کاتالیست اگزوز چیست و چه کاربردی دارد؟

سیستم اگزوز مدرن در وسایل نقلیه دارای طیف وسیعی از قطعات است که به کنترل آلاینده‌ها کمک می‌کنند. از جمله این قطعات یک مبدل کاتالیزوری است که به بسیاری از خودروسازان کمک کرد تا استانداردهای تعیین شده توسط قانون استاندارد ملی آلایندگی را رعایت کنند. کاتالیست بخش مهمی از سیستم اگزوز است و احتمالاً تا به حال برای شما سوالاتی درباره آن ایجاد شده است. سوالاتی از قبیل این که "کاتالیست اگزوز چیست و چگونه کار می‌کند؟" "چه متریالی در ساخت کاتالیست به‌کاررفته است؟" "اجزای تشکیل دهنده کاتالیست چه مواردی هستند؟"و... ایجاد شده است. برای آگاهی در مورد نقشی که کاتالیست اگزوز در ماشین ایفا می‌کند و اطلاع از ساختاری که دارد در ادامه این مقاله با ما همراه باشید.

کاتالیست اگزوز چیست؟

کاتالیست اگزوز یا مبدل کاتالیزوری بخشی ضروری از سیستم اگزوز خودرو است. این بخش، گازهای خطرناکی که بر اثر احتراق به‌وجود می‌آیند را به موادی با ضرر کمتر، مانند بخار آب و دی اکسید کربن تبدیل می‌کند. به همین دلیل تعداد آلاینده های سمی منتشر شده در هوا کاهش می‌یابد. این کار دودها را در معرض مواد شیمیایی و فلزات قرار داده که منجر به شکل‌گیری واکنش‌های شیمیایی می‌شود. نتیجه این واکنش‌های شیمیایی،تبدیل گازهای آلاینده به آلاینده های نسبتاً بی ضرر است.

چرا کاتالیست اگزوز ساخته شد؟

از سال‌ها پیش تا به الان، خودروها هنگام کار مقدار زیادی دود و گاز تولید می‌کنند که به آن‌ها گازهای گلخانه‌ای می‌گویند. انتشار گازهای گلخانه‌ای باعث افزایش آلودگی هوا می‌شود. به همین دلیل در سال 1963 قانون هوای پاک در ایالات متحده تصویب شد تا به کاهش میزان آلودگی تولید شده توسط طیف وسیعی از صنایع کمک کند. سپس در سال 1965 قانون استانداردهای انتشارملی، اصلاحیه‌ای برای قانون هوای پاک ارائه و اولین استانداردهای آلایندگی خودرو را تعیین کرد. در راستای این قانون قطعات جدیدی اختراع و تولید شدند تا میزان خروج گازهای آلاینده از موتور خودرو را کاهش دهند.

مخترع کاتالیست اگزوز کیست؟

تاریخچه این قطعه به پایان قرن نوزدهم باز می‌گردد، زمانی که برخی از نمونه کاتالیست‌های اولیه در فرانسه تولید شدند. در اواسط دهه 50 میلادی، یوجین هودری که یک مهندس مکانیک فرانسوی بود، برای تحقیقات خود در زمینه توسعه مبدل‌های کاتالیزوری برای موتورهای بنزینی، پتنت دریافت کرد.

توسعه مبدل کاتالیزوری هودری ناشی از نگرانی او در مورد عوارض دود اگزوز خودروها بر آلودگی هوا بود. او نتایج مطالعات در این زمینه را در لس آنجلس دیده و پس از آن شروع به ساخت مبدل‌ها کرده بود. این مبدل‌ها بعد از قانون کنترل انتشار گازهای آلاینده که در اوایل دهه 1960 تصویب شد، توسعه بیشتری یافتند. اولین مبدل کاتالیزوری تولیدی در سال 1973 در شرکت Engelhard ایجاد شد و استفاده گسترده از این قطعه در حدود سال 1975 آغاز شد.

وظیفه کاتالیست اگزوز چیست؟

کاتالیست از محفظه‌ای به نام کاتالیزور برای تبدیل ترکیبات مضر از گازهای خروجی موتور به گازهای ایمن مانند بخارآب استفاده می‌کند. وظیفه این قطعه تقسیم مولکول‌های ناایمن در گازهایی که خودرو تولید می‌کند قبل از رها شدن در هوا است. مبدل کاتالیزوری در قسمت زیرین خودرو قرار دارد و شبیه یک جعبه فلزی بزرگ است و دو لوله از آن خارج می شود. مبدل در طول فرآیند ایمن سازی گازها از این دو لوله و کاتالیزور برای دفع استفاده می‌کند.

گازها از لوله "ورودی" متصل به موتور خودرو وارد میشوند. پس از ورود، روی کاتالیزور دمیده می‌شوند که باعث ایجاد واکنش شیمیایی می شود که در نتیجه آن واکنش، آلاینده ها از هم جدا می‌شوند. پس از اتمام واکنش گازهای کم‌خطر از طریق لوله دوم یا "خروجی" که به لوله اگزوز خودرو متصل است، خارج می‌شوند.

اجزای داخلی و متریال به‌کاررفته در کاتالیست اگزوز

کاتالیزور داخل کاتالیست معمولاً از پلاتین یا فلزی مشابه مانند رودیوم یا پالادیوم ساخته شده است. گازها از طریق ساختار لانه زنبوری سرامیکی که در داخل محفظه قرار دارد جریان پیدا می‌کنند و از فلزاتی که که در کاهش انتشار نقش دارند، عبور می‌کنند. فلزات مختلف سراسر کاتالیست قرارگرفته که هرکدام یک وظیفه خاص را برعهده دارند. دو نوع اصلی کاتالیزور وجود دارد که ممکن است در یک خودرو نصب شود:

• کاتالیزورهای کاهشی: با حذف اکسیژن به کاهش آلودگی اکسید نیتروژن کمک می‌کنند. اکسیدهای نیتروژن به گازهای نیتروژن و اکسیژن تجزیه می‌شوند که به خودی خود بی ضرر هستند.
• کاتالیزورهای اکسیداسیون: برای تبدیل مونوکسید کربن به دی اکسید کربن از طریق فرآیند مخالف افزودن اکسیژن استفاده می‌شود.

حال که با دو نوع کلی کاتالیست آشنا شدیم به بررسی اجزای سازنده آن‌ها می‌پردازیم:

1 – بدنه استیل ضدزنگ: این بدنه برای عمر طولانی و دوام بالای قطعه طراحی شده است و دارای قسمت های آجداری است که انبساط قطعه را به حداقل می‌رساند. همچنین در این بدنه لبه‌هایی وجود دارد که از بالشتک کاتالیست در برابر قرار گرفتن مستقیم در معرض گازهای خروجی محافظت می‌کند.

2 – پوشش یکپارچه با جریان آزاد: پوشش‌ها ستون فقرات مبدل هستند و در طرح های تک‌لایه یا چند لایه وجود دارند. پوشش یکپارچه جایی است در آن تا فرآیند تبدیل گازهای گلخانه‌ای توسط ترکیب فلزات گران‌بها انجام می‌شود. پوشش‌ها برای ماندگاری در دمای بالا، فعالیت کاتالیزوری بهینه و همچنین سازگاری با سیستم OBD طراحی شده اند.

3 – بالشتک کاتالیست: این قسمت کاتالیزور سرامیکی را در تراز مناسب نگه می‌دارد و با انبساط حرارتی بدنه سازگار است.

4 – سپرهای سر برای Match OE: این قسمت، از مبدل در برابر گرمای ایجاد شده توسط واکنش های شیمیایی محافظت می‌کند.

5 – درگاه های سنسور O2 (اکسیژن): یکی دیگر از بخشهای حیاتی یک سیستم کنترل آلایندگی، حسگرهای اکسیژن (O2)  قبل و بعد از مبدل کاتالیزوری هستند و در نزدیکی مبدل کاتالیزوری قرار دارند. این حسگرها به واحد کنترل الکترونیکی خودرو (ECU) اطلاع می‌دهد که چقدر اکسیژن در گازهای خروجی اگزوز یافت می‌شود. در اصل، آن‌ها برای نظارت بر سطح O2 در گاز خروجی طراحی شده اند و وضعیت مبدل را نیز ارزیابی میکنند. این فرآیند به خودرو کمک می‌کند تا با نسبت هوا به سوخت کارآمدتر کار کند و به موتور اجازه می‌دهد تا اکسیژن کافی برای تکمیل فرآیند اکسیداسیون مبدل را تامین کند.

6 – فلزات گران‌بها/کاتالیزورها:

متریال مورداستفاده در کاتالیست‌های اگزوز معمولاً شامل فلزات گروه پلاتین (مانند پلاتین، پالادیم، رودیم، روی و نیکل) و همچنین ساپورت‌های مختلف مانند اکسید‌ها و اکسیدهای فلزی است. انتخاب متریال در ساختار کاتالیست اگزوز بسیار حیاتی است و به عواملی مانند فعالیت کاتالیستی، مقاومت حرارتی، پایداری شیمیایی و هزینه تولید مرتبط است.

• پلاتین (Pt): پلاتین به عنوان یکی از مهم‌ترین کاتالیست‌ها در سیستم‌های اگزوز خودروها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فلز به خوبی واکنش‌های اکسایش و کاهش اکسید نیتروژن (NOx) و ذرات معلق مضر را فعال‌سازی می‌کند.
• پالادیوم (Pd): پالادیم نیز یکی از فلزات گروه پلاتین است که مورد استفاده در کاتالیست‌های اگزوز قرار می‌گیرد. این فلز به خصوص برای کاهش اکسید نیتروژن (NO) مورد استفاده قرار می‌گیرد و به دلیل قیمت نسبتاً پایین‌تر از پلاتین، در برخی از کاربردها می‌تواند جایگزین مناسبی باشد.
• رودیوم (Rh): رودیم یکی از فلزات گروه پلاتین است که برای فعال‌سازی واکنش‌های کاهش اکسید نیتروژن (NOx) و ذرات معلق استفاده می‌شود. این فلز به عنوان کاتالیست اصلی در برخی از سیستم‌های اگزوز با شرایط خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• نیکل (Ni): نیکل نیز به عنوان یک فلز گروه پلاتین در کاتالیست‌های اگزوز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فلز به خوبی واکنش‌های کاهش اکسید نیتروژن (NOx) و اکسید کربن (CO) را فعال‌سازی می‌کند.
• ساپورت‌های فلزی و اکسیدهای فلزی: علاوه بر فلزات گروه پلاتین، ساپورت‌های مختلف مانند اکسید‌های آلومینیوم، تیتانیوم و زیراکتینیوم نیز به‌عنوان بسترهای حامل‌کاتالیست در ساختار کاتالیست‌های اگزوز به کار می‌روند.

در کل، متریال به‌کاررفته در کاتالیست‌های اگزوز با توجه به نیازهای ویژه و خصوصیات مورد انتظار در عملکرد کاتالیست انتخاب می‌شوند. این انتخاب‌ها به تحقیقات علمی و مهندسی در زمینه بهبود کارایی و پایداری این سامانه‌ها بستگی دارد.

سخن پایانی

در این مقاله، به بررسی کاتالیست‌های اگزوز و ساختار و متریال آنها پرداختیم که نقش بسیار حیاتی در بهبود کیفیت هوا و کاهش آلودگی ایفا می‌کنند. کاتالیست‌های اگزوز، به عنوان عناصر مهم در سیستم‌های تخلیه گاز خودروها، با فعال‌سازی واکنش‌های شیمیایی، گازهای آلاینده را به مواد کم‌خطر یا غیرآلاینده تبدیل می‌کنند.