ขอต้อนรับสู่บล็อกของครูวัลลภ มากมี ช่างยนต์ วิทยาลัยเทคนิคกาญจนบุรี
เนื้อหาทั้งหมดและภาพประกอบในเนื้อหาของเว็บบล็อกนี้เป็นทรัพย์สินทางปัญญาไม่อนุญาตให้นำส่วนหนึ่งส่วนใดไปเผยแพร่แสวงหาผลประโยชน์ ยกเว้นการลิงก์เข้าสู่เว็บบล็อกนี้

วันอังคารที่ 29 พฤษภาคม พ.ศ. 2555

CAT, Catalytic Converter, เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา

เมนูสำหรับสมาร์ทโฟน
เปิดบทความของเว็บบล็อกช่างยนต์

CAT (Catalytic Converter) เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา  แบ่งเป็น 3 ชนิดคือ
            1. Oxidation Catalyst (ตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน) เพื่อลดแก๊สพิษ HC และ CO
            2. Reduction Catalyst (ตัวเร่งปฏิกิริยารีดักชัน) เพื่อลดแก๊สพิษ NOX 
            3. Three–Way Catalyst (ตัวเร่งปฏิกิริยา 3 ทาง) เพื่อลดแก๊สพิษ HC, CO และ NOX
            ปัจจุบัน CAT ที่ใช้กับเครื่องยนต์แก๊สโซลีนเป็นชนิด Three–Way Catalyst หรือ 3 WC หรือTWC คือเป็นเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา 3 ทาง (Three–Way Catalytic Converter)

 
รูปที่ 1 เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา 3 ทาง สำหรับเครื่องยนต์แก๊สโซลีนในรุ่นปัจจุบัน

รูปที่ 2 แสดงไอเสียก่อนเข้า CAT มีแก๊สพิษ 3 ชนิด และออกจาก CAT ถูกแปรสภาพให้ไม่เป็นพิษ

รูปที่ 3 แสดงการแปรสภาพไอเสีย 3 ทาง ซึ่งเป็นกระบวนการแลกเปลี่ยนอะตอมของแก๊ส 3 ชนิด

คลิปที่ 1 แสดงการแปรสภาพของโมเลกุลใน CAT

            เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา 3 ทาง ติดตั้งอยู่ระหว่างท่อร่วมไอเสียและหม้อพักไอเสีย ถูกทำมาจากเซรามิก (Ceramic) รูปร่างคล้ายกับรังผึ้ง (Honeycomb) เคลือบเป็นชั้นบางๆ ด้วยสาร PGM (Platinum Group Metal) เช่นทองคำขาวหรือ Pt (Platinum) แพลเลเดียมหรือ Pd (Palladium) และโรเดียมหรือ Rh (Rhodium) ชนิดใดชนิดหนึ่ง หรือผสมกัน 2 ชนิด เช่น Pt กับ Rh เมื่อแก๊สไอเสียมีอุณหภูมิสูง 300 – 400 o ซ. ธาตุที่กล่าวมาแล้วนี้ จะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) ให้เกิดปฏิกิริยาแตกตัวของอนุมูลเดิมของไอเสีย จึงเกิดการรวมตัวใหม่เป็นแก๊สที่ไม่มีพิษ ดังแสดงในรูป 2 และ 3 (จากการทำงานดังกล่าวจึงไม่ควรเรียก TWC ว่าตัวกรองไอเสีย ซึ่งผิดหลักการเพราะว่าไม่ได้กรองไอเสีย แต่เป็นการเร่งให้มีการจัดเรียงโมเลกุลใหม่)
            สรุปแล้ว CAT หรือ TWC เป็นอุปกรณ์ช่วยแปรสภาพแก๊สพิษ 3 ชนิด คือ HC (Hydro Carbons) หรือไฮโดรคาร์บอน, CO (Carbon Monoxide) หรือคาร์บอนมอนอกไซด์ และ NOX (Oxides of Nitrogen) หรือออกไซด์ของไนโตรเจน  แล้ว CAT จะทำงานเชิงเร่งปฏิกิริยา แปรสภาพจากแก๊สไอเสียที่เป็นพิษให้ไม่เป็นพิษ คือกลายเป็น H2O (น้ำซึ่งอยู่ในสถานะเป็นไอน้ำ), N2 (Nitrogen) หรือไนโตรเจน และ CO2 (Carbon Dioxide) หรือคาร์บอนไดออกไซด์
หมายเหตุ      
            1. CO2 เป็นแก๊สหรือก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse Gas) มีผลกระทบต่อภาวะโลกร้อนมากกว่าก๊าซเรือนกระจกชนิดอื่นๆ
            2. CO2 ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งที่มีชีวิตโดยตรง แต่ถ้าสูดดมเข้าไปมากๆ จะทำให้ขาดออกซิเจน

            อนึ่ง เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา 3 ทาง มิอาจทำงานได้ ถ้าแก๊สไอเสียนั้นมีค่ามลพิษมากเกินกว่าการทำปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนอะตอมของแก๊สทั้ง 3 ชนิด ซึ่ง TWC จะไม่สามารถทำงานได้ หรือทำงานได้แต่ประสิทธิภาพต่ำลงเพราะจำนวนอะตอมของแก๊สไอเสียที่เข้ามายัง CAT หรือ TWC ไม่เหมาะสม ในสภาพปกติแล้ว TWC จะมีอายุการใช้งาน 100,000 กิโลเมตร (km)
            สำหรับเครื่องยนต์แก๊สโซลีน TWC จะมีอายุการใช้งานสั้นลงเพราะอัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงผิดพลาด เครื่องยนต์มีปัญหาเผาไหม้ไม่สมบูรณ์  เครื่องหลวม และมีสารตะกั่วเจือปนในน้ำมัน จึงไม่อาจใช้กับน้ำมันเบนซินที่มีสารตะกั่ว (ปัจจุบันน้ำมันเบนซินไร้สารตะกั่ว แต่ในความเป็นจริงแล้วยังคงมีปริมาณสารตะกั่วเจือปนอยู่ระดับต่ำกว่า 13 มิลลิกรัมต่อลิตรหรือ mg/l) ดังนั้นเครื่องยนต์ที่ใช้ TWC จะต้องมีระบบการควบคุมส่วนผสมแบบวงจรระบบปิด (Closed–Loop Control) ซึ่งจะต้องใช้ตัวรับรู้ออกซิเจน (O2 Sensor) โดยติดตั้งไว้ที่ด้านหน้า TWC เพื่อคอยรับรู้ค่าในย่านของอัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงทางทฤษฎี (Theoretical Air–Fuel Ratio) บางครั้งจะเรียกว่า อัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงทางอุดมคติ (Ideal Air–Fuel Ratio) ซึ่งมีค่า 14.7 : 1 (โดยน้ำหนัก)
            CAT แบบที่ใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลรุ่นเก่าจะมี 2 ส่วนคือส่วนที่ 1 เป็นชนิดตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation Catalyst) เพื่อลดแก๊สพิษ HC และ CO แล้วไอเสียจะผ่านไปยังส่วนที่ 2 ของ CAT คือ DPF (Diesel Particulate Filter) หรือตัวกรองอนุภาคไอเสียดีเซล โดย PM (Particulate Matter) อนุภาคไอเสียซึ่งเป็นเขม่า และควันดำในรูปของคาร์บอนจะไปเกาะที่ DPF ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาให้กระทำกับ O2 (Oxygen) หรือออกซิเจน HC ก็จะสันดาปต่อไปกลายเป็นแก๊ส CO2 ไอเสียจึงมีมลภาวะต่ำลง
อันตรายจากแก๊สพิษทั้ง 3 ชนิด จะมีผลอย่างไรต่อร่างกาย และสิ่งแวดล้อม ?

1. CO (Carbon Monoxide)
            CO คือแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ เป็นแก๊สที่ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ไม่มีรส เป็นพิษต่อร่างกายโดยตรงอันตรายมาก คือทำให้เม็ดเลือดขาวขาดออกซิเจน ทำให้อ่อนเพลีย วิงเวียน สลบและเสียชีวิต ตามลำดับปริมาณที่ได้รับแก๊สพิษนี้ (ถ้าได้รับต่อเนื่องเข้าไปมาก ๆ จะเสียชีวิตภายในเวลา 3 นาที)

2. HC (Hydrocarbons)
            HC คือสารประกอบอินทรีย์ที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนกับไฮโดรเจน แก๊สไฮโดรคาร์บอน มีกลิ่นเหม็น เป็นพิษต่อผนังเยื่อบุของอวัยวะที่อ่อนบางในร่างกาย เช่นระบบทางเดินหายใจ นัยน์ตา เป็นต้น นอกจากนี้แล้วสารประกอบไฮโดรคาร์บอนบางชนิดยังเป็นสารก่อมะเร็งอีกด้วย

3. NOX (Oxides of Nitrogen) (การที่เรียกว่าเป็นแก๊ส NOX จึงผิดเพราะว่าตัว X เป็นตัวห้อยซึ่งหมายถึงเลขอะตอมของออกซิเจน 1, 2, 3 หรือ 4 ตัว)
            NOX คือแก๊สออกไซด์ของไนโตรเจน เช่น NO (ไนทริกออกไซด์) และ NO2 (ไนโตรเจนไดออกไซด์) เป็นแก๊สพิษที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพ เมื่อลอยตัวขึ้นไปรวมตัวกันกับไอน้ำ (H2O) ในก้อนเมฆ ทำให้กลายเป็นกรด คือกรดไนตรัส (Nitrous  Acid) (HNO2) และกรดไนทริก (Nitric Acid) (HNO3) เมื่อฝนตกลงมาจะเป็นฝนกรด (Acid Rain) ละอองน้ำฝนเป็นอันตรายต่อระบบทางเดินหายใจ จะมีปัญหาต่อแหล่งน้ำ สัตว์น้ำ พืช ผัก ผลไม้ ต้นไม้ซึ่งเป็นแหล่งผลิตแก๊สออกซิเจนก็มีปัญหาไปด้วย สรุปแล้วทุกชีวิตบนโลกจะเดือนร้อนในระยะยาว โปรดอย่าลืมว่าเครื่องยนต์ดีเซลเป็นแหล่งที่ผลิตแก๊ส NOX มากกว่าเครื่องยนต์แก๊สโซลีน และกลับมีวัยรุ่นรวมทั้งช่างไทยๆ ไปอุด EGR ไม่ให้ทำงาน ปัญหาก็จะบานปลาย
            NOX ไม่ใช่แก๊ส (หรือก๊าซ) เรือนกระจกโดยตรงแต่มีส่วนทำให้เกิดความเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจกตัวอื่นๆ ที่สำคัญโดยจะทำปฏิกิริยากับอนุมูลไฮดรอกซิล (Hydroxyl) หรือ OH กล่าวคือ เมื่อมี NOX, CO และ HC จะถูกออกซิไดซ์ (Oxidize) ทำให้เกิดโอโซน (Ozone) หรือ O3 ในชั้นใกล้ผิวโลก ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกตัวหนึ่งที่มีผลต่อสมดุลการแผ่รังสีและทำให้เกิด OH อีกครั้งซึ่งมีศักยภาพในการเกิดออกซิเดชันในบรรยากาศ และนำไปสู่การเป็นกรด