NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÒA TRỘN GIỮA KHÍ THẢI VÀ KHÔNG KHÍ BỔ SUNG ĐỂ TÌM VỊ TRÍ, GÓC PHUN PHÙ HỢP VÀO ỐNG THẢI ĐỘNG CƠ MỘT XYLANH

DƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ơ TƠ
TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU Q TRÌNH HỊA TRỘN GIỮA KHÍ
THẢI VÀ KHƠNG KHÍ BỔ SUNG ĐỂ TÌM VỊ TRÍ, GĨC PHUN PHÙ
HỢP VÀO ỐNG THẢI ĐỘNG CƠ MỘT XYLANH

CBHD: ThS. Nguyễn Huy Chiến
Sinh viên: Dương Xuân Trường

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Mã số sinh viên: 2018605629

Hà Nội – Năm 2022


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. v
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................. vi
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................ vii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI...................................................... 1

1.1. Tổng quan về việc bổ sung thêm khơng khí vào trong đường thải .. 1
1.1.1. Giới thiệu chung về đề tài ................................................................. 1
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống AIS ............................................ 3
1.2. Bộ xúc tác ba thành phần và các yếu tố ảnh hưởng .......................... 6
1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ xúc tác ba thành phần ........ 6
1.2.2. Những yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm việc của bộ xúc tác ba
thành phần ................................................................................................. 10
1.2.3. Hạn chế của bộ xúc tác ba thành phần............................................ 14
1.3. Tổng quan về bộ chế hòa khí ............................................................. 15
1.3.1. Bộ chế hịa khí xe Zip ..................................................................... 19
1.3.2. Hệ thống chính ................................................................................ 19
1.3.3. Hệ thống tăng tốc ............................................................................ 21
1.3.4. Hệ thống không tải .......................................................................... 22
1.4. Tổng quan về khí thải động cơ đốt trong một xylanh ..................... 23
1.4.1. Sản phẩm cháy ................................................................................ 23
1.4.2. Các thành phần độc hại chính và ảnh hưởng của chúng................. 24
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN Q TRÌNH HỊA
TRỘN GIỮA KHÍ THẢI VÀ KHƠNG KHÍ BỔ SUNG TỪ ĐĨ TÌM VỊ
TRÍ, GÓC PHUN PHÙ HỢP VÀO ỐNG THẢI ĐỘNG CƠ MỘT
XYLANH........................................................................................................ 28
2.1. Xác định lượng khơng khí cần cung cấp........................................... 28
2.2. Sơ đồ hệ thống cung cấp khơng khí................................................... 29
2.3. Cấu tạo các bộ phận chính của hệ thống cấp khí............................. 29


ii

2.3.1. Nguồn cấp khí ................................................................................. 29
2.3.2. Van điều áp ..................................................................................... 30
2.3.3. Van tiết lưu ..................................................................................... 30

2.3.4. Lưu lượng kế ................................................................................... 30
2.3.5. Van đóng - mở ................................................................................ 31
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM
ANSYS FLUENT .......................................................................................... 32
3.1. Khái quát chung về phần mềm Ansys Fluent .................................. 32
3.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trong Ansys Fluent ................................. 41
3.3. Xây dựng mơ hình mơ phỏng............................................................. 53
3.4. Chia lưới............................................................................................... 55
3.5. Đánh giá kết quả mô phỏng ............................................................... 57
3.5.1. Phân bố vận tốc và nhiệt độ của khí thải và khơng khí trong hệ
thống.......................................................................................................... 57
3.5.2. Đánh giá mức độ hịa trộn giữa khơng khí và khí thải ................... 59
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................... 63
4.1. Kết luận ................................................................................................ 63
4.2. Hướng phát triển của đề tài ............................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 64


iii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Hệ thống AIS trang bị trên xe HONDA ........................................... 2
Hình 1. 2. Hệ thống AIS trang bị trên xe YAMAHA ......................................... 3
Hình 1. 3. Hệ thống AIS .................................................................................... 3
Hình 1. 4. Khi động cơ hoạt động bình thường ................................................ 4
Hình 1. 5. Khi giảm tay ga đột ngột ở tốc độ cao ............................................. 5
Hình 1. 6. Cấu tạo bộ xúc tác ba thành phần ................................................... 6
Hình 1. 7. Cấu trúc lõi dạng gốm nguyên khối ................................................. 8
Hình 1. 8. Nguyên lý hoạt động của bộ xúc tác ................................................ 9
Hình 1. 9. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng làm việc của bộ xúc tác ba

thành phần ....................................................................................................... 11
Hình 1. 10. Bố trí cảm biến Oxy trên bộ xúc tác ............................................ 12
Hình 1. 11. Đồ thị đặc tính lamda................................................................... 13
Hình 1. 12. Hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải phụ thuộc mức độ
dao động của hệ số dư lượng khơng khí λ ...................................................... 13
Hình 1. 13. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hịa khí ...................... 17
Hình 1. 14. Đường đặc tính lý tưởng của bộ chế hịa khí theo độ mở bướm ga
(%tải) ............................................................................................................... 18
Hình 1. 15. Bộ chế hịa khí xe Zip ................................................................... 19
Hình 1. 16. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính làm việc hệ thống chính bộ chế hịa
khí động cơ xe ZIP .......................................................................................... 20
Hình 1. 17. Sơ đồ nguyên lý hệ thống tăng tốc ............................................... 21
Hình 1. 18. Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống khơng tải............................... 23
Hình 2. 1. Sơ đồ hệ thống cấp khí ................................................................... 29
Hình 2. 2. Van điều áp .................................................................................... 30
Hình 2. 3. Van tiết lưu ..................................................................................... 30
Hình 2. 4. Lưu lượng kế .................................................................................. 31
Hình 2. 5. Van đóng mở .................................................................................. 31
Hình 3. 1. Thiết lập mơ hình mơ phỏng .......................................................... 32
Hình 3. 2. Thiết lập Double Precision ............................................................ 32
Hình 3. 3. Các thiết lập khác........................................................................... 33
Hình 3. 4. Giao diện chính của Ansys Fluent ................................................. 33
Hình 3. 5. Kiểm tra biên .................................................................................. 33
Hình 3. 6. Kiểm tra hình học ........................................................................... 34
Hình 3. 7. Giao diện phần mềm Ansys Fluent ................................................ 37
Hình 3. 8. Giao diện Design Modeler ............................................................. 37
Hình 3. 9. Lựa chọn Scale mesh...................................................................... 38


iv

Hình 3. 10. Đánh giá lưới ............................................................................... 40
Hình 3. 11. Các diều kiện orthogonal quality ................................................. 40
Hình 3. 12. Tiêu chuẩn orthogonal quality ..................................................... 40
Hình 3. 13. Sử dụng phương trình năng lượng cho mơ hình (Energy(ON)) .. 42
Hình 3. 14. Chọn mơ hình rối trong Viscous Model ....................................... 43
Hình 3. 15. Mơ hình rối k–ε tiêu chuẩn .......................................................... 44
Hình 3. 16. Setup Materials ............................................................................ 45
Hình 3. 17. Nhập các thơng số trong bảng vật liệu Materials ....................... 45
Hình 3. 18. Cell Zone ...................................................................................... 46
Hình 3. 19. Điều kiện biên .............................................................................. 46
Hình 3. 20. Thiết lập Inflow ............................................................................ 47
Hình 3. 21. Các dạng biên trong Inflow ......................................................... 47
Hình 3. 22. Dạng biên Velocity Inlet .............................................................. 48
Hình 3. 23. Thermal ........................................................................................ 48
Hình 3. 24. Setup Pressure Outlet................................................................... 49
Hình 3. 25. Kiểm tra Momentum..................................................................... 49
Hình 3. 26. Kiểm tra Thermal ......................................................................... 50
Hình 3. 27. Thiết lập Solution Initialization ................................................... 50
Hình 3. 28. Thiết lập Solution Methods .......................................................... 51
Hình 3. 29. Chạy tính tốn .............................................................................. 51
Hình 3. 30. Trường vận tốc ............................................................................. 52
Hình 3. 31. Trường nhiệt độ............................................................................ 52
Hình 3. 32. Trường nhiệt độ theo mặt cắt ngang outflow............................... 53
Hình 3. 33. Bản vẽ kết cấu ống hồ trộn......................................................... 54
Hình 3. 34. Nhập lưới (Import Mesh) ............................................................. 55
Hình 3. 35. Bản vẽ mơ hình 3D ....................................................................... 56
Hình 3. 36. Chia lưới mơ hình ........................................................................ 56
Hình 3. 37. So sánh hệ số Nusselt với số phần tử lưới khác nhau .................. 57
Hình 3. 38. Phân bố vận tốc khí thải và khơng khí với các góc phun khác

nhau ................................................................................................................. 58
Hình 3. 39. Phân bố nhiệt độ của khí thải và khơng khí khi  thay đổi từ 0o ÷
180o.................................................................................................................. 59
Hình 3. 40. Hệ số lưu lượng khơng khí tại mặt cắt C-C ................................. 61
Hình 3. 41. Tỷ lệ % theo kk (0,091 0,133) tại mặt cắt C-C ....................... 62


v

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Các thông số điều kiện biên ........................................................... 44


vi

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
STT

KÝ HIỆU

Ý NGHĨA

1.

EURO

Tiêu chuẩn khí thải của Châu Âu

2.

BXT

Bộ xúc tác

3.

AIS

Hệ thống phun thêm không khí vào trong
đường thải

4.

Pt

Bạch kim

5.

Pd

Paradi

6.

λ

Hệ số dư lượng khơng khí

7.

kk

Hệ số lưu lượng khơng khí

8.

Gkk

Lưu lượng khơng khí bổ sung ở phân tố
khảo sát

9.

Gkt

Lưu lượng khí thải ở phân tố khảo sát

10.

V0

Lưu lượng khí khơng khí thực tế phun vào
trong xylanh động cơ

11.

G

Lưu lượng khí cần thiết phun vào trong

đường thải

12.

ge

Suất tiêu hao nhiên liệu

13.

Ne

Công suất động cơ

14.

ρkk

Khối lượng riêng của khơng khí

15.

A/F

Tỉ lệ hồ khí (Khơng khí/nhiên liệu)


vii

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, xe máy đang là loại phương tiện được sử dụng phổ biến tại
Việt Nam. Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam, hiện nay nước ta có
trên 60 triệu xe máy, trong đó phần lớn là các xe trang bị hệ thống nhiên liệu
sử dụng bộ chế hịa khí. Bên cạnh những ưu điểm như giá thành phù hợp với
thu nhập của đa số người dân, thuận tiện trong quá trình di chuyển đặc biệt là
trong các đường, ngõ phố chật hẹp… Xe máy hiện cũng đang là tác nhân
chính gây ơ nhiễm mơi trường khơng khí đặc biệt là tại các thành phố lớn như
Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh. Nhằm kiểm soát phát thải cho các phương
tiện sản xuất và lắp ráp trong nước cũng như các phương tiện nhập khẩu nước
ta hiện đang áp dụng tiêu chuẩn EURO4 cho ô tô và EURO3 cho xe máy (bắt
đầu từ năm 2017). Tiến tới sẽ áp dụng tiêu chuẩn EURO5 cho ô tơ và EURO4
cho xe máy (theo lộ trình sẽ áp dụng từ 1/1/2022).
Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường cũng như đáp ứng các tiêu chuẩn khí
thải ngày càng cao địi hỏi ngồi những cải tiến cơng nghệ liên quan tới động
cơ thì việc trang bị thêm hệ thống xử lý khí thải gần như là yêu cầu bắt buộc.
Khác với các động cơ phun xăng điện tử, trên các động cơ sử dụng hệ thống
nhiên liệu bộ chế hòa khí thì việc trang bị hệ thống xử lý khí thải mà cụ thể là
bộ xúc tác ba thành phần (BXT) là tương đối khó khăn vì trong q trình vận
hành hệ số dư lượng khơng khí λ của động cơ có biên độ thay đổi lớn và động
cơ thường làm việc ở vùng có hệ số dư lượng khơng khí λ nhỏ hơn 1 chính vì
vậy hiệu quả của BXT không cao dẫn tới hàm lượng phát thải độc hại của
động cơ sau BXT vẫn rất lớn.
Theo đặc tính lý tưởng, đa phần các chế độ làm việc của bộ chế hịa khí
có tỷ lệ hịa khí A/F (khơng khí/nhiên liệu) nhỏ hơn 14,7, điều đó có nghĩa là
vùng làm việc của bộ chế hịa khí thường có λ<1, dẫn tới việc kiểm soát phát
thải CO, HC của bộ xúc tác ba thành phần không đạt hiệu quả cao.


viii

Nhiều nghiên cứu cho thấy phun bổ sung khơng khí trên đường thải là
giải pháp không chỉ tăng cường các phản ứng ơxy hóa trên đường thải mà cịn
cải thiện mơi trường ơ xy hóa do đó cải thiện hiệu suất chuyển đổi các thành
phần CO, HC trong BXT. Tuy nhiên hiệu suất chuyển hóa của BXT với các
thành phần phát thải ngoài phụ thuộc vào nhiệt độ, hệ số dư lượng khơng khí
cịn phụ thuộc vào mức độ đồng nhất trong q trình hịa trộn giữa dịng
khơng khí bổ sung và dịng khí thải. Vì vậy, trong nội dung đồ án này em
hướng tới mơ phỏng xác định góc đặt vịi phun khơng khí trên đường ống thải
() phù hợp nhằm đạt được hiệu quả hòa trộn tốt giữa hai dịng khí. Q trình
mơ phỏng được thực hiện trên phần mềm Ansys fluent.
Việc bổ sung thêm khơng khí trên đường thải sẽ giúp tăng thêm nồng
độ oxy trong khí thải, từ đó giúp tăng thêm mơi trường oxy hóa cho các phản
ứng xử lý phát thải CO, HC trong bộ xúc tác ba thành phần. Xuất phát từ ý
tưởng đó, cùng gợi ý của thầy hướng dẫn, em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu q
trình hịa trộn giữa khí thải và khơng khí bổ sung để tìm vị trí, góc phun phù
hợp vào ống thải động cơ một xylanh”.
Nội dung đề tài gồm 4 nội dung:
Nội dung 1: Tổng quan về việc bổ sung khơng khí trên đường thải, tìm
hiểu về bộ xúc tác ba thành phần, các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả của bộ
xúc tác ba thành phần, tìm hiểu về đặc tính làm việc bộ chế hịa khí cũng như
cấu tạo, ngun lý làm việc và các đặc tính của bộ chế hịa khí xe Zip (đối
tượng thử nghiệm). Nhằm mục đích tìm hiểu về khả năng bổ sung khơng khí
trên đường thải.
Nội dung 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn q trình hịa trộn giữa khí thải và
khơng khí bổ sung từ đó tìm vị trí, góc phun phù hợp vào ống thải động cơ
một xylanh
Nội dung 3: Xây dựng mơ hình mơ phỏng trên phần mềm Ansys Fluent


ix

Nội dung 4: Kết luận và hướng phát triển.
Việc hoàn thành đồ án có thể cịn có những sai sót, vì vậy em mong có
được sự góp ý của các thầy, cơ để em có thể hồn thiện đề tài của mình tốt
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ của các thầy trong bộ
mơn và đặc biệt là thầy hướng dẫn ThS. Nguyễn Huy Chiến đã tạo điều kiện
thuận lợi để em có thể hồn thành đồ án này.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2022

Sinh viên thực hiện

Dương Xuân Trường


1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Nội dung chương 1 bao gồm:
 Tổng quan về việc bổ sung thêm không khí vào trong đường thải.
 Tìm hiểu về bộ xúc tác ba thành phần và các yếu tố ảnh hưởng.
 Tìm hiểu về bộ chế hịa khí xe Zip và khả năng bổ sung khơng khí trên
đường thải
 Tổng quan về khí thải động cơ
1.1. Tổng quan về việc bổ sung thêm khơng khí vào trong đường thải
1.1.1. Giới thiệu chung về đề tài

Bổ sung thêm khơng khí vào trong đường thải là một phương pháp giảm
phát thải trên động cơ dựa trên ngun tắc để cho khơng khí hịa lẫn với khí
thải nóng và oxy hóa HC và CO để tạo ra 𝐻2 𝑂 và 𝐶𝑂2 .Trong lịch sử của việc
kiểm sốt khí thải, đây là một cách dễ dàng để đáp ứng được các yêu cầu xử
lý khí thải đặt ra. Việc bổ sung thêm khí thải vào trong đường thải lần đầu
được thử nghiệm bởi Chrysler, một nhà sản suất ôtô của Mỹ, vào năm 1966.
Nhưng mãi cho đến cuối những năm 1970, khi mà tiêu chuẩn khí thải trở nên
khắt khe hơn, hệ thống bổ sung thêm khơng khí mới trở nên phổ biến hơn.
Ngay cả khi có sự ra đời của bộ xúc tác xử lý khí thải vào năm 1975, hệ thống
bơm khơng khí vào đường thải vẫn không thể bị bỏ đi mà bắt đầu có xu
hướng chuyển đổi chức năng của hệ thống bơm khơng khí vào đường thải từ
việc kiểm sốt khí thải dần dần thành có chức năng hỗ trợ cho bộ xúc tác làm
việc hiệu quả hơn, do việc bơm thêm khơng khí vào trong đường thải cũng
góp phần nâng cao hiệu quả của các bộ xử lý khí thải. Hệ thống phun thêm
khơng khí vào trong đường thải được sử dụng với nhiều tên khác nhau đối với
mỗi nhà sản suất như American Motor gọi là Air Guard, Chrysler gọi là Air
Injection System (AIS), ở Ford là Thermactor Air Injection System và ở


2

Genenal Motor thì là Air Injection Reactor (AIR). Dù có nhiều tên gọi khác
nhau nhưng hầu hết các hệ thống đó đều có cấu tạo cơ bản là giống nhau, đều
gồm có hệ thống bơm để bơm khơng khí đã được lọc qua vòi phun vào trong
ống thải hoặc ngay đầu xylanh, điều đó giúp khơng khí được trộn lẫn ngay với
khí thải nóng khi rời khỏi động cơ, điều này làm tăng hiệu quả của hệ thống.
[1].
Trong khí thải của động cơ do việc cháy khơng hồn tồn làm sinh ra
một số hợp chất như : CO, HC, NOx. Đó là các chất khí độc hại, nên hiện nay
trên thế giới và ở Việt Nam, một số lọai xe hơi và xe gắn máy đời mới được

lắp đặt một bộ xử lý khí thải CATALYZER với chức năng biến đổi các khí
độc hại trong khí thải thành các khí không độc, giảm tối đa việc thải các hợp
chất độc hại này ra môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe của cộng đồng.
Hình 1.1 – 1.2 thể hiện hệ thống AIS được trang bị trên 1 số dòng xe của
HONDA và YAMAHA

Hình 1. 1. Hệ thống AIS trang bị trên xe HONDA
1. Van AIS

2. Ống chân không điều khiển van AIS

3. Ống cấp khí vào đường xả


3

Hình 1. 2. Hệ thống AIS trang bị trên xe YAMAHA
1. Đường lấy áp chân khơng

2. Đường khơng khí vào

3. Cụm van cắt gió của hệ thống AIS

4. Đường khơng khí bổ sung vào cổ xả động cơ

5. Bầu lọc gió

1.1.2. Ngun lý hoạt động của hệ thống AIS

Hình 1. 3. Hệ thống AIS

1. Lọc gió của hệ thống AIS

2. Ống cao su dẫn khơng khí sạch

3. Cụm van AIS

4. Ống cao su lấy áp chân không ở cổ hút

5. Đường dẫn khơng khí sạch đến cửa xả

Khơng khí sau khi được lọc sạch ở lọc gió (1), sẽ theo đường ống (2) vào
cụm van AIS (3), trong điều kiện hoạt động bình thường van AIS sẽ ln mở
để cung cấp khơng khí tới cửa thải , dưới tác động của ( lực hút của động cơ


4

tại cổ hút) thông qua ống cao su (4) khi hạ ga đột ngột ở tốc độ cao, cụm van
AIS (3) sẽ đóng lại để tránh gây ra hiện tượng cháy nổ ở sau cổ pô do việc
cung cấp O2 để đốt cháy lượng hịa khí chưa được đốt cháy trong buồng đốt
của động cơ [2].
Chúng ta xét chế độ làm việc của động cơ trong 2 trường hợp:
1.1.2.1. Khi động cơ hoạt động ở chế độ ga bình thường

Hình 1. 4. Khi động cơ hoạt động bình thường
1. Màng da

2. Áp chân khơng nhỏ

3. Lị xo

4. Gió vào

5. Van AIS mở

6. Đường gió ra

7. Van lưỡi gà mở

Áp suất chân không của động cơ tác động lên màng da của bệ van không
lớn chưa thắng được lực nén của lị xo, nên bệ van ln mở cung cấp khơng
khí tới cửa thải để tạo phản ứng với CO trong khí thải.
Trong cấu tạo của cụm van AIS, van lưỡi gà được bố trí dưới bệ van
(trên đường khơng khí ra cửa thải) nhằm ngăn ngừa khơng cho khí thải nóng
đi vào cụm van AIS từ phía cửa thải, có thể gây hư hỏng cụm van của bộ AIS.


5

1.1.2.2. Khi giảm tay ga đột ngột ở tốc độ cao

Hình 1. 5. Khi giảm tay ga đột ngột ở tốc độ cao
1. Áp chân khơng lớn

2. Van AIS đóng

Hoạt động cụm van AIS khi đóng:
Lúc này, quả ga đã hạ xuống và đóng gần hết họng của chế hịa khí, nên
áp suất chân khơng ở cổ hút phía sau chế hịa khí rất lớn, thắng được lực lị xo
và kéo màng da đi lên, làm bệ van đóng lại. Dịng khơng khí qua bộ AIS sẽ bị

ngắt, khơng được cấp tới cửa thải, để ngăn hiện tượng cháy nổ sau tại cổ bơ
do có thêm Oxy để đốt lượng xăng chưa kịp cháy trong buồng đốt.
Như vậy nhiệm vụ của hệ thống là cấp thêm khơng khí sạch vào đầu cổ
thải để đốt cháy nốt lượng nhiên liệu sau q trình cháy cịn sót lại
CO + O2 →CO2

(1.1)

HC + O2→ CO2 + H2O

(1.2)

Van sẽ đóng lại sau khi hạ ga ở tốc độ cao,vì lúc này nếu van khơng
đóng xăng thừa nhiều do thiếu oxy sẽ gây tiếng nổ lớn ở phía ống thải [2].


6

1.2. Bộ xúc tác ba thành phần và các yếu tố ảnh hưởng
Thuật ngữ Bộ xúc tác ba thành phần được hiểu là bộ xử lý đồng thời ba
thành phần chất gây ô nhiễm CO, HC và NOx. Ưu điểm của nó là có thể xử lý
gần như hồn tồn các thành phần chất ơ nhiễm nói trên bằng các phản ứng
hố học và chuyển hóa thành các khí Cacbonic (CO2), Ni-tơ (N2) và hơi nước
(H2O). Bộ xúc tác ba thành phần bắt đầu được lắp đặt trên động cơ xăng từ
năm 1975 và ngày nay nó trở nên rất phổ biến trên các phương tiện giao thông
đường bộ.
Do các phản ứng nói trên phải mất thời gian dài để có thể chuyển hóa
được hồn tồn, thời điểm kết thúc các phản ứng là rất khác nhau dẫn đến tỷ
lệ thành phần các chất ơ nhiễm trong khí thải vẫn còn khá cao khi đi ra khỏi
đường thải. Để tăng tốc độ phản ứng, các nhà chế tạo đã sử dụng các chất xúc

tác là các kim loại quý: Bạch kim - Pt (platinum), Palađi - Pd (palladium), và
rodi (rhodium).
1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ xúc tác ba thành phần
1.2.1.1. Cấu tạo bộ xúc tác ba thành phần

2

1

3
2

5
4
2

Hình 1. 6. Cấu tạo bộ xúc tác ba thành phần
1. Vỏ; 2. Lõi; 3.Lớp đệm; 4.Lớp vật liệu trung gian; 5.Lớp xúc tác.


7

Bộ xúc tác ba thành phần(Three Ways Catalytic Converter- TWC) đồng
thời xử lý tới 90% CO, HC & NOx.
Bộ xúc tác 3 thành phần được bố trí nằm giữa đường ống thải động cơ và
bộ giảm âm, nhưng gần đường ống thải hơn để tận dụng nhiệt lượng cho các
phản ứng hóa học (nhiệt độ lý tưởng 250 - 3500C), vật liệu chế tạo là 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 bộ xúc tác bao
gồm phần lõi và các lớp phủ chất xúc tác.

Bộ phận quan trọng nhất của bộ xúc tác ba thành phần là phần lõi của nó.
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. Vật liệu chế tạo
được làm từ gốm chịu nhiệt độ cao (cordierite 2MgO.2Al2.5SiO2), có hệ số
hấp thụ nhiệt thấp và nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 1.4000C). Các viên gốm
có đường kính khoảng 2 - 3mm được phủ bề mặt ngồi bằng ơxít nhơm,
chúng có khả năng chống mịn và ma sát tốt sau khi được nhiệt luyện ở nhiệt
độ khoảng 1.000°C và được gọi là lớp nền. Sau khi được phủ bề mặt ngoài,
các vật liệu quý Platinum (Pt), Paladium (Pd) và Rhodium (Rh) sẽ 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 milimet được xếp song song với dòng chảy của khí thải.
Lõi gốm cũng được làm từ vật liệu chịu nhiệt cordierit, các rãnh nhỏ song
song có tiết diện ngang hình tam giác hoặc hình vng. Các rãnh dẫn khí thải
này được phủ một lớp ơxít nhơm (Al2O3) xốp, mấp mơ dày khoảng 0,02 mm.
Sau đó lõi gốm được thấm các kim loại quý Pt (platinum), Pd (palladium) và
Rh (rhodium) [3].


8

Hình 1. 7. Cấu trúc lõi dạng gốm nguyên khối

+) Lõi kim loại gồm các lá thép phẳng và các lá thép dập lượn sóng có
độ dày từ 0,04 - 0,05mm được xếp thành lớp. Sau đó, chúng được cuộn trịn
thành hình dạng chữ S hoặc hình trịn. Phổ biến nhất là loại lõi kim loại chia
thành 2 phần riêng biệt, giữa hai phần có một khoảng trống nhỏ.
Lõi thép được phủ bằng A12O3 có độ xốp cao và sau đó được thấm kim
loại quý 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 tiết diện sử dụng có ích của các rãnh dẫn khí
thải lớn hơn khoảng 10÷15 %, độ bền cao hơn, trở lực (mức độ cản trở
chuyển động của dịng khí) đối với khí thải thấp.Nhưng cơng nghệ chế tạo lõi
kim loại phức tạp hơn, khối lượng lớn hơn và giá thành đắt hơn 15%.


9

1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của bộ xúc tác

Hình 1. 8. Nguyên lý hoạt động của bộ xúc tác

Bộ xúc tác ba thành phần có tác dụng tăng cường các q trình ơ-xy hóa
và khử các thành phần độc hại trong khí thải động cơ, các phản ứng chính bao
gồm những phản ứng sau:
Q trình Oxy hóa gồm có:
CO + 1/2 O2 = CO2

(1.3)

CmHn + (m + n/4) O2 = m CO2 + n/2 H2O

(1.4)

Cịn q trình khử NO được thực hiện nhờ phản ứng với CO:
NO + CO = 1/2 N2 + CO

(1.5)

Bộ xử lý xúc tác đã được sử dụng trong hệ thống thải của động cơ trong

hơn ba thập kỷ qua, chúng làm giảm đáng kể hàm lượng độc hại trong khí thải
động cơ. Các Bộ xúc tác ba thành phầnsử dụng trên các phương tiện giao
thông ngày nay có khả năng giảm tới 90% lượng khí thải độc hại phát ra từ
động cơ khi nó được sấy nóng hồn tồn đạt nhiệt độ > 350𝑜 𝐶. Các chất xúc
tác Platium (Pt), Rhodium (Rh) là những vật liệu xúc tác hoạt tính cao cùng
với Cerium (CeO2) có khả năng chứa ơ-xy nên bộ xúc tác có thể ô-xy hoá liên
tục đối với CO, HC ngay cả khi khí thải có hàm lượng lớn CO, HC và thiếu


10

khơng khí. Sự chuyển đổi của CO, HC địi hỏi một mơi trường oxy hố, trong
khi đó sự chuyển đổi NOx địi hỏi mơi trường khử. Do vậy Bộ xúc tác ba
thành phầnhoạtđộng có hiệu quả khi thành phần hỗn hợp gần điều kiện lý
tưởng λ = 1 để có cả mơi trường oxy hố và mơi trường khử. Với hỗn hợp
giàu nhiên liệu thì sự oxy hố CO, HC giảm, trong khi với hỗn hợp nghèo sự
khử NOx giảm.
Do địi hỏi ngặt nghèo và chính xác về hệ số dư lượng khơng khí λ để bộ
xử lý xúc tác làm việc có hiệu quả cho nên bộ xử lý này thường được trang bị
trên động cơ có hệ thống điều khiển điện tử (ECU). Bộ xử lý này làm giảm
đáng kể lượng khí thải độc hại. Tuy nhiên, vấn đề tồn tại của bộ xử lý xúc tác
là nó làm việc không hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn 250oC  350oC, do vậy
trong giai đoạn khởi động và chạy ấm máy các khí thải độc hại thốt ra khỏi
động cơ thải trực tiếp ra ngồi gây ơ nhiễm môi trường.
1.2.2. Những yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm việc của bộ xúc tác ba
thành phần
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm việc của bộ xúc tác ba
thành phần như:
 Nhiên liệu sử dụng
 Tác dụng của nhiệt

 Cấu trúc lõi xúc tác
 Vị trí đặt lõi xúc tác
 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng khơng khí λ
 Điều kiện mơi trường
Trong nhứng yếu tố trên, nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí là 2 yếu
tố quan trọng nhất, ảnh hưởng tới hiệu quả làm việc của bộ xúc tác ba thành
phần.


11

1.2.2.1. Tác dụng của nhiệt
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng làm việc của bộ xúc tác được thể
hiện trên hình 1.9.
CO

HC

NOx

100

Hiệu suất xử lý (%)

80

60

40

20

0
150

250

350

450

550

650

Nhiệt độ (°C)

Hình 1. 9. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng làm việc của bộ xúc tác ba thành phần

Qua biểu đồ ta thấy rằng, khi nhiệt độ tăng từ khoảng 200 oC lên đến 350
o

C thì hiệu suất xử lý CO, HC, NOx của BXT tăng nhanh từ 0% lên tới các giá

trị tương ứng 55%, 30% và 60%. Do tại đây là nhiệt độ BXT bắt đầu làm
việc. Tại nhiệt độ này, các dịng khí đi qua BXT bắt đầu tác dụng mạnh mẽ
với kim loại quý trên bề mặt lớp washcoat, q trình chuyển hóa mới bắt đầu.
Sau đó, khi nhiệt độ BXT tăng từ 350 oC lên khoảng 500 oC, lúc này hiệu suất
BXT có xu hướng tăng chậm, do nhiệt độ đang nằm trong dải mà năng lượng
hoạt hóa của phản ứng giữa kim loại quý và khí thải thay đổi khơng nhiều, vì

vậy, tốc độ phản ứng diễn ra gần như không đổi dẫn tới hiệu quả chuyển đổi
tăng không đáng kể.
Từ sau 500oC hiệu suất phản ứng tiếp tục tăng mạnh và đạt trên 90% tại
gần 650oC. Nguyên nhân là khi nhiệt độ tăng gần đến giá trị này năng lượng


12

hoạt hóa của các phản ứng nhảy xuống mức thấp hơn, mức độ hấp phụ và giải
hấp các chất khí phản ứng và các chất khí sản phẩm tăng mạnh làm cho các
phản ứng diễn ra với tốc độ rất cao, dẫn tới hiệu suất xử lý tăng mạnh và đạt
các giá trị cực đại [4].
1.2.2.2. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng khơng khí
Cảm biến oxy (hình 1.10) khơng thực sự đo nồng độ oxy mà đo sự khác
biệt giữa lượng Oxy trong khí thải và lượng oxy trong khơng khí (để kiểm
sốt hệ số dư lượng khơng khí). Cảm biến oxy được chia làm hai phần chính,
một phần tiếp xúc với Oxy trong khơng khí và một phần tiếp xúc với oxy
trong khí thải.Sự chênh lệch hàm lượng oxy trong khơng khí và khí thải chính
là tín hiệu điện áp để bộ ECM của động cơ phân tích và tính tốn hàm lượng
oxy trong khí thải [4].

Hình 1. 10. Bố trí cảm biến Oxy trên bộ xúc tác


13

Hình 1. 11. Đồ thị đặc tính lamda

Hình 1. 12. Hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải phụ thuộc mức độ dao động của
hệ số dư lượng không khí λ

Tỉ lệ khơng khí - nhiên liệu lý tưởng là 14,7:1 có nghĩa là cần 14,7 kg
khơng khí để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu khi đó người ta quy ước λ = 1.
Nếu λ<1 thì tỉ lệ hịa trộn giàu nhiên liệu (lượng khơng khí thực nhỏ hơn
lý thuyết).
Nếu λ>1 thì tỉ lệ hịa trộn nghèo nhiên liệu.
Khi λ < 1, hiệu suất sử lý CO và HC tương đối thấp còn NOx tương đối
cao, cụ thể là hiệu suất xử lý CO khoảng 55%, HC khoảng 20% và vào
khoảng NOx 80% tại λ = 0,97. Sau đó, khi λ tăng dần đến 1, hiệu suất xử lý


14

CO, HC tăng, hiệu suất xử lý NOx giảm dần về giá trị trong khoảng 70÷80%.
Nguyên nhân là khi λ < 1, hỗn hợp nhiên liệu – khơng khí đậm, lượng Oxy
trong hỗn hợp thấp, do đó hiệu quả cháy khơng cao dẫn tới nồng độ các chất
khí CO, HC trong khí thải q lớn ngồi khả năng hấp thụ và giải hấp của
BXT nên hiệu suất chuyển đổi thấp. Trong khi đó, mặc dù nhiệt độ q trình
cháy cao nhưng do thiếu Oxy nên hình thành phát thải NOx vẫn nhỏ vì thế
hiệu suất xử lý NOx khá cao.
Khi λ = 1 hiệu suất xử lý chung của 3 chất CO, HC, NOx tối ưu và đạt
khoảng gần 80% tại λ = 1. Do tại λ = 1, hỗn hợp nhiên liệu – khơng khí lý
tưởng, lượng oxy vừa đủ nên hiệu quả cháy cao, mơi trường oxy hóa và môi
trường khử đều thuận lợi nên hiệu suất xử lý chung của 3 chất đạt tối ưu.
Khi λ > 1, hiệu suất xử lý CO, HC tương đối cao và có xu hướng tăng
trong khí hiệu suất xử lý NOx có xu hướng giảm, cụ thể là hiệu suất xử lý CO,
HC đạt cực đại khoảng 90% còn hiệu suất xử lý NOx đạt khoảng 60% tại λ
=1,02. Do là khi λ > 1, hỗn hợp nhiên liệu – khơng khí nhạt dần, lượng oxy
trong hỗn hợp tăng dần, do đó hiệu quả cháy cao hơn dẫn tới nồng độ các chất
CO, HC trong khí thải giảm đi nên hiệu suất các chất này tăng lên. Trong khi

đó,nhiệt độ quá trình cháy cao cộng vớithừa Oxy nên hình thành phát thải
NOx càng nhiều dẫn tới quá khả năng chuyển đổi của BXT. Thêm vào nữa
môi trường khử kém thuận lợi hơn chính vì thế hiệu suất xử lý NOx giảm.
1.2.3. Hạn chế của bộ xúc tác ba thành phần
Hạn chế của bộ xúc tác 3 thành phần:
Nếu động cơ bị mất lửa hoặc nổ trong đường thải có thể làm cho nhiệt độ
nhất thời của khí thải tăng lên vượt quá 1.400oC. Khi đó, phần lõi và các lớp
dẫn sẽ bị nóng chảy làm phá huỷ hồn tồn các lớp chất hoạt tính trong đường
dẫn khí thải. Bộ xúc tác ba thành phần sẽ bị mất tác dụng do sự bay hơi của
vật liêu.


15

Trong quá trình hoạt động nếu sử dụng nhiên liệu không đúng tiêu
chuẩn, các chất phụ gia và tạp chất trong nhiên liệu (phụ gia chống kích nổ,
lưu huỳnh, chì,...), sẽ bám trên bề mặt lớp hoạt tính và ngăn chặn sự tiếp xúc
của khí thải với các bề mặt này. Sau một thời gian sẽ làm hư hỏng tại các bề
mặt hoạt tính dẫn đến mất tác dụng của bộ xử lý khí xả.
Việc sử dụng Bộ xúc tác 3 thành phần đã làm tăng trở lực trên đường
thải, tăng tổn hao công suất do giảm khả năng thải tự nhiên của sản phẩm
cháy ở giai đoạn mở sớm của xu-páp xả và thải cưỡng bức trong kỳ xả của
động cơ đốt trong một xylanh.
1.3. Tổng quan về bộ chế hịa khí
Giống như một số bộ phận của động cơ đốt trong một xylanh, thiết bị
trộn nhiên liệu và khơng khí (bộ chế hịa khí) ra đời từ nghiên cứu được hoàn
thành trong vài thế kỷ trước. Vào những năm 1730, Daniel Bernoulli, một nhà
toán học và vật lý học người Thụy Sĩ đã phát hiện ra rằng áp suất khơng khí
giảm khi vận tốc tăng. Điều này buộc khơng khí phải được di chuyển qua một
phần hạn chế của ống; khơng khí tăng thì áp suất giảm. Nó được phát hiện

vào khoảng năm 1797 bởi một nhà vật lý người Ý tên là Giovanni Venturi.
“Nếu áp suất giảm, vận tốc tăng, nếu vận tốc giảm thì áp suất tăng”.
Bộ chế hịa khí hay chế hịa khí là một dụng cụ để trộn khơng khí với
nhiên liệu theo một tỷ lệ thích hợp và cung cấp hỗn hợp này vào bồng cháy
động cơ xăng. Bộ chế hịa khí hoạt động theo nguyên tắc hoàn toàn cơ học.
Yêu cầu của bộ chế hịa khí: Cung cấp hỗn hợp đảm bảo lượng và
thành phần phù hợp với từng chế độ làm việc động cơ; trong mọi điều kiện
môi trường và áp suất, nhiệt độ môi trường khác nhau phải khởi động dễ
dàng; dễ điều chỉnh theo trạng thái kỹ thuật và điều kiện sử dụng động cơ.
Cấu tạo đơn giản, chắc chắn, sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa dễ dàng.