Luận án nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Duy Tiến

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC BA THÀNH PHẦN
CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1 PGS.TS. Nguyễn Thế Lương
2 PGS.TS. Trần Quang Vinh

Hà Nội – 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tơi thực hiện. Luận án có sử dụng
một phần kết quả do tơi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp Bộ “Nghiên
cứu thiết kế chế tạo bộ xúc tác ba thành phần phù hợp với xăng pha cồn (E5-E20)
lắp trên ôtô”, mã số B2016-BKA18 do PGS.TS Nguyễn Thế Lương làm Chủ nhiệm
đề tài, cơ quan chủ trì là Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi đã được Chủ
nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của Đề tài cấp Bộ
này vào việc viết luận án.
Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong các cơng trình nào khác.
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày

tháng năm 2022

Người hướng dẫn 1

Người hướng dẫn 2

Nghiên cứu sinh

PGS.TS Nguyễn Thế Lương

PGS.TS Trần Quang Vinh

Nguyễn Duy Tiến

2


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, Phịng đào tạo, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong và
Trung tâm Nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải đã cho phép và giúp đỡ tôi
thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn hai giáo viên hướng dẫn là PGS.TS Nguyễn Thế
Lương và PGS.TS Trần Quang Vinh đã hướng dẫn tận tình và chu đáo về chun
mơn, giúp tơi có thể thực hiện và hồn thành luận án.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô phản biện, các thầy cô trong

Hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể
hồn chỉnh luận án cũng như đưa ra những định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè và đồng nghiệp,
những người đã ln động viên khuyến khích trong suốt thời gian nghiên cứu và
thực hiện cơng trình này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Duy Tiến

3


MỤC LỤC

4


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
ST
T
1
2
3
4
5
6
7

Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

λ
δ
ԑwcl
ρL
wkL

Hệ số dư lượng khơng khí
Chiều dầy lớp vật liệu trung gian
Độ xốp của lớp vật liệu trung gian
Mật độ pha khí trên lớp vật liệu trung gian
Khối lượng chất khí k
Thay đổi hiệu suất
Mức độ thay đổi hiệu suất
Tỷ lệ khối lượng giữa khơng khí và nhiên liệu nạp vào động
cơ
Mật độ lỗ trong lõi xúc tác
Mật độ lỗ trong lõi xúc tác
Chiều rộng thông qua của 1 lỗ (cell) trong bộ xúc tác
Năng lượng hoạt hóa của phản ứng
Suất tiêu thụ nhiên liệu
Vận tốc không gian
Lưu lượng khối lượng nhiên liệu

m
%

kg
%
%

∆hs
∆hs%

8

A/F

9
10
11
12
13
14
15
16
17

CPSI
CPSM
dhyd
E
ge
GHSV
Gnl

18

HSi (x)

19
20
21
22
23

K
Ne
r
R
s

Hiệu suất chuyển đổi của phát thải i khi sử dụng nhiên liệu
x
Tham số tốc độ phản ứng
Công suất của động cơ tại từng chế độ làm việc
Tốc độ phản ứng
Hằng số khí lý tưởng
Khoảng cách giữa các lỗ (cell) trong bộ xúc tác

24

tkt

Nhiệt độ khí thải

°C

25

T

Nhiệt độ phản ứng

Κ

26
27

ya
zb

Phần trăm của chất khí a trong hỗn hợp
Thành phần kim loại/ ơ xít b trên bề mặt lớp kim loại nền

%
%

Gkn
Gkt

Lưu lượng khối lượng khơng khí
Lưu lượng khối lượng khí thải

5

2

cell/ in
2
cell/ m
m
kJ/mol
g/kW.h
h-1
kg/h
kg/h
kg/h
%
2

kmol/m .s
kW
mol/(l.s)
Jmol⁻¹K⁻¹
m


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT
1
2
3
4

Ký hiệu
ADAC

ADR37/01
AMA
AUCI

5

BET

6
7

BGTVT
BXT

8

BXTct

9

BXTđc

10

BXTEMT

11

BXTm

12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

CCCs
CD20”
CEB II
CHK
CO
CO2

22

E0-E100

23

ECU

24

EDS

25
26
27
28

EPMA
EURO3
H2O
H/C

29

HC

30

GDP

CNG
CXT
CVS
ĐCĐT

Diễn tả
Tổ chức xe máy và xe hơi của Đức
Chu trình thử tiêu chuẩn của Australia
Chu trình kiểm tra độ bền động cơ
AVL User Coding Interface - giao diện lập trình trên AVL Boost
Brunauer Emmett Teller - Phương pháp xác định diện tích bề mặt
theo phương pháp phân tích bề mặt riêng

Bộ Giao thơng vận tải
Three Way Catalyst - Bộ xử lý khí thải ba thành phần
Bộ xúc tác cải tiến, sử dụng trong q trình mơ phỏng, thực nghiệm,
được phát triển từ BXTm, sử dụng kết hợp vật liệu xúc tác mới
CuO-MnO2 và xúc tác kim loại quý Pt/Rh
Bộ xúc tác điều chỉnh, sử dụng trong q trình mơ phỏng, được phát
triển từ BXTEMT sau khi thay đổi một số thông số kỹ thuật
Bộ xúc tác cơ sở, được cung cấp bởi hãng Emitec
Bộ xúc tác mới, sử dụng trong quá trình mô phỏng, được phát triển
từ BXTđc, sử dụng vật liệu xúc tác mới CuO/MnO2
Lõi xúc tác được lắp gần cửa thải
Chassis dynamometer 20’’ - Băng thử xe máy
Emissions Bench - Thiết bị phân tích khí thải
Bộ chế hịa khí
Monoxit cacbon
Dioxit cacbon
Compressed Natural Gas - Khí thiên nhiên nén
Đường thải xe có lắp bộ xúc tác
Contant Volume System - Thiết bị lấy mẫu với thể tích khơng đổi
Động cơ đốt trong
Tỷ lệ phần trăm thể tích của ethanol trong nhiên liệu xăng pha cồn
từ 0 – 100%
Electronic Control Unit - Bộ điều khiển điện tử
Energy dispersive X-ray spectroscopy - Xác định thành phần
nguyên tố bằng phương pháp phân tích phổ
Electron Probe Micro Analyzer - Phép vi phân điện cực điện tử
Tiêu chuẩn phát thải EURO3 của Châu Âu
Hơi nước
Tỷ lệ nguyên tử hydro/cacbon trong phân tử nhiên liệu
Hydro carbon - Thành phần nhiên liệu cháy khơng hết, cịn dư trong

khí thải
Tổng thu nhập quốc dân của mỗi quốc gia

6


31
32
33

KXT

Đường thải xe không lắp bộ xúc tác

LNG
LPG

34

MBT

35

MTBE

36
37
38
39
40

41
42
43
44
45
46
47
48

NCS
NMs
NOx
OSC
Pd
PM
Pt
PXĐT
QCVN
SBXT
SEM
SO2
TBXT

Liquefied Natural Gas - Khí thiên nhiên hóa lỏng
Liquefied Petroleum Gas- Khí dầu mỏ hóa lỏng
Maximum brake torque - Góc đánh lửa sớm tối ưu theo tiêu chí mơ
men lớn nhất
Methyl tertiary butyl ether - Hợp chất pha vào xăng để tăng chỉ số
octan
Nghiên cứu sinh

Catalyst nanomaterials – Lớp xúc tác kim loại quý

49

TG-DTA

50
51
52
53
54
55
56
57

THC
TPR
Rh
US-FTP 75
XPS
XRD
WHO
ZEV

Thành phần khí thải gồm NO2, NO, N2O
Lớp vật liệu xúc tác giải phóng và hấp thụ ơ xy
Paladium - kim loại quý trong bộ xúc tác
Phát thải dạng hạt
Platinum - kim loại quý trong bộ xúc tác
Hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử

Quy chuẩn Việt Nam
Các thông số đo tại phía sau bộ xúc tác
Scanning Electron Microscope - Kính hiển vi điện tử
Oxit lưu huỳnh - Thành phần trong phát thải của động cơ
Các thông số đo tại phía trước bộ xúc tác
Differential Thermal Analysis - Phân tích nhiệt vi sai, sử dụng để
phân tích thành phần vật liệu
Tổng lượng hydrocacbon trong khí thải động cơ
Temperature Programmed Reduction - Đặc tính khử theo nhiệt độ
Rhodium - kim loại q trong bộ xúc tác
Chu trình kiểm tra khí thải của Mỹ
Photoelectron Spectroscopy - Phân tích quang phổ
X-Ray Diffraction – Nhiễu xạ tia X
World Health Organization - Tổ chức y tế thế giới
Zero Emission Vehicle – Xe ô tô không phát thải

7


DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

8


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

9


MỞ ĐẦU

i. Lý do chọn đề tài
Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, cũng như nhiều nước
trên thế giới, Việt Nam đã xây dựng lộ trình và đưa ra các chính sách nhằm phát
triển nhiên liệu sinh học với mục tiêu gia tăng tỷ lệ thay thế nhiên liệu xăng - diesel
truyền thống. Cụ thể, theo đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm
nhìn đến năm 2025, Việt Nam đã sử dụng nhiên liệu xăng E5 (5% ethanol, 95%
RON92) thay thế hoàn toàn cho nhiên liệu RON92 (từ 1/1/2018), các nhiên liệu có
tỷ lệ ethanol cao hơn như E10, E20 cũng đang được thí điểm và tiến tới sẽ được sử
dụng rộng rãi trong tương lai gần.
Hiện nay, để giảm thiểu các thành phần độc hại do phát thải từ động cơ, giải pháp
hiệu quả và đang được sử dụng rộng rãi nhất đó là trang bị các thiết bị xử lý khí
thải. Đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức, bộ xử lý khí thải 3 thành phần, sau đây
gọi tắt là bộ xúc tác - BXT, đang được sử dụng rất phổ biến. Về lý thuyết hiện nay,
BXT chỉ phát huy hiệu quả chuyển đổi đối với các thành phần phát thải độc hại khi
đáp ứng đồng thời hai điều kiện sau: Thứ nhất, lõi BXT được sấy nóng hồn tồn
tới nhiệt độ khoảng 350οC. Thứ hai, hịa khí của động cơ gần với điều kiện lý tưởng
λ = 1 nhằm có cả mơi trường ơ xy hố và mơi trường khử trong hỗn hợp khí thải.
Trong khi đó, khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, do tỷ lệ A/F (khơng khí/nhiên
liệu) của ethanol nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng truyền thống nên khi tỷ lệ ethanol
trong hỗn hợp nhiên liệu càng cao, hịa khí của động cơ có xu hướng càng nhạt.
Trên các xe sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử thông thường (được thiết
kế sử dụng với nhiên liệu xăng truyền thống nên trên xe chưa được trang bị cảm
biến đo nồng độ cồn), bộ điều khiển điện tử (ECU) của động cơ có xu hướng điều
chỉnh lượng nhiên liệu phun để đảm bảo hệ số dư lượng khơng khí λ ln xấp xỉ
bằng 1. Tuy nhiên, dữ liệu trong ECU được tính toán trên cơ sở nhiên liệu xăng
truyền thống nên khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, ECU không thể điều khiển
chính xác λ=1 như mong muốn. Ngồi ra nhiệt độ khí thải cao hơn, phát sinh các
thành phần mới trong khí thải động cơ cũng là những yếu tố có thể ảnh hưởng tới
hiệu quả chuyển đổi của BXT.
Bên cạnh đó, sau hơn 30 năm hình thành và phát triển, cùng với những chính

sách khuyến khích của Chính phủ, sự nỗ lực của các doanh nghiệp, hiện ngành công
nghiệp ô tô Việt Nam đã đạt được những thành tựu nhất định, đã xuất hiện nhiều
nhãn hiệu xe “Made in Việt Nam”. Tuy nhiên các sản phẩm đã được nội địa hóa
mang hàm lượng cơng nghệ rất thấp, chưa làm chủ được các các công nghệ cốt lõi
như công nghệ chế tạo động cơ, hệ thống điều khiển, hệ thống xử lý khí thải…
Vì vậy nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác
ba thành phần cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn” nhằm từng bước
làm chủ công nghệ về vật liệu xúc tác. Từ đó thiết kế chế tạo BXT mới khơng chỉ
thích ứng với nhiên liệu xăng pha cồn mà còn giúp nâng cao hiệu quả và giảm giá
thành chế tạo BXT.

ii. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án
• Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
10


- Đánh giá được ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu quả của BXT.
- Nâng cao hiệu quả của bộ xúc thông qua cải tiến các thông số kết cấu, bổ sung
thêm các thành phần mới vào lớp vật liệu trung gian, sử dụng vật liệu xúc tác mới.
- Tính tốn, thiết kế, chế tạo BXT mới có hiệu suất cao, giá thành giảm, phù hợp
khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn.
• Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan phát thải độc hại và các giải pháp giảm phát thải độc hại
trong động cơ đốt xăng.
- Nghiên cứu tổng quan các giải pháp nâng cao hiệu quả BXT.
- Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ phỏng BXT trên AVL-Boost.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu quả của BXT.
- Nghiên cứu nâng cao hiệu quả BXT thông qua cải tiến các thông số kỹ thuật, sử
dụng vật liệu xúc tác mới.
- Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm đánh giá hiệu quả của BXT cải tiến khi sử

dụng xăng pha cồn.

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm:
- Xe thử nghiệm: Quá trình nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên xe máy
Liberty 150 của hãng Piaggio Việt Nam.
- Các BXT sử dụng trong quá trình nghiên cứu:
+ Bộ xúc tác của hãng Emitec được lựa chọn là bộ xúc tác cơ sở (BXTEMT), sử
dụng làm cơ sở để xây dựng mơ hình cũng như nghiên cứu mơ phỏng đánh giá ảnh
hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu quả của BXT.
+ Bộ xúc tác điều chỉnh (BXTđc), được thiết lập dựa trên cơ sở BXT EMT, sử dụng
trong nghiên cứu mô phỏng nâng cao hiệu quả BXT thông qua giải pháp điều chỉnh
các thông số kỹ thuật.
+ Bộ xúc tác mới (BXTm), được thiết lập trên cơ sở kế thừa BXTđc, sử dụng
trong q trình nghiên cứu mơ phỏng sử dụng vật liệu xúc tác mới.
+ Bộ xúc tác cải tiến (BXTct) được phát triển trên cơ sở BXTm, sử dụng kết hợp
giữa xúc tác kim loại quý và vật liệu xúc tác mới, q trình mơ phỏng giúp xác định
các thơng kỹ thuật của BXT. Q trình thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả
mô phỏng cũng như đánh giá hiệu quả chuyển đổi của BXT theo các chế độ làm
việc và nhiên liệu sử dụng.
- Bên cạnh đó, hiện nay xăng pha cồn với tỷ lệ ethanol thấp (≤20%) đã được sử
dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới. Trong tương lai gần, đây cũng là các
nhiên liệu sẽ được sử dụng rộng rãi ở nước ta. Ngồi ra, khi sử dụng nhiên liệu có tỷ
lệ ethanol thấp thì ethanol đóng vai trị như phụ gia pha trộn với xăng và thông
thường kết cấu động cơ khơng cần thay đổi. Vì vậy để hướng tới các phương tiện
đang được sử dụng hiện nay, nhiên liệu sử dụng trong quá trình nghiên cứu được
lựa chọn là các mẫu nhiên liệu có tỷ lệ ethanol ≤20%. Cụ thể bao gồm các nhiên
liệu RON95, E10 và E20.
11

• Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu mô phỏng chỉ thực hiện trên mơ hình BXT, trong đó các tham số
điều kiện biên của mơ hình được xác định bằng thực nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm chỉ giới hạn trong phạm vi phịng thí nghiệm với xe thử
nghiệm vận hành ở các chế ổn định, theo chu trình thử tiêu chuẩn ECE R40+
EUDC. Q trình đánh giá kiểm nghiệm bền BXT khơng được thực hiện do giới
hạn thời gian và kinh phí.
Các yếu tố khác có thể ảnh hưởng tới q trình làm việc của BXT như sự gia
tăng lượng hơi nước, xuất hiện các thành phần mới trong khí thải (cồn chưa cháy,
alđêhít…) sẽ nằm ngồi phạm vi nghiên cứu của luận án.

iv. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng kết hợp giữa nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm, trong đó:
- Nghiên cứu mơ phỏng sẽ làm cơ sở đánh giá, cải tiến BXT khi sử dụng xăng
pha cồn.
- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả mô phỏng cũng như
đánh giá hiệu quả chuyển đổi của BXTct tại các chế độ làm việc của động cơ khi sử
dụng nhiên liệu xăng pha cồn.

v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• Ý nghĩa khoa học:
- Luận án đã xây dựng thành cơng mơ hình mơ phỏng BXT khi sử dụng xăng pha
cồn trên phần mềm AVL-Boost và đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu này tới hiệu
quả chuyển đổi của BXT.
- Nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác mới thay thế một phần xúc tác kim loại
quý, qua đó khơng những giúp nâng cao hiệu quả mà cịn giảm giá thành chế tạo
BXT.
• Ý nghĩa thực tiễn:
- Bộ xúc tác cải tiến có hiệu suất cao, phù hợp sử dụng với nhiên liệu xăng pha

cồn sẽ góp phần nâng cao chất lượng khí thải của các phương tiện giao thông vận
tải.
- Việc chế tạo thành công BXT cũng góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu,
làm chủ và phát triển các công nghệ lõi trong ngành công nghiệp ô tô.
- Các kết quả đạt được trong luận án cũng sẽ cơ sở khoa học giúp các cơ quan
quản lý nhà nước nghiên cứu nâng cao tỷ lệ phối trộn ethanol trong nhiên liệu. Qua
đó giúp gia tăng lượng ethanol tiêu thụ, góp phần sớm hồn thành mục tiêu của của
Đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ.

vi. Điểm mới của Luận án
- Đây là cơng trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện nghiên cứu đánh
giá ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hoạt động của BXT.
- Phát triển vật liệu xúc tác mới giúp cải thiện hiệu quả của BXT, phù hợp với
nhiên liệu xăng pha cồn.
12


- Xây dựng thành cơng quy trình cơng nghệ chế tạo BXT bao gồm nhúng phủ lớp
vật liệu trung gian và lớp vật liệu xúc tác trên lõi kim loại theo phương pháp phủ
quay.

vii. Bố cục của Luận án
Luận án được thực hiện với những nội dung chính như sau:
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan
- Chương 2. Xây dựng mơ hình mơ phỏng bộ xúc tác khí thải ba thành phần trên
phần mền AVL Boost
- Chương 3. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác khí thải ba thành phần khi
sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn
- Chương 4. Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của bộ xúc tác cải tiến

- Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài.

13


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Ngày nay, số lượng các phương tiện giao thông đang tăng rất nhanh kéo theo sự
gia tăng ô nhiễm môi trường đặc biệt là ô nhiễm môi trường khơng khí. Để giảm
lượng khí thải từ động cơ của các phương tiện giao thơng vận tải cần có sự phối hợp
đồng bộ giữa cơ quan quản lý, các nhà sản xuất và người sử dụng phương tiện.
Trong đó, các nhà sản xuất luôn phải đầu tư nghiên cứu, cải tiến cơng nghệ nhằm
chế tạo các động cơ có mức phát thải độc hại thấp, đáp ứng các tiêu chuẩn cũng như
lộ trình kiểm sốt phát thải do cơ quan quản lý đã đề ra. Các nhà quản lý nghiên cứu
đưa ra các chính sách, tiêu chuẩn kiểm sốt hợp lý. Lộ trình áp dụng phù hợp với
điều kiện kinh tế và trình độ phát triển cơng nghệ trong tương lai. Trong khi đó, đối
với người sử dụng cần phải tuân thủ quy trình vận hành, bảo trì bảo dưỡng của nhà
sản xuất và chấp hành các quy định về kiểm soát phát thải của cơ quan quản lý.
Với mục tiêu nâng cao hiệu quả BXT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, trong
nội dung chương tổng quan, nghiên cứu sinh (NCS) sẽ trình bày sơ lược các vấn đề
sau:
- Tổng quan về phát thải trong động cơ xăng, ảnh hưởng của các thành phần phát
thải tới sức khỏe con người và môi trường.
- Tổng quan các giải pháp giảm phát thải trong động cơ xăng trong đó tập trung
vào hai giải pháp chính đó là sử dụng các nhiên liệu thay thế với trọng tâm là nhiên
liệu xăng pha cồn và giải pháp xử lý khí thải với cốt lõi là trang bị BXT.
- Tổng hợp các nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn
tới phát thải của động cơ, quá trình hoạt động và hiệu suất chuyển đổi của BXT.
- Tổng hợp các các nghiên cứu trong và ngoài nước nhằm nâng cao hiệu quả
BXT.

1.1. Tổng quan về phát thải trên động cơ xăng
1.1.1. Tình hình ơ nhiễm mơi trường do khí thải từ động cơ đốt trong
Hiện nay mơi trường sống của nhân loại đang ngày càng bị ô nhiễm nặng nề do
chất thải từ các hoạt động của con người tạo ra, một trong những nguồn chất thải
đáng kể đó là phát thải của các phương tiện giao thơng cơ giới. Trong quá trình hoạt
động, các phương tiện giao thơng thải vào khơng khí ngồi một lượng lớn CO 2 và
hơi nước còn một lượng đáng kể các phát thải độc hại khác như CO, hydrocacbon
(HC), NOx, SO2, khói đen, chì và các chất thải dạng hạt khác. Các thành phần phát
thải này không những gây ra tác hại trực tiếp đến sức khỏe của con người mà còn
phá hủy môi trường sống của thế giới sinh vật đang nuôi sống con người.
Theo số liệu thống kê tại Mỹ, các chất ô nhiễm do phát thải từ các phương tiện
giao thông hiện chiếm tới 40 đến 50% tổng hàm lượng phát thải HC, 50% tổng hàm
lượng NOx và 80 đến 90% tổng hàm lượng CO ở các khu vực thành phố [1]. Ở các
khu vực phát triển khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng đang xảy ra các vấn đề
tương tự.
Tại châu Á, ơ nhiễm khơng khí từ các phương tiện giao thông vận tải cũng đang
tạo ra những thách thức với nhiều quốc gia trong khu vực. Tại Trung Quốc, ô nhiễm
14


khơng khí, đặc biệt là ơ nhiễm hạt bụi mịn PM2.5 (loại hạt có trong khơng khí ảnh
hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ con người), đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng
ở các vùng trọng điểm kinh tế như Bắc Kinh, Thiên Tân, đồng bằng sông Dương Tử
và lưu vực sơng Châu Giang. Chỉ số chất lượng khơng khí ở thành phố Bắc Kinh
vào buổi sáng thường xuyên vượt ngưỡng tối đa 500, lên tới mức nghiêm trọng.
Hàm lượng bụi mịn PM10 trong khơng khí thường xun vượt mức 2.000
microgram/1m3, hàm lượng bụi mịn PM2.5 vượt 300 microgram/1m3, trong khi tiêu
chuẩn cho phép là 35 microgam/1m3 [2].
Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, tốc độ tăng trưởng các
phương tiện giao thông trong những năm vừa qua cũng khá cao, thường xuyên đạt

mức tăng trưởng hai chữ số. Cụ thể, tốc độ tăng bình quân số lượng xe máy trong
giai đoạn 1990 - 2020 là 11,94%...Tính đến cuối năm 2011, Việt Nam mới có
khoảng 33,4 triệu xe máy đang lưu thông, tuy nhiên theo thống kê của Bộ Giao
thông Vận tải đến cuối năm 2019, con số này đã gần chạm ngưỡng 60 triệu xe. Hiện
nay, Việt Nam đang xếp thứ 4 trong danh sách các quốc gia tiêu thụ xe máy nhiều
nhất trên thế giới, đứng sau Ấn Độ, Trung Quốc và Indonesia. Bên cạnh đó theo
thống kê của Cục Đăng kiểm, Việt Nam hiện có khoảng 4.409.053 xe ơ tơ các loại
đang lưu hành (tính đến tháng 5/2021) [3]. Phần lớn số ô tô, xe máy tập trung ở các
đô thị lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh… gây ra ơ nhiễm mơi trường
khơng khí ngày càng nặng nề. Nồng độ các chất độc hại tại một số nút giao thông
gần khu dân cư vào giờ cao điểm đã đạt tới mức giới hạn cho phép [4].
1.1.2. Phát thải độc hại trong động cơ xăng và ảnh hưởng của chúng
tới sức khỏe con người và môi trường
1.1.2.1. Đặc điểm phát thải trong động cơ xăng
Năng lượng từ động cơ truyền cho máy cơng tác xuất phát từ q trình cháy hỗn
hợp giữa nhiên liệu và khơng khí trong xylanh. Q trình ơ xy hóa nhiên liệu trong
các phản ứng cháy diễn ra rất phức tạp với nhiều yếu tố ảnh hưởng tới sản phẩm
cháy, nhưng cơ bản là phản ứng giữa các hydrocacbon trong nhiên liệu với ô xy tạo
ra sản phẩm cháy là CO2 và H2O.
4

2000

4000

CO

HC
(C8H8)

NOx

3

1500

3000

ppm

ppm

1000

2000

%V

NOx

2
HC

1

Vh = 1588 cm3
n = 3000 vg/ph
pe= 4 bar
ε = 9,4
ϕs tèt nhÊt

CO

500 1000

0
0,8

1,0

1,2

1,4

Hình 1.1. Phát thải của động cơ xăng theo λ [5]

15


Tuy nhiên q trình cháy khơng đồng nhất kết hợp với các yếu tố như nhiệt độ,
thể tích, áp suất trong quá trình cháy thay đổi liên tục trong khoảng thời gian rất
ngắn nên trong thực tế sản phẩm cháy cịn có rất nhiều thành phần phát thải độc hại
với sức khỏe con người và môi trường như CO, HC, NO x, SO2, PM... [5]. Thành
phần phát thải độc hại của động cơ xăng phụ thuộc chủ yếu vào hệ số dư lượng
khơng khí λ như thể hiện trên Hình 1.1 [5]. Ngồi ra, các thành phần này cịn phụ
thuộc vào nhiều yếu tố khác như thời điểm đánh lửa, tốc độ, tải trọng, quá trình hình
thành hỗn hợp, tỷ lệ khơng khí/ nhiên liệu...cụ thể như sau:
- CO (carbon monoxide): Là sản phẩm của quá trình cháy hydrocacbon trong
nhiên liệu theo phương trình sau:
CnHm + (2n+m)O2 → 4nCO + 2mO2

(1.1)
Có thể nhận thấy đây là phản ứng ơ xy hóa khơng hồn tồn nhiên liệu hay là
phản ứng cháy trong điều kiện thiếu ơ xy. Do đó λ càng nhỏ (hỗn hợp đậm) thì nồng
độ CO càng cao và ngược lại.
Ngồi ra phát thải CO cịn phụ thuộc vào tỷ số H/C của nhiên liệu [6]. Đối với
một tỷ lệ A/F (khơng khí/nhiên liệu) khơng đổi, nồng độ CO sẽ càng giảm khi tỷ lệ
H/C của nhiên liệu tăng.
- HC (hydrocacbon): Trong thực tế ln có một lượng HC chưa cháy hoặc cháy
một phần trong khí thải của động cơ, ngồi ra ln có một lượng nhỏ hơi nhiên liệu
bị thất thoát do hiện tượng bay hơi từ hệ thống nhiên liệu. Mặc dù chỉ chiếm một
lượng nhỏ trong phát thải của động cơ nhưng
phát thải HC cũng có những ảnh
λ
hưởng không tốt tới sức khỏe con người và môi trường.
Cũng như CO, phát thải HC phụ thuộc chủ yếu vào mức độ đậm nhạt của hỗn
hợp, trên Hình 1.1 cho thấy HC đạt giá trị nhỏ nhất ở vùng hịa khí có λ từ 1,1 đến
1,25. Những vùng ngoài giá trị này hỗn hợp quá đậm hoặc quá nhạt nên vượt quá
giới hạn cháy, làm tăng lượng nhiên liệu khơng cháy trong xy lanh. Ngồi ra trong
xy lanh luôn tồn tại những vùng không gian gây cản trở tới quá trình cháy của nhiên
liệu như:
+ Lớp sát vách buồng cháy: Tại những vùng khơng gian này có nhiệt độ thấp nên
khi màng lửa lan tràn tới đây sẽ bị dập tắt theo hiệu ứng sát vách, đặc biệt tại chế độ
tải nhỏ.
+ Những kẽ hở là những vùng hẹp mà màng lửa không thể lan truyền tới như kẽ
hở giữa xec-măng và thành xy lanh và kẽ hở đỉnh piston. Trong suốt q trình nén,
hỗn hợp khơng cháy bị đẩy vào những kẽ hở, làm cho nhiệt trao đổi tới thành xy
lanh giảm xuống. Trong suốt quá trình cháy, áp suất tiếp tục tăng lên và đẩy hỗn
hợp khí khơng cháy khác vào các khe hở. Màng lửa tới vùng khơng gian này bị dập
tắt nên khí chưa cháy lại bị đẩy ra khỏi các kẽ hở khi áp suất trong xy lanh bắt đầu
giảm.

+ Trong quá trình nén thường hình thành màng dầu trên mặt gương xy lanh ngoài
ra một phần nhiên liệu bị hấp thụ vào màng dầu này. Trong quá trình giãn nở, áp
suất giảm phần nhiên liệu hấp thụ cũng như một phần màng dầu sẽ bay hơi và làm
tăng HC.
+ Ngoài ra một phần HC cịn đến từ q trình cháy khơng hồn tồn có thể diễn
ra trong một số chu trình của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự không đồng
16


nhất của hịa khí, thay đổi góc đánh lửa sớm. Hiện tượng này thường diễn ra trong
quá trình tăng hoặc giảm tốc đột ngột.
- NOx: NOx hình thành từ phản ứng ơ xy hóa nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao
của quá trình cháy. Thành phần NOx phụ thuộc nhiều vào hệ số dư lượng khơng khí
λ và nhiệt độ của q trình cháy, từ Hình 1.1 có thể nhận thấy NO x đạt cực đại trong
khoảng λ từ 1,05 đến 1,1. Tại vùng hịa khí này nhiệt độ q trình cháy cũng như
nồng độ ơ xy đủ lớn để phản ứng ơ xy hóa nitơ diễn ra. Trong thành phần NOx, NO
chiếm tới 90-98% tùy thuộc λ còn lại là NO2.
Ngoài ba thành phần độc hại nêu trên trong động cơ xăng cịn có một số thành
phần phát thải khác như andehyt, các hợp chất chứa lưu huỳnh, phát thải dạng hạt
PM ở động cơ phun xăng trực tiếp, tuy nhiên hàm lượng các phát thải này là không
đáng kể.
1.1.2.2. Ảnh hưởng của các thành phần độc hại trong động cơ tới sức khỏe
con người và môi trường
CO là chất khí khơng màu, khơng mùi nên rất khó nhận biết. Khi hít phải CO với
nồng độ cao sẽ gây cản trở tới q trình hơ hấp, CO kết hợp với hemoglobin của
hồng cầu sẽ làm giảm quá trình lưu chuyển ơ xy trong máu dẫn tới ngạt khí, hít phải
khối lượng lớn có thể dẫn tới tử vong [5].
Nhiều nghiên cứu y khoa cho thấy thành phần hydrocacbon có nhân benzen là
một trong những tác nhân gây ung thư đặc biệt là ung thư máu [7]. Ngoài ra một số
thành phần trong HC kết hợp với NO x gây ra hiện tượng sương mù quang hóa, ảnh

hưởng trực tiếp tới niêm mạc mắt, các bệnh về đường hô hấp, phổi... [8].
NOx đặc biệt gây nguy hiểm tới phổi và niêm mạc mắt. Ngoài ra khi tác dụng với
hơi nước sẽ tạo thành axít gây ăn mịn các chi tiết, gây ra mưa axít ảnh hưởng tới
cây trồng, mùa màng [9].
Đối với môi trường thiên nhiên, phát thải độc hại từ các phương tiện giao thông
đang làm giảm sản lượng cây lương thực, ơ nhiễm mơi trường khí quyển và mơi
trường nước. Cụ thể, gây sói mịn và làm bạc màu đất canh tác, phá hủy rừng và đẩy
nhanh tốc độ ăn mịn các cơng trình kiến trúc...
Theo WHO [5], khoảng 4-8% các trường hợp tử vong hàng năm trên thế giới có
liên quan đến vấn đề ơ nhiễm khơng khí. Các bệnh liên quan tới ơ nhiễm khơng khí
như các bệnh về hô hấp, ung thư cũng làm tăng áp lực tới chi phí y tế, cản trở tới sự
phát triển của các quốc gia. Theo [10], thiệt hại do ơ nhiễm khơng khí tại Trung
Quốc vào năm 1997 vào khoảng 300 tỷ nhân dân tệ, tương ứng 4% GDP, tại Ấn Độ
mức độ ảnh hưởng còn lớn hơn nhiều, chiếm tới 9% GDP.
Các thành phần phát thải khác, đặc biệt là CO2, còn làm tăng hiệu ứng nhà kính,
gây biến đổi khí hậu và làm trái đất nóng lên.
1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại từ khí thải động cơ xăng
Các biện pháp nhằm giảm phát thải độc hại trong động cơ xăng nói riêng cũng
như động cơ đốt trong nói chung rất đa dạng nhưng có thể chia thành ba nhóm
chính như sau [5]:
- Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp kiểm soát phát thải từ bên trong động cơ
thông qua các cải tiến liên quan tới kết cấu động cơ như tối ưu kết cấu buồng cháy,
17


các phương pháp hình thành hỗn hợp, điều chỉnh và vận hành động cơ...
- Nhóm thứ hai bao gồm các giải pháp liên quan tới nhiên liệu như nâng cao chất
lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay thế có mức phát thải độc hại thấp hơn.
- Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để đảm bảo nồng độ khí thải
trước khi thải vào mơi trường nhỏ hơn giá trị giới hạn cho phép.

1.2.1. Kiểm sốt phát thải từ bên trong động cơ
Có nhiều giải pháp giảm phát thải thông qua các cải tiến liên quan tới động cơ,
trong đó một số giải pháp chính, đang được sử dụng rộng rãi hiện nay sẽ được trình
bày dưới đây.
1.2.1.1. Điều chỉnh chính xác tỷ lệ khơng khí nhiên liệu
Chất lượng hỗn hợp được đánh giá bằng tỷ lệ nhiên liệu - khơng khí và tính đồng
nhất của hỗn hợp trong xy lanh. Trong đó, tỷ lệ nhiên liệu - khơng khí có ảnh hưởng
lớn đến chất lượng khí thải trong động cơ. Động cơ làm việc với hỗn hợp đậm (hệ
số dư lượng khơng khí λ < 1) sẽ gây ra phát thải CO và HC cao hơn.
Việc điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu - không khí trên động cơ phun xăng điện tử
(PXĐT) được thực hiện chính xác hơn nhiều so với động cơ sử dụng bộ chế hịa khí
(CHK). Do đó, lượng phát thải nói chung cũng như phát thải độc hại nói riêng trên
xe PXĐT thường thấp hơn so với động cơ sử dụng CHK.
Trong các động cơ xăng hiện đại ngày nay, tỷ lệ nhiên liệu khơng khí được kiểm
sốt xung quanh tỷ lệ cân bằng lý thuyết khi động cơ hoạt động ổn định để tạo ra
lượng khí thải độc hại thấp và hiệu suất động cơ cao bằng cách sử dụng hệ thống
quản lý động cơ (ECU), điều khiển hệ số dư lượng khơng khí λ theo vịng kín. Tuy
nhiên, việc kiểm sốt tỷ lệ nhiên liệu - khơng khí chính xác gặp nhiều khó khăn do
sự khơng đồng đều tỷ lệ nhiên liệu - khơng khí giữa các xy lanh hoặc trong chế độ
làm việc chuyển tiếp (quá độ) của động cơ.
Động cơ làm việc với hỗn hợp "nhạt" (λ > 1) có thể đáp ứng đồng thời cả yêu cầu
về phát thải và tiêu thụ nhiên liệu thấp. Trên những động cơ này thường sử dụng hệ
thống nạp dạng xốy với hình dạng đặc biệt của buồng cháy nhằm tạo ra sự xoáy
lốc trong xy lanh giúp cải thiện tốc độ đốt cháy và giới hạn đốt cháy hỗn hợp. Các
nghiên cứu về quá trình đốt cháy hỗn hợp phân lớp cũng chỉ ra sự cải thiện phát thải
và tiêu thụ nhiên liệu của động cơ và tăng được giới hạn đốt cháy hỗn hợp [11]. Tuy
nhiên, động cơ đốt cháy hỗn hợp nhạt cho công suất thấp và không thuận lợi cho
BXT hoạt động hiệu quả để chuyển đổi đối với cả ba thành phần phát thải CO, HC
và NOx.
Sự không đồng nhất của hỗn hợp cũng gây ra phát thải CO và HC cao vì khó

kiểm soát tối ưu tất cả các xy lanh. Giải pháp thường được sử dụng đó là giảm
lượng nhiên liệu đưa vào xy lanh ở dạng lỏng bằng cách thực hiện quá trình phun và
bay hơi nhiên liệu tại cửa nạp để đạt được hỗn hợp đồng nhất, qua đó sẽ giúp giảm
đáng kể lượng phát thải thải CO và HC [12- 14].
1.2.1.2. Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp
Việc tạo ra hỗn hợp đồng nhất trong động cơ xăng là rất cần thiết. Tuy nhiên thời
điểm đánh lửa, năng lượng tia lửa, vị trí đánh lửa cũng đóng một vai trò rất quan
trọng. Các động cơ hiện nay thường trang bị kết hợp hệ thống phun xăng điện tử với
hệ thống điểu khiển đánh lửa điện tử nhằm điều chỉnh chính xác khơng chỉ lượng
18


nhiên liệu mà còn thời điểm đánh lửa và năng lượng tia lửa phù hợp với các chế độ
làm việc của động cơ. Các yếu tố này sẽ giúp cải thiện chất lượng q trình cháy
qua đó giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và giảm các thành phần độc hại trong khí thải
động cơ [5].
1.2.1.3. Tối ưu kết cấu buồng cháy
Thiết kế buồng cháy ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất và hàm lượng phát thải độc
hại của động cơ [5]. Trong động cơ xăng, buồng cháy với tỷ lệ diện tích bề mặt trên
thể tích nhỏ (buồng cháy gọn) sẽ làm giảm hiện tượng dập tắt màng lửa tại vách do
đó giảm phát thải HC [15]. Thiết kế buồng cháy tối ưu có thể cải thiện tốc độ lan
truyền màng lửa đến bất kỳ vị trí nào của buồng cháy qua đó giảm được tỷ lệ hỗn
hợp cháy khơng hồn tồn.
Trong động cơ hình thành hỗn hợp phân lớp, thiết kế buồng cháy tối ưu giúp tạo
hỗn hợp phân lớp. Bugi được bố trí tại vị trí có thành phần λ thích hợp để đốt cháy
hỗn hợp bằng tia lửa điện, phần hỗn hợp này sau khi bốc cháy sẽ làm mồi để đốt
phần hỗn hợp cịn lại có thành phần λ lớn hơn (hỗn hợp nhạt). Như vậy hỗn hợp
toàn bộ của động cơ là hỗn hợp nhạt sẽ được cháy kiệt [5].
1.2.2. Sử dụng nhiên liệu thay thế
1.2.2.1. Nhiên liệu xăng pha cồn

Xăng pha cồn hay còn gọi là xăng sinh học được sản xuất bằng cách phối trộn từ
hai thành phần chính là xăng khống có nguồn gốc từ dầu mỏ và cồn (ethanol) có
nguồn gốc sinh học (từ các sản phẩm, phế phẩm nông nghiệp như mía, đường, ngơ,
khoai, sắn…) [16].
Xăng pha cồn cũng như các nhiên liệu cồn sinh học khác được đánh giá là sạch
hơn nhiều so với nhiên liệu xăng truyền thống [16]. Bên cạnh đó do có nguồn gốc
từ thực vật nên đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo theo chu trình các bon kín.
Việc sử dụng nhiên liệu xăng sinh học cũng sẽ góp phần làm giảm hiệu ứng nhà
kính, làm chậm hiện tượng trái đất nóng lên.
Ethanol có trị số ốc-tan cao hơn nên khi phối trộn với xăng sẽ làm tăng chỉ số ốctan của hỗn hợp nhiên liệu. Do vậy nó cũng sẽ giúp giảm bớt lượng phụ gia pha vào
xăng nhằm mục đích tăng chỉ số ốc-tan. Ethanol ít độc hại, thời gian tồn tại ngắn và
có khả năng tự phân hủy ngồi mơi trường tự nhiên.
Trong phân tử ethanol (C2H5OH) có sẵn oxy tức là phân tử ethanol tự có một
phần oxy để đốt cháy hydro và cacbon. Điều này tránh được quá trình cháy thiếu
oxy cục bộ trong hỗn hợp. Do đó giúp quá trình đốt cháy nhiên liệu được triệt để
hơn, giảm phát thải CO và HC [17].
Nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp. Do đó
nạp được nhiều hỗn hợp vào trong xy lanh động cơ hơn, kết hợp với nhiệt trị thể
tích hỗn hợp của ethanol - khơng khí gần bằng của xăng - khơng khí (khi có cùng hệ
số dư lượng khơng khí λ) cho nên cơng suất của động cơ khi sử dụng xăng pha cồn
có thể bằng thậm chí lớn hơn khi dùng nhiên liệu xăng thông thường [16].
1.2.2.2. Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)
Là sản phẩm của q trình hố lỏng khí đồng hành thu được trong quá trình
chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là C 3H8 và C4H10. LPG có thể sử
dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đốt cháy cưỡng bức hoặc cũng có thể
19


sử dụng trên động cơ đốt cháy do nén [18].
LPG được đánh giá là nguồn nhiên liệu cháy sạch, giảm đáng kể các thành phần

độc hại trong khí thải động cơ. Tuy nhiên, việc sử dụng LPG làm nhiên liệu cho xe
máy và ơ tơ con cịn gặp nhiều hạn chế bởi không gian lưu trữ, vận chuyển và cấp
phát [19].
1.2.2.3. Nhiên liệu hydro
Hiện nay nhiều hãng ôtô nổi tiếng như Honda, Ford, Mercedes đã trưng bày giới
thiệu nhiều dòng ôtô không phát thải (Zero Emission Vehicle - ZEV) sử dụng nhiên
liệu hydro trong các cuộc triển lãm ôtô quốc tế [20].
Khác với nguồn năng lượng hạt nhân, hydro là nguồn nhiên liệu an tồn đối với
con người, có ý nghĩa lớn trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm bầu khí quyển và sự
biến đổi khí hậu tồn cầu. Ngày nay, phương thức sản xuất hydro từ năng lượng mặt
trời đã mở ra tiềm năng rất lớn trong việc áp dụng nguồn nhiên liệu sạch này không
chỉ trên các phương tiện giao thơng vận tải mà cịn trong nhiều lĩnh vực khác của
cuộc sống [21].
1.2.3. Xử lý khí thải sau cửa thải bằng bộ xúc tác khí thải ba thành
phần
1.2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 1.2. Cấu tạo của BXT [22]
1. Vỏ; 2. lõi; 3. Lớp đệm; 4. Lớp vật liệu trung gian; 5. Lớp xúc tác

Sử dụng bộ xúc tác khí thải ba thành phần (BXT) là giải pháp được sử dụng phổ
biến nhất trong các biện pháp xử lý khí thải sau cửa thải. BXT có khả năng chuyển
đổi đồng thời CO, HC và NOx thành các chất khơng hoặc ít độc hại hơn (CO 2, H2O,
N2) với hiệu suất lên tới 90% trong điều kiện làm việc phù hợp. BXT thường được
bố trí nằm ở giữa cửa thải và bộ giảm âm, tuy nhiên gần về phía cửa thải hơn nhằm
tận dụng nhiệt khí thải giúp thúc đẩy các các phản ứng chuyển hóa (nhiệt độ lý
tưởng để BXT làm việc trong khoảng 250- 350oC). Kết cấu điển hình của BXT
được thể hiện trên Hình 1.2 với vỏ chế tạo từ thép khơng gỉ, hình trụ trịn hoặc ơ
van, ở hai đầu có lắp mặt bích để nối với các đường ống trung gian trong hệ thống
thải. Cấu tạo bên trong BXT bao gồm phần lõi, lớp vật liệu trung gian và lớp chất

xúc tác [22].
Bộ phận quan trọng nhất của BXT là phần lõi xúc tác. Hiện nay có ba dạng lõi
khác nhau đó là lõi dạng viên gốm, lõi gốm nguyên khối và lõi bằng kim loại.
- Lõi dạng viên gốm gồm các lớp viên gốm hình cầu chế tạo từ gốm chịu nhiệt độ
cao (cordierite 2MgO.2Al2.5SiO2), có hệ số hấp thụ nhiệt thấp (giúp rút ngắn thời
20


gian sấy nóng) và nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 1400 oC) [23]. Thơng thường, các
viên gốm có đường kính khoảng 2 - 3mm, bề mặt được phủ một lớp ô xít nhôm
nhằm tăng diện tích bề mặt, chống ăn mịn cũng khả năng bám dính với lớp kim loại
xúc tác. Các vật liệu quý platinum (Pt), paladium (Pd) và rhodium (Rh) được thấm
trực tiếp trên bề mặt của các viên gốm.
- Dạng lõi gốm nguyên khối thường có cấu trúc tổ ong, gồm rất nhiều rãnh nhỏ li
ti kích cỡ mm2 được xếp song song với dịng khí thải. Lõi gốm cũng được làm từ
vật liệu chịu nhiệt cordierite, các rãnh nhỏ song song có tiết diện ngang hình tam
giác hoặc hình vng. Trên bề mặt các rãnh này cũng được phủ một lớp ơ xít nhơm
(A12O3) xốp, dày khoảng 0,02 mm. Sau đó lõi gốm được thấm hoặc phủ các kim
loại quý Pt, Pd và Rh.
- Lõi kim loại có cấu tạo gồm các lá thép phẳng và các lá thép được dập lượn
sóng có độ dày từ 0,04 - 0,05mm xếp thành lớp [22]. Sau đó, chúng được cuộn trịn
thành hình dạng chữ S hoặc hình trịn. Phổ biến nhất hiện nay là loại lõi kim loại
chia thành 2 phần riêng biệt, giữa hai phần có một khoảng trống nhỏ ở tâm lõi. Sau
quá trình xử lý bề mặt, lõi thép được phủ một lớp A1 2O3 có độ xốp cao sau đó được
thấm hoặc phủ lớp kim loại xúc tác Pt, Pd và Rh. So với hai loại lõi trên thì loại lõi
kim loại có nhiều ưu điểm vượt trội hơn như diện tích sử dụng có ích của các rãnh
dẫn khí thải lớn hơn khoảng 10÷15%, độ bền cơ - nhiệt cao hơn, trở lực (mức độ
cản trở chuyển động của dịng khí) đối với khí thải thấp hơn. Tuy nhiên cơng nghệ
chế tạo lõi kim loại phức tạp hơn, khối lượng lớn hơn cũng như giá thành cao hơn.
Dưới tác dụng tương hỗ của các kim loại quý, trong lõi xúc diễn ra các phản ứng

ơ xy hóa - khử các thành phần độc hại, các phản ứng chính bao gồm [22]:
- Phản ứng ô xy hóa với ô xy:
CO + 1/2 O2 = CO2
(1.2)
CmHn + (m + n/4) O2 = m CO2 + n/2 H2O
(1.3)
- Phản ứng khử NO bởi CO:
NO + CO = 1/2N2 + CO2
(1.4)
- Phản ứng khử NO, ô xy hóa CO bởi Rh và RhO
Rh + NO
RhO + 1/2N2
(1.5)
RhO + CO

Rh + CO2

(1.6)
- Phản ứng của Platinum với ô xy
Pt + 1/2O2
PtO
(1.7)
- Phản ứng ơ xy hóa CO và HC bởi PtO
PtO + CO
Pt + CO2

21

(1.8)

9PtO + C3H6

9Pt + 3CO2 + 3H2O

(1.9)

Do đòi hỏi ngặt nghèo và chính xác về hệ số dư lượng khơng khí λ nên các BXT
hiện nay thường chỉ được trang bị trên động cơ có trang bị hệ thống nhiên liệu điều
khiển điện tử. Ngồi ra, BXT làm việc khơng hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn 250 oC,
do vậy trong giai đoạn khởi động và chạy ấm máy nồng độ các khí thải độc hại đa
phần khơng được chuyển hóa mà được thải trực tiếp ra ngồi gây ơ nhiễm mơi
trường. Có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách đưa BXT tới gần cửa thải, sấy
nóng đường thải bằng nhiệt điện trở hoặc dòng điện cao tần [24]. Tuy nhiên, đối với
BXT sử dụng lõi gốm nguyên khối hiệu ứng sốc nhiệt sẽ ảnh hưởng tới vật liệu
ceramic làm giảm tuổi thọ của BXT, hiệu ứng này cũng làm hạn chế việc làm mỏng
bề mặt lõi xúc tác, do đó vừa khơng tăng được diện tích tiếp xúc với khí thải, vừa
gây cản trở đường thải.
1.2.3.2. Những yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm việc của BXT
Ngoài các thành phần vật liệu quan trọng không thể thiếu trong BXT như được
giới thiệu ở các nội dung trên. Hiện nay người ta cho thêm vào BXT những chất
phụ gia với chức năng làm ổn định cấu trúc tinh thể và mở rộng phạm vi hoạt động
cũng như nâng cao hiệu quả xúc tác. Tuy nhiên ngoài những chất có vai trị tích cực
như vậy thì trong q trình làm việc xuất hiện những hợp chất khơng mong muốn
có trong nhiên liệu, khí nạp và điều kiện mơi trường làm ảnh hưởng tiêu cực tới khả
năng làm việc của BXT. Dưới đây là tổng hợp các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước về các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của BXT.
a) Tác dụng của nhiệt độ tới khả năng làm việc của BXT
Nhiệt độ khí thải động cơ trước BXT thơng thường nằm trong khoảng 150 –
600oC, tuy nhiên các BXT hiện nay có thể được thiết kế để hoạt động thường xuyên,

kéo dài và lặp lại với nhiệt độ lên tới 800 oC, đặc biệt là trong điều kiện có các phản
ứng ơ xy hố làm tăng nhiệt độ bề mặt BXT.
Hình 1.3. So sánh hoạt tính xúc tác của chất xúc tác Pt-Rh/CeO2 với có (nét liền) và khơng
có (nét đứt) bổ sung Ba và Zr, khi thử nghiệm ở 950°C trong 40 giờ [25]

Nhiệt độ cao có thể ảnh hưởng đến tất cả các thành phần vật liệu trong lõi xúc
tác. Các hạt kim loại quý và lớp vật liệu trung gian có thể nóng chảy, bay hơi, mài
mịn, thiêu kết… Kết quả sẽ làm giảm hiệu quả hoặc thậm chí giảm đi một phần các
chất xúc tác.
Sự thiêu kết đặc biệt ảnh hưởng đến hoạt tính của các chất xúc tác khi làm việc
tại nhiệt độ thấp. Để hạn chế hiện tượng này các BXT hiện nay thường được bổ
sung CeO2 vào hỗn hợp chất trung gian nhằm ổn định hóa cấu trúc, sự có mặt của
CeO2 sẽ hỗ trợ sự ổn định γ-Al2O3 chống lại quá trình thiêu kết. Tuy nhiên, CeO2 có
nhược điểm là tự liên kết để phát triển cấu trúc tinh thể ở nhiệt độ cao. Hiện tượng
này có thể bị ức chế khi bổ sung bari (Ba) hoặc zirconium (Zr), như thể hiện trong
Hình 1.3 [25].
Ở nhiệt độ rất cao (trên 800 oC), chất xúc tác và vật liệu trung gian ngoài hiện
tượng thiêu kết cịn có thể bị nóng chảy, bay hơi, ảnh hưởng đến tổng diện tích bề
mặt tiếp xúc, mất mát cơ học lượng vật liệu xúc tác. Nhiệt độ cao cũng làm lớp phủ
22


giãn nở, nứt và làm cho nó tách ra khỏi chất nền (Hình 1.4a). Để hạn chế ảnh hưởng
này các chất ổn định như bari (Ba) và lantan (La) sẽ được bổ sung vào lớp vật liệu
trung gian (Hình 1.4b) [25]. Với lõi gốm nguyên khối, nhiệt độ cao có thể làm hợp
chất ceramic nứt vỡ thậm chí nóng chảy, tạo thành các kênh mới cho phép khí thải
đi qua mà không tiếp xúc với chất xúc tác và dẫn đến làm giảm hiệu quả chuyển đổi
của BXT.

Hình 1.4. Ảnh cấu trúc lớp phủ sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao [25]

a) Ảnh SEM lớp vật liệu trung gian sau khi hoạt động liên tục ở nhiệt độ 950oC trong 40h
b) Ảnh SEM lớp vật liệu trung gian đã bổ sung Ba, La sau khi hoạt động liên tục ở nhiệt độ 950oC
trong 40h

Hiệu suất chuyển đổi (%)

Hịa khí lý tưởng (λ=1)
Hịa khí lý tưởng (λ=1)

Hình 1.5. So sánh hoạt tính xúc tác của a) Rh/γ-Al2O3 và (b) Rh/ZrO2]/γ-Al2O3 sau khi xử
lý nhiệt ở 1100oC trong khơng khí trong 1 giờ [26]

Nhiệt độ cao cũng có thể thúc đẩy sự tương tác giữa các kim loại quý, hoặc giữa
kim loại quý và chất nền, dẫn đến hình thành các hợp chất hoạt động kém hiệu quả
hơn. Nghiên cứu của Engel, T. và cộng sự [26] cho thấy Rh bắt đầu xâm nhập bề
mặt của γ-Al2O3 ở nhiệt độ lớn hơn 600oC bởi phản ứng ở trạng thái rắn giữa Rh 2O3
và γ -Al2O3. Sự thâm nhập dưới bề mặt và mất hoạt tính của Rh có thể bị làm chậm
lại nếu có sự hỗ trợ của zirconia (ZrO 2) (Hình 1.5), ơ xít này thường được phủ cùng
chất nền γ-Al2O3.
b) Hiện tượng ức chế hóa học đối với chất xúc tác
Ức chế hóa học được định nghĩa là sự suy giảm hiệu quả hoạt động do sự hấp thụ
hóa học của các tạp chất đối với các chất hoạt tính trong dịng khí nạp vào. Sự ức
chế có thể làm sai lệch bản chất hóa học của các chất hoạt tính hoặc kết quả là tạo ra
các chất mới vì thế hiệu quả hoạt động xúc tác bị thay đổi không xác định trước
được.
Thông thường, sự khác biệt được tạo thành giữa sự ức chế và các chất ức chế. Sự
ức chế là ảnh hưởng của những chất có trao đổi qua lại với các thành phần hoạt tính
rất mạnh và không thuận nghịch, trong khi chất ức chế thường yếu và hấp phụ thuận
23

nghịch trên bề mặt xúc tác.
Sự ức chế còn được phân loại thành tích cực có chọn lọc (selective) hoặc không
chọn lọc (non- selective). Trong trường hợp không chọn lọc, tại bề mặt xúc tác là
các đồng dạng với ức chế, và xảy ra thấm hút bề mặt (hấp thụ hóa học). Kết quả là
hoạt động xúc tác trên bề mặt là hàm tuyến tính của lượng ức chế hấp thụ hóa học.
Ngược lại, trong trường hợp ức chế có chọn lọc thì có sự phân bố của các đặc tính
của các chất hoạt tính, ví dụ độ a xít theo vị trí hoạt tính mạnh nhất sẽ ức chế đầu
tiên. Điều này dẫn đến nhiều quan hệ giữa các chất xúc tác hoạt động và lượng chất
ức chế hấp thụ.
Chất ức chế được phân loại là thuận nghịch (reversible) hoặc không thuận nghịch
(irreversible). Trường hợp thứ nhất, thuận nghịch, chất ức chế không bị hấp thụ một
cách mạnh mẽ và theo sự tái sinh của xúc tác xảy ra bằng cách loại bỏ chất ức chế
ra khỏi chất nạp vào. Với trường hợp khơng thuận nghịch thì chất xúc tác khơng
cịn có khả năng hồi phục sau khi bị ức chế làm nhiễm độc.
Dưới đây là một số ví dụ về các chất ức chế gây ảnh hưởng tới q trình hoạt
động của BXT.
- Ức chế hóa học bởi chì (Pb) các hợp chất chứa chì

Hình 1.6. Ảnh hưởng của xăng có chì đối với hiệu suất của BXT thơng thường [27]

Chì có trong xăng là một chất ảnh hưởng nghiêm trọng tới hoạt động của các chất
xúc tác [27]. Trong những thời gian đầu khi BXT được sử dụng trên ô tô, người ta
nhận thấy hiệu quả chuyển đổi của BXT bị suy giảm nghiêm trọng sau một thời
gian ngắn sử dụng. Hình 1.6 cho thấy hiệu suất chuyển đổi của BXT bị suy yếu sau
khi xe hoạt động liên tục với nhiên liệu có/khơng có chì (0,26 g/l) khi vận hành
trong 10.000 dặm. Kết quả cho thấy hiệu quả chuyển đổi CO (Hình 1.6a) giảm,
nhưng sau đó hồi phục khi khơng sử dụng nhiên liệu có chì. Ngược lại, hiệu suất
chuyển đổi HC (Hình 1.6b), và đặc biệt là NO x (Hình 1.6c), khơng thể hồi phục đến
các giá trị tiêu chuẩn ban đầu khi ngừng sử dụng nhiên liệu có chì, do đó khơng đáp

ứng các quy định về giới hạn phát thải vào thời điểm đó (năm 1986).
Trong số các kim loại quý khác nhau, Pd rất nhạy và dễ bị mất tác dụng đối với
chì. Hoạt động của Pd bị suy giảm mạnh khi chỉ cần có một lượng nhỏ chì trong
nhiên liệu. Trong khi đó, Rh mất tác dụng một phần cịn Pt là chất mất tác dụng ít
nhất [26].
Hình 1.7 cho thấy các cấu trúc bề mặt của Pt/γ- Al 2O3 sau khi tiếp xúc với chì
trong 24 giờ ở 700oC thơng qua phép vi phân điện cực điện tử (EPMA - Electron
Probe Micro Analyzer) [27]. Kết quả thấy có sự bám dính chì trên bề mặt BXT (các
vùng trắng trên bề mặt càng cao thì nồng độ của chì càng cao). Sự lắng đọng chì,
đặc biệt là trên bề mặt hạt kim loại quý xảy ra bởi các phân tử mang chì có trong khí
thải (halogenua hoặc oxyhalide) bị phân hủy trên bề mặt kim loại quý, chỉ để lại chì
24


bám dính trên bề mặt.

Hình 1.7. Hình ảnh cấu trúc bề mặt của Pt/γ- Al2O3 sau khi tiếp xúc với khí thải mơ phỏng
có chứa chì (0,33 g/l) [27]

Thực tế Pt có khả năng kháng độc tố chì cao hơn Rh hoặc Pd do tác động gián
tiếp của lưu huỳnh. Một lượng nhỏ lưu huỳnh có trong nhiên liệu sau khi bị ơ xy
hóa có thể hoạt động với tác dụng như một chất ăn mịn đối với chì. SO 3 trong khí
thải kết hợp với oxit chì tạo thành hợp chất sulfat chì ổn định. Trong BXT, Pt là chất
xúc tác tốt cho q trình oxy hóa SO2 có trong khí thải động cơ thành SO3.
Hiện nay nước ta đã cấm không cho phép sử dụng tetra etyl (Pb + (C 2H5)4) và
tetra metyl (Pb + (CH3)4) pha trong nhiên liện vì các chất này gây ảnh hưởng
nghiêm trọng với sức khỏe con người và gây ô nhiễm môi trường [28]. Nhưng như
vậy khơng có nghĩa là trong xăng dầu chì được loại bỏ hồn tồn, theo tiêu chuẩn
Việt Nam vẫn cho phép lượng chì trong nhiên liệu ở ngưỡng < 0,013 g/l. Vì vậy chì
vẫn có một lượng nhỏ trong khí thải và gây ảnh hưởng xấu tới q trình làm việc

của BXT.
- Ức chế hóa học bởi phốt pho
Phốt pho cũng là một chất ảnh hưởng tới các chất xúc tác kim loại quý. Hiện nay
mức phốt pho trong nhiên liệu nhìn chung rất thấp (2×10 -5 g/l), tuy nhiên sự tích tụ
theo thời sẽ làm giảm hoạt tính của các thành phần kim loại quý. Sự phản ứng này
có ảnh hưởng đặc biệt đối với Pd, trong đó phốt pho tạo thành một hợp chất mới với
Pd và khiến cho nó khơng cịn tác dụng xúc tác.

Hình 1.8. Ảnh (SEM) của một lớp Zn, Ca, và Mg phốt phát trên bề mặt xúc tác [29]

Phốt pho có thể tạo thành lớp phủ chứa phốt phát, đó là hỗn hợp của Zn, Ca và
Mg phốt phát trên bề mặt lớp xúc tác. Các hợp chất này rất ổn định trên bề mặt xúc
tác và ngăn cản quá trình xúc tác diễn ra (Hình 1.8) [29].
Ngồi ra, phốt pho cịn làm tăng trưởng kích thước hạt, làm ảnh hưởng tới sự di
chuyển các tinh thể Pt và hình thành nên những cụm Pt có kích thước lớn. Sự tích tụ
phốt pho càng nhiều sẽ càng làm gia tăng kích thước các tinh thể Pt. Do đó làm
giảm hiệu ứng bề mặt, giảm hoạt tính cần thiết cho các phản ứng xúc tác xảy ra
(Hình 1.9) [30].
25