مبدل کاتالیستی وسیله ای است که سر راه خروجی اگزوز خودرو قرار می گیرد و طی یک سری واکنش های شیمیایی با تبدیل گازهای سمی حاصل از احتراق خودرو به گازهای بی ضرر، از آلودگی هوا جلوگیری می کند. البته این مبدل ها انواع مختلفی دارند و واکنش های شیمیایی هر کدام از آن ها بسته به نوع موتور و سوخت مصرفی متفاوت است. به طور مثال مبدل کاتالیستی خودروهای گازوئیلی طوری است که در آن واکنش های اکسیداسیون انجام می شود. طی این واکنش ها، مونو اکسید کربن، مشتقات اکسید نیتروژن، و کربوهیدرات های حاصل از احتراق ناقص سوخت، به دی اکسید کربن، نیتروژن، و آب تبدیل می شوند. اگرچه مبدل های کاتالیستی بیش ترین کاربرد را در خودروها دارند، اما در ژنراتورها، لوکوموتیوها، کامیون ها، و هواپیماها نیز مورد استفاده قرار می گیرند. گفتنی است، این وسیله در حقیقت در راستای پیروی از مقررات دولتی و زیست محیطی مبنی بر رعایت حداکثر میزان آلایندگی خودروها ابداع شده است.

در سال 1970 ، دولت آمریکا پس از آنکه گزارش آژانس کنترل آلودگی هوای کالیفرنیا را بررسی کرد ، اصلاحیههوای تمیز را از تصویب گذراند و بدین ترتیب تولید کننده های آمریکایی به شدت دست به کار شده و مطابققوانین ضدآلودگی وضع شده ، کمبودهای خود را برطرف کردند . در سال 1975 قوانینی مصوب گردیدکه اکثریتکمپانی های خودرو سازی ، مجبور به استفاده از سیستم مبدل کاتالیتیکی در خودروها شدند . به طور خلاصهطرز کار این سیستم بدین صورت بود که با انجام واکنش های شیمیایی گازهای سمی را به دی اکسید کربن وبخارآب تبدیل می کرد .نصب مبدل کاتالیتیکی از همین سال در سراسر آمریکا اجباری گردید و در اروپا نیز از سال1993 مورد بهره برداری قرار گرفت .

در ایران استفاده از اين قطعه برای خودروهاي ساخت داخل از نيمه دوم سال 1381 از سوی سازمان حفاظت محیط زیست اجباری شده است و بر اساس طرح جامع کاهش آلودگی هوا، آزمون صحت کاتالیست در معاینات فنی خودروها به منظور صدور برگه و بر چسب معاینه فنی از ابتدای سال 1391 اجباری می باشد.شرکت‌های خودروسازی در ایران از سال ۱۳۸۲ نصب کاتالیست را در خودروهای داخلی آغاز کردند و قبل از این تاریخ خودروها فاقد استاندارد بوده‌اند و به همین دلیل آلایندگی این خودروها بیش از ۳۰ برابر سایر خودروها است و براین اساس خروج خودروهای مدل ۱۳۸۲ به پایین در سازمان حفاظت از محیط زیست ارائه شده است. احتمال می‌رود در تعدادی از خودروهای تولیدی سه ماهه آخر سال ۱۳۸۶ نیز قطعه کاتالیست نصب نشده باشد.به موجب طرح جامع کاهش آلودگی هوا «آزمون صحت کاتالیست کانورتور و کربن کنیستر در معاینات فنی خودروها به منظور صدور برگه و برچسب معاینه فنی از ابتدای سال ۹۱ اجباری است».

عملکرد سیستم تخلیه ، اگزوز و کاتالیزور در خودرو

کاتالیست تا ۹۰٪ گازهای سمی را بی‌اثر می‌کند به‌گونه‌ای که هیدروکربن‌های نسوخته که از موتور خارج می‌شوند را به آب و دی اکسید کربن تبدیل می‌کند. علاوه بر این اکسید ازت را به گاز ازت تبدیل می‌کند بنابراین کاتالیست در کاهش آلودگی هوا بسیار موثر است. طول عمر مفید کاتالیست ۵۰۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ کیلومتر است. مبدل‌های کاتالیست که هم اکنون بر روی خودروهای تولیدی در ایران نصب می‌شود تا میزان آلایندگی آنها را کاهش دهد پس از ۸۰۰۰۰ کیلومتر پر شده و عملاً کارایی خود را از دست می‌دهد و میزان آلایندگی خودرو تا پنج برابر افزایش می‌یابد.متوسط عمر کاتالیست چیزی حدود ۴ سال است و پس از مدت زمان یاد شده باید قطعه مورد نظر تعویض شود.

عمر اين قطعه با انسداد منافذ اسفنجي و یا پوشیده شدن سطح موثر آن به پایان رسیده و در این مرحله این قطعه قادر به کاهش آلاینده های خروجی از اگزوز نخواهد بود. حرارت بالا، سمی شدن به وسیله مواد خروجی از موتور و ضربه های مکانیکی خارجی، باعث چسبندگی و انسداد منافذ و سطوح کاتالیست ها و در نتیجه، کاهش اثردهی آنها می شود. علاوه بر آن، بدسوزی موتور به دلیل خرابی شمع ها، وایرها و انژکتورها نیز می تواند سوخت نسوخته را وارد این قطعه نموده، عمر آن را کاهش دهد. عمر مفید واکنشگر های کاتالیستی خودروها در حدود80،000 کیلومتر است. کاهش کارایی و انسداد منافذ کاتالیست و یا عدم استفاده آن در خودرو، باعث احتراق ناقص در موتور خودرو گردیده که این امر سبب افزایش غلظت آلاینده های خروجی از اگزوز و فرسایش قطعات موتور مي شود.

برداشتن این قطعه بسیار موثر در کاهش آلودگی خودرو و یا عدم تعویض به موقع آن پس از پایان یافتن عمر مفید آن می تواند صدمات جدی به هوایی که تنفس می کنیم وارد آورد و سبب افزایش آلودگی هوا شود.

هشدار ایساكو نسبت به برداشتن كاتالیست اگزوز خودرو

نظر به برخی محدودیت‌ها در بازار و با توجه به برخی حساسیت‌ها بر روی این قطعه استراتژیك، ایساكو تمهیدات لازم برای تامین آن در شبكه نمایندگان را در نظر گرفته و در صورت تقاضا نیز در اختیار آنها قرار خواهد گرفت و هم اكنون قطعه كاتالیست كانورتور در اكثر نمایندگی‌های مجاز شركت خدمات پس از فروش ایران خودرو(ایساكو)، قابل تهیه است.
این قطعه در برخی موارد و بنا به مشاوره غیر صحیح برخی تعمیركاران خودرو به مشتریان از سوی آنها برداشته می‌شود، این در حالی است كه این كار علاوه بر معایبی كه در بلندمدت برای خودرو به وجود می‌آورد، برای محیط زیست نیز مضرات زیادی به همراه خواهد داشت كه با توجه به وضعیت كنونی هوای تهران، این مساله اهمیت بیشتری می‌یابد.
البته احتمال می‌رود با توجه به موضوع هدفمندی یارانه‌ها این موضوع اهمیت بیشتری یابد؛ چرا كه بودن این قطعه بر روی اگزوز موجب كمتر شدن مصرف سوخت می‌شود.
البته مشتریان باید بدانند كه متوسط عمر این قطعه چیزی حدود چهار سال است و پس از مدت زمان یاد شده باید قطعه مورد نظر تعویض شود.

عملکرد سیستم تخلیه ، اگزوز و کاتالیزور در خودرو

همانطور که می دانید همه خودرو های دارای موتور احتراقی دارای قطعه ای به نام اگزوز هستند. اگزوز نقش خارج کننده دود حاصل از فرایندهای شیمیایی داخل سیلندر به هوای خارج را دارد. اِگزوز قطعه ای در خودرو و دیگر وسایل نقلیه است که دود حاصل از واکنش شیمیایی را که در سیلندر ایجاد می شود به خارج از خودرو انتقال می دهد.

این تعریف اگرچه بیانگر عمده کار اگزوز می باشد اما امروزه ویژگیهای اگزو گسترش یافته و وظایف دیگری نیز بر عهده دارد. سه وظیفه عمده اگزوز :کاهش آلایندگی، کاهش صدا، کاهش دما. اگزوز از سه بخش اتصال به موتور، میانی و انتهایی ساخته می شود که در این میان کاتالیست به دلیل نیاز به دمای 800 درجه سانتیگراد در قسمت اول تعبیه می گردد و بخشهای دوم و سوم در کاهش دما و صدا موثرند. این وسیله می تواند برای کاهش خروج گازهای خطرناک حاصل از سوزاندن سوخت تاثیر بسزایی داشته باشد. 

واکنشگر های کاتالیستی سه راهه، قطعه ای سرامیکی و یا فلزی با مقاومت حرارتی بالا می باشد که در مسير گازهاي خروجي اگزوز قرار مي گيرد و باعث تبدیل سه گاز سمي و آلوده كننده شامل منواکسیدکربن ، هیدروکربن های حاصل از احتراق ناقص و اکسید نیتروژن به گازهای غیرسمی بخار آب، نیتروژن و دی اکسید کربن می گردد. واکنشگر كاتاليستی خودرو داراي يك حسگر اكسيژن است كه تنظیم کننده نسبت هوا به سوخت براي احتراق کامل در موتور می باشد.

گازهای آلایندۀ خروجی از موتور

اصولاً گازهای خروجی از اگزوز شامل: پارافین ها، اولفین­ها، ترکیبات آروماتیک (که هرسه به عنوان هیدروکربن­ های نسوخته شناخته می­ شوند)، بخار آب، منو اکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن، اکسیدهای گوگرد، نیتروژن، اکسیژن و دی اکسید کربن می­باشد که از میان آنها سه آلاینده اصلی زیانبار و خطرناک : منواکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن و هیدرو کربن­ های نسوخته هستند.

به طور مثال: منو اکسید کربن که گازی است بیرنگ و بی بو، با میل ترکیـبی زیاد که از احتراق ناقـص سوخت های فسیـلی به وجود می­ آید می­تواند تا 250 بار سریعتر از اکسیژن با هموگلوبین خون ترکیب شود که اثرات آن از سردرد تا مرگ می ­باشد. از دیگر زیان­های گازهای خروجی از اگزوز می­توان به تولد نوزادهای ناقص یا انواع سرطان­های ریه و... اشاره کرد.

با توجه به آلاینده­های موجود در گازهای خروجی از موتور، هدف تبدیل گازها از طریق واکنش اکسایش و کاهش در کاتالیست­ها به مواد کم ضرر و یا به طور عمده بی ضرر برای محیط زیست و موجودات زنده می­ باشد.

انواع مبدل کاتالیست

به طور کلی، در مبدل های کاتالیستی بسته به نوع مبدل، یکی از واکنش های دو مرحله ای یا سه مرحله ای انجام می شود که در ادامه به توضیح هر کدام از آن ها می پردازیم.
(1) مبدل های کاتالیستی مبتنی بر واکنش های دو مرحله ای: طی این واکنش، مونو اکسید کربن و هیدروکربن های ناشی از احتراق ناقص سوخت، به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شوند.
(2) مبدل های کاتالیستی مبتنی بر واکنش های سه مرحله ای: طی این واکنش، پس از اکسیداسیون اکسیدهای نیتروژن به گاز نیتروژن و اکسیژن، مونو اکسید کربن و هیدروکربن های ناشی از احتراق ناقص سوخت، به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شوند.

۱) مبدل کاتالیست دوگانه

این نوع از کاتالیزورها به طور عمده ای در موتورهای دیزلی برای کاهش آلاینده های مونوکسیدکربن و هیدروکربن های نسوخته به کار می روند. به علت عدم توانایی اینگونه از کاتالیست ها در کاهش آلاینده های اکسید نیتروژن، امروزه در موتورهای بنزینی از این نوع کاتالیست ها استفاده نشده و به جای آنها از کاتالیست های سه گانه بهره برده می شود. کاتالیزور دوگانه دو عمل را به طور همزمان انجام می دهد:

آ) اکسیداسیون مونوکسید کربن به دی اکسید کربن: CO + 0.5O2 → CO2
ب) اکسیداسیون هیدروکربن های نسوخته و تبدیل آنها به دی اکسید کربن و آب: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

۲) مبدل کاتالیست سه گانه

مبدل کاتالیستی سه گانه سه وظیفه زیر را انجام می دهد:

آ) کاهش اکسیدهای نیتروژن به اکسیژن و نیتروژن: 2NOx → xO2 + N2
ب) اکسیداسیون مونوکسیدکربن به دی اکسید کربن: CO + 0.5O2 → CO2
پ) اکسیداسیون هیدروکربن های نسوخته و تبدیل آنها به دی اکسید کربن و آب: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

نکته بسیار مهم در رابطه با این نوع از کاتالیست ها این است که زمانی این کاتالیست ها بالاترین راندمان را دارند که گازهای خروجی از موتور و ورودی به کاتالیست به مقدار کمی بالاتر از نقطه استوکیومتری باشند. این بدان معناست که نسبت وزنی هوا به سوخت در مخلوط ورودی به کاتالیست در موتورهای بنزینی در حدود ۱۴/۶ تا ۱۴/۸ باشد.

گفتنی است، علاوه بر واکنش های اصلی مبدل کاتالیستی که منجر به تولید محصولات غیرسمی می شوند، یک سری واکنش های ناخواسته نیز صورت می گیرند که سبب تولید مقادیر بسیار کمی از محصولات سمی نظیر سولفید هیدروژن (H2S) و آمونیاک (NH3) می شود. این نوع واکنش های ناخواسته معمولاً در مبدل های کاتالیستی مبتنی بر واکنش های سه مرحله ای بروز می یابند. اگرچه حذف چنین واکنش هایی به طور کامل امکان پذیر نیست، اما با اعمال یک سری تغییرات در ماهیت ماده کاتالیست و لایه اکسیدی می توان از بروز این واکنش ها تا حد امکان جلوگیری کرد. به طور مثال، جهت جلوگیری از تولید سولفید هیدروژن می توان به لایه اکسید فلزی، نیکل یا منگنز اضافه کرد؛ زیرا این فلزات نسبت به جذب گوگرد حساس هستند مانع از جذب آن توسط لایه اکسیدی می شوند. به عبارت بهتر، سولفید هیدروژن زمانی تولید می شود که گوگرد در دمای پایین توسط لایه اکسیدی جذب شده باشد. پس از جذب گوگرد در دمای پایین، در مرحله بعد در دمای بالا آزاد می شود و پس از ترکیب با هیدروژن، گاز سولفید هیدروژن تشکیل می شود.

انواع مبدلهای كاتاليستی براساس نوع جنس :

كاتاليستها براساس نوع جنس به سه نوع عمده:
- گلوله ای
- سراميكی
- فلزی
تقسيم ميشوند.

اولين نوع مبدلهاي كاتاليستي، گلوله هایی بودند كه از كرههاي پرسوراخ آلومينا (AL2O3) كه فلزات گرانبها (PM) در داخل آنها كاشته شده بود، تشكيل ميشدند . قطر اين گلوله ها بين 10/1 تا 8/1 اينچ بود كه درون محفظهاي فلزی، زير خودروها قرار ميگرفتند. اين نوع مبدلها براي موتورهاي با حجم زياد، سرعت پايين و دماي پايين، همچون كاميونها استفاده ميشدند.

كاتاليستهاي نوع دوم، از ديواره هاي نازک سراميكی لانه زنبوری تشكيل يافته و مونوليتهاي سراميكي هستند. اين ديواره ها، محل نشستن فلزات گرانبها نيستند (شكل 3). بلكه فلزات گرانبها براي داشتن سطوح تماس بيشتر بر روي لايه خارجي به نامwashcoat قرار ميگيرند كه اين لايه، شامل اكسيد فلزات (BMO) همچون آلومينا (Al2o3) و سريا (CeO2) است.

ساختمان اصلي کاتاليستهای سراميکی معمولا از طريق اكستروژن ماده سراميكي كوردريت5 2.Al2O3-5.SiO2-2.MgOساخته ميشود.

كاتاليست نوع سوم كه كمتر از نوع دوم مورد استفاده قرار ميگيرد، مونوليتهاي نوع فلزي است كه از آلياژ فلزات با مقاومت حرارتي بالا تشكيل يافته است. مونوليتهاي فلزي نيز مانند سراميكي، از سوراخهاي بسياري تشكيل شده كه از ورق هاي فنري مانند فرم يافته كنار هم ساخته ميشوند.

مزاياي كاتاليستهاي سراميكي نسبت به فلزي عبارت است از: توليد آسانتر، پوششدهي راحتتر و ارزانتر بودن، قدرت نگهداري دما و بازيافت راحتتر. مزاياي نوع فلزي نسبت به سراميكي، مقاومت بالاتر در برابر ضربه و حرارت، قابليت كاهش ضخامت ديواره (داراي تعداد سوراخ بيشتر يا cpsi بالاتر) و افت فشار كمتر و گرم شدن سريعتر است.
هماكنون، كاتاليست رايج commercial catalyst، كاتاليست سراميكي است كه حدود 85 درصد از كل توليدات مبدل كاتاليست را تشكيل ميدهد.

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 که این 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 آید .

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 .

به دلیل آنکه ECU خودروها با وجود کاتالیست کالیبره می­ شود، هر گونه تغییر در کاتالیست و یا حذف آن، اگر چه ممکن است در ابتدا موجبات شتاب بیشتر خودرو را فراهم سازد اما در نهایت منجر به کارکرد نامناسب موتور و افزایش مصرف سوخت خواهد گردید.

علاوه بر این از کاربراتور یا انژکتور در موتور انتظار می­ رود سوخت و هوا را به نسبت درستی مخلوط کند. هرگونه خطا در عملکرد کاربراتور یا انژکتور می­ تواند به طور مستقیم بر استوکیومتری واکنش در سیلندرها تأثیر گذاشته و در نتیجه سبب افزایش میزان آلاینده­ ها گردد.

مواد موجود در سوخت نیز می­ تواند به طور مستقیم بر روی میزان آلاینده­ ها و عملکرد کاتالیست تأثیر گذار باشد. به عنوان مثال گوگرد موجب مسمومیت پایدار در کاتالیست می گردد، بدین صورت که با واکنش با سطح فعال کاتالیست، مانع ایجاد واکنش تصفیه شده و کاتالیست را از کار می اندازد.

با توجه به استانداردهای اروپا (98/69/EC و 8/2002/EC) غلظت گوگرد و سرب برای سوخت بنزین مطابق جدول زیر می باشد:

عوامل خرابی و از بين رفتن كارایی مبدل کاتالیست عبارتند از:

1. حرارت بالا
2. سمي شدن بهوسيله مواد خروجي از موتور
3. خرابي مكانيكي مبدل

دماي بسيار بالا، باعث چسبيدن فلزات گرانبها به هم و كاهش سطوح محل اثر آنها در كاتاليستها و در نتيجه، كاهش اثردهي آنها ميشود. معمولاً دماي 800 تا 1000 درجه سانتيگراد به بالا، باعث تهنشيني و چسبيدن فلزات گرانبها ميشود. عامل اصلي در افزايش دما عدم جرقه زنی شمع هاست.

سموم رايج در كاتاليستها، عبارتند از: سرب، فسفر و سولفور كه معمولا جزئي از افزودنيهاي معمولي به بنزين و روغن هستند. سرب، معمولا به عنوان عامل ضدصدا، فسفر به عنوان ماده افزودني در روغن و سولفور بهعنوان عامل موجود در بنزين و روغن شناخته شده اند. دو عامل اول، اثر منفي بيشتري بر فلزات گرانبها و عامل سوم، اثر منفي بيشتري بر اكسيد فلزات دارند.

ضربه هاي مكانيكي خارجي وارده بر مبدلهاي كاتاليستي، بويژه كاتاليستهاي كاركردهاي كه حالت تردي پيدا ميكنند، باعث شكستن، گرفتگي و ... در كاتاليستها ميشوند.

هر يك از سه عامل ياد شده، باعث پايين آمدن كارايي كاتاليست در خودروها ميشوند.