Bộ chuyển đổi xúc tác trên ô tô hoạt động như thế nào?

Trong quá trình hoạt động của động cơ đốt trong, các khí thải được thải ra ngoài bầu khí quyển, đây không chỉ là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí mà còn là một trong những nguyên nhân gây ra nhiều bệnh tật.

Những khí này thoát ra từ hệ thống xả của xe, bao gồm các yếu tố cực kỳ có hại, đó là lý do tại sao những chiếc ô tô hiện đại được trang bị một hệ thống xả đặc biệt, trong đó luôn có chất xúc tác.

Bộ chuyển đổi xúc tác phá hủy các phân tử có hại trong khí thải và làm cho chúng an toàn nhất có thể cho con người và môi trường.

Chất xúc tác là gì?

Bộ chuyển đổi xúc tác là một loại thiết bị có nhiệm vụ chính là giảm lượng khí thải độc hại từ khí thải của động cơ ô tô. Cấu trúc của chất xúc tác rất đơn giản. Đây là một thùng chứa kim loại được lắp vào hệ thống xả của ô tô.

Có hai đường ống trong bể. "Đầu vào" của bộ chuyển đổi được kết nối với động cơ, và khí thải đi vào qua nó, và "đầu ra" được kết nối với bộ cộng hưởng của hệ thống xả của xe.

Khi khí thải từ động cơ đi vào chất xúc tác, các phản ứng hóa học sẽ diễn ra trong đó. Chúng phá hủy các khí độc hại và biến chúng thành khí vô hại có thể thải ra môi trường.

Các thành phần của bộ chuyển đổi xúc tác là gì?

Để làm rõ hơn một chút về cách hoạt động của bộ chuyển đổi xúc tác trên ô tô, chúng ta hãy xem xét các yếu tố chính của nó là gì. Không đi vào chi tiết, chúng tôi sẽ chỉ liệt kê các yếu tố chính mà từ đó nó được xây dựng.

Substrate

Chất nền là cấu trúc bên trong của chất xúc tác mà chất xúc tác và kim loại quý được phủ lên trên. Có một số loại chất nền. Sự khác biệt chính của họ là vật liệu mà nó được tạo ra. Thông thường, nó là một chất trơ giúp ổn định các hạt hoạt động trên bề mặt của nó.

Bảo hiểm

Vật liệu xúc tác hoạt động thường bao gồm alumina và các hợp chất như xeri, zirconium, niken, bari, lantan và các loại khác. Mục đích của lớp phủ là để mở rộng bề mặt vật lý của chất nền và đóng vai trò là lớp nền mà các kim loại quý được lắng đọng trên đó.

Kim loại quý

Các kim loại quý có trong bộ chuyển đổi xúc tác dùng để thực hiện phản ứng xúc tác cực kỳ quan trọng. Các kim loại quý thường được sử dụng là bạch kim, palladi và rhodium, nhưng trong những năm gần đây, một số lượng lớn các nhà sản xuất đã bắt đầu sử dụng vàng.

Nhà ở

Vỏ là lớp vỏ bên ngoài của thiết bị và chứa chất nền và các thành phần khác của chất xúc tác. Vật liệu mà vỏ máy thường được làm là thép không gỉ.

Ống

Các đường ống kết nối bộ chuyển đổi xúc tác của xe với hệ thống xả và động cơ của xe. Chúng được làm bằng thép không gỉ.

Bộ chuyển đổi xúc tác trên ô tô hoạt động như thế nào?

Đối với hoạt động của động cơ đốt trong, điều quan trọng là quá trình cháy ổn định của hỗn hợp nhiên liệu không khí phải diễn ra trong xi lanh của nó. Trong quá trình này, các khí độc hại như carbon monoxide, nitơ oxit, hydrocacbon và các khí khác được tạo ra.

Nếu ô tô không có bộ chuyển đổi xúc tác, tất cả các khí cực độc này sau khi được thải vào ống xả từ động cơ sẽ đi qua hệ thống xả và đi thẳng vào không khí mà chúng ta hít thở.

Nếu xe có bộ chuyển đổi xúc tác, khí thải sẽ chảy từ động cơ đến bộ giảm thanh qua tổ ong của chất nền và phản ứng với kim loại quý. Kết quả của một phản ứng hóa học, các chất độc hại được trung hòa và chỉ có khí thải vô hại, chủ yếu là carbon dioxide, đi vào môi trường từ hệ thống xả.

Chúng ta biết từ các bài học hóa học rằng chất xúc tác là chất gây ra hoặc tăng tốc độ phản ứng hóa học mà không ảnh hưởng đến nó. Chất xúc tác tham gia vào các phản ứng nhưng không phải là chất phản ứng cũng không phải là sản phẩm của phản ứng xúc tác.

Có hai giai đoạn mà khí độc hại trong chất xúc tác đi qua: khử và oxy hóa. Làm thế nào nó hoạt động?

Khi nhiệt độ hoạt động của chất xúc tác đạt 500 đến 1200 độ F hoặc 250-300 độ C, hai điều xảy ra: khử và ngay sau đó là phản ứng oxy hóa. Điều này nghe có vẻ hơi phức tạp, nhưng nó thực sự có nghĩa là các phân tử của chất đang đồng thời mất và nhận electron, điều này làm thay đổi cấu trúc của chúng.

Quá trình khử (hấp thụ oxy) xảy ra trong chất xúc tác là nhằm chuyển oxit nitric thành một loại khí thân thiện với môi trường.

Làm thế nào để một chất xúc tác ô tô hoạt động trong giai đoạn phục hồi?

Khi oxit nitơ từ khí thải của ô tô đi vào chất xúc tác, bạch kim và rhodi trong đó bắt đầu hoạt động phân hủy các phân tử oxit nitơ, biến khí độc hại thành hoàn toàn vô hại.

Điều gì xảy ra trong giai đoạn oxi hóa?

Bước thứ hai xảy ra trong chất xúc tác được gọi là phản ứng oxy hóa, trong đó các hydrocacbon chưa cháy được chuyển thành carbon dioxide và nước bằng cách trộn với oxy (oxy hóa).

Các phản ứng xảy ra trong chất xúc tác làm thay đổi thành phần hóa học của khí thải, làm thay đổi cấu trúc của nguyên tử mà chúng được tạo ra. Khi các phân tử khí độc hại đi từ động cơ đến chất xúc tác, nó sẽ phân hủy chúng thành các nguyên tử. Đến lượt mình, các nguyên tử tái hợp thành phân tử thành các chất tương đối vô hại như carbon dioxide, nitơ và nước, và được thải ra môi trường thông qua hệ thống xả.

Các loại bộ chuyển đổi xúc tác chính được sử dụng trong động cơ xăng là hai loại: hai chiều và ba chiều.

Song phương

Chất xúc tác có thành kép (hai mặt) thực hiện đồng thời hai nhiệm vụ: oxy hóa cacbon monoxit thành cacbon đioxit và oxi hóa hydrocacbon (nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy một phần) thành cacbon đioxit và nước.

Loại chất xúc tác ô tô này đã được sử dụng trong động cơ diesel và xăng để giảm lượng khí thải độc hại của hydrocacbon và carbon monoxide cho đến năm 1981, nhưng vì nó không thể chuyển đổi nitơ oxit nên sau năm 81 nó đã được thay thế bằng chất xúc tác ba chiều.

Bộ chuyển đổi xúc tác oxy hóa khử ba chiều

Loại chất xúc tác ô tô này, hóa ra, được giới thiệu vào năm 1981, và ngày nay nó được lắp đặt trên tất cả các ô tô hiện đại. Chất xúc tác ba chiều thực hiện ba nhiệm vụ đồng thời:

• khử oxit nitric thành nitơ và oxy;
• oxy hóa carbon monoxide thành carbon dioxide;
• oxi hóa các hiđrocacbon chưa cháy thành cacbon đioxit và nước.

Bởi vì loại bộ chuyển đổi xúc tác này thực hiện cả hai bước khử và oxy hóa của xúc tác, nên nó thực hiện nhiệm vụ của mình với hiệu suất lên tới 98%. Điều này có nghĩa là nếu ô tô của bạn được trang bị bộ chuyển đổi xúc tác như vậy, nó sẽ không gây ô nhiễm môi trường với khí thải độc hại.

Các loại xúc tác trong động cơ diesel

Đối với các loại xe chạy bằng động cơ diesel, cho đến gần đây, một trong những bộ chuyển đổi xúc tác được sử dụng phổ biến nhất là Chất xúc tác oxy hóa Diesel (DOC). Chất xúc tác này sử dụng oxy trong dòng khí thải để chuyển carbon monoxide thành carbon dioxide và hydrocacbon thành nước và carbon dioxide. Thật không may, loại chất xúc tác này chỉ có hiệu quả 90% và quản lý để khử mùi dầu diesel và giảm các hạt nhìn thấy, nhưng không hiệu quả trong việc giảm phát thải NO x.

Động cơ diesel thải ra khí có chứa hàm lượng hạt vật chất (muội than) tương đối cao, bao gồm chủ yếu là cacbon nguyên tố, mà chất xúc tác DOC không thể đối phó được, vì vậy các hạt phải được loại bỏ bằng cách sử dụng cái gọi là bộ lọc hạt (DPF).

Chất xúc tác được bảo dưỡng như thế nào?

Để tránh các vấn đề với chất xúc tác, điều quan trọng là phải biết rằng:

• Tuổi thọ trung bình của chất xúc tác là khoảng 160000 km. Sau khi đi được quãng đường này, bạn cần cân nhắc thay đầu dò.
• Nếu xe được trang bị bộ chuyển đổi xúc tác, bạn không nên sử dụng nhiên liệu có chì vì nó làm giảm hiệu quả của bộ xúc tác. Nhiên liệu phù hợp duy nhất trong trường hợp này là không chì.

Không còn nghi ngờ gì nữa, lợi ích của những thiết bị này đối với môi trường và sức khỏe của chúng ta là vô cùng to lớn, nhưng bên cạnh những lợi ích thì chúng cũng có những mặt hạn chế.

Một trong những nhược điểm lớn nhất của chúng là chúng chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao. Nói cách khác, khi bạn khởi động xe, bộ chuyển đổi xúc tác hầu như không làm gì để giảm lượng khí thải.

Nó chỉ bắt đầu hoạt động hiệu quả sau khi khí thải được làm nóng đến 250-300 độ C. Đây là lý do tại sao một số nhà sản xuất ô tô đã thực hiện các bước để giải quyết vấn đề này bằng cách di chuyển chất xúc tác đến gần động cơ hơn, điều này một mặt cải thiện hiệu suất của thiết bị, nhưng lại làm giảm tuổi thọ của nó, vì để gần động cơ khiến nó tiếp xúc với nhiệt độ rất cao.

Trong những năm gần đây, người ta đã quyết định đặt bộ chuyển đổi xúc tác dưới ghế hành khách ở một khoảng cách cho phép nó hoạt động hiệu quả hơn mà không phải chịu nhiệt độ động cơ cao.

Nhược điểm khác của chất xúc tác là thường xuyên bị tắc và cháy bánh. Hiện tượng cháy thường xảy ra do nhiên liệu chưa cháy hết đi vào hệ thống xả và bốc cháy trong bộ chuyển đổi xúc tác. Tắc nghẽn thường xảy ra nhất do xăng kém hoặc không phù hợp, hao mòn thông thường, phong cách lái xe, v.v.

Đây là những bất lợi rất nhỏ so với những lợi ích to lớn mà chúng ta nhận được từ việc sử dụng chất xúc tác ô tô. Nhờ các thiết bị này, lượng khí thải độc hại từ ô tô được hạn chế.

Một số nhà phê bình cho rằng carbon dioxide cũng là một loại khí thải có hại. Họ tin rằng không cần chất xúc tác trong ô tô, vì lượng khí thải như vậy làm tăng hiệu ứng nhà kính. Trên thực tế, nếu một chiếc ô tô không có bộ chuyển đổi xúc tác và thải khí carbon monoxide vào không khí, thì oxit này sẽ tự biến thành carbon dioxide trong khí quyển.

Ai phát minh ra chất xúc tác?

Mặc dù chất xúc tác không xuất hiện hàng loạt cho đến cuối những năm 1970, nhưng lịch sử của chúng đã bắt đầu sớm hơn nhiều.

Cha đẻ của chất xúc tác được coi là kỹ sư hóa học người Pháp Eugene Goudry, người vào năm 1954 đã được cấp bằng sáng chế cho phát minh của mình với tên gọi "Bộ chuyển đổi xúc tác khí thải".

Trước phát minh này, Goodry đã phát minh ra cracking xúc tác, trong đó các hóa chất hữu cơ phức tạp lớn được phân tách thành các sản phẩm vô hại. Sau đó, ông thử nghiệm với các loại nhiên liệu khác nhau, mục tiêu của ông là làm cho nó sạch hơn.

Việc sử dụng thực tế chất xúc tác trong ô tô diễn ra vào giữa những năm 1970, khi các quy định kiểm soát khí thải chặt chẽ hơn được đưa ra yêu cầu loại bỏ chì trong khí thải từ xăng chất lượng thấp.

Câu hỏi và trả lời:

Làm thế nào để kiểm tra sự hiện diện của chất xúc tác trên ô tô? Để làm điều này, chỉ cần nhìn vào gầm xe. Ngoài bộ giảm thanh chính và bộ giảm thanh nhỏ (bộ cộng hưởng nằm phía trước hệ thống xả), bộ xúc tác là một bầu khác.

Chất xúc tác trong ô tô ở đâu? Do chất xúc tác phải hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao nên nó được đặt càng gần ống xả càng tốt. Nó ở phía trước của máy cộng hưởng.

Chất xúc tác trong ô tô là gì? Đây là một bộ chuyển đổi xúc tác - một bầu bổ sung trong hệ thống xả. Nó được làm bằng vật liệu gốm, tổ ong được bao phủ bởi kim loại quý.