Catalytic converter แคตตาไลติค

แคตตาไลติค เพื่อประสิทธิควบคุมการไหลใน ท่อไอเสีย คล่อง High Flow Catalytic converter  จากแนวคิดช่วยลดมลพิษจาก ท่อไอเสีย ให้สิ่งแวดล้อมกลับมาดีขึ้นอีกครั้ง แคตตาไลติค ช่วยลดกลิ่นรบกวนจาก ท่อไอเสีย อัตราเร่งที่ดีและประหยัดเชื้อเพลิง 

การทำงานผิดปกติของ แคตตาไลติค เกิดจากการทำงานของ แคตตาไลติค ในที่ที่มีอุณหภูมิสูงมากกว่าอุณหภูมิปกติ จึงเกิดการเสื่อมสภาพของ แคตตาไลติค เนื่องจากความร้อนสะสมใน ท่อไอเสีย โดยจะเกิดการรวมตัวที่หน้าสัมผัสของ แคตตาไลติค ทำให้เกิดการอุดตันใน ท่อไอเสีย พื้นที่ใน ท่อไอเสีย ลดลงไอเสียระบายออกได้ช้า เมื่อระยะเวลาการใช้งานของรถเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพของ แคตตาไลติค จะลดลง อาจขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิง(น้ำมันที่ใช้)รวมทั้งรถที่ติดแก๊ส ด้วย 

 


" ปัญหาไฟเตือน แคตตาไลติค อุดตัน Code P0420 P0171 และ P0031 " จบงานได้ที่หลำเฮดเดอร์

 

Catalytic converter แคตตาไลติค

     แคตตาไลติค หมายถึง สารที่เปลี่ยนแปลงและเร่งปฎิกิริยาทางเคมี โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงตัวของมันเอง แคตตาไลติค จะประกอบด้วย2ส่วนคือ วัสดุเสริมและวัสดุ แคตตาไลติค ซึ่งจะถูกฉาบอยู่บนวัสดุเสริม การตัดสินใจเลือกวัสดุที่เป็น แคตตาไลติค นั้นเป็นเรื่องใหญ่ ในช่วงแรกๆของการพัฒนา แคตตาไลติค ทั้งโลหะประเภท Platinum Palladium หรือ Rhodium หรือโลหะผสมของเหล่านี้ รวมทั้งพวก ทองแดง โครเมียมและเหล็กได้ถูกทดสอบ แต่ในช่วงแรกๆการทดสอบ จะเน้นกับโลหะจำพวกหลังมากกว่า เนื่องจากความได้เปรียบทางค่าใช้จ่าย อย่างไรก็แล้วแต่ปัญหาที่สำคัญของโลหะพวกนี้ก็คือ การก่อเกิดของสาร ซัลเฟต (Sulphates) และการเกิดการเป็นพิษ (Poisoning) เมื่อถูกใช้ไปนานๆ ในทางกลับกันจากการวิจัยพบว่า โลหะพวกแรกนั้นอายุการใช้งานสูงและมีประสิทธิภาพมาก โดยใช้สารเพียงปริมาณเล็กน้อย ดังนั้นวัสดุ แคตตาไลติค ในปัจจุบันจะมีการใช้ (Plattinum Pt) , (Palladium Pd) และ (Rhodium Rh) 

     Rhodium เป็นที่นิยมมากเนื่องจากสามารถรถปริมาณสารพวก NOx และปรับเปลี่ยนเป็นแก๊สไนโตรเจนใน Threeway Converter โดยใช้ปริมาณ Rhodium เพียงเล็กน้อยก็พอ ถ้ามีการควบคุมปริมาณออกซิเจนใน ไอเสีย รวมทั้งอุณหภูมิของ ไอเสีย แล้ว Rhodium จะเปลี่ยน NOx เป็นก๊าซไนโตรเจน (Nx) ปรับเปลี่ยนก๊าซพิษ NOx ซึ่งจากการทดสอบแล้วพบว่า สัดส่วนและปริมาณ Rhodium จะแตกต่างกันไป ในแต่ละเครื่องยนต์และการใช้งาน 

     Rhodium เป็นโลหะหายาก โดยมีอัตราส่วนก้อนแร่ (Mine Ratio) ประมาณ15 นั่นคือ ในการนำแร่มาจากธรรมชาติ จะได้ Plattinum 15 ส่วน จะได้ Rhodium 1 ส่วน สำหรับสัดส่วนใน แคตตาไลติค นั้นคือ Plattinum 5 ส่วน ต่อ Rhodium 1 ส่วน นั่นหมายความว่าใน แคตตาไลติค จะมีความต้องการเกินอัตราส่วนก้อนแร่

     Plattinum จะถูกใช้ใน Threeway Converter สำหรับปรับเปลี่ยนก๊าซพิษ จำพวก HC และ CO โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงเวลาอุ่นเครื่องยนต์ Warm up จากการ Start เครื่องยนต์เมื่อเครื่อยนต์เย็นอยู่ Cool Start ส่วนใน Oxidizing Converter จะใช้ Plattinum , Palladium หรือส่วนผสมของทั้งสองโลหะ สำหรับการปรับเปลี่ยน HC และ CO ในระหว่างช่วงเวลาอุ่นเครื่อง ตามความจริงแล้ว Plattinum สามารถปรับเปลี่ยน NOx ได้ถ้ามีการควบคุมสภาวะ ไอเสีย แต่ประสิทธิภาพไม่ดีเท่ากับการใช้ Rhodium 

      Palladium ก็เหมือนกับ Plattinum คือใช้ปรับเปลี่ยน HC,CO ทั้งใน แคตตาไลติค แบบ Threeway Converter และ  Oxidizing Converter Palladium จะมีข้อดีกว่า Pt และ Rh ตรงที่มันมีอายุการใช้งานนานกว่าเนื่องจากคุณสมบัติต้านทานการเกิดการคืนตัว (Sintering)

     แคตตาไลติค ที่ใช้ในรถยนต์ก๊าซโซลีน มีลักษณะเป็นกล่องโลหะ ที่ติดตั้งอยู่ในระบบ ท่อไอเสีย ระหว่าง ท่อไอเสียรถยนต์ Exhaust Manifold กับท่อเก็บเสียง ภายในตัว แคตตาไลติค จะมีสารที่เป็นตัวเร่งปฎิกิริยา Catalyst โดยมีชื่อเรียกรวมๆว่า PGM เคลือบและฉาบไว้บนวัสดุเสริม รวมเรียกว่า Substrate

      ภายใน แคตตาไลติค ในส่วนที่เป็น Catalyst  จะมีลักษณะเป็นรูพรุน เมื่อ ไอเสีย ไหลผ่านเข้าไปใน แคตตาไลติค สาร PGM จะทำหน้าที่เร่งปฎิกิริยา Oxidation และ Reduction ทำให้ HC,CO  ถูกออกซิไดซ์เป็น CO2 และ  H2O ส่วน NOx จะทำปฎิกิริยากับ CO กลายเป็น CO2 และ N2 ในขณะเดียวกัน NOx และ HC ก็จะทำปฎิกิริยากันได้ CO2 N2 และ H2O 

 

ระบบการทำงานของเจ้า แคตตาไลติค คอนเวอร์เตอร์ Catalytic converter 

     Threeway Catalysts นับเป็น แคตตาไลติค ที่มีประสิทธิภาพสูงและเป็นที่นิยมใช้กันมากในปัจจุบัน ใน แคตตาไลติค ประเภทนี้จะบำบัดก๊าซพิษทั้งสามชนิดนี้ ได้แก่ CO HC และ NOx ไปพร้อมๆกัน นั่นคือที่มาของชื่อ Threeway Catalysts นั่นเอง การทำงานของ แคตตาไลติค นี้ไม่ต้องการอากาศเพิ่มเติมจากภายนอก จึงไม่ต้องมีที่ปั้มอากาศ แต่มีข้อจำกัดอยู่ว่า อัตราส่วนผสมของอากาศกับเชื้อเพลิง จะต้องมีค่าใกล้เคียงกับ Stoichiometric A/F Ratio และ A/F Ratio ในขณะเครื่องยนต์ทำงาน จะต้องไม่เปลี่ยนแปลงเกินกว่า 0.05 

เงื่อนไขการใช้งาน แคตตาไลติค คอนเวอร์เตอร์ Catalytic converter 

1. ปัจจัยที่มีผลต่อสมรรถนะของ แคตตาไลติค ในการออกแบบปริมาตรของ แคตตาไลติค จะต้องใหญ่พอที่จะรองรับอัตราการไหลของ ไอเสีย ได้ รวมทั้งอุณหภูมิ การแผ่รังสี และการเป็นพิษ กล่าวคือไอเสียจะมีเวลาพอในการกระจายเข้าไปในช่องว่างของ แคตตาไลติค และถูกปรับเปลี่ยน เรียกเวลานี้ว่า Residence Time ถ้าปริมาตรของ แคตตาไลติค น้อยเกินไป CO HC และ NOx จะไหลผ่าน แคตตาไลติค ออกไปได้เลย จะเรียกอัตราการไหลของ ไอเสีย ว่า Space Velocity ซึ่งเป็นปริมาณของ ไอเสีย ที่ถูกปรับเปลี่ยนต่อ 1 ชม.

     แคตตาไลติค จะต้องมีขนาดที่เหมาะสมในการติดตั้งกับยานพาหนะ โดย แคตตาไลติค ควรติดตั้งอยู่ใกล้กับเครื่องยนต์มากที่สุด เพื่อความรวดเร็วในการปรับเปลี่ยน และควรมีอุณหภูมิขณะใช้งานประมาน 375-600 องศาเซลเซียส ไม่ควรเกิน 815 องศาเซลเซียส

     อัตราการกินน้ำมันเครื่อง ของเครื่องยนต์ ควรมีน้อยที่สุด หรือไม่เกิน 0.12 ลิตรต่อระยะทางวิ่ง 1,000 กิโลเมตร เนื่องจากสารฟอสฟอรัสที่สะสมอยู่ที่ผิว แคตตาไลติค จะทำให้ประสิทธิภาพของ แคตตาไลติค ลดลง   

     Air fuel Ratio ก็เป็นปัจจัยหลักอันหนึ่งที่มีผลต่อการปรับเปลี่ยน CO HC และ NOx ซึ่งสามารถควบคุมได้จากระบบควบคุม ซึ่ง A/F Ratio ควรจะมีค่าใกล้ Stoichiometry มากที่สุดหรือไม่ควรเกิน 0.5 หรือมากกว่าค่า Stoichiometry

 

2. การทำงานผิดปกติของ แคตตาไลติค เกิดจากการที่อุณหภูมิขณะทำงานสูงเกินไป การเป็นพิษและการขาดการควบคุม A/F Ratio 

     2.1 อุณหภูมิ ในการทำงานของ แคตตาไลติค ในที่ที่มีอุณหภูมิสูงเกินไป จะทำให้เกิดการออกซิเดชั่นของ Rhodium ทำให้ประสิทธิภาพการปรับเปลี่ยนลดลง  โดยโลหะ Pt,Pl,Rh จะเกิดการรวมตัวกันหรือจะรวมตัวกับโลหะอื่น ทำให้ไปอุดตันช่องว่างใน แคตตาไลติค ทำให้พื้นที่สัมผัส ไอเสีย ลดลง

     ซึ่งจะเห็นว่าการเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อน (Thermal Degradation) ของสาร PGM และอลูมีนาจะเกิดขึ้นอย่างรุนแรง ดังนั้นระยะเวลาที่ Converter ต้องทำงานในช่วงอุณหภูมิสูงมากๆ จะมีอิทธิพลอย่างยิ่งกับอายุการใช้งานของ Converter ในกรณีที่เครื่องยนต์ทำงานผิดปกติ ทำให้อุณหภูมิของไอเสียอาจเพิ่มสูงกว่า 1400 องศาเซลเซียส ซึ่งอุณหภูมิขนาดนี้สามารถทำอันตราย แคตตาไลติค ได้โดยสิ้นเชิง โดยหลอมละลายวัสดุที่เป็นโครงสร้างภายใน รถยนต์ที่ใช้ แคตตาไลติค จึงจะต้องมีระบบจุดระเบิดที่แม่นยำคงทน และเชื่อถือได้

     2.2 น้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้ อีกสาเหตุหนึ่งที่ทำให้อายุการใช้งานของ แคตตาไลติค สั้นลงคือ Poisoning โดยสารเพิ่มคุณภาพ Additive ที่มีอยู่ในน้ำมันก๊าซโซลีน เช่น สารตะกั่ว ซึ่งเป็นตัวเพิ่มค่าออกเทนในน้ำมัน ให้สูงขึ้น  โดยในน้ำมันไร้สารตะกั่วจะมีค่าออกเทนประมาณ 91-92 ส่วนในน้ำมันเบนซินซูปเปอร์ จะมีค่าออกเทนประมาณ 97 เมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ก็จะได้สารประกอบของตะกั่ว เช่น Lead Bromide หรือ Leade Chloride ออกมาจากท่อไอเสียและไปเคลือบหรืออุดผิว ซึ่งมีลักษณะเป็นรูพรุนของ แคตตาไลติค ทำให้สาร PGM ที่เคลือบอยู่ไม่สัมผัสกับ CO HC และ NOx ทำให้ปฎิกิริยา Reduction และ Oxidation เกิดได้น้อยลง (เรียกว่า Poisoning) เครื่องยนต์ที่ติดตั้ง แคตตาไลติค จึงจำเป็นจะต้องใช้น้ำมันก๊าซโซลีนไร้สารตะกั่วเท่านั้น นอกจากนี้กำมะถันในน้ำมันก๊าซโซลีนและฟอสฟอรัสในน้ำมันหล่อลื่น ก็สามารถทำให้  แคตตาไลติค เกิดPoisoning ได้ด้วยเหมือนกัน

 

สรุปคือ เมื่อระยะเวลาในการใช้งานของ  แคตตาไลติค เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพของ  แคตตาไลติค ย่อมจะมีค่าลดลง ซึ่งจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับการระวังของผู้ใช้ เช่น ไม่ควรใช้ร่วมกับน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีสารตะกั่ว และถึงแม้เครื่องยนต์จะใช้เฉพาะน้ำมันก๊าซโซลีนไร้สารตะกั่ว แล้วก็ตาม ประสิทธิภาพของ แคตตาไลติค ก็อาจลดลงได้อีกด้วยสาเหตุจาก ฟอสเฟสและกำมะถัน แต่จะไม่มีผลกระทบที่รุนแรงและรวดเร็วเหมือนสารตะกั่ว