Bộ trung hòa khí thải và những sự cố thường gặp doc

Bộ trung hòa khí thải và những sự cố thường gặp
Đăng lúc: 13/7/2007, 9:29GMT+7
(thegioioto) Để hiểu nguyên nhân bộ trung
hòa khí thải bị hỏng, bạn cần phải biết qua
về nguyên lý hoạt động của hệ thống. Bộ
trung hòa khí thải là một phần của hệ thống
sử lý khí thải. Nhiệm vụ của bộ trung hòa khí
thải là biến đổi các hợp chất độc hại thành
các hợp chất không bình thường. Thông
thường bộ trung hòa khí thải được thiết kế
nằm giữa động cơ và bộ giảm thanh. Được
đặt ngay bên dưới hệ thống ghế ngồi, bạn
có thể cảm thấy hơi ấm tỏa ra trên sàn trong
một chuyến đi đường dài.
Bộ trung hòa khí thải bắt đầu được tiêu chuẩn
với tất cả các loại xe tại thị trường Mỹ bắt đầu
từ những năm 1970. Hệ thống sẽ giúp tuổi thọ
của xe kéo dài, trong khi rất ít khi gặp sự cố
(thông thường chỉ là bị tắc).
Bộ trung hòa khí sự dụng hai lớp xúc tác, một
làm giảm khí thải và một và oxy hóa chúng. Cả
hai bao gồm cấu trúc ceramic được tráng phủ
một lớp kim loại, thường là platinum, rhodium,
và/hoặc palladium. Người ta cố gắng tạo ra bề
mặt tiếp xúc lớn nhất giữa lớp ceramic với dòng
khí thải chạy ngang, trong khi giảm xuống tối
thiểu lượng chất xúc tác (catalyst) cần dùng vì
giá thành rất đắt.
Hai lớp trung hòa khí thải bao gồm:
- Lớp xúc tác oxy hóa: Làm giảm lượng
hidrocarbon và xăng chưa cháy bằng cách oxy

hóa chúng thành CO2 và hơi nước bằng một
lượng nhỏ kim loại Palladium(Pd) và platium(Pt)
- Lớp thứ 2(Reduction catalysts): Lớp này sử
dụng một lượng nhỏ kim loại Palladium và
rhodium để chuyển đổi các loại khí Nox độc hại
thành ni tơ và oxy(chúng ta biết rằng các oxide
nitrogen là nguyên nhân dẫn đến tình trạng
sương mù).
Bộ trung hòa khí có tác dụng rất lớn trong việc
làm giảm sự ô nhiễm. Một thiếu sót lớn nhất
của hệ thống này nó chỉ làm việc tại một nhiệt
độ đủ cao. Thời điểm khởi động xe sau một
đêm trời lạnh, bộ trung hòa khí gần như không
hoạt động. Để giải quyết vấn đề này là gắn nó
gần động cơ hơn nữa. Khí đó khí thải sẽ tới bộ
trung hòa khí nhanh hơn. Nhưng điều đó lại dẫn
đến việc làm giảm tuổi thọ của bộ catalytic
converter. Hiệu ứng sốc nhiệt sẽ ảnh hưởng tới
chất liệu ceramic. Để thay thế lớp ceramic, hiện
nay người ta đã chế tạo được bộ lọc sử dụng
kim loại, chịu nhiệt tốt hơn.
Dạng hỏng chủ yếu của bộ trung hòa khí thải là
hiện tượng bị tắc. Để phát hiện điều đó không
phải là công việc dễ dàng, thông thường cách
duy nhất là tạm thời tháo hệ thống ra và quan
sát sự chuyển biến ở động cơ. Khi nghi ngờ bộ
trung hòa khí thải bị hỏng, người ta có thể lấy
cảm biến oxy ở đường dẫn khí thải và sau đó
quan sát sự thay đổi diễn ra.
Bộ trung hòa khí thải luôn hoạt động ở hỗn hợp

khí thải vừa đủ ở nhiệt độ thích hợp. Vì vậy bất
cứ nguyên nhân nào dẫn làm thay đổi hỗn hợp
hay nhiệt độ của dòng khí thải đều làm giảm
khả năng làm việc và tuổi thọ của hệ thống.
Bộ lọc khí xả dùng chất xúc tác của ô tô (Phần I) 29/06/2009

Ở các nước phát triển, trên mỗi con đường luôn có hàng triệu
những chiếc ô tô đang lưu thông và mỗi chiếc là một nguồn gây
ô nhiễm không khí. Đặc biệt tại các thành phố lớn, lượng không
khí bị ô nhiễn do các loại xe hơi sinh ra đã và đang là một vấn
đề bức xúc.

Từ giữa thập niên 1960, khí xả từ động cơ đã được Cơ quan bảo vệ
môi trường của Mỹ quy định rất nghiêm ngặt. Trước năm 1966, khí
xả từ các loại xe khách đã không được kiểm soát. Vào năm 1966, để
đối phó lại với tình trạng ô nhiễm không khí, Bang California, Mỹ đã
ban hành những quy định để hạn chế lượng hydrocacbon và CO
trong khí xả. Vào năm 1968, chính phủ Mỹ đã thông qua một đạo luật
về khí xả áp dụng trên khắp lãnh thổ. Trong suốt những năm này, quy
định này ngày càng khắt khe hơn và động cơ ngày nay chỉ được
phép thải ra lượng khí ô nhiễm nhỏ hơn quy định của năm 1968.
Những quy định về lượng khí xả đã trở thành những thách thức rất
lớn và cũng đặt ra một nhiệm vụ khó khăn cho các nhà sản xuất xe.

Thường có ba phương pháp cơ bản được sử dụng để kiểm soát
lượng khí xả của động cơ:
• Các biện pháp kỹ thuật trong quá trình cháy
• Tối ưu hóa trong việc lựa chọn các thông số kỹ thuật của động
cơ và
• Sử dụng các thiết bị sau xử lý trong hệ thống xả.

Chỉ nói riêng với phương pháp thứ ba ở trên, trải qua nhiều năm
tháng, các nhà sản xuất xe hơi đã chế tạo rất nhiều bộ lọc cho động
cơ xe và các hệ thống nhiên liệu để đảm bảo tuân thủ các đạo luật
này. Một trong những thay đổi lớn đã xuất hiện vào khoảng năm
1975 do sự ra đời của một thiết bị thu hút nhiều sự chú ý được gọi là
“bộ lọc khí dùng chất xúc tác”. Nhiệm vụ của bộ lọc xúc tác này là
chuyển hóa khí thải từ động cơ chứa chất ô nhiễm nặng thành chất
khí thải có hại ít hơn cho môi trường trước khi chúng được thải ra
ngoài không khí qua hệ thống ống xả của xe.


Kim loại platinum làm chất xúc tác cho bộ lọc

Các bộ lọc xúc tác là thiết bị có cấu tạo đơn giản đến không ngờ. Bởi
vậy thật không thể tưởng tượng được là nó có khả năng ảnh hưởng
lớn đến mức nào. Trong bài viết kỳ này, chúng ta sẽ tìm hiểu xem
động cơ sinh ra khí thải độc hại ra sao và một bộ lọc dùng chất xúc
tác phản ứng như thế nào đối với các chất ô nhiễm này.

Chất ô nhiễm sinh ra từ động cơ xe

Vị trí của bộ lọc dùng chất xúc trong xe

Để giảm lượng khí xả độc hại, các động cơ trên xe hiện đại đều
được trang bị hệ thống kiểm soát nhiên liệu. Các hệ thống này đảm
bảo cho tỷ lệ giữa nhiên liệu và không khí ở giá trị gần nhất với giá trị
tỷ lệ hòa khí lý tưởng (stoichiometric). Về mặt lý thuyết, ở tỷ lệ này,
tất cả lượng nhiên liệu sẽ được đốt cháy hết bằng lượng ôxi có trong
khí nạp. Đối với động cơ xăng, tỷ lệ hòa khí lý tưởng ở vào khoảng

14,7 : 1. Nghĩa là ở tỷ lệ này, để đốt cháy hết mỗi pound (ứng với
0,4536 kg) xăng cần đến 14,7 pound không khí. Tỷ lệ hỗn hợp hòa
khí trong thực tế sẽ thay đổi một chút quanh giá trị tỷ lệ lý tưởng này
khi bạn chạy xe. Đôi khi hỗn hợp hòa khí có thể nghèo (ứng với tỷ lệ
nhiên liệu – không khí lớn hơn 14,7) hoặc có thể giầu khí cháy (tỷ lệ
nhiên liệu – không khí nhỏ hơn 14,7).

Các thành phần chính trong khí xả của ô tô thường là:
• Khí Nitơ (N
2
) – Trong không khí, nitơ chiếm khoảng 78% và
hầu hết đều được đưa vào động cơ xe.
• Khí cacbonic (CO
2
) – Đây là sản phẩm của quá trình cháy
do cacbon trong nhiên liệu kết hợp với ôxi trong không khí
tạo thành
• Hơi nước (H
2
O) – Đây cũng là một sản phẩm của quá trình
cháy do hydro trong nhiên liệu kết hợp với ôxi trong không
khí tạo thành.

Về cơ bản, các chất có trong khí thải hầu hết là các chất không ảnh hưởng
đến môi trường và sức khỏe. Mặc dù vậy, cacbon đioxit trong khí thải vẫn
được xem là nguyên nhân làm cho trái đất đang nóng dần lên. Nhưng do quá
trình cháy không bao giờ diễn ra một cách hoàn toàn nên một số lượng nhỏ
các chất có hại cũng được sinh ra trong động cơ xe. Bộ lọc dùng chất xúc tác
được chế tạo để làm giảm hàm lượng của ba thành phần dưới đây trong khí
thải:

• Cacbon monoxit (CO) là một chất khí độc hại không mầu
và không mùi.
• Hydrocacbon hay các chất hưu cơ dễ bay hơi (VOCs) là
thành phần chính của khói đen được tạo ra từ quá trình
bay hơi của nhiên liệu không được đốt cháy hết.
• Ôxit nitơ (NO và NO
2
được gọi chung là NO
x
) là các chất
góp phần tạo ra khói đen và hiện tượng mưa axit, chúng
cũng kích thích lên da con người gây hiện tượng ngứa và
màng nhầy.
Ngoài các thành phần kể trên, cũng phải kể đến các loại tạp chất
dạng hạt rắn nhỏ li ty và chỉ có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi. Các
loại tạp chất có một nồng độ tương đối cao trong khí thải và có thể
quan sát được chúng thông qua khói nhìn thấy được hoặc bồ hóng
thải ra từ đường ống xả. Các loại tạp chất được thải ra từ động cơ
được quy định chặt chẽ trong một phạm vi nào đó do chỉ cần hít vào
một lượng nhỏ cũng có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng cho
đường hô hấp của con người. Các loại tạp chất là những vấn đề
được quan tâm chính ở động cơ diesel và chúng được thể hiện ở
việc hạn chế lượng khói được xả ra. Đối với xe sử dụng nhiên liệu
không pha chì, tạp chất thải ra nói chung không phải là một vấn
nghiệm trọng ở động cơ xăng.
Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem chính xác điều gì xảy ra bên
trong bộ lọc dùng chất xúc tác.
Bộ lọc làm giảm các chất thải ô nhiễm như thế nào.

Trong hóa học, chất xúc tác là một thành phần có tác dụng tăng

cường các phản ứng hóa học mà không làm ảnh hưởng đến bản
chất của phản ứng. Các chất xúc tác tham gia vào phản ứng nhưng
không phải là các chất phản ứng hoặc sản phẩm của phản ứng.
Trong cơ thể con người, các enzim là các chất xúc tác tự nhiên chịu
trách nhiệm tác động đến các phản ứng sinh hóa cần thiết cho cơ
thể.

Trong bộc lọc dùng chất xúc tác, có hai loại chất xúc tác khác nhau
tham gia các hoạt động chính của bộ lọc là xúc tác khử và xúc tác ôxi
hóa. Cả hai loại chất xúc tác này đều có chứa gốm được bọc bên
ngoài bởi một lớp kim loại xúc tác quý hiếm, thường là platinum, rôđi
và/hoặc palađium. Ý tưởng tạo ra kết cấu như vậy để bề mặt bộ lọc
có diện tích tiếp xúc lớn nhất với luống khí xả, tăng hiệu suất lọc,
trong khi đó lại giảm đến mức thấp nhất lượng chất xúc tác cần phải
sử dụng khi mà các kim loại quý này rất đắt tiền. Một vài loại bộ lọc
mới gần đây được sản xuất ra đã bắt đầu sử dụng vàng làm kim loại
xúc tác thay cho kim loại quý ở trên trộn lẫn với các chất xúc tác
truyền thống. Vàng rẻ hơn, có thể tăng cường phản ứng ôxi hóa,
giảm được lượng chất ô nhiễm lên dến 40%.

Hầu hết các kiểu xe hiện đại đều được trang bị bộ lọc dùng chất xúc
tác ba thành phần. Tên gọi này có liên quan đến việc giảm thiểu hàm
lượng của ba chất ô nhiễm trong khí xả.


Phản ứng khử của chất xúc tác là phản ứng xúc tác sơ cấp trong bộ
lọc xúc tác. Phản ứng này sử dụng platinum và rôđi để giảm lượng
NO
x
thải ra. Khi một phân tử NO hoặc NO

2
tiếp xúc với chất xúc tác,
nó sẽ tách nguyên tử nitơ ra khỏi phân tử và giữ lại trên bề mặt của
nó, giải phóng nguyên tử ôxi tại thành O
2
. Các nguyên tử nitơ kết
hợp với các nguyên tử nitơ khác kẹt trên bề mặt bộ lọc để tạo thành
N
2
. Cụ thể:

2NO ⇒ N
2
+ O
2
hoặc 2NO
2
⇒ N
2
+ 2O
2

Phản ứng ôxi hóa là phản ứng xúc tác thứ cấp trong bộ lọc xúc tác.
Nó làm giảm lượng hydrocacbon và cacbon monoxit không cháy hết
bằng cách ôxi hóa chúng khi đi qua xúc tác platinum và palađium.
Các chất xúc tác này sẽ kích thích và tăng cường phản ứng của CO
và các hydrocacbon với ôxi còn lại trong khí xả. Cụ thể:

2CO + O
2

⇒ 2CO
2

Có hai loại kết cấu chính được sử dụng trong các bộ lọc xúc tác –
dạng tổ ong và dạng các hạt gốm. Hầu hết các loại xe ngày nay đều
sử dụng dạng cấu trúc tổ ong.


Kết cấu dạng tổ ong

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem giai đoạn thứ ba của quá trình
chuyển hóa và bạn có thể thấy nó cải thiện hiệu suất của xe như thế
nào.

Kiểm soát chất ô nhiễm và cải thiện hiệu suất
Giai đoạn thứ ba của quá trình chuyển hóa là hệ thống kiểm soát
dòng khí xả và sử dụng các thông tin này để điều chỉnh hệ thống
phun nhiên liệu. Ở đây người ta bố trí một cảm biến lượng ôxi đặt ở
đường vào của bộ lọc xúc tác, gần vị trí đặt động cơ. Cảm biến này
sẽ gửi tín hiệu đến ECU động cơ để xác định chính xác hàm lượng
ôxi trong khí xả. ECU của động cơ sẽ điều chỉnh tăng hoặc giảm
lượng ôxi trong khí xả bằng cách điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu
– không khí. Phương pháp điều chỉnh này cho phép ECU động cơ
đảm bảo chắc chắn cho động cơ hoạt động với tỷ lệ hỗn hợp gần
nhất với tỷ lệ lý tưởng và cũng đảm bảo sẽ có đủ lượng ôxi trong khí
xả để giúp chất xúc tác ôxi hóa hết lượng hydrocacbon và CO chưa
cháy trong khí xả.

Bộ lọc xúc tác đã thực hiện một nhiệm vụ tuyệt vời là giảm lượng các
chất ô nhiễm nhưng về cơ bản nó vẫn cần phải được cải thiện. Một

trong những khuyết điểm lớn nhất của bộ lọc là nó chỉ làm việc hiệu
quả ở nhiệt độ tương đối cao. Khi bạn mới khởi động xe, động cơ
vẫn còn chưa nóng, vì vậy mà hầu như bộ lọc xúc tác không có tác
dụng giảm chất ô nhiễm trong khí xả.


Hoạt động của chất xúc tác phụ thuộc nhiệt độ

Một giải pháp đơn giản để giải quyết vấn đề này là di chuyển bộ lọc
đến gần động cơ hơn. Điều này có nghĩa là bộ lọc sẽ tiếp xúc với khí
xả ở nhiệt độ cao hơn và nó sẽ được làm nóng nhanh hơn nhưng
việc này có thể làm giảm tuổi thọ của bộ lọc bởi nó dễ bị phá hủy khi
nhiệt độ quá cao. Hầu hết các nhà sản xuất xe hơi đều đặt bộ lọc ở vị
trí phía dưới ghế ngồi hành khách phía trước, đủ xa khỏi động cơ để
giữ cho nhiệt độ khí xả đủ thấp để không làm hại bộ lọc.

Hâm nóng sơ bộ cho bộ lọc cũng là một phương pháp tốt để tăng
cường khả năng của bộ lọc. Cách đơn giản nhất để hâm nóng trước
bộ lọc là sử dụng bộ gia nhiệt bằng điện. Nhưng không may là hệ
thống điện trên xe với điện áp 12 vol là không đủ để cung cấp cho bộ
lọc làm nóng nhanh được. Hầu như mọi người đều không thể chờ
lâu trong vài phút như vậy để bộ lọc được làm nóng lên trước khi họ
khởi động xe. Tuy nhiên các loại xe hơi hybrid ngày nay có bộ ắc quy
lớn và điện áp khá cao có thể cung cấp đủ năng lượng để làm nóng
nhanh bộ lọc.

Các bộ lọc xúc tác trong các loại xe sử dụng động cơ diesel đều không có
khả năng giảm lượng NO
x
tốt. Lý do đưa ra là động cơ diesel khi làm việc có

nhiệt độ thấp hơn các động cơ khác. Một số các chuyên gia hàng đầu về xe
hơi thân thiện với môi trường đã đề ra ý tưởng cho ra đời một hệ thống mới
trong cuộc chiến chống ô nhiễm môi trường. Họ đưa ra giải pháp là cho urê
vào trong đường ống xả. Trước khi khí xả đi qua bộ lọc, urê bay hơi và hòa
lẫn vào trong khí xả và tạo ra phản ứng hóa học làm giảm lượng NO
x
. Urê
cũng được biết đến với tên gọi cacbamit, là một chất hữu cơ được tạo thành
từ cacbon, nitơ, ôxi và hydro. Nó được phát hiện trong nước tiểu của động
vật có vú và động vật lưỡng cư. Urê phản ứng với NO
x
để tạo thành nitơ và
hơi nước, đóng vai trò quyết định đến hơn 90% lượng ôxit nitơ trong khí xả.
Những tên trộm chuyên ăn cắp bộ lọc
Trên thế giới, ở các nước phát triển, dòng xe SUV và xe tải nhẹ đang
trở thành mục tiêu tim kiếm và ăn trộm bộ lọc xúc tác để bán do các
kim loại quý và có giá trị thương mại cao bên trong bộ lọc. Một bộ lọc
tiêu chuẩn bên trong có platinum, palađium và rôđi có giá trị lên tới
hang trăm đô la. Các dòng SUV và xe tải với gầm xe cao tạo điều
kiện cho bọn trộm có thể chui xuống dễ dàng và tháo bộ lọc chỉ trong
vòng khoảng 60 giây. Vì lý do này mà cảnh sát tại một số thành phố
lớn rất quan tâm đến và trở thành một vấn đề nghiêm trọng. Cảnh sát
đã phải cảnh báo cho những tài xế SUV và xe tải nên đỗ xe tại
những khu vực sáng sủa và đông người qua lại.