phamvanminh_bg_90
Thành viên O-H
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 (N2) – Trong không khí, nitơ chiếm khoảng 78% và hầu hết đều được đưa vào động cơ xe.
• Khí cacbonic (CO2) – Đây là sản phẩm của quá trình cháy do cacbon trong nhiên liệu kết hợp với ôxi trong không khí tạo thành
• Hơi nước (H2O) – 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 NO2 được gọi chung là NOx) 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 NOx 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 N2. Cụ thể:
2NO N2 + O2 hoặc 2NO2 N2 + 2O2
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 + O2 2CO2
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 NOx 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 NOx. 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 NOx để tạo thành nitơ và hơi nước, đóng vai trò quyết định đến hơn 90% lượng ôxit nitơ trong khí xả.
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.
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 (N2) – Trong không khí, nitơ chiếm khoảng 78% và hầu hết đều được đưa vào động cơ xe.
• Khí cacbonic (CO2) – Đây là sản phẩm của quá trình cháy do cacbon trong nhiên liệu kết hợp với ôxi trong không khí tạo thành
• Hơi nước (H2O) – 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 NO2 được gọi chung là NOx) 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 NOx 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 N2. Cụ thể:
2NO N2 + O2 hoặc 2NO2 N2 + 2O2
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 + O2 2CO2
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 NOx 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 NOx. 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 NOx để tạo thành nitơ và hơi nước, đóng vai trò quyết định đến hơn 90% lượng ôxit nitơ trong khí xả.
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.
