مقاله ترجمه شده
مبدل های کاتالیزوری چگونه کار می کنند؟
محل مبدل کاتالیزوری در خودرو
در این مقاله شما فرا خواهید گرفت که موتور یک خودرو چه آلاینده هایی را تولید کرده و علت تولید آنها چیست؛ و اینکه مبدل کاتالیزوری چگونه از پس این آلاینده ها برمی آید. مبدل های کاتالیزوری به صورت شگفت آوری قطعات ساده ای می باشند، بنابراین دیدن اینکه چه تاثیر بزرگی می گذارند، غیر قابل باور است
آلاینده هایی که موتور خودرو تولید می کند؟
به منظور کاهش آلودگی خروجی، موتور خودروهای نوین به طور دقیقی میزان سوخت مصرفی را کنترل می نمایند. آنها سعی می کنند تا نسبت هوا به سوخت را در نقطه محاسبه میزان عناصر (اِستوکیومتریک) نگاه دارند، و آن همان نسبت محاسبه شده ی ایده آل هوا به سوخت 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 (حدود 450 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
مهم ترین خروجی های موتور خودرو از این قرار است
گاز نیتروژن 78 درصد هوا را نیتروژن تشکیل می دهد، و میزان زیادی از این گاز به داخل موتور راه پیدا می کند
دی اکسید کربن (CO2) – این گاز یک محصول عمل احتراق می باشد. کربن سوخت با اکسیژن هوا ترکیب می شود بخار آب (H2O) – این هم یک محصول دیگر عمل احتراق می باشد. هیدروژن سوخت با اکسیژن هوا ترکیب می شو مونواکسید کربن (CO) - گاز سمی بدون رنگ و بو خروجی ها اکثراً بی ضرر می باشند (هر چند اعتقاد بر این است که دی اکسید کربن به روند گرمایش جهانی کمک می نماید). حال به این دلیل که روند احتراق هیچ گاه کامل نیست، نوع دیگری از خروجی ها با مقدار کمتر و ضرر بیشتر در موتور خودرو تولید می گردد هیدروکربن ها یا ترکیبات آلی فرّار (VOCs) – اغلب از سوختی که نسوخته و بخار شده به وجود می آید نور خورشید این ترکیبات را می شکند تا اکسیدان ها را تشکیل دهند، که با اکسید نیتروژن واکنش داده و اوزون سطح پایه (O3) را ایجاد می کند و آن جزء اصلی دود و بخار می باشد اکسید نیتروژن (NO و NO2، همراه هم NOx خطاب می شوند) – دود و باران اسیدی را سبب شده و باعث ایجاد سوزش در ترشحات مخاطی انسان می گردد این سه و بعضی دیگر، موادی هستند که مبدل های کاتالیزوری، برای کاهش آنها طراحی گردیده اند مبدل های کاتالیستی از سال 1992 در تمام ماشین های اروپائی بکار رفته است و کشورهای عضو EEC از پیشقروالان تولید مبدل های کاتالیستی در کل اروپا بوده اند آنها ابتدا با ماشین هایی که نزد خریداران طرفدار بیشتری داشتند شروع کردند و بعد آن را تعیم دادند تا جائیکه امروزه بالغ بر 2000 نوع از اتواع کاتالیست تولید می کنند که در اروپا ، آسیا و آمریکا در طیف وسیعی از ماشین ها مانند بنز ، بی . ام . و ، آئودی - فورد - جنرال موتور و .... بکار می رود معرفی محصول ها کشور های اروپائی نموده است 
.jpg)
همانگونه که می دانیم استانداردی برای مبدل کاتالیستی وجود ندارد و فقط دو « حد مجاز » اروپائی و امریکایی برای مقدار گازهای مضری که ماشین ها تولید می کنند . می توانند برای سارندگان میان قرار بگیرد
حد مجاز اروپایی به طور مشروح با توضیح مختصات آن در قسم تست و گواهی ها آمده است
تولید ما توسط کارخانجات مختلف مورد آزمایش قرار گرفته و حتی همیشه بالاتر از حد نصاب های تعیین شده نیز جواب گرفته است مانند محصولی که در ماشین های فورد استفاده می شود
حالا به تشریح گازهایی که در اثر استفاده از سوخت های فسیلی متصاعد می شود به طور مختصر می پردازیم
1- منو اکسید کربن : این گاز بی رنگ ، بی بو و بدون طعم و مزه در صورت تنفس مسموم کننده ی باشد چون در شش ها جذب خون می شود و مانع از جذاب اکسیژن می گردند تصعید گازهای اگزوز
جذب مقدار کمی از آن باعث سردرد و کم شدن فعالیت های مغزی می گردد و جذب مقدار زیادی از آن بیهوشی و مرگ را به همراه دارد
2- هیدروکربن ها گازهای خروجی اگزوز در بردارنده ترکیبات هیدروکربنی بسیاری می باشد که عموما بدون ضرر ولی قابل احتراق می باشند اما به هر جهت بعضا این هیدروکربن ها سرطان زا میتوانند باشند به اضافه اینکه باعث تحریک چشم ها و مخاط های گلو می شوند در هوای آزاد بدن انسان می تواند منو اکسید کربن را از خود دفع نماید به شرط آنکه به مقدار زیاد در معرض آن قرار نگیرد
هیدروکربن ها در تشکیل باران های اسیدی نقش دارند و همچنین بعضی از ترکیبات آن در مقابل اشعه موارء بنفش در تشکیل گرد و غبار شیمیایی موثر می باشند
اکسید های نیتروژن (NOX)
اکسید نیتروژن می تواند تبدیل به منو اکسید نیتروژن (NO) شود که گازی بدون بو ، رنگ و طعم می باشد که در مجاورت بیشتر اکسیژن به راحتی به دی اکسید نیتروژن (NO2) که گازی به رنگ قرمز متمایل به قهوه ای است تبدیل می شود سوخت نیتروژن و اکسیژن در کنار هم مخلوط اکسید نیتروژن به وجود می آورد
این گاز سمی دارای بوی نافذی است که باعث از بین رفتن بافت شش ها می گردد
این گازها به صورت ترکیبی و در کنار هم متصاعد می شوند به همین جهت فرمول کلی NO به آها اطلاق می شود در حالیکه پسوند X در بردارنده طیفی از یک و دو اتم می باشد
اکسید نیتروژن در ترکیب باآب تشکیل باران اسیدی میدهندکه ترکیب پیچیده ای از اسید نیتروژنی می باشد و بخصوص برای محیط زیست زیان آور می باشد
در شرایط خاصی از ارتفاع و یا تابش شدیدآفتاب ورطوبت زیاد اکسید نیتروژن در ترکیب با هیدروکربن باعث تشكیل گردوغبار میگردند
موتور های با قابلیت احتراق کم در درجه حرارت بالاتری عملی میکنند در نتیجه نیتروژن موجود در هوا را با اکسیژن بیشتری می سوزانند و به این ترتیب مقدار زیادی دی اکسید نیتروژن به وجود می آورند که این باعث تولید بیشتری از باران های اسیدی در اتمسفرمی شوند
سرب (pb)
سرب فلز سمی سنگینی است که حالت مسموم کنندگی بالایی دارد بالاخص در مغز و دستگاه عصب و برای حیوانات و گیاهان نیز زیان آور است
a از طریق شش ها به هنگام تنفس بدن از دو راه سرب را جذب ی کند b ) از طریق دستگاه گوارش ازراه خوارکهای آلوده به سرب / سرب به صورت افزودنی anti – knock ..... در سوخت به دو حالت تتراتیل سرب و تترامتیل و با برومید بکار می رود که باعث یکنواختی احتراق می گردید در حدود 10% از این سرب به صورت ذرات به قطر کمتر 25X10 – 6mm در هوا متصاعد می شود که امکان اینکه در هوا به صورت معلق باقی بمانند وجود دارد 25% ازاین سرب هم مخلوط باروغنهای تسهیل کننده می گردد یا در سیستم اگزوز باقی می مانند
مقداری ازآن هم به سرعت درهواتجزیه شده ونشست می کنند در قسمت های بعدی راههای چگونگی خلاصی ازاین مواد مضر بررسی می شود
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 کهاین 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 اید
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
مبدل های کاتالیزوری چگونه آلودگی را کاهش می دهند؟
اکثر خودروهای نوین مجهز به مبدل های کاتالیزوری سه-وجهی می باشند. سه-وجهی به سه گاز خروجی تحت کنترل، که وسیله در تلاش برای کاهش شان می باشد، بر می گردد – مونواکسید کربن، VOCs و مولکول های NOx. مبدل از دو نوع کاتالیزور (واکنش یار) متفاوت استفاده می کند، یک کاتالیزور کاهش و یک کاتالیزور اکسیدگر. هر دو نوع شامل یک ساختار سرامیکی می باشند که با یک کاتالیزور فلزی پوشیده شده، معمولاً پلاتینیوم، رُدییُم و یا پالادیوم. هدف، ایجاد یک ساختار است که بیشترین سطح پوشش کاتالیزور 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)
یک مبدل کاتلیزوری سه-وجهی؛ توجه کنید که دو کاتالیزور جدا از هم وجود دارند
دو نوع ساختار اصلی برای مبدل های کاتالیزوری وجود دارد – بافت لانه زنبوری و مهره های سرامیکی. اکثر خودروهای امروزی از ساختار لانه زنبوری بهره می برند
ساختار کاتالیزور لانه زنبوری ِ سرامیکی
اولین مرحله مبدل کاتالیزوری، کاتالیزور کاهش می باشد. این کاتالیزور با استفاده از پلاتینیوم و رُدییُم به کاهش خروجی های NOx کمک می نماید. هنگامی که یک مولکول NO و یا NO2 با کاتالیزور برخورد می کند، کاتالیزور، اتم نیتروژن را از مولکول جدا کرده و به آن می چسبد و از آن طرف اکسیژن در قالب O2 آزاد می گردد. اتم های نیتروژن با دیگر اتم های نیتروژنی که به کاتالیزور چسبیده اند، پیوند خورده و N2 را تشکیل می دهند. برای مثال کاتالیزور کاهش
NO2 => N2 + O2 or 2NO2 => N2 + 2O2
دومین مرحله مبدل کاتالیزوری، کاتالیزور اکسیدگر می باشد. این کاتالیزور با سوزاندن (اکسیده کردن) هیدروکربن های نسوخته و مونواکسید کربن بر روی یک کاتالیزور پلاتینیوم 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 کاتالیزور اکسیدگر
2CO + O2 => 2CO2
سیستم کنترل اما این اکسیژن از کجا می آید؟ سومین مرحله، سیستم کنترلی است که گاز خروجی را بررسی کرده و با استفاده از اطلاعات به دست آمده، سیستم تزریق سوخت را کنترل می نماید. یک حسگر اکسیژن درست قبل از مبدل وجود دارد، بدان معنی که حسگر نسبت به مبدل، به موتور نزدیک تر است. این حسگر به کامپیوتر ِ موتور، میزان اکسیژن موجود در گاز خروجی را گزارش می دهد. کامپیوتر موتور می تواند میزان اکسیژن در گاز خروجی را با تنظیم نسبت هوا-به-سوخت، کم یا زیاد کند. این طرح ِ کنترل، به کامپیوتر موتور این امکان را می دهد تا از فعالیت موتور در نزدیک ترین حالت، به نقطه محاسبه میزان عناصر، اطمیان حاصل کرده؛ و همچنین میزان اکسیژن را به اندازه کافی برای کاتالیزور اکسیدگر، به منظور سوزاندن هیدروکربن ها و CO فراهم می سازد
ساختار مبدل کاتالیست سه گانه
مبدل های سه گانه کاتالیستی در جلوی منبع صداگیر و هر چه نزدیکتر به لوله چند راهه اگزوز کار گذاشته می شود
بار موتور و تاثیر آن بر اکسید نیتروژن که در محل ترکیب استوکیومتری مبدل کاتالیست سه گانه قرار دارد شکل فولاد ضد زنگ سیلندری و یا پوسته بیضی شکل با جلوی مخروطی و یا شبه مخروطی و عقبه لوله ای با فلانژ کوتاه به خود می گیرد که این حالت گازهای ورودی خام و گازهای تبدیل شده را به نسبت کنترل می کند
این دستگاه در داخل و میان پوسته بیضی شکل سیلندری قرار دارد که بستر ان متشکل از سطوح فعال نسبت به مواد الاینده پوشانده شده است که این مونولیت ها و ماتریس مخروطی که در میان ساختار خود دارای گذرهای زیاد و کوچکی هستند
این بستر کاتالیستی ممکن است که شکل ها و فرم های سه گانه ای داشته باشند
گلوله های کوچک سرامیکی
شانه های سرامیکی ( شانه عسل ) یک تخته
شانه های متالیکی یک تخته
1 گلوله های کوچک سرامیکی
در این نوع کاتالیست لایه هایی از گلوله های کروی سرامیکی بر روی یکدیگر واقع شده اند
این گلوله که از جنس سیلیکات آلومینیوم و منگنزیوم می باشند مقام به درجه حرارت بالا می باشند
این گلوله های کاتالیستی با پوششی از فلزات گرانبها مانند پلانتینیوم Pt و رادیوم ، از جنس آلومینیوم می باشند و در حدود 3 میلی متر قطر دارند و در یک فضای 250 × 6-15 میلیمتر واقع شدهاند راههای عبور در نقطه تماس این گلوله ها با یکدیگر ایجاد شده اند و سطح وسیع این گلوله در معرض دود اگزوز قرار می گیرند
این گلوله های سرامیک آلومینا نسبت به سایش و برخورد مقاوم می باشند حتی در 1000 درجه سانتیگراد
این گلوله ها در یک بسته سوراخ دار جاسازی شده اند که در داخل یک بدنه کونورتو قرار دارد
یک سمت این بسته به منزله ورودی گازها عمل می کند در حالی که سمت دیگرآن گازهای تبدیل شده را اجازه خروج می دهد . اسن ساختار گلوله ها را از ضربه های خارجی که در جاده ممکن است به پوسته خارجی وارد شود محفوظ نگاه می دارد
2 شانه سرامیکی یک تخته
لایه های این شانه از سیلیکات آلومینیوم ، منگنزیوم ساخته شده که در درجه حرارت های بالا هم ثبات خویش را حفظ می کند و منفذ های ان نیزدارای لایه آلومینا (AL203 )به ضخامت 10-6mm ×20 می باشند که کارایی کانال ها را با عامل تقریبا 700 افزایش می دهد روکش این شانه ها با فلزات گرانبها پلانتینیوم و رادیوم بارور شده اند و این شانه ها دارای منافذ 1 میلیمتر مربع می باشند که دارای دیوارهای نفوذی 0.3mm × 0.15 ضخامت هستند ماتریس این کانورتور شباهت به ساختار شانه های عسل دارد که از هزاران کانال های موازی ساخته شده که از میان آنها گازهای اگزوز عبور می کنند
این منافذ در هر سانتیمتر مربع دارای 30 تا 60 منفذ می باشند ر قسمت جلوی کانورتور
قسمت روکش سطحی باندازه 100 تا 200 میلیمتر مربع بر گرم را می پوشاند و دارای جرمی برابر با 5% تا 15% سطح شانه یک تخته شامل می گردد
شانه متالیک ( یک تخته 3 ساختار شانه سرامیکی بسیار آسیب پذیر ی باشد بنابراین در داخل یک پوشش و بدنه از آلیاژ ، فولاد و ذرات سیمی قرار دارد و این بدنه شانه سرامیکی را از تاثیرات حرارتی و برخوردهای خارجی که به بدنه ممکن است صدمه بزند در امان نگاه می دارد لایه های شانه این دستگاه شامل ورقه های فولادی نازک که یک در میان تخت و تابدار که ضخامت آنها از 0.04mm تا 0.05mm می باشند ( بسته به طول هر لایه ) به شکل مارپیچ یا s تاب خورده و آنها را می پوشانند معمولا دو لایه شانه ای در هر دستگاه وجود دارد که انتهای /آنها با یکدیگر مطابقت داده شده است و دارای فاصله کمی از هم می باشند که این اجازه می دهد که مخلوطی از گازهای اگزوز عبور کرده و از لایه دیگر جریان مبدل گازها عبور کنند و باین ترتیب گازهای آلاینده تبدیل به گازهای بی ضرر شوند لایه متالیکی به صورت مارپیچ و یا s شکل پیچ خورده که این باعث توزیع بهتر حرارت و در نتیجه ثبات مکانیکی و عمر مفید دستگاه می شود نقاط تماس بین لایه مسطح و سطح دارای پستی و بلندی دارای روکش مخصوص مقاوم به حرارت می باشند که حمایت و سختی لازم را برای هزاران کانال موجود در صفحه نازک فراهم می کند صفحه و لایه متالیکی دارای پوشش منفذدار آلومینا (ALO3) نیز دارای پوشش نازکی است که به طور پراکنده در آن از دو فلز گرانبها پلاتونیوم و رادیوم استفاده شده است
این ساختار شانه ای متالیک در داخل یک بدنه جاسازی شده است که دارای جنس فولاد ضد زنگ می باشد و این ساختار اجازه می دهد که دیواره موثر جلویی و کانال ورودی آن افزایش یابد در حدود 15% نسبت شانه سرامیک که باید بوسیله سیم یا دیواره فایبری پوشش داده شود تا از گزند ضربه های سخت در امان باشد
دیواره نازک فلزی در ناحیه جلو برای کانال های عبور گاز ناحیه وسیع تری را برای صفحه و روی کانورتور فراهم می کند و ممانعت کمتری در عبور گازها از خود دارد
همچنین این ورقه فولادی دارای عمر مکانیکی بیشتر و مقاومت بیشتر در مقابل فرسودگی می باشد به اضافه در مقابل فشار پس زنی گازهای اگزوز می تواند مقاومت بیشتری در مقابل ز شکل افتادگی از خود نشان بدهد . عدم مزیت آن فقط سنگین بودن آن در مقایسه با سرامیک می باشد و اینکه 15% از آن گرانتر در می آید
4 تست و گواهی ن
نظرات شما عزیزان:
تبادل
لینک هوشمند
