Bộ lọc khí xả ba thành phần được sử dụng cho cả động cơ xăng và động cơ diezen. Nó cịn được gọi là bộ xúc tác ba chức năng.
Bộ lọc này không chỉ biến đổi được CO, HC mà cịn cả NOx thành chất khơng ơ
nhiễm bởi các phản ứng ơxy hóa khử. NO và O2 là những chất oxy hóa (những chất có thể tạo ra sự cháy) kết hợp với CO, HC là những chất khử (chất bị cháy) tạo ra những chất trung tính N2, H2O, CO2. Những phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm:
+ Phản ứng ơxy hóa: CO + 1 2 O2 CO2 CnHm + (n + m 4 )O2 nCO2 + m 2 H2O + Phản ứng khử: Lọc gió Chế hịa khí Ống nạp Động cơ Ống xả Chất xúc tác oxy hóa Khí xả Van ĐK chân khơng Hệ thống hút hoặc phun khí
28 NO + H2 12 N2 + H2O
NOx +CO N2 + CO2 (2n + m
2 ) NO +CnHm (n + m
4 )N2 +nCO2 + m
2 H2O
Hạn chế của bộ lọc này là muốn cho các phản ứng trên xảy ra thì tỷ lệ khơng khí- xăng phải gần với tỷ lệ lý thuyết ( 1). Nếu đảm bảo được điều kiện đó thì sẽ đạt được tỷ lệ lọc sạch rất cao cho cả ba chất ô nhiễm. Tỷ lệ biến đổi các chất ô nhiễm qua bộ lọc rất nhạy cảm với sự thay đổi tỉ lệ hỗn hợp (hình 1.18)
+ Nếu hỗn hợp cháy đậm thì nồng độ CO, HC trong khí xả cao, nhưng do thiếu oxy nên CO và HC vẫn còn lại sau phản ứng và bị thải ra ngoài.
(CO + HC) + NOx + O2 N2 + CO2 + H2O + CO +HC.
+ Nếu hỗn hợp cháy nhạt thì nồng độ O2 trong khí xả cao và lúc đó CO, HC sẽ bị
oxy hóa nhanh hơn là NOx. Do vậy NOx vẫn còn lại trong phản ứng và bị xả thải ra ngoài.
O2 + (CO + HC+ NOx ) CO2 + H2O +NOx.
Do vậy, để nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn động cơ cần làm việc với tỷ lệ hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu ở gần điểm lý tưởng. Tỷ lệ tối ưu giữa xăng và khơng khí thường là 14,7:1 có nghĩa là để đốt hết 1 pound xăng (khoảng 0,45kg) thì cần 14,7 pound khơng khí. Tỷ lệ xăng – khí trên thực tế ln thay đổi theo điều kiện khai thác. Đôi khi hỗn hợp này có thể cao hơn 14,7 hoặc có thể thấp hơn (nhiều xăng hơn cần thiết). Để bộ xúc tác ba thành phần làm việc có hiệu quả thì cần sử dụng cảm biến lambda (cảm biến O2) và ECU để điều khiển chính xác tỷ lệ khí – xăng (hình 1.19).
Bộ lọc khí xả ba thành phần hiện nay được đặt trên nhiều loại xe ô tô hiện đại mới sản xuất. Hệ thống này sử dụng hai lớp xúc tác, một lớp có tác dụng oxy hóa và một lớp có tác dụng khử.
Bộ lọc khí xả ba thành phần bao gồm: hộp đỡ và hệ thống điều khiển.
Hộp đỡ gồm có lớp nền và lớp kim loại hoạt tính. Cấu trúc của hộp đỡ có thể theo dạng tổ ong hay dạng hạt ceramic, ngày nay đa số ô tô sử dụng cấu trúc dạng tổ ong. Cấu trúc tổ ong làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa lớp xúc tác với khí xả, đồng thời làm giảm lượng kim loại xúc tác nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả xử lý khí xả. Cấu trúc tổ ong có dạng ống tiết diện tròn hay ovan, bên trong được chia nhỏ bởi những vách ngăn song song với trục. Mặt cắt ngang có dạng tổ ong với tiết diện tam giác hay vng. Đối với động cơ có cơng suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các phần tử cơng tác khoảng 130cm2, thể tích tổng cộng của lớp này là 2 – 3 lít (0,02-003 dm3/kW). Các ống này được làm từ gốm (ceramic) có phủ một lớp kim loại.
Lớp nền có tác dụng như lớp đỡ. Nó được chế tạo bằng gốm hay bằng kim loại liền một khối. Vật liệu dùng phổ biến là cordierite 2MgO, 2Al2O3, 5SiO2. Vật liệu này có ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (14000C), do vậy nó có thể chịu được nhiệt độ khí xả và nhiệt độ xúc tác. Ngồi ra lớp nền cịn có thể được chế tạo từ thép lá khơng gỉ có bề dày rất mỏng, ưu điểm của kim loại là dẫn nhiệt tốt nên thời gian khởi động hệ thống xúc tác giảm.
29
Lớp kim loại hoạt tính chính là lớp xúc tác, là nơi diễn ra các phản ứng hóa học. Nó được chế tạo bằng kim loại quý (platinum, rhodium hoặc palladium) mạ thành lớp rất mỏng trên lớp nền. Khối lượng kim loại dùng cho mỗi bộ xúc tác rất thấp khoảng từ 1- 2gam cho mỗi ơ tơ. Ngồi ra trong thành phần của bộ xúc tác còn chứa một số chất khác như cerium, lanthane, bary, sắt silicium…với hàm lượng nhỏ để tăng cường thêm hoạt tính xúc tác, tăng tính ổn định và chống lão hóa cho kim loại quý.
Lớp xúc tác thử là lớp lọc đầu tiên của bộ xúc tác khí xả. Nó sử dụng platium và rhodium để làm giảm khí NOx. Khi một phân tử NO hay NO2 tiếp xúc với lớp xúc tác, nguyên tử Nitơ sẽ bị tách ra khỏi phân tử, bám lại trên bề mặt lớp xúc tác. Các nguyên tử Nitơ kết hợp với nhau tạo ra N2. (2NO N2+O2 hoăc 2NO2 N2+ 2O2).
Lớp xúc tác oxy hóa là lớp lọc thứ hai của bộ xúc tác. Nó làm giảm lượng hydrocarbon và carbon monoxide bằng cách đốt cháy (oxy hóa) chúng nhờ platium và palladium. Lớp này giúp CO và HC phản ứng với lượng oxy cịn lại trong khí xả (2CO+O2 2CO2).
Thứ tự của hoạt tính xúc tác phụ thuộc vào các cặp hệ thống khí xuất hiện theo bảng 1.6.
Bảng 1.6. Hoạt tính xúc tác với các cặp hệ khí khác nhau
TT Cặp hệ khí Hoạt tính xúc tác 1 CO-O2 Rh>Pd>Pt 2 CO-NO Rh>Pd>Pt 3 H2-NO Pt>Pd>Rh 4 C3H6-O2 Pd>Pt>Rh 5 C3H8-O2 Pt>Rh>Pd
Hệ thống điều khiển dùng để kiểm sốt dịng khí xả, lượng oxy cung cấp và sử dụng thông tin này để điều chỉnh hệ thống phun nhiên liệu.
Một cảm biến khơng khí được gắn giữa bộ lọc khí xả và động cơ có tác dụng thơng báo về lượng khơng khí cịn lại trong khí xả. Máy tính sẽ tăng hoặc giảm lượng oxy trong khí xả bằng cách điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp khí và nhiên liệu, đảm bảo tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu- khí trong động cơ đạt gần mức tối ưu cũng như đủ lượng oxy trong khí xả để cho phép lớp xúc tác oxy hóa đốt cháy lượng HC và CO cịn thừa sau kỳ nổ của động cơ.
Bộ lọc khí thải có tác dụng rất lớn trong việc làm giảm ơ nhiễm, tuy nhiên nó có nhược điểm là chỉ làm việc tốt trong điều kiện nhiệt độ đủ cao (>2500
C).
Do vậy tại các vùng khí hậu lạnh, vào thời điểm khởi động xe bộ lọc hầu như không hoạt động.
Một giải pháp đưa ra để khắc phục nhược điểm này là đặt bộ lọc gần động cơ để khí thải đến bộ lọc nhanh hơn. Nhưng mặt trái của giải pháp này là tuổi thọ của bộ lọc sẽ giảm
30
đi do hiệu ứng sốc nhiệt tác dụng lên kết cấu ceramic, để khắc phục có thể sử dụng bộ lọc kim loại chịu nhiệt tốt hơn.
Một giải pháp khác để khắc phục nhược điểm trên là thiết kế hệ thống làm nóng bộ xử lý khí thải trước khi khởi động xe.