Hộp xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần cho ô tô
Do đặc thù về quá trình đốt cháy nhiên liệu mà động cơ xăng và diesel có sự khác biệt lớn về khí xả của động cơ. Về cơ bản, khí xả động cơ xăng độc hại hơn động cơ diesel. Bởi vậy, tuy bộ xúc tác 3 thành phần có thể sử dụng trên cả hai loại động cơ, nhưng cấu tạo của chúng thì khác nhau.
Bộ xúc tác ba thành phần trên động cơ xăng
Đây là bộ xúc tác có cấu trúc dạng tổ ong, với tiết diện ống dạng tam giác hay vuông. Xương ống được làm từ hợp kim tốt như inox hoặc làm từ hợp kim gốm sứ. Ngày nay, người ta thường sử dụng xương ống bằng lá kim loại liền có độ dày rất nhỏ, do đó, chúng dẫn nhiệt tốt nên mất ít thời gian để kích hoạt bộ xúc tác.
Xương ống được phủ một lớp dạng xốp làm vật mang để kết hợp với các kim loại quý hiếm. Bề mặt được phủ lên này có độ dầy từ 20-60 micromet, khá nhấp nhô để tăng diện tích tiếp xúc của khí xả đối với bề mặt chất xúc tác. Vật mang thường là các ôxit kim loại có tác dụng tăng hoạt tính cho các chất xúc tác hoặc đóng vai trò ổn định cấu trúc bề mặt xúc tác. Các ôxit thường được sử dụng cho vật mang là ôxit Zirconi, ôxit Xêri,…
Các kim loại quý trong bộ xúc tác như Rodi (Rh), bạch kim (Pt), paladi (Pd) đều là những chất xúc tác rất tốt trong khả năng kiểm soát khí xả. Chúng thường được sử dụng vì ít bị “đầu độc” bởi các thành phần độc hại trong khí xả. Mỗi bộ khí xả chỉ sử dụng vài gam khối lượng của chúng để làm chất xúc tác. Rodi có khả năng khử tốt khí NOx, trong khi bạch kim và paladi thì giúp quá trình ôxy hóa CO và H-C dễ dàng hơn. Do đó, trong các bộ xúc tác ngày nay, lớp xúc tác chính là sự kết hợp của bạch kim và Rodi hoặc paladi và Rodi.
hình ảnh động cơ ô tô
Để xử lí thật triệt để, thật sạch các chất độc, nhiệt độ chất xúc tác phải trên 400 độ C. Ở nhiệt độ đó, các chất xúc tác được kích hoạt hoàn toàn, thúc đẩy quá trình phản ứng hóa học, đưa 3 loại chất thải có độc tố cao thành các chất không độc. Ở lớp khử, NOx bị tách thành khí nitơ và khí ôxi. Sau đó, khí ôxi vừa được tách ra cùng với lượng ôxi dư trong khí thải và ôxi cung cấp thêm, dưới tác dụng của chất xúc tác sẽ ôxi hóa CO và H-C thành các chất không độc như khí nhà kính CO2 và hơi nước.
NOx → N2 + O2
O2 + CO → CO2
O2 + HC → H2O + CO2
Vì đặc thù nhiên liệu, động cơ xăng dễ tạo ra khí xả chứa NOx, CO, H-C. Đồng thời, nhiệt độ khí xả động cơ xăng cao, lớn hơn 600 độ C. Do đó, khi đặt bộ xúc tác ở vị trí phù hợp trên đường ống xả, bộ xúc tác sẽ tự động được kích hoạt và chuyển hóa các chất độc thành những chất ít độc hơn thải ra môi trường. Mặt khác, để đạt hiệu quả cao nhất, tỉ lệ khí – nhiên liệu cũng phải dao động thường xuyên trong khoảng tiêu chuẩn cho phép. Nếu hỗn hợp đậm, tạo ra nồng độ CO và H-C trong khí xả cao, sự khử hóa học của NOx sẽ xảy ra, nhưng do thiếu ôxi nên vẫn còn CO và H-C trong khí xả ra ngoài. Hoặc, một hỗn hợp nhạt, với nồng độ ôxi trong khí xả cao thì CO và H-C sẽ bị ôxi hóa nhanh, do đó NOx vẫn còn lại sau phản ứng. Bởi vậy cần đảm bảo tỉ lệ khí-nhiên liệu qua ECU động cơ và cảm biến ôxi trên đường xả. Cảm biến ôxi đo lượng ôxi còn lại trong khí xả. Từ đó xác định được mức độ dư thừa không khí nhằm điều chỉnh cho phù hợp với tỉ lệ lý thuyết.
bộ lọc khí thải ô tô
Mặt khác, khi chạy trên đường, tỉ lệ khí – nhiên liệu luôn thay đổi theo điều kiện hoạt động của xe. Trong trường hợp khởi động lạnh, chạy không tải hay phanh bằng động cơ, nhiệt độ trong buồng cháy thấp, dẫn đến nhiệt độ khí xả trong ống xả thấp. Điều này có thể khiến bộ xúc tác không làm việc. Để hạn chế điều này, người ta sử dụng thêm một bộ xúc tác phụ đặt trước bộ chính, gần động cơ để tận dụng nhiệt từ động cơ tỏa ra làm nóng nhanh bộ xúc tác phụ. Nhiệt độ của bộ xúc tác phụ lúc này có thể lên đến 11000C, đòi hỏi vật liệu cũng phải thật bền và chịu được nhiệt độ cao.
Các bộ xúc tác ba thành phần đều chứa đựng khả năng dự trữ ôxi. Khả năng này nằm trên lớp phủ bao ngoài xương ống. Lớp phủ được làm từ Xêri, Ziconi, Bari… sẽ tác dụng với ôxi dư trong khí xả khi dư thừa không khí trong động cơ tạo thành các ôxit. Khi khí xả trong bộ xúc tác thiếu ôxi, các ôxít này sẽ nhả khí O2 cung cấp cho các quá trình hóa học tiếp theo.
Bộ xúc tác ba thành phần trên động cơ diesel
Đối với động cơ diesel, tuy các thành phần độc hại như CO, H-C, NOx đều thấp hơn so với động cơ xăng nhưng vấn đề của động cơ diesel là các hạt bụi từ khí thải. Do đó, với động cơ diesel, cấu tạo bộ xúc tác về cơ bản là giống động cơ xăng. Tuy nhiên, người ta đặt phía trước bộ xúc tác trên động cơ diesel một bộ lọc để hấp thụ hạt bụi từ khí thải động cơ. Sau đó, các hạt bụi này sẽ được đốt cháy một lần nữa. Tuy nhiên, nhiệt độ khí xả từ động cơ diesel khá thấp, chỉ đạt từ 150 độ C đến 500 độ C, thường là từ 240 độ C đến 350 độ C.
cấu tạo bộ lọc khí thải ô tô
Nếu chỉ dựa vào nhiệt độ khí xả, khó đảm bảo các hạt bụi của động cơ diesel có thể được đốt cháy. Trong khi đó, mục đích chính của các chất xúc tác là giảm nhiệt độ bốc cháy được của các chất độc hại. Do vậy, các chất xúc tác cấu trúc phức tạp từ ôxit của các kim loại kiềm thổ, với khả năng bắt cháy trong khoảng từ 240 độ C đến 315 độ C, được sử dụng để phủ trên bộ lọc.
Tuy vậy, với công nghệ và tiêu chuẩn khí thải tại Việt Nam hiện nay, chất lượng khí xả từ động cơ diesel thậm chí đã không cần đến các biện pháp xử lý trên đường xả.
Hạn chế của bộ xúc tác
Hạn chế của bộ xúc tác là phải sử dụng nhiên liệu chất lượng cao. Nếu nhiên liệu chất lượng kém, các phụ phẩm của nhiên liệu sẽ bám chặt vào cảm biến ôxi và ống xúc tác, ngăn cản sự tiếp xúc của khí xả với cảm biến ôxi và bề mặt xúc tác. Điều này làm giảm tác dụng của bộ xúc tác. Một số thành phần có thể tẩy đi được ở nhiệt độ cao như lưu huỳnh, một số rất khó tẩy đi như chì. Lưu huỳnh có chứa cả trong diesel và xăng. Hàm lượng của lưu huỳnh và các chất khác trong nhiên liệu phụ thuộc vào tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu.
Ở Việt Nam hiện nay, nhiên liệu có chất lượng cao nhất đạt tiêu chuẩn Euro II. Với những chiếc xe nhập khẩu đạt tiêu chuẩn khí thải lên tới Euro IV, xe cũng phải sử dụng loại nhiên liệu đáp ứng được tiêu chuẩn Euro IV cho nhiên liệu. Khi chạy xe với nhiên liệu kém chất lượng, tuổi thọ và các chức năng của bộ lọc khí độc sẽ hoạt động không như thiết kế ban đầu. Các bộ xúc tác đắt tiền có khả năng loại bỏ lưu huỳnh bám vào theo chu kỳ nhất định. Tuy vậy, quá trình này có thể có phản ứng phụ, tạo ra các khí có mùi trứng thối như H2S.
bọ lọc khí thải ô tô
Với xe đạt tiêu chuẩn khí thải Euro II, các phụ phẩm rắn của quá trình cháy như lưu huỳnh sẽ bám vào thành ống xả. Khi xe hoạt động ở tốc độ cao, nhiệt độ khí xả cũng sẽ cao, các phản ứng phụ sinh ra khí H2S có thể dễ dàng xảy ra hơn.
Kết luận
Ngày nay ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề nhức nhối đối với con người, trong đó, một phần nguyên nhân không nhỏ bắt nguồn từ động cơ ôtô. Các biện pháp xử lí và giảm thiểu khí thải độc hại đã và đang được sử dụng. Mỗi biện pháp đều có những ưu, nhược điểm khác nhau, trong đó, với khả năng dễ thay thế, bảo dưỡng và có tác dụng triệt để thì bộ xúc tác ba thành phần là phương pháp thụ động tối ưu.
Nguồn Autonet