گرد آوري : حسين عراقي

کارشناس کيفيت اداره سوخت رساني – مديريت کيفيت قواي محرکه مکانيکي

araghi@saipacorp.com

يکي از مهمترين مشکلات كنوني شهرهاي بزرگ آلودگي هواست که سلامت انسان‌ها را به خطر انداخته است. بر اساس آمار ارائه شده ، تهران يکي از آلوده­ترين شهرهاي جهان است. يکي از عوامل عمده آلوده کننده هوا ، گازهاي خروجي از اگزوز خودروها­ست بنابراين با توجه به درصد بالاي آلودگي هواي تهران و اثرات جبران­نشدني آن بر سلامت انسان ، بايد اين پديده مهلک را جدي بگيريم.

منوکسيدکربن، دي اکسيد گوگرد، دي اکسيد نيتروژن، ‌هيدروکربورها و ذرات معلقآلاينده­هايي است که وجودشان در هوا و استنشاق آنها موجب بروز انواع بيماري‌هاي تنفسي، آسم و سرطان ريه همچنين کندذهني و عقب­ماندگي کودکان، بيماري­هاي قلب و عروق، سرگيجه، عصبانيت، پرخاشگري، اختلال در ديد و نرسيدن اکسيژن کافي به بافت‌هاي بدن در کوتاه مدتمي­شود.

سرعت ترکيب اکسيدهاي نيتروژن با هموگلوبين خون هزار مرتبه بيشتر از سرعت ترکيب منواکسيدکربن با هموگلوبين است که موجب تشکيل مواد سرطان­زا در خون مي‌شود و 200 برابر بيش از جذب اکسيژن است. تمايل تركيب هموگلوبين با منوکسيد کربن و اثرات سوء آن بر سلامت به صورت اختلال در بينايي، تاري ديد، خستگي، سردرد و خواب آلودگي بروز مي‌کند و باعث ايجاد تغيير در عملکرد قلب و شش‌ها مي‌شود.

تحقيقات صورت گرفته توسط شرکت کنترل کيفيت هوا و وزارت بهداشت و درمان و آموزش پزشکي نشان مي‌دهد كه ميزان اين آلاينده‌ها در شهر تهران 2/8 برابر استاندارد جهاني است. روزانه1200 تن آلاينده در هواي تهران پخش مي‌شود، اين در حالي است که رشد سالانه انتشار دي‌اكسيد كربن در کشور 25 درصد است.

منشا آلودگي و راهکار كاهش آلودگي

اغلب کارشناسان محيط زيست، حمل و نقل و بهداشت و درمان اتفاق نظر دارند که بخش اعظمي از آلاينده­ها -حدود 70 درصد- متعلق به خودروهاست و سهم ديگر منابع آلاينده اعم از کارخانه ها ومنابع گرمايشي منازل بسيار کم است و همچنين بخش قابل­توجهي از آلاينده­هاي خطرناک و کشنده که همان منوکسيدکربن باشد توسط خودروها به ويژه از نوع بنزين­سوز و فرسوده آن توليد مي­شود.

استفاده از مبدل‌هاي کاتاليستي يکي از راه‌هاي کاهش آلودگي هواست. امروزه حتي در بهترين موتورها نيز احتراق به طور کامل صورت نمي‌گيرد و موتورها قادر به سوزاندن تمامي سوخت مصرفي خود نيستند. مبدل هاي کاتاليستي از دهه 70 ميلادي براي کاهش آلودگي هوا در سر راه خروجي موتور هاي احتراق داخلي قرار داده شده اند. اين وسيله براي تجزيه گازهاي سمي حاصل از احتراق شامل منوکسيد کربن-گاز سمي ، بي بو و بي رنگ که اثرات مخربي بر خون ، مغز، قلب و جنين دارد- هيدروکربن‌هاي حاصل از احتراق ناقص به کار مي رود که به صورت مه دود از خودرو خارج مي شود و اکسيدهاي نيتروژن معروف به ناکس به صورت دود از خودرو خارج و باعث باران‌هاي اسيدي و سوزش شديد چشم و مخاط بيني و اثرات جبران ناپذير بر خون ، کبد و طحال مي‌شود.

هنگام تماس گازهاي حاصل از احتراق با مواد داخل مبدّل کاتاليستي ، طي واکنش‌هاي شيميايي ، گازهاي سمي فوق به ترکيبات کم خطري همچون دي اکسيد کربن، بخار آب و نيتروژن تبديل مي‌شوند.

مبدل هاي کاتاليستي امروزه در خودروهاي سواري ، اتوبوس‌ها ، قطارها ، ژنراتورها ، ماشين آلات راهسازي و به طور کلي تمام ماشين آلات مجهز به مو تورهاي احتراق داخلي (بنزيني، گاز سوز و ...) براي حفاظت از محيط زيست به طور گسترده به کار مي‌رود.

براساس استانداردها و قوانين اتحاديه کشورهاي اروپايي؛ (يورو 2، 3 و 4 ) که به ترتيب در سال‌هاي 1996، 2000 و 2005 وضع شده­اند، مقدار مجاز گازهاي آلاينده به قرار زير است:

EC2005

Euro IV

(g/Km.)
 EC2000

Euro III

(g/Km.)
 EC96

Euro II

(g/Km.)
 نوع آلودگي
 نوع موتور
 
1

N/A

0.1

0.08
 2.3

N/A

0.2

0.15
 2.2

0.5

N/A

N/A
 CO

HC+NOx

HC

NOx
 بنزيني
 
0.5

0.3

0.25

0.025
 0.64

0.56

0.5

0.05
 1

0.7

N/A

0.08
 CO

HC+NOx

NOx

Particles
 ديزل (انژکتوري غير مستقيم)
 
0.5

0.3

0.25

0.025
 0.64

0.56

0.5

0.05
 1

0.9

N/A

0.1
 CO

HC+NOx

NOx

Particles
 ديزل (انژکتوري غير مستقيم)
 
80000 km
 80000 km
 80000 km
  مدت
 

عملکرد :

يک مبدل کاتاليستي به طور عام سه كار انجام مي‌دهد و به همين دليل "سه راهه"

TWC (Three Way Catalyst) نيز ناميده مي شود:

احياي اکسيد هاي نيتروژن به نيتروژن و اکسيژن:
2NOx O2 + N2

اکسيد منوکسيد کربن به دي اکسيد کربن:
2CO + O2 2CO2

اکسيد هيدروکربن‌هاي سوخته نشده به دي اکسيد کربن و بخار آب:
CxHy +no2 xco2 + m h2o

درون مبّدل کاتاليستي، فلزات گران­بهايي مانند پلاتين ، پالاديم و روديم است که به عنوان کاتاليست عمل مي‌کنند. .وقتي گازهاي خطرناک و سمي از موتور خودرو وارد مبدل مي‌شود، در تماس با اين فلزات ، واکنش‌هاي شيميايي فوق­الذکر روي مي‌دهد و آلاينده­ها به گازهاي کم خطرتر تبديل مي­شوند.

بيشتر مبدل­هاي امروزي با در نظر گرفتن نوع طراحي موتور ، کاهش ميزان آلايندگي آن و استاندارد بين المللي شامل دو کاتاليست مجزا هستند :

کاتاليست احياي و کاتاليست اکسيداسيون

در اولين مرحله کاتاليست احيا قرار دارد که در اين قسمت اکسيدهاي نيتروژن به اکسيژن و نيتروژن تبديل مي‌شود.

در دومين مرحله کاتاليست اکسيداسيون قرار دارد. در اين قسمت هيدروکربن‌هاي سوخته نشده و منوکسيدکربن به دي­اکسيد کربن و بخار آب تبديل مي‌شود.

اکسيژن آزاد شده از مرحله اول، عمل اکسيداسيون را در اين مرحله انجام مي­دهد.

عملکرد موتور

در موتورهاي بنزيني احتراق وقتي کامل است که يک واحد سوخت با 7/14 واحد هوا ترکيب شود. اين نسبت هوا به سوخت، نسبت استوکيومتري ناميده مي­شود. هنگامي که اين نسبت برقرار است انتظار مي رود گازهاي خروجي از موتور به صورت زير باشد :

- گاز نيتروژن N2))

- دي اکسيد کربن ((co2

- بخار آب( h2o)

اما در عمل اين نسبت هيچ‌گاه برقرار نمي‌شود بلکه بالاتر يا پايين­تر از آن است و در نتيجه احتراق به صورت ناقص صورت مي­گيرد که به کاهش بازدهي موتور و همچنين توليد گازهاي آلاينده مي‌انجامد.

- هنگامي‌که نسبت هوا به سوخت بالاتر از 7/14 باشد ، نسبت هوا به سوخت رقيق (lean) ناميده مي‌شود . در اين حالت مقدار اکسيژن موجود در گازهاي خروجي بالاتر است.

- - هنگامي‌که نسبت هوا به سوخت پايين تر از 7/14 باشد ، نسبت هوا به سوخت غني (rich) ناميده مي­شود، در اين حالت مقدار اکسيژن موجود در گازهاي خروجي پايين­تر است.

حسگر اکسيژن :

بعد از موتور و قبل از مبدل کاتاليستي ، حسگر اکسيژن نصب مي‌شود كه مقدار اکسيژن موجود در گازهاي خروجي از موتور را اندازه­گيري مي‌كند (طرز کار بيشتر حسگرهاي اکسيژن به اين صورت است که اکسيژن با مواد داخل حسگر، واکنشي شيميايي انجام مي‌دهد و ولتاژ الکتريکي توليد مي­شود) و با سيگنالي به کامپيوتر موتور (ecu) مي‌فرستد و موتور مقدار افزايش يا کاهش اکسيژن را با تنظيم نسبت هوا به سوخت معين مي‌کند. در نتيجه حسگر اکسيژن باعث نزديک شدن شرايط احتراق به شرايط استوکيومتري و تنظيم مناسب و کافي اکسيژن در گازهاي خروجي از اگزوز براي عمل اکسيداسيون مي­شود.

امروزه براي اطمينان از درستي عملکرد مبدل کاتاليستي از يک حسگر اکسيژن ديگر که بعد از مبدل قرار مي‌گيرد استفاده مي­شود.

اجزاي مبدل کاتاليستي

مبدل کاتاليستي از چند جزء تشکيل مي‌شود :

هسته: قسمت اصلي يک مبدل کاتاليستي را تشکيل مي­دهد. از جنس سراميک يا فولاد ضد زنگ و معمولاً به شکل کندوي عسل است. شکل ويژه آن به خاطر ايجاد سطح بيشتر با گازهاي ورودي و در نتيجه افزايش بازده مبدل است.
مزاياي نوع سراميکي نسبت به فلزي، توليد آسانتر ، پوشش دهي راحت تر و قيمت پايين‌تر است. مزاياي نوع فلزي نسبت به سراميکي ، مقاومت بالاتر در برابر ضربه و حرارت ، قابليت کاهش ضخامت ديواره (براي ايجاد تعداد سوراخ بيشتر)، و افت فشار کمتر و سرعت گرم شدن است.

هم اکنون حدود 85 درصد کل توليدات مبدل کاتاليستي از نوع سراميکي است.

لايه نشاني: ترکيبي از سيليکون و آلومينيم است که مساحت لازم براي چسبيدن فلزات گران­بها را فراهم مي­کند و به هسته افزوده مي‌شود. در اين حالت به هسته MONOLITH مي‌گويند.
کاتاليست: از فلزات گران­بهاست. پلاتين پر مصرف­ترين ماده براي ساخت کاتاليست به شمار مي‌آيد. اما به علت گراني و هزينه بالاي آن معمولاً با فلزات گران­بهاي ديگر همانند پالاديم و روديم جايگزين و يا ترکيب مي‌شود. اين فلزات گران­بها به سطح واشکوت شده اضافه مي‌شوند. مقدار اين فلزات بسته به نوع کاتاليست حدود 2 تا 3 گرم است.
عايق حرارتي و مکانيکي: بين هسته و پوسته آهني مبدل قرار مي گيرد و از هسته در برابر ارتعاشات مکانيکي و اتلاف حرارتي محافظت مي کند.
پوسته: از فولاد با کيفيت بالا و ضد زنگ توليد مي شود و تمام اجزاي مبدل کاتاليستي درون آن قرار مي­گيرد.
شکل خارجي يک مبدل کاتاليستي بسته به فضاي موجود مي­تواند به صورت گوشه­دار ، بيضوي، يا گرد باشد.

دماي کارکردي

براي کارکرد صحيح مبدل کاتاليستي بايد دماي آن در محدوده 600 تا 800 درجه سانتيگراد حفظ شود.عمده ترين نقص يک مبدل کاتاليستي اين است که در دماي پايين­تر از موارد ذکر شده عمل نمي­کند، به عنوان مثال هنگامي‌که خودرو روشن مي­شود به علت سردي مبدل ، مبدل کاتاليستي كار خود را انجام نمي­دهد. ساده­ترين راه حل براي رفع اين مشکل، نزديک­تر کردن مبدل کاتاليستي به موتور است، به همين دليل بيشتر سازندگان خودرو ، مبدل را زير صندلي مسافر قرار مي­دهند تا به اندازه­اي از گرماي موتور براي گرم کردن مبدل استفاده شود. پيش گرم کردن راه حل ديگري براي رفع اين مشکل‌ است اما متأسفانه برق 12 ولتي باتري خودروها براي اين منظور کافي نيست.

خرابي مبدل کاتاليستي

مبدل کاتاليستي موقعي خراب است كه مسدود يا آلوده شود. هنگامي‌که هسته مبدل مسدود شود، استارت زدن و در نتيجه روشن شدن خودرو به­سختي صورت مي­گيرد، خودرو قادر به شتاب گرفتن نيست و گاهي اوقات با فشردن پدال گاز صداي غژ غژ شنيده مي­شود. با مسدود شدن مبدل ، فشار تخليه گازهاي خروجي از موتور افزايش مي‌يابد و اين باعث کاهش دور موتور مي‌شود. عدم تنظيم موتور و در نتيجه ترکيب نادرست نسبت هوا به سوخت ، زمان­بندي نامناسب سيستم اشتعال و نيز وجود ناخالصي در سوخت و همچنين خرابي حسگر اکسيژن از عمده­ترين دلايل مسدود شدن مبدل شمار مي‌آيد. احتراق ناقص به دلايل فوق ، باعث ورود سوخت مشتعل نشده به مبدل مي‌شود و با اکسيژن موجود در مبدل ترکيب شده و مي­سوزد، كه اين خود موجب آتش گرفتن هسته مبدل و از بين رفتن مبدل مي‌شود. قرمزي مبدل کاتاليستي ناشي از اين موضوع است.

اصلي ترين دليل آلودگي و سمي شدن مبدل، استفاده از سوخت سرب­دار است. بخار سرب موجود در سوخت، منفذهاي مبدل را مي‌پوشاند و مسدود مي­کند. استفاده از روغن موتور و يا مکمل‌هاي بنزين که شامل روي، گوگرد، فسفر، منگنز و سيليکون باشد نيز باعث اثرات فوق مي‌شود. بوي تخم مرغ گنديده خروجي از اگزوز ، ناشي از آلودگي مبدل و ايجاد واکنش‌هاي ناخواسته و توليد h2s و nh3 است.

ضربه­هاي مکانيکي خارجي وارد بر مبدل­هاي کاتاليستي، به خصوص کاتاليست‌هاي کار کرده که حالت تردي پيدا مي­کنند باعث شکستن و گرفتگي کاتاليست‌ها مي­شوند.

کنترل عملکرد مبدل هاي کاتاليستي

بازرسي چشمي : آسان­ترين و ابتدايي­ترين روش تست، مشاهده عيني مبدل کاتاليستي و اجزاي آن است. بيشتر معايب مبدل با مشاهده چشمي مشخص مي‌شوند.
با کنترل موارد زير از عملکرد صحيح مبدل اطمينان مي‌يابيد:

گرفتگي يا خرابي لوله هاي سيستم اگزوز، آسيب ديدگي يا سوراخ شدن پوسته مبدل، شکستگي درز جوش ها و...

آزمايش صداي مبدل کاتاليستي: با زدن يک ضربه محکم به مبدل ، از وجود شکستگي يا خرد شدن اجزاي مبدل اطمينان حاصل مي­شود. اگر بعد از ضربه صداي تق تق مانندي به گوش برسد، نشان از متلاشي شدن هسته است و در اين صورت مبدل بايد تعويض شود.
استفاده از گيج فشار: براي اندازه گيري فشار تخليه گازهاي خروجي از موتور که اگر از مقدار معيني بيشتر باشد ، نشان‌دهنده خرابي مبدل است.
استفاده از گيج مکشي: به منظور اندازه­گيري ميزان مکش موتور در دور نرمال و دور 1600 rpm . در اين مورد نيز مقادير معيني نشان‌دهنده زمان تعويض مبدل است.
اطمينان از سالم بودن حسگر اکسيژن: کافي است آن را از بالادست مبدل باز و سپس عملکرد موتور را بررسي کنيد، اگر تغيير قابل ملاحظه اي روي بدهد، ناشي از خرابي حسگر است و بايد آن را تعويض كرد.
مقايسه سيگنال‌هاي ارسالي: از حسگر اکسيژن اصلي که در بالادست و حسگر فرعي اکسيژن که در بعضي از خودروهاي جديد بعد از مبدل کاتاليستي نصب مي شود ، مي‌توان به عملکرد صحيح مبدل پي‌برد.
مو تورهاي ديزلي

در بعضي از خودروهاي ديزلي ، علاوه بر مبدل کاتاليستي قسمتي نيز به نام فيلتر دوده تعبيه شده است که وظيفه آن، فيلتر كردن اجزاي بسيار کوچک ناشي از احتراق سوخت ديزلي شامل دوده، اسيد فولکلوريک و همچنين هيدروکربن‌هاي سوخته است.

در پايان بايد گفت: عمر مفيد مبدل هاي کاتاليستي در سفرهاي کوتاه شهري کاهش مي­يابد. به عبارت ديگر در تاکسي‌ها اين مسئله بيشتر ديده مي­شود و عمر مبدل هاي کاتاليستي در سفرهاي طولاني افزايش مي‌يابد. کارکرد صحيح و مناسب سيستم جرقه ، فيلتر هوا و تعويض روغن و به خصوص استفاده از بنزين بدون سرب موجب افزايش عمر و کارايي مبدل کاتاليستي مي­شود.

منابع :

ALL CATALYTIC CONVERTERS.COM
.COM HOW STUFF WORKS
EMISSION SUB SYSTEMS، TOYOTA MOTORS SALES.
WIKIPEDIA.COM
METHODS FOR MONITORING AND DIAGNOSING THE EFFICIENCY OF CATALYITIC CONVERTERS - 1998
روزنامه جام جم ، مقاله آلودگي هوا، نوشته روح الله قلي پور – مهر 83