Bộ xử lý xúc tác có thể bao gồm loại 1 ngăn, 2 ngăn, hoặc 3 ngăn cùng một lúc có thể giảm thiểu khí CO, HC, và NOx. Hiện nay, bộ xúc tác có 3 dạng chính:
Bộ xúc tác một thành phần hay còn gọi là bộ xúc tác oxy hóa: Bộ xúc tác
một thành phần chỉ có tác dụng đối với CO và HC mà không có tác dụng đối với NOx.
CO và HC sẽ bị oxy hóa tạo ra CO2 và H2O theo phản ứng:
CO + 1/2O2 CO2 (2.21)
[HC] + O2 CO2 + H2O (2.22)
Bộ xúc tác này làm việc hiệu quả khi có một lượng ôxy thừa. Để bổ sung không khí cho quá trình oxy hóa, bộ xúc tác sẽ được bố trí kết hợp với hệ thống phun gió hay hệ thống xung khí.
Bộ xúc tác hai thành phần: Bộ xúc tác này cũng có nhiệm vụ oxy hóa CO, HC thành CO2 và H2O đồng thời khử NOx thành N2. Về cấu tạo, bộ xúc tác này gồm 2 ngăn xúc tác mắc nối tiếp.
Ở ngăn thứ nhất xảy ra sự khử NO dưới tác dụng của xúc tác, các phản ứng xảy ra như sau:
NO + CO 1/2N2 + CO2 (2.23)
NO + H2 1/2N2 + H2O (2.24)
NO + [HC] 1/2N2 + CO2 + H2O (2.25)
Ngoài ra còn có một lượng NH3 được hình thành do phản ứng:
NO + 5/2H2 NH3 + H2O (2.26)
2NO + 5CO + 3H2O 2NH3 + 5CO2 (2.27)
Hỗn hợp sản phẩm tạo thành tiếp tục qua ngăn xúc tác thứ hai.
Ở ngăn thứ hai dưới tác dụng của xúc tác sẽ xảy ra quá trình oxy hóa CO và HC theo phản ứng sau:
CO + 1/2O2 CO2 (2.28)
[HC] + O2 CO2 + H2O (2.29)
Trong hệ thống này cần thiết phun không khí bổ sung vào giữa hai hộp xúc tác và thường được sử dụng trên những động cơ tàu thủy cỡ lớn thuộc dạng đánh lửa cưỡng bức.
Điểm bất lợi của của bộ xúc tác này là động cơ phải làm việc với hỗn hợp giàu để trong hộp xúc tác đầu tiên xảy ra phản ứng khử NO. Điều này dẫn đến sự tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Ngoài ra, một nhược điểm nữa là khí NH3 được tạo thành
trong quá trình khử NO có thể bị oxy hóa bộ phận và tạo N2 hay NO trở lại khi gặp
không khí phun bổ sung vào khu vực giữa hai hộp xúc tác.
NH3 + 3/2O2 1/2N2 + 3/2H2O (2.30)
NH3 + 5/4O2 NO + 3/2H2O (2.31)
Tỷ lệ NH3 bị oxy hóa trở lại thành NO phụ thuộc vào loại xúc tác sử dụng, nhiệt độ và áp suất riêng phần của ôxy, trong một số trường hợp tỷ lệ này rất cao.
H. 2-28. Hình dạng của một bộ xúc tác ba chức năng
Bộ xúc tác ba chức năng: Bộ xúc tác này cho phép xử lý đồng thời CO,
HC, và NOx bởi các phản ứng oxy hóa_khử. Đây là một trong những công cụ hiệu quả
được áp dụng nhiều nhất hiện nay trên các động cơ xăng. Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm:
Các phản ứng oxy hóa:
CO + 1/2O2 CO2 (2.32)
CxHy + (x+y/4)O2 xCO2 + y/2H2O (2.33)
Các phản ứng khử:
NO + CO 1/2N2 + CO2 (2.35)
(2x+y/4)NO + CxHy (x+y/4)N2 + xCO2 + y/2H2O (2.36)
Cường độ của những phản ứng này phụ thuộc rất nhiều vào mức độ đậm nhạt của hỗn hợp công tác trong động cơ. Hai phản ứng oxy hóa diễn ra khi độ đậm
λ≈1trong khi đó ba phản ứng khử NO diễn ra thuận lợi ở điều kiện hỗn hợp giàu. Trong cùng điều kiện về nhiệt độ, việc oxy hóa CO, HC và khử NOx chỉ có thể diễn ra một cách đồng thời khi λ≈1 (sai lệch cho phép nhỏ hơn 1%). Một thay đổi nhỏ khoảng vài phần trăm của hệ số dư lượng không khí sẽ dẫn đến sự giảm chức năng xúc tác của thiết bị. Dao động của hệ số dư lượng không khí sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác như sau:
- Nếu hỗn hợp cháy quá nghèo, nồng độ O2 trong khí xả cao. Lúc này CO và
HC sẽ bị oxy hóa bởi O2 nhanh hơn bởi NO, dẫn đến hiệu suất khử NO giảm. Vì vậy
NO vẫn còn lại sau phản ứng và bị đẩy ra ngoài.
- Nếu hỗn hợp cháy quá giàu, nồng độ CO và HC trong khí xả cao, quá trình
khử hóa học NOx xảy ra cao hơn còn hiệu suất oxy hóa CO và HC sẽ giảm do thiếu
O2.
H.2-29. Vị trí lắp đặt của bộ cảm biến trên hệ thống xả.
Do vậy, bộ xúc tác ba chức năng luôn hoạt động song song với một cơ cấu tự điều chỉnh tỷ lệ cháy hoàn toàn lý thuyết. Quá trình tự điều chỉnh này không thể đảm bảo được bởi các cơ cấu tự định lượng của hệ thống phun nhiên liệu điện tử mà phải thông qua một thiết bị riêng gọi là cảm biến lamda. Cảm biến này sẽ được lắp trên đường ống xả và phía trước bộ xử lý khí xả để cung cấp những tín hiệu về thành phần
hỗn hợp cho bộ điều khiển điện tử của hệ thống nhiên liệu. Mục đích là tạo hỗn hợp không khí-nhiên liệu tối ưu (A/F = 14,7 g) để tránh quá trình đóng cáu trên động cơ, sự tiêu thụ quá mức nhiên liệu và tất nhiên là hạn chế tối thiểu phát xả chất ô nhiễm.
Tuy nhiên theo thời gian thì cảm biến này cũng bị lão hoá dẫn đến hiệu quả điều chỉnh kém và cần được thay thế. Thời gian làm việc trung bình khoảng 80.000 km.
Bộ phận chủ yếu của cảm biến là khối sứ đặc biệt 3 (lớp chất điện phân rắn) được bọc bởi những điện cực xốp platin 9, 10 mà khí có thể thẩm thấu qua được. Toàn bộ khối điện cực được lắp trong ống bảo vệ bằng thép 4 có các cửa để khí thải đi qua. Bộ cảm biến sẽ được lắp trong dòng khí xả. Bề mặt của điện cực phía ngoài sẽ tiếp xúc với dòng khí xả có nồng độ ôxy rất nhỏ, còn điện cực phía trong sẽ tiếp xúc với không khí tĩnh. Nếu nồng độ ôxy giữa hai điện cực khác nhau thì sẽ xuất hiện một điện áp được xác định bằng một vôn kế. Điện áp sinh ra là tín hiệu để bộ điều khiển điện tử (ECU) thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Chỉ từ nhiệt độ 300oC trở lên chất điện phân mới cho các ion ôxy đi qua. Do đó, để cảm biến nhanh chóng đạt nhiệt độ này, người ta bố trí một bộ phận gia nhiệt cho cảm biến.
Việc duy trì thành phần hỗn hợp có λ= 1 ngoài việc tăng tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm nó còn hạn chế các phản ứng “nhiễu “ tạo N2O.
2NO + CO N2O + CO2 (2.37)
2NO + H2 N2O + H2O (2.38)
2NO + (HC) N2O + CO2 + H2O (2.39)
Cường độ các phản ứng này bé nhất khi λ≈1. Ngày nay, để đáp ứng cho những
động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp thừa không khí với mục đích giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ thì còn có bộ xúc tác DeNOx nhằm làm giảm lượng NOx trong khí thải của loại động cơ này.