CAT, Catalytic Converter, เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา

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 NO_X (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. NO_X (Oxides of Nitrogen) (การที่เรียกว่าเป็นแก๊ส NOX จึงผิดเพราะว่าตัว _X เป็นตัวห้อยซึ่งหมายถึงเลขอะตอมของออกซิเจน 1, 2, 3 หรือ 4 ตัว)

            NO_X 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 NO_X มากกว่าเครื่องยนต์แก๊สโซลีน และกลับมีวัยรุ่นรวมทั้งช่างไทยๆ ไปอุด EGR ไม่ให้ทำงาน ปัญหาก็จะบานปลาย

            NO_X ไม่ใช่แก๊ส (หรือก๊าซ) เรือนกระจกโดยตรงแต่มีส่วนทำให้เกิดความเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจกตัวอื่นๆ ที่สำคัญโดยจะทำปฏิกิริยากับอนุมูลไฮดรอกซิล (Hydroxyl) หรือ OH กล่าวคือ เมื่อมี NO_X, CO และ HC จะถูกออกซิไดซ์ (Oxidize) ทำให้เกิดโอโซน (Ozone) หรือ O₃ ในชั้นใกล้ผิวโลก ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกตัวหนึ่งที่มีผลต่อสมดุลการแผ่รังสีและทำให้เกิด OH อีกครั้งซึ่งมีศักยภาพในการเกิดออกซิเดชันในบรรยากาศ และนำไปสู่การเป็นกรด

Read more »