرو می باشد. بدین شرح که گازهای خروجی داغ تری به مبدل رسیده و آن را زودتر گرم می سازد؛ اما این مسئله به علت تحمیل دماهای بسیار بالا به مبدل، ممکن است که از عمر مفید آن بکاهد. اکثر خودروسازان، مبدل را زیر جایگاه سرنشین جلو قرار می دهند تا به میزانی که به آن آسیبی نرسد از موتور فاصله داشته باشد و گازهایی با دمایی پایین تر به آن برسند.

تشخیص عوامل افزاینده یا کاهنده آلایندگی های خودرو

بالا بودن میزان HC : هیدروکربن های نسوخته و نیم سوخته از برخورد سوخت به جداره ی اتاق احتراق ( به علت سرد شدن سوخت ) و همچنین به مقدار خیلی زیاد در قسمت های میانی اسپری بوجود می آیند. مقدار این آلودگی در حالت دور آرام و یا در حالت نیمه بار موتور بیشترین مقدار خواهد بود زیرا تشکیل هیدرو کربن ها در منطقه ی خارج از شعله به علت پایین بودن دما زیاد خواهد بود ( علاوه برآن به علت رقیق بودن مخلوط در این ناحیه و پایین بودن دما واکنش اکسیداسیون بسیار کند خواهد بود).

با افزایش بار موتور، نسبت سوخت به هوا افزایش می یابد و مقدار سوخت پاشیده شده به جداره ها افزایش خواهد یافت و همچنین در ناحیه ی میانی اسپری که در این حالت بزرگتر شده است غلظت سوخت خیلی زیاد خواهد بود و لذا مقدار زیادی هیدروهیدرو کربن نیم سوخته بوجود خواهد آمد اما به علت بالا بودن دما قسمت اعظم آن اکسید می گردد و مقدار موجود در گازهای خروجی از اگزوز کاهش می یابد در حالت تمام بار یا بار بیش از حد بر روی موتور مقدار این هیدروکربن های نیم سوخته افزایش می یابد.

اگر چه دما خیلی بالاست اما به علت نبودن اکسیژن به مقدار کافی اکسیداسیون آنها به صورت کامل انجام نخواهد شد و مقدار آنها در گازهای خروجی از اگزوز افزایش خواهد یافت. نکته ی مهم در اینجا این است که زمان بندی تزریق بر روی مقدار هیدروکربن های نیم سوخته تاثیر می گذارد به عبارت دیگر اوانس زیاد تزریق از آنجا که باعث می شود پریود تاخیر افزایش یابد باعث افزایش مقدار آنها می گردد. پس مدت زمان اسپری سوخت، کثیف بودن یا معیوب بودن شمعها، اشکال در سیستم برق خودرو، زمان جرقه زدن، زمان تخلیه و میزان سوخت تزریقی ازجمله عواملی است که در میزان HC تاثیر می گذارد.

بالا بودن میزان اکسیژن

بالا بودن میزان اکسیژن خروجی اگزوز در صورتی که باقی گازها در رنج خود باشند نشانگر وجود نشتی در سیستم خودرو یا دستگاه آنالیز گاز می باشد که با توجه به اینکه پیدا کردن نشتی اگزوز کار دشواری می باشد در این صورت بهتر است نشتی دستگاه بررسی شود و در صورت عدم وجود نشتی در دستگاه نشتی اگزوز بررسی شود. نشتی در دستگاه به دو صورت وجود دارد یکی نشتی در پراپ دستگاه و دیگری نشتی در خود دستگاه که هر دو نشتی تست نشتی (LEAK TEST) که در دستگاه آنالیز گاز وجود دارد قابل تشخیص می باشد.

بالا بودن میزان اکسیدهای نیتروژن NOX

اکسیژن و نیتروژن که گازهای اصلی تشکیل دهنده هوا هستند در شرایط عادی با هم ترکیب نمی شوند و در صورتی که این دو گاز تحت فشار و دمای بالا با هم قرار بگیرند باهم ترکیب می شوند. این شرایط بیشتر در خودروهای دوگانه سوز (CNG) ایجاد می شوند.

از میان هفت اکسید نیتروژن شناخته شده موجود در هوای محیط، اکسید نیتریک (NO) و دی اکسید نیتروژن (NO2) از آلوده کننده های مهم هوا به شمار می روند. دی اکسید نیتروژن گازی است مرئی با رنگ قهوه ای مایل به زرد یا قهوه ای مایل به قرمز که طی فرایندهای پیچیده اتمسفر به ذرات معلق نیترات (NO3) تبدیل می شود. به علاوه دی اکسید نیتروژن نیز همچون اکسید نیتریک یکی از آلاینده های اصلی مه دود است. این گاز در شهرها به علت فعالیتهای انسانی از غلظت بالایی برخوردار است.

احتراق سوختها در دمای بالا سبب تولید این آلاینده می شود. این دو گاز اثر مستقیم بر آلودگی هوا ندارند بلکه در صورتیکه با هوای مرطوب ترکیب شوند، این گازها با هوای مرطوب تولید اسید سیتریک می نمایند که در این حالت موجب پوسیدگی شدید فلزات می شوند. این گازها باعث بوجود آمدن بارانهای اسیدی و آسیب های جدی به پوست انسان و گیاهان می شوند. بالا بودن میزان اکسیدهای نیتروژن به علت بالا بودن فشار و دمای موتور می باشد که ممکن است علت های مختلفی  داشته باشد.

نسبت هوا به سوخت AFR

به منظور کاهش آلودگی خروجی، موتور خودروهای نوین به طور دقیقی میزان مصرفی را کنترل می نمایند. آنها سعی می کنند تا نسبت هوا به سوخت را در نقطه محاسبه میزان عناصر (استوکیومتریک ) نگه دارند، و آن همان نسبت محاسبه شده ی ایده آل هوا به سوخت می باشد. از دیدگاه نظری، در این نسبت، همه سوخت با استفاده از تمامی اکسیژن موجود در هوا می سوزد.

برای بنزین، نسبت محاسبه میزان عناصر در حدود 14.7 به 1 می باشد، بدان معنی که برای هر پوند بنزین (حدود450 گرم)، 14.7 پوند هوا (حدود 6.668 کیلوگرم) سوزانده خواهد شد.در عمل و در هنگام رانندگی، ترکیب سوخت با نسبت ایده آل دارای مقداری تفاوت می باشد. گاهی اوقات ترکیب رقیق (نسبت هوا به سوخت بیشتر از 14.7) و گاهی اوقات غنی (نسبت هوا به سوخت کمتر از 14.7) می شود. این مقدار در خودروهای انژکتوری توسط سنسور اکسیژن محاسبه و به ECU فرستاده می شود تا دستور پاشش مقدار لازم سوخت به دریچه های سوخت ارسال گردد.

نسبت لاندا λ

یکی دیگر از مقادیر نمایش داده شده توسط دستگاه آنالیز گاز لاندا می باشد که عبارت است از نسبت هوا به سوخت خودروی مورد نظر به نسبت هوا به سوخت خودروی ایده آل که در بهترین حالت لاندا برابر می باشد اگر لاندا کوچکتر از یک باشد سوخت غلیظ و اگر لاندا بزرگتراز یک باشد سوخت رقیق می باشد در کاربراتورهای معمولی لاندا بین 0.9 تا 1.25 می باشد ولی در سی ال سی برابر 1 می باشد.

قابلیت های دستگاه:

HC Residual – تمیز کردن سیستم داخل دستگاه و شلنگ

Leak Test – تست نشتی

Co Correction  –   صحت مقدارCo

تفاوت دستگاه های کالیبر شده با دستگاه های غیر کالیبره

1-قابیلت تکرار پذیری

2-دقت دستگاه

3-عدم نوسان زیاد در مقدار اعلام شده