كيف أنقذ المحول الحفاز محرك الاحتراق الداخلي؟

في عام 1975، أنقذ أسطوانة سيراميك صغيرة المحرك ذو الاحتراق الداخلي من محظورات قانون الهواء النظيف وغيّرت تاريخ السيارات.
في عام 1975، أنقذ أسطوانة سيراميك صغيرة المحرك ذو الاحتراق الداخلي من محظورات قانون الهواء النظيف وغيّرت تاريخ السيارات.

شارك هذه الصفحة

المحوّل الحفزي هو جهاز تحكم في الانبعاثات يعمل بعد العادم، يحوّل أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات وأكاسيد النيتروجين الموجودة في غازات العادم إلى مركبات غير ضارة عبر تفاعلات كيميائية، ومنذ عام 1975 وهو يحافظ على انبعاثات محرك الاحتراق الداخلي دون الحد الذي تفرضه قوانين انبعاثات العادم. عندما أجبر قانون الهواء النقي الأمريكي في سبعينيات القرن العشرين على إعادة تصميم المحرك من جذوره، كان هذا الأسطوانة السيراميكية الصغيرة هو الطريقة الأكثر عملية للوفاء بالموعد النهائي؛ في حين أن النتيجة كانت نقطة البداية لسلسلة تقنية امتدت من موت المكربن إلى حقن الوقود الإلكتروني.

أبرز النقاط

  • وضع قانون الهواء النقي هدفاً بخفض انبعاثات الهيدروكربونات وأول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين بنسبة 90% بحلول عام طراز 1975.
  • طُوّر المحوّل ذو الإنتاج التسلسلي في عام 1973 في شركة Engelhard؛ بينما اخترعت Corning الركيزة الأحادية الخزفية من الكوردائريت.
  • حظر البنزين المحتوي على الرصاص في المركبات المزودة بمحوّل اعتباراً من عام طراز 1975 لأنه يفسد المحوّل.
  • كانت المحوّلات الأولى تحوّل أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات فقط؛ بينما أدخل المحفّز ثلاثي الاتجاهات أكاسيد النيتروجين أيضاً إلى نطاق العمل.
  • محوّلات ثلاثية الاتجاهات اليوم قادرة على تحويل ما يصل إلى 98% من هذه الملوثات الثلاثة.

المدن الملوثة وموعد تسليم خفض الانبعاثات بنسبة 90%

بحلول أواخر ستينيات القرن العشرين، كانت جودة الهواء في المدن الأمريكية قد تدهورت بشكل قابل للقياس مع نمو النقل بالسيارات. كان الضباب الدخاني في لوس أنجلوس أول حالة كبرى أثبتت إمكانية تحديد مصدر المشكلة بدقة، وكانت كاليفورنيا أول ولاية تُدخل تنظيمات انبعاثات العادم حيز التنفيذ في أواخر الستينيات. في عام 1967 وُحّدت الجهود على مستوى الولاية تحت مظلة واحدة؛ كانت البنية التحتية المؤسسية قد أُنشئت، لكن نقطة التحول الحقيقية ستأتي على المستوى الفيدرالي.

كُتب قانون الهواء النقي لعام 1970 بمخاطرة جريئة من الناحية التقنية: اشترط الكونغرس على السيارات تحقيق خفض بنسبة 90% في انبعاثات الهيدروكربونات وأول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين بحلول عام طراز 1975. والتفصيلة التي تجعل الأمر مذهلاً هي أن واضعي القرار كانوا يعلمون أن التقنية التي ستحقق هذا الخفض لم تكن موجودة بعد. لم يكن القانون نتاج أقسام الهندسة، بل نتاج فلسفة تنظيمية تضع الهدف أولاً وتفرض إيجاد الحل لاحقاً. لقد مهّد اشتراط الولاية المبكر لكاليفورنيا الطريق لهذا النهج من الكونغرس.

ولإدراك حجم الأمر، يكفي النظر إلى الأرقام: كانت المركبات غير الخاضعة للرقابة تنتج نحو 90 غراماً من أول أكسيد الكربون لكل ميل، وقد خفضت طرازات 1974 هذا إلى 28 غراماً ، وكان هدف 1975 هو 15 غراماً لكل ميل. علاوة على ذلك، لم تنتقل أوروبا إلى تنظيم مماثل إلا في عام 1992. رأى صانعو السيارات أن الاستثمار في تقنية ما بعد العادم طريق أسرع وأقل مخاطرة من إعادة بناء المحرك نفسه من جذوره: ميزة المحوّل أنه يمكن إضافته إلى خط العادم دون الحاجة إلى تغييرات جذرية في تصميم المحرك الأساسي.

خط التطور الطويل للمحوّل

لم يُخترع الجهاز فجأة في عام 1975. صُممت النماذج الأولية الأولى في فرنسا في أواخر القرن التاسع عشر؛ وكانت هياكل أسطوانية مزدوجة معدنية مطلية بالبلاتين والروديوم والبالاديوم. أما أهم من اقترب بالفكرة من الإنتاج التسلسلي فهو المهندس الميكانيكي الفرنسي Eugene Houdry كان. هودري الذي اخترع التكسير الحفزي في ثلاثينيات القرن العشرين وهاجر إلى الولايات المتحدة، بدأ مطلع الخمسينيات بالاهتمام بدخان لوس أنجلوس الضبابي، وأسس شركة Oxy-Catalyst، وبعد تطوير محولات للمداخن والرافعات الشوكية حصل في منتصف الخمسينيات على براءة اختراع لتطبيقه في السيارات.

لم تكن العائق أمام هودري هو التقنية، بل البنزين نفسه: فالرصاص رباعي إيثيل كان يغطي سطح العامل الحفزي ويجعل الجهاز عديم الفائدة؛ بالمصطلحات الهندسية تسمم العامل الحفزي. لذلك تخلى هودري عن السيارات واتجه نحو التطبيقات الصناعية. أي أن ولادة المحول الحفزي للسيارات كان تقع في المعادلة نفسها مع حكم الإعدام على البنزين المحتوي على الرصاص؛ فالمدة المسموح بها لأحدهما كانت تحدد مصير الآخر.

اكتمل الانتقال إلى الإنتاج الضخم بلقاء كفاءتين صناعيتين مختلفتين. في Engelhard طوّر Carl D. Keith وJohn J. Mooney وAntonio Eleazar وPhillip Messina أول محول إنتاج ضخم في عام 1973 . أما في جانب تكنولوجيا الزجاج، فاخترع Rodney Bagley وIrwin Lachman وRonald Lewis في Corning Glass الركيزة الأحادية من السيراميك الكورديريت التي تستضيف العامل الحفزي؛ ودخل هؤلاء الثلاثة قاعة المشاهير الوطنية للمخترعين عام 2002. قدمت Chrysler بيانات اختبار إلى وكالة EPA بمركباتها النموذجية ذات المحولين، وكانت واحدة من أولى العلامات التي ظهرت على المسرح مع طراز عام 1975.

نهاية البنزين المحتوي على الرصاص: ثمن المحول

كانت هناك معادلة تعمل بعكس اتجاه الشاحنة: البنزين المحتوي على الرصاص أُزيل أولًا لأنه يفسد المحولات أكثر من كونه مبررًا صحياً. بدأ خفض الرصاص في عام 1974 بموجب صلاحيات تعديلات قانون الهواء النظيف، ومنذ طراز عام 1975 حُظر البنزين المحتوي على الرصاص في المركبات المزودة بمحولات حفزية. وهذا كان يعني عمليًا ثورة ثانية في خزاناتنا وعضات الوقود؛ فالبنزين الخالي من الرصاص تطلب إعادة معالجة أكثر شمولاً من إنتاج اعتادته المصافي التي كانت ترفع رقم الأوكتان بالرصاص. لقد أصبحت تركيبة البنزين جزءًا من نظام يتغير في الوقت نفسه مع تصميم المحرك.

لم يكن الانتقال كاملاً: بقي بيع البنزين المحتوي على الرصاص للمركبات القديمة غير المزودة بمحولات حتى عام 1995؛ وفي ذلك التاريخ فرضت تعديلات قانون الهواء النظيف حظرًا شاملاً على جميع البنزين المحتوي على الرصاص في المركبات. يلخّص مقياس واحد العائد الاجتماعي لهذا الانتقال: بعد خفض الرصاص سُجّل انخفاض بنسبة 88% في نسبة الأطفال الذين تُظهرهم فحوصات الدم مستويات رصاص مرتفعة. أما سلسلة تنظيم الانبعاثات الممتدة من عادم السيارة إلى الصحة العامة، فقد حققت أكثر نتائجها ملموسية في مخرجات تكرير البترول.

حساس لامدا وولادة التحكم بالحلقة المغلقة

Lambda sensörü egzozdaki oksijeni okuyarak motoru kapalı devreye aldı ve katalitik konvertörün hayatta kalmasını sağladı.

لكي يفتح المحول الحفزي ثلاثي الاتجاهات (TWC) كامل إمكاناته، كان هناك حاجة إلى مكون آخر غير المحول نفسه. فالمحول ثلاثي الاتجاهات لا يحوّل الملوثات الثلاثة بكفاءة إلا عندما تكون نسبة الهواء إلى الوقود ضمن نطاق ضيق جدًا حول النقطة الستوكيومترية؛ فإذا كان الخليط فقيرًا انخفض اختزال أكاسيد النيتروجين (NOx)، وإذا كان غنيًا انخفض أكسدة أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات. محرك مزوّد بكاربراتير لم يكن قادرًا على توفير هذه الدقة، ولذلك في أولى المركبات المزودة بمحولات حفزية كانت الأكسجين الموجود في العادم يُستكمل بـ حقن الهواء الثانوي استُخدم.

كان الحل هو مستشعر الأكسجين الموضوع في خط العادم: هذا المكوّن المعروف في عالم السيارات باسم مستشعر لامدا يأخذ اسمه من نسبة التكافؤ بين الهواء والوقود λ. مبدأ عمله بسيط للغاية؛ إذا رأى المستشعر أكسجينًا في العادم فالمزيج فقير، وإذا لم يره فالمزيج غني. وحدة التحكم الإلكترونية (ECU) تضبط تغذية الوقود بناءً على هذه الإشارة وتُبقي النسبة عند النقطة الستوكيومترية. لقد جعلت مستشعرات الأكسجين التحكم الحقيقي المغلق في الانبعاثات ممكنًا من خلال توفير قياس دقيق لنسبة الهواء إلى الوقود؛ وكانت المركبات الأولى المزودة بمستشعر تحتوي على مستشعر واحد فقط.

المحرك الحديث نقل هذا التصميم إلى أقصى الحدود. ينتج حقن الوقود الإلكتروني مزيجًا دقيقًا يتأرجح باستمرار بين الفقير والغني؛ ويوفر مستشعر الأكسجينان أمام المحوّل وخلفه تدفق بيانات مستمرًا لوحدة ECU، فلم يعد هناك حاجة إلى حقن الهواء. الاستثناء الوحيد هو قرار هندسي متعمد: عند الرغبة في حمل عالٍ وأقصى قوة، يُعلَّق التحكم المغلق ويُطلب مزيج غني. أي أن حلقة لامدا هي منطقة حماية يمكن قطعها عمدًا من أجل الأداء.

من الثنائي إلى الثلاثي: التقاط الثلاثية الملوِّثة

كان جيل المحوّلات الأول ثنائي الاتجاه: يُكسِد أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، لكنه لم يستطع لمس أكاسيد النيتروجين NOx إطلاقًا. في السبعينيات طُوِّرت أنظمة محفّزات توأم لأكاسيد النيتروجين؛ حيث يُصَفُّ وحدة اختزال قائمة على الروديوم-البلاتين ووحدة أكسدة قائمة على البلاديوم-البلاتين واحدة بعد الأخرى. كان النظام يعمل لكنه كان ضخمًا ومكلفًا. جاءت القفزة الحقيقية مع المحفّز ثلاثي الاتجاهات: تحويل NOx وHC وCO في جهاز واحد وفي آن واحد.

كان الجدول التجاري سريعًا. قدّمت فولفو، بمواصفات كاليفورنيا، أول تطبيق تجاري لـ TWC في طراز 1977 من موديل فولفو 240؛ ولبّى كل المصنعين تقريبًا متطلبات NOx الفيدرالية لعام 1981 بالمحفّز ثلاثي الاتجاهات. أما تويوتا فقد طبّقت أول محوّل ثلاثي الاتجاهات حبيبي في اليابان عام 1978 وطوّرت أول TWC في العالم مزوّدًا بتخزين الأكسجين؛ وقد سهّلت مركّبات السيريا/السيريا-الزركونيا كمروّجات لتخزين الأكسجين عمل النظام عبر تخفيف تسامح النطاق الضيق قليلًا.

الخاصيةالمحوّل ثنائي الاتجاهالمحوّل ثلاثي الاتجاهات (TWC)
الملوّثات المُحوَّلةCO والهيدروكربونCO والهيدروكربون وNOx
العملية الكيميائيةالأكسدة فقطالأكسدة + الاختزال
تسامح نسبة الهواء إلى الوقودأوسعنطاق ضيق قريب من النقطة الستوكيومترية
متطلب نظام إضافيحقن الهواء الثانويمستشعر لامدا ووحدة ECU مغلقة الحلقة
الانطلاق التجاريسنة موديل 19751977 (فولفو 240، كاليفورنيا)

هل يُفقد المحوّل القوة حقًا؟

كانت هذه هي الحجة الرئيسية للمتشككين في عام 1975: صمام إضافي في نظام العادم يخنق أنفاس المحرك. لا تقدم السجلات التاريخية جدولا كميا عن عدد الأحصنة التي ابتلعتها هذه الدفعة الأولى؛ غير أن إمكانية تركيب المحول على خط العادم دون المساس بالتصميم الأساسي للمحرك كانت الخيار الهندسي الأكثر عقلانية في تلك السنة. وفي العقود التالية جاء الرد الذي برر به التاريخ تشككهم بالمقلوب: فبالتزام التحكم المغلق في الوقود مع الحقن الدقيق ومحول الحفز الثلاثي (TWC) العامل في نطاق ضيق، أصبحت تصاميم المحركات الحديثة تنتج قدرة مساوية أو أكبر بمقدار وقود أقل من الأجيال السابقة. وهكذا تحولت تقنيات ما بعد العادم إلى شريك طبيعي لهدف الكفاءة.

أما الصورة السارية اليوم فيما يتعلق بالأعطال فمختلفة وترد في مصادر الصيانة الفنية: المحول المسدود أو المعطل يظهر بفقدان القدرة، وتراجع التسارع، وتدهور الاقتصاد في استهلاك الوقود. أما المحول السليم فهو صامت؛ بل قد يسهم ليس فقط في تحقيق هدف الانبعاثات بل في كفاءة المحرك أيضا. ويصمم مبدأ تشغيله وفقا لذلك: إذ يجب أن يصل المحول إلى نحو 400 درجة مئوية اللازمة لدرجة حرارة التشغيل الفعال (light-off)؛ ولهذا يركب بأقرب موضع ممكن من المحرك أو يضاف على حدة كمثلث حافز أولي (pre-cat).

ما بعد العادم: عصر الديزل ومشكلات اليوم

لم يتوقف الثنائي التنظيمي-الهندسي عند تقنيات ما بعد العادم. ففي جانب الديزل، أصبحت مرشحات الجسيمات (DPF) ابتداء من 1 يناير 2007 إلزامية في جميع سيارات الديزل للركن المنتجة بعدها؛ وفي عام 2010 أضاف معظم مصنعي الديزل الخفيف في الولايات المتحدة أنظمة اختزال أكاسيد النيتروجين (SCR) لأجل خفض NOx، وأصبحت هذه البنية المعتمدة على محلول اليوريا (DEF) عدة قياسية. وقد اتبعت كل خطوة القالب الذي أرسته TWC للبنزين: حد قانوني أولا، ثم حل كيميائي، تليه بنية حساسات وتحكم تغذي هذا الحل.

ميزان قانون الهواء النظيف الممتد على 55 عاما ملموس وقابل للقياس: تحسن دائم في انبعاثات المركبات، خروج تام من البنزين المحتوي على الرصاص، تدخل في مشكلات المطر الحمضي وطبقة الأوزون، وانخفاض بنسبة %78 في أحد الملوثات. وهناك نتيجة عكسية أيضا: ارتفاع أسعار المعادن الثمينة ضخّم ظاهرة سرقة المحولات الحفازة التي أصبحت هدفا لمعادن مجموعة البلاتين؛ فارتفع سعر البلاتين معدلا التضخم من نحو 800 دولار للأونصة في عام 1986 إلى 1,400 دولار للأونصة، ويمكن بيع المحولات المسروقة لساحات الخردة بما يصل إلى 150 دولارا. أي أن المحرك الذي أنقذه في عام 1975 أصبح اليوم مكونا يحتاج إلى حماية مادية.

وفي الختام، أنقذ المحول الحفاز محرك الاحتراق الداخلي قانونيا من الزوال في عام 1975؛ لكن الأهم من ذلك أنه نقل المحرك من العالم الميكانيكي للمكربن إلى عالم الحلقة المغلقة للمستشعرات ووحدة التحكم الإلكترونية. وبالرغم من أن هدف خفض الانبعاثات بنسبة %90 بدا وكأنه مقامرة، فإن الثمن الذي دفع كان البنزين المحتوي على الرصاص، أما الباقي فتحول إلى قصة كفاءة مستمرة منذ نصف قرن.

المصادر