Hoạt động của bộ trung hòa khí thải

Xe hơi là một phương tiện đi lại hữu dụng nhưng cũng là một trong những nguồn gây ô nhiễm hầu hết. Để góp thêm phần làm giảm lượng khí thải ô nhiễm, những đơn vị sản xuất ôtô đã sản xuất ra một thiết bị trung hòa khí thải ( catalytic converter ) đang được sử dụng thoáng rộng .

Vị trí của bộ trung hoà khí thải đặt trên xe hơi.
Vị trí của bộ trung hòa khí thải đặt trên xe hơi .

Chính những bộ trung hòa khí thải này là giải pháp giúp những hãng xe trên quốc tế cung ứng được những pháp luật ngày càng khắc nghiệt về môi trường tự nhiên tại nhiều vương quốc. Để làm giảm lượng khí thải, những chiếc xe tân tiến rất chú trọng tới việc trấn áp lượng nguyên vật liệu đốt cháy trong động cơ. Các kỹ sư nỗ lực giữ tỷ suất hỗn hợp không khí và nguyên vật liệu ở gần điểm lý tưởng nhất .

Trên lý thuyết, nếu đạt tới tỷ lệ này, nhiên liệu sẽ được đốt cháy hoàn toàn. Tỷ lệ tối ưu giữa xăng và không khí là 14,7:1, có nghĩa là để đốt hết một pound xăng (một pound khoảng bằng 0,45 kg), cần 14,7 pound không khí. Tỷ lệ xăng khí trên thực tế thay đổi tùy theo khi lái xe. Đôi khi hỗn hợp này có thể cao hơn 14,7 hoặc có thể thấp hơn (nhiều xăng hơn cần thiết).

Trong lượng khí mà một chiếc xe thải ra, gồm có những khí sau :
– Khí nitrogen ( ký hiệu N2, tức là nitơ ) : phần nhiều đi thẳng qua động cơ xe .
– Carbon dioxide ( CO2 ) : loại sản phẩm của quy trình đốt cháy trong động cơ, do carbon trong nguyên vật liệu hòa trộn với oxy trong không khí .
– Hơi nước ( H2O ) : cũng sinh ra từ quy trình đốt trong động cơ, do sự tích hợp giữ hydro trong nguyên vật liệu với oxy trong không khí .
Các chất trên không gây hại, dù CO2 góp thêm phần làm nóng toàn cầu. Nhưng do quy trình cháy không khi nào diễn ra tuyệt vời và hoàn hảo nhất ( không cháy hết nguyên vật liệu ), từ đó mà một lượng chất có hại được sản sinh, gồm :

Carbon oxide (CO): một khí độc không màu và không mùi.

Hydrocarbon hay chất tổng hợp hữu cơ dễ bay hơi (VOC): sinh ra chủ yếu từ nhiên liệu cháy chưa hết. Ánh sáng mặt trời tác động tới những khí này, tạo ra các chất oxy hóa, phản ứng với oxide nitrogen (oxit nitơ) tạo ra ozone (O3), thành phần chủ yếu có trong sương mù.

Nitrogen oxide (nitơ oxit, NO và NO2, cùng gọi là NOx) góp phần tạo nên hiện tượng sương mù và mưa axit, đồng thời tác động xấu tới màng nhầy não người.

Đó chính là 3 chất có trong khí thải xe hơi mà trách nhiệm của bộ trung hòa khí là làm giảm tối đa lượng khí này thoát ra thiên nhiên và môi trường .

Catalytic converter.

A. Reduction catalyst.
B. Oxidization catalyst.
C. Lớp lọc bằng ceramic bên trong.

Đa số những xe văn minh được trang bị bộ lọc 3 lớp. Chúng tập trung chuyên sâu vào việc làm giảm lượng phân tử phân tử carbon monoxide, VOC và NOx có trong khí thải. Bộ trung hòa khí sự dụng hai lớp xúc tác, một làm giảm khí thải và một và oxy hóa chúng. Cả hai gồm có cấu trúc ceramic được tráng phủ một lớp sắt kẽm kim loại, thường là platinum, rhodium, và / hoặc palladium. Người ta cố gắng nỗ lực tạo ra mặt phẳng 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 tiền rất đắt .

Một bộ trung hòa khí thải 3 lớp có cấu trúc như sau:

Lớp xúc tác thứ nhất ( the Reduction Catalyst ) : lớp lọc tiên phong của bộ trung hòa khí thải. Nó sử dụng platinum và rhodium để làm giảm khí NOx. Khi một phân tử NO hay NO2 tiếp xúc với lớp xúc tác, nguyên tử nitrogen sẽ bị tách ra khỏi phân tử, bám lại trên mặt phẳng lớp xúc tác. Các nguyên tử nitrogen tích hợp với nhau, tạo ra N2. ( 2NO => N2 + O2 hoặc 2NO2 => N2 + 2O2 ) .
Lớp xúc tác oxy hóa ( the Oxidization Catalyst ) : đây là lớp lọc thứ nhì. Nó làm giảm lượng hydrocarbon và carbon monoxide bằng cách đốt cháy ( oxy hóa ) chúng nhờ platinum và palladium. Lớp này giúp CO và hydrocarbon phản ứng với lượng oxy còn lại trong khí thải ra ( 2CO + O2 => 2CO2 ) .
Đóng vai trò quan trọng trong việc biến khí ô nhiễm thành những chất khí không tác động ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên là oxy. Lượng oxy này được kiểm soát và điều chỉnh bởi máy tính. Lớp thứ ba chính là mạng lưới hệ thống trấn áp dòng khí thải và sử dụng thông tin này để kiểm soát và điều chỉnh mạng lưới hệ thống phun nguyên vật liệu. Một cảm ứng không khí gắn giữa bộ trung hòa khí và động cơ ( gần động cơ hơn ). Cảm biến này thông tin cho máy tính về lượng không khí còn lại trong khí thải ra .

Ceramic.
Lớp xúc tác làm bằng ceramic .

Máy tính sẽ tăng hoặc giảm lượng oxy trong khí thải bằng cách kiểm soát và điều chỉnh tỷ suất hỗn hợp khí và nguyên vật liệu. Sơ đồ trấn áp này được cho phép máy tính bảo vệ rằng tỷ suất hỗn hợp nguyên vật liệu – khí trong động cơ gần đạt mức tối ưu. Và nó cũng bảo vệ đủ lượng oxy trong khí thải để cho phép sự lớp xúc tác oxy hóa đốt cháy lượng hydrocarbon và CO còn thừa sau kỳ nổ trong động cơ .

Bộ trung hòa khí có tác dụng rất lớn trong việc làm giảm sự ô nhiễm, và về thực chất, hiệu quả của nó còn có thể tăng hơn nữa. 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.

Giải pháp đơn thuần cho yếu tố này là gắn nó gần động cơ hơn nữa. Tức là đưa khí thải 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 ( giống như khi ta đổ nước nóng vào một cốc thủy tinh ) sẽ ảnh hưởng tác động tới vật liệu ceramic. Chất liệu này còn phiền phức ở chỗ không hề làm mỏng mảnh lớp mặt phẳng xúc tác như ý muốn, vừa không tăng được diện tích quy hoạnh tiếp xúc với khí thải, vừa gây cản trở so với luồng khí thoát ra. Để thay thế sửa chữa lớp ceramic, lúc bấy giờ người ta đã sản xuất được bộ lọc sử dụng sắt kẽm kim loại, chịu nhiệt tốt hơn .
Làm nóng bộ trung hòa khí thải trước khi khởi động xe là một giải pháp khác để giảm tối thiểu những chất khí ô nhiễm. Cách đơn thuần nhất là sử dụng điện để sưởi. Có điều, mạng lưới hệ thống điện 12V trên hầu hết xe ôtô lúc bấy giờ không phân phối đủ nguồn năng lượng để làm nóng bộ catalytic converter ở thời hạn thiết yếu. Ít ai hoàn toàn có thể chờ được thời hạn vài phút để cho bộ trung hòa khí kịp nóng trước khi khởi động xe. Những chiếc xe hybrid lúc bấy giờ, gắn một động cơ xăng thường thì với một động cơ điện, cho phép xử lý khó khăn vất vả này một cách thuận tiện .

X.O.