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.
2.3.4 Đặc điểm khai thác bộ biến đổi xúc tác 2.3.4.1 Sự lão hóa của bộ xúc tác 2.3.4.1 Sự lão hóa của bộ xúc tác
Tính hiệu quả của bộ xúc tác sẽ giảm dần theo thời gian sử dụng. Nguyên nhân gây lão hoá này là do tác động đồng thời của các tác nhân hoá, lý, nhiệt và cơ học Trong đó, tác nhân hoá học
do nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp gây ra là quan trọng nhất. Dưới tác động của những yếu tố đến từ
nhiên liệu (Pb, S,
halogènes) hoặc từ chất bôi trơn (P, Ca, Zn, B…) sẽ làm cho chất xúc tác bị mất hoạt tính nhanh chóng. Dấu hiệu mất hoạt tính của chất xúc tác thể hiện qua sự sai lệch
về nhiệt độ khởi động và giảm hiệu quả chuyển hoá cực đại của chất xúc tác. Những tác nhân gây ngộ độc và lão hoá bộ xúc tác oxy hoá Diesel là giống với bộ xúc tác ba chức năng. Trong đó, những tác động do nhiệt ít xảy ra do dòng khí xả của động cơ Diesel có nhiệt độ thấp hơn.
Sự lão hóa bộ xúc tác do tác động của nhiệt
Ở điều kiện nhiệt độ vận hành cao, có thể xảy ra những hiện tượng sau:
_ Giảm bề mặt hoạt động do hiện tượng thiêu kết của kim loại quý và các thành phần trong lớp wash-coat. Lúc này, hoạt tính của xúc tác sẽ giảm dẫn đến độ chuyển hoá của các phản ứng cũng giảm. Hơn nữa, quá trình thiêu kết của cérium sẽ ảnh hưởng đến đại lượng OSC, từ đó dẫn đến hoạt động của bộ xúc tác sẽ thay đổi khi chế độ vận hành thay đổi.
_ Thay đổi cấu trúc của các kim loại hoạt động và của lớp vật liệu nền. _ Tác động tương hổ giữa kim loại với kim loại (tạo những hợp kim hay những mảnh vỡ), giữa kim loại với chất mang, và giữa kim loại với những phụ gia.
_ Mất mát do quá trình bay hơi.
_ Nóng chảy do tiếp xúc với dòng khí xả có nhiệt độ cao.