1. Bộ chuyển đổi xúc tác khí thải ô tô là gì

Bộ chuyển đổi xúc tác (Catalytic converters) là thiết bị được sử dụng để giảm lượng khí thải từ động cơ đốt trong của ô tô và các loại phương tiện giao thông hiện đại giúp tăng hiệu suất của động cơ xe và giảm mức độ chất ô nhiễm mà chúng tạo ra. Động cơ đốt trong (ICEs) tạo ra một số khí thải có hại – đặc biệt là Nitơ Oxit và Cacbon Monoxide – khi chúng đốt nhiên liệu để tạo ra năng lượng giúp xe chuyển động. Bộ chuyển đổi xúc tác giảm thiểu các chất gây ô nhiễm có hại trong khí thải từ động cơ đốt trong của xe bảo vệ môi trường không khí.

2. Các loại khí thải chính của động cơ ô tô là:

Những loại khí thải không gây hại: 

• Khí nitơ (N2): Không khí có 78 phần trăm là khí nitơ và phần lớn khí này đi thẳng qua động cơ ô tô.
• Carbon dioxide (CO2): Đây là một sản phẩm của quá trình đốt cháy. Carbon trong nhiên liệu liên kết với oxy trong không khí.
• Hơi nước (H2O): Đây là một sản phẩm khác của quá trình đốt cháy. Hydro trong nhiên liệu liên kết với oxy trong không khí.

Những khí thải này chủ yếu là vô hại, mặc dù khí thải carbon dioxide góp phần gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Vì quá trình đốt cháy không bao giờ hoàn hảo nên một lượng nhỏ khí thải có hại hơn cũng được tạo ra trong động cơ ô tô. Bộ chuyển đổi xúc tác được thiết kế để giảm cả ba:

Những khí thải gây hại:

• Carbon monoxide (CO) là một loại khí độc không màu và không mùi.
• Hydrocarbon hoặc hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) là thành phần chính của khói bụi được tạo ra chủ yếu từ nhiên liệu bốc hơi, chưa cháy.
• Nitơ oxit (NO và NO2, gọi chung là NOx) là tác nhân gây ra khói bụi và mưa axit, cũng gây kích ứng niêm mạc của con người.

3. Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi xúc tác

Bộ chuyển đổi xúc tác sử dụng một buồng hóa học để ‘chuyển đổi’ các khí thải có hại trong khí thải xe – chẳng hạn như carbon monoxide (CO) và nitơ oxit (NOx) thành các trạng thái ít gây hại hơn như Nitơ (N2), carbon dioxide (CO2) và hơi nước (H2O).

Thiết bị có sử dụng các kim loại platinum, rhodium và palladium để thúc đẩy quá trình nhường, nhận electron của chất trong khí thải, nó hoạt động theo cơ chế phản ứng oxi hóa – khử, chuyển đổi khoảng 90% khí thải độc hại thành khí ít độc hại hoặc không độc hại cho môi trường. Có hai loại chất xúc tác chính hoạt động trong xe của bạn: chất xúc tác khử và chất xúc tác oxy hóa.

• CHẤT XÚC TÁC KHỬ: Những chất này có tác dụng làm giảm lượng ô nhiễm NOx bằng cách loại bỏ oxy khỏi khí thải. Điều này phân hủy NOx thành các thành phần N2 và O2 riêng biệt.
• CHẤT XÚC TÁC OXY HÓA: Chất xúc tác oxy hóa hoạt động ngược lại với chất xúc tác khử. Thay vì loại bỏ oxy khỏi khí thải, chúng thêm oxy vào, chuyển đổi CO thành CO2. Điều này ít gây hại hơn nhiều cho sức khỏe của chúng ta.

4. Các bộ chuyển đổi xúc tác hiện nay

Có hai loại bộ chuyển đổi xúc tác; bộ chuyển đổi hai chiều và bộ chuyển đổi ba chiều. Loại bạn tìm thấy trong xe của mình sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc bạn lái xe chạy bằng xăng hay dầu diesel.

4.1. Bộ chuyển đổi xúc tác động cơ Xăng

4.1.1. Bộ xử lý xúc tác hai đường (Two-Way Catalyst – TWC)

• Loại động cơ:
  • Động cơ xăng.
• Chức năng:
  • Chuyển đổi carbon monoxide (CO) và hydrocarbon (HC) thành carbon dioxide (CO₂) và nước (H₂O).
• Hoạt động:
  • Sử dụng các xúc tác như platinum (Pt) và palladium (Pd). Bộ xúc tác hai chiều không xử lý NOx, vì vậy nó không đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt như bộ xúc tác ba chiều.
• Ứng dụng:
  • Xe Cũ hoặc Xe Có Tiêu Chuẩn Khí Thải Thấp: Trong những năm trước khi các tiêu chuẩn khí thải trở nên nghiêm ngặt hơn, nhiều xe hơi sử dụng bộ xúc tác hai đường. Điều này bao gồm các mô hình xe cũ từ các năm 1990 và trước đó.
  • Xe Không Yêu Cầu Tiêu Chuẩn Khí Thải Cao: Một số xe có yêu cầu khí thải thấp hơn, chẳng hạn như các phương tiện không yêu cầu chứng nhận khí thải nghiêm ngặt hoặc xe thể thao có động cơ nhỏ hơn, có thể vẫn sử dụng công nghệ xúc tác hai đường.
  • Xe Chạy Xăng Không Yêu Cầu Xử Lý NOx: Các xe sử dụng động cơ xăng và không yêu cầu xử lý NOx có thể vẫn sử dụng bộ xúc tác hai đường.

4.1.2. Bộ xử lý xúc tác ba đường (Three-Way Catalyst – TWC)

• Loại động cơ:
  • Động cơ xăng.
• Chức năng:
  • Chuyển đổi ba loại khí thải chính: carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), và oxit nitơ (NOx) thành carbon dioxide (CO₂), nước (H₂O), và nitơ (N₂).
• Hoạt động: Bộ xử lý khí thải xúc tác 3 đường sử dụng hai chất xúc tác để chuyển đổi khí độc hại thành khí ít độc hại hơn. Chất xúc tác cho quá trình khử được làm từ  rhodium (Rh). Trong khi chất xúc tác cho quá trình oxy hóa được làm từ platinum (Pt), palladium (Pd). Cả hai chất xúc tác được thấm trực tiếp trên bề mặt của lõi gốm có cấu trúc tổ ong. Lõi gốm này được phủ bề mặt ngoài bằng ôxít nhôm. Chúng có khả năng chống mòn và ma sát tốt sau khi được nhiệt luyện ở nhiệt độ khoảng 1000⁰C

4.3. Bộ chuyển đổi xúc tác động cơ Diesel:

Bởi vì động cơ diesel thải ra nhiều bồ hóng và oxit nitơ(NOx) hơn động cơ xăng nên hệ thống xả của chúng phức tạp hơn. Các hệ thống hiện đại bao gồm chất xúc tác oxy hóa diesel giúp chuyển carbon monoxide (CO) thành carbon dioxide (CO2) và phân hủy hydrocarbon (HC) không cháy hết trong động cơ, tương tự như những gì xảy ra ở ô tô chạy bằng xăng.

Để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ống xả ngày càng nghiêm ngặt, năm 2008, các xe tải diesel hạng nhẹ như xe bán tải đã được yêu cầu sử dụng công nghệ lọc bổ sung để thu giữ các hạt bồ hóng và tro trước khi chúng thải vào không khí. Bộ lọc hạt diesel (DPF) do Peugeot phát minh lọc các hạt từ ống xả, giảm 80% lượng khí thải này.

Bước cuối cùng trong quy trình lọc khí thải được xử lý bởi bộ phận Giảm xúc tác chọn lọc (SCR), hoạt động kết hợp với Chất lỏng thải diesel gốc urê (DEF) để chuyển đổi oxit nitơ (NOx) thành nitơ, carbon dioxide và hơi nước. Xe tải diesel sử dụng SCR được trang bị van tuần hoàn khí thải, giúp giảm oxit nitơ bằng cách chuyển khí thải về cửa nạp của động cơ để đốt cháy phần chất dễ cháy còn lại trong động cơ. Việc tháo bộ chuyển đổi xúc tác không phải là một quá trình đơn giản do hàng loạt tình huống xảy ra ở gầm xe bán tải.

Bộ xử lý xúc tác động cơ Diesel thường có ba bộ phận chính và có tác dụng như sau:

4.3.1. Bộ Xử Lý Xúc Tác Oxi Hóa (Diesel Oxidation Catalyst – DOC)

• Chức năng:
  • Chuyển đổi carbon monoxide (CO) và hydrocarbon (HC) thành carbon dioxide (CO₂) và nước (H₂O).
• Hoạt động:
  • Sử dụng các xúc tác như platinum (Pt) và palladium (Pd). DOC không xử lý NOx hoặc hạt bụi.

4.3.2. Bộ Lọc hạt Diesel (Diesel Particulate Filter – DPF)

• Chức năng:
  • Loại bỏ các hạt bụi (particulates) từ khí thải diesel.
• Hoạt động:
  • Bộ lọc vật lý giữ lại các hạt bụi và cần được làm sạch thông qua quá trình tái sinh.

4.3.3. Bộ Xử Lý Xúc Tác Chọn Lọc (Selective Catalytic Reduction – SCR)

• Chức năng:
  • Giảm lượng oxit nitơ (NOx) trong khí thải bằng cách sử dụng dung dịch AdBlue (DEF – Diesel Exhaust Fluid), chuyển đổi NOx thành nitơ (N₂) và nước (H₂O).
• Hoạt động:
  • Sử dụng các xúc tác như vanadium, tungsten, hoặc zeolite.

Các công nghệ xử lý khí thải này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm từ động cơ và đảm bảo phương tiện đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt. Mỗi loại động cơ được các hãng ô tô sử dụng bộ xử lý xúc tác riêng được cải tiến để phù hợp với động cơ xe của mình. Việc duy trì và bảo trì định kỳ các hệ thống này là rất quan trọng để đảm bảo chúng hoạt động tối ưu và giảm thiểu ô nhiễm và đáp ứng quy định về kiểm định khí thải.