Nghiên cứu giảm khí thải xe máy (co hc) bằng phương pháp xử lý trên đường thải.doc

DỊCH VỤ VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI TRỌN GÓI ZALO / TELE : 0932.091.562
TẢI FILE TÀI LIỆU – SIVIDOC.COM
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

NGUYỄN HỒ XUÂN DUY
NGHIÊN CỨU GIẢM KHÍ THẢI XE MÁY (CO, HC) BẰNG
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TRÊN ĐƯỜNG THẢI
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 60520116
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Huỳnh Thanh Công
TS. Trần Quang Tuyên
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Nguyễn Ngọc Dũng
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Nguyễn Văn Trạng
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 24 tháng 01 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. TS. Nguyễn Lê Duy Khải
2. TS. Trần Hữu Nhân
3. TS. Nguyễn Ngọc Dũng
4. TS. Nguyễn Văn Trạng
5. TS. Nguyễn Chí Thanh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT GIAO THÔNG
TS. Nguyễn Lê Duy Khải TS. Nguyễn Lê Duy Khải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Hồ Xuân Duy
Ngày, tháng, năm sinh: 15/08/1993
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Mã ngành: 60 52 01 16
I. TÊN ĐỀ TÀI:
MSHV: 1670302
Nơi sinh: TPHCM
Nghiên cứu giảm khí thải xe máy (CO, HC) bằng phương pháp xử lý trên
đường thải.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1) Nghiên cứu tổng quan về sự hình thành các chất độc hại và các giải pháp kỹ thuật
giảm khí thải trên phương tiện giao thông và xe máy.
2) Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết liên quan đến sự hình thành các chất độc hại (tập
trung CO và HC) và cơ sở lý thuyết giảm các thành phần khí này.
3) Xây dựng mô hình và thực hiện mô phỏng định hướng về kết cấu và điều kiện áp
dụng phù hợp của bộ xử lý xúc tác cho xe máy.
4) Thiết kế và chế tạo bộ xử lý xúc tác và thực hiện nghiên cứu thực nghiệm
5) Đánh giá và đưa ra các khuyến cáo cho tương lai.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Huỳnh Thanh Công, TS. Trần Quang Tuyên
Tp. HCM, ngày tháng 02 năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều về chuyên
môn và phương pháp nghiên cứu của hai thầy hướng dẫn: PGS. TS. Huỳnh Thanh Công
và TS. Trần Quang Tuyên.
Em xin chân thành cám ơn quý thầy trong Bộ môn Ô tô – Máy động lực, Khoa Kỹ
thuật Giao thông đã cho những lời khuyên quý báo trong mô phỏng và thực nghiệm.
Em cũng xin chân thành cám ơn sự đóng góp ý kiến quý báo của hai thầy TS. Nguyễn
Ngọc Dũng và TS. Nguyễn Văn Trạng để hoàn thiện Luận văn.
Em cũng gửi lời cảm ơn các bạn sinh viên đại học GT2014 đã hỗ trợ nhiệt tình trong
quá trình thực nghiệm của luận văn.
Cuối cùng, em xin cám ơn gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất để hoàn thành luận văn.
Học viên thực hiện
Nguyễn Hồ Xuân Duy

TÓM TẮT
Luận văn này trình bày nghiên cứu phương pháp ứng dụng bộ xử lý xúc tác (tập trung vào
kết cấu và điều kiện ứng dụng) nhằm giảm khí độc trên xe máy dùng chế hòa khí (tập
trung vào CO và HC). Theo báo cáo 2017, số lượng xe máy đã trên 45 triệu xe trong cả
nước và khoảng 8 triệu tại TPHCM. Trong đó, xe máy sử dụng chế hòa khí chiếm khoảng
50%. Điều này gây nhiều vấn đề lớn cho TPHCM như: kẹt xe, ô nhiễm, tăng tiêu thụ
nhiên liệu,…
Trong nghiên cứu này, các loại vật liệu xúc tác được chọn là loại có giá thành thấp từ
chất thải nhà máy đạm Cà Mau. Các loại vật liệu này được Phòng thí nghiệm nghiên cứu
và phân tích xúc tác, Viện Dầu khí (PV Việt Nam) chọn lọc và phát triển. Sau đó, các
thông số kết cấu bộ xúc tác và các điều kiện vận hành thông thường của xe máy được tác
giả nghiên cứu nhằm tăng tính hiệu quả trong ứng dụng bộ xử lý xúc tác cho xe máy.
Kết cấu của Luận văn bao gồm: tổng quan về kỹ thuật xử lý trên đường thải và cơ sở
lý thuyết về cơ chế hình thành các thành phần khí thải độc hại, qua đó áp dụng lý thuyết
của quá trình xử khí thải bằng xúc tác được áp dụng trên động cơ để giải quyết bài toán
thực tế. Các phần mềm chuyên ngành cũng được sử dụng trong nghiên cứu này. Dựa trên
thiết kế và kết cấu đường thải thực tế của xe máy, mô hình 3D bộ xử lý xúc tác được xây
dựng trên phần mềm SOLIDWORK. Dựa trên điều kiện thử thực tế, mô hình này được
chia lưới và xử lý trên ANSYS-FLUENT để phân tích kết cấu phù hợp nhất. Các đặc tính
liên quan như: kết cấu 3D, dòng rối, phân bố vận tốc, phân bố áp suất và nhiệt độ xung
quanh. Sau đó, phần mềm AVL BOOST được áp dụng để đánh giá mức độ chuyển hóa
các thành phần khí thải bên trong bộ xúc tác và được mô phỏng trước trên các điều kiện
vận hành giả lập để có thể cung cấp các kết quả khảo sát về các thành phần khí thải độc
hại trên động cơ như CO, HC và NOx.
Trên cơ sở định hướng của kết quả mô phỏng, bộ xử lý xúc tác được thiết kế, chế tạo,
lắp đặt trên xe máy và thử nghiệm thực tế trên băng thử trong những điều kiện vận hành
cụ thể. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu quả giảm CO và HC của bộ xử lý, nhất là tại chế
độ tải/tốc độ trung bình và thấp. Kết quả đạt được làm cơ sở tiền đề cho nghiên cứu tiếp
tục phát triển, dùng để đánh giá mức độ hiệu quả của việc áp dụng bộ xúc tác xử lý khí
thải trên xe gắn máy thông dụng nhưng không đạt chuẩn về mức độ phát thải độc hại, giúp
cải thiện tình trạng ô nhiễm và cơ sở tham khảo sự ban hành tiêu chuẩn về khí thải trong
tương lai tại Việt Nam.

ABSTRACT
This thesis presents a study on the method of application catalytic converters (focusing on
the structure and conditions of application) in order to reduce toxic gas on engine using
carburetors (focus on CO and HC). According to the report in 2017, the number of
motorbikes was over 45 million vehicles in the country and about 8 million in HCMC. In
particular, motorbikes using carburetors account for about 50%. This causes many
problems for Ho Chi Minh City such as traffic jams, pollution, increased fuel
consumption,...
In this study, the selected catalyst materials were low cost from Ca Mau fertilizer
plant. These materials were selected and developed by the Catalyst Research and Analysis
Laboratory, Petroleum Institute (PV Vietnam). After that, the catalyst structure
parameters and normal operating conditions of the motorcycle are studied by the
researcher to increase the efficiency in the application of catalytic processor for
motorcycles.
The content of the thesis includes: an overview of waste disposal techniques and the
theoretical basis for the formation of toxic exhaust emissions, thereby applying the theory
of exhaust emissions to solve real problems. Specialized software is also used in this
study. Based on the design and structure of the vehicle's actual exhaust, the 3D model of
the catalytic converter is built on the SOLIDWORK software. Based on actual test
conditions, this model is meshing and processing on ANSYS-FLUENT for the most
appropriate structural analysis. Relevant features such as 3D texture, tangle current,
velocity distribution, pressure distribution and ambient temperature. The AVL BOOST
software is then used to evaluate the conversion of exhaust gases within the catalyst and
to be simulated on simulated operating conditions to provide survey results in engine
emissions, such as CO, HC and NOx.
Based on the orientation of the simulation result, the catalytic processor is designed,
manufactured, installed on the motorcycle and tested on the test strip in specific operating
conditions. Test results show CO and HC reduction efficiency of the processor, especially
at medium / low load / load modes. The results of this study are the basis for further
research, which is used to evaluate the effectiveness of the use of catalytic converters on
conventional motorcycles but not standardized on emission levels. to improve pollution
and to refer to the future issurance of emission standards in Vietnam.

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả nghiên cứu trình bày trong luận văn ‘‘Nghiên
cứu giảm khí thải xe máy (CO, HC) bằng phương pháp xử lý trên đường thải’’ là do
tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Huỳnh Thanh Công, chưa từng được công
bố bởi bất kỳ tác giả nào khác.
Học viên thực hiện
Nguyễn Hồ Xuân Duy

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................................................i
TÓM TẮT....................................................................................................................................................ii
ABSTRACT...............................................................................................................................................iii
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................................iv
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt.........................................................................3
Danh mục các bảng............................................................................................................................4
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ..................................................................................................5
Chương 1 - TỔNG QUAN..........................................................................................................8
1.1. Tổng quan tình hình phát triển của xe gắn máy tại Việt Nam..8
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước............................................. 10
1.3. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................... 15
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................... 15
1.5. Nội dung nghiên cứu................................................................................................... 15
1.6. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 15
1.7. Sơ đồ nghiên cứu............................................................................................................ 17
Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT:................................................................................... 18
2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................. 18
2.2. Cơ chế hình thành khí thải độc hại................................................................. 18
2.2.1 Cơ chế hình thành các oxyde nitơ.............................................................. 19
2.2.2 Cơ chế hình thành monoxyde carbon...................................................... 21
2.2.3 Cơ chế hình thành hydro carbon.................................................................. 22
2.3. Lý thuyết về xúc tác xử lý khí thải trên động cơ ............................... 23
2.4. Bộ xúc tác dùng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức......................... 25
2.5. Hệ thống cấu tạo các thành phần của bộ xúc tác xử lý khí thải
29
2.5.1 Hệ thống chất mang của bộ xúc tác.......................................................... 30
2.5.2 Lớp vật liệu nền.......................................................................................................... 31
2.5.3 Pha hoạt động............................................................................................................... 38
2.5.4 Chất bổ trợ xúc tác................................................................................................... 39
Chương 3 - NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG:.............................................................. 41
3.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................. 41
3.2. Mô phỏng dòng khí thải với phần mềm Ansys ................................... 41
3.2.1 Giới thiệu mô hình dòng chảy rối.............................................................. 41
3.2.2 Trình tự xây dựng mô phỏng bằng Ansys Fluent......................... 43
3.2.3 Thực hiện mô phỏng bằng Ansys Fluent............................................. 43

HVTH: Nguyễn Hồ Xuân Duy 1

3.3. Mô phỏng các thông số đặc tính của động cơ bằng phần mềm
AVL BOOST .................................................................................................................... 53
3.3.1 Giới thiệu phần mềm AVL BOOST........................................................ 53
3.3.2 Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL BOOST........................................... 53
3.3.3 Xây dựng mô hình................................................................................................... 60
3.3.4 Quy trình mô phỏng............................................................................................... 60
Chương 4 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM:.................................................. 61
4.1 Giới thiệu chung................................................................................................................... 61
4.2 Sơ đồ và thiết bị thí nghiệm....................................................................................... 61
4.3 Điều kiện thử nghiệm...................................................................................................... 66
4.4 Thông số và trình tự đo.................................................................................................. 66
4.5 Các bước lắp đặt thiết bị thử nghiệm................................................................. 66
Chương 5 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN:............................................................. 69
5.1 Giới thiệu chung................................................................................................................... 69
5.2 Kết quả mô phỏng dòng khí xả trong bộ xúc tác.................................... 69
5.3 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của bộ xúc tác đối với các thành
phần khí thải của động cơ..................................................................................................... 73
5.4 Kết quả thực nghiệm so sánh sự thay đổi của các thông số đặc tính
trên động cơ khi có dùng và không dùng bộ xúc tác .................................... 75
Chương 6 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN:.............................. 82
6.1 Kết luận........................................................................................................................................ 82
6.2 Hướng phát triển.................................................................................................................. 82
PHỤ LỤC................................................................................................................................................... 83
DANH SÁCH BÀI BÁO ĐÃ THỰC HIỆN............................................................ 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................... 89

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TWC
HC
CO
NOx
RON
ppm
FI
: Three Way Catalyst
: Hydro Carbon
: Carbon mono oxit
: Nitrogen oxit
: Research Octane Number
: part per million
: Fuel injection

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Năng lượng hoạt hoá của phản ứng nhiệt và phản ứng xúc tác (kcal/mole).....18
Bảng 2: Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy.........................................19
Bảng 3: Những thông số đặc trưng của monolithe céramique..................................................33
Bảng 4 : Thông số đặc trưng của monolith kim loại.....................................................................35
Bảng 5 : Kích thước bộ xúc tác..............................................................................................................43
Bảng 6: Số phần tử, số điểm nút, giá trị đạt chuẩn lưới của từng mô hình.........................53
Bảng 7: Thông số kỹ thuật của máy đo khí xả Hesbon HG520...............................................65
Bảng 8: Thông số kỹ thuật băng thử động cơ xe gắn máy.........................................................65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Doanh số lượng xe máy bán ra trên thị trường trong giai đoạn 2011-2016 .. 9
Hình 1.2: Tổng quan các hiện tượng liên quan đến vấn đề về xe máy.................................10
Hình 1.3: Sơ đồ phương pháp và nội dung nghiên cứu...............................................................16
Hình 2.1: Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo nồng độ hệ số dư lượng không khí
19
Hình 2.2: Quá trình xử lý khí thải của bộ xúc tác hai thành phần ..........................................27
Hình 2.3: Vị trí lắp đặt của bộ cảm biến trên hệ thống xả và các hệ thống khác của động
cơ ..........................................................................................................................................................................28
Hình 2.4: Hình dạng và cấu tạo của bộ cảm biến lamda.............................................................29
Hình 2.5: Cấu tạo bộ xúc tác xử lý khí thải......................................................................................30
Hình 2.6: Monolith ceramic và monolith kim loại........................................................................32
Hình 2.7: Cấu tạo của monolith kim loại...........................................................................................34
Hình 2.8: Sự chuyển hóa của tinh thể O trong mạng tinh thể Ce............................................37
Hình 3.1: Xây dựng mô hình 3D...........................................................................................................44
Hình 3.2: Thiết lập mô hình Fluent trong phần mềm Ansys.....................................................44
Hình 3.3: Giao diện design modeler ....................................................................................................45
Hình 3.4: Nhập mô hình được thiết lập vào Fluent.......................................................................45
Hình 3.5: Mô hình được chia thành từng phần để áp dụng các ....................................
loại lưới khác nhau........................................................................................................................................46
Hình 3.6: Mở giao diện mesh..................................................................................................................46
Hình 3.7: Chia lưới tự động cho mô hình và mặt cắt của lưới tự động................................47
Hình 3.8: Chia lưới multizone cho inlet và outlet (2 biên)........................................................47
Hình 3.9: Thiết lập lưới Tetra-Independent cho phần mặt côn và mặt giữa ......................48
Hình 3.10: Xem lại các lưới đã chia cho mô hình .........................................................................48
Hình 3.11: Thiết lập mô hình tính toán và thông số vật liệu.....................................................49
Hình 3.12: Thiết lập các thông số đầu vào của mô hình.............................................................49
Hình 3.13: Thiết lập các thông số đầu ra của mô hình ................................................................50
Hình 3.14: Xác định các wall trên mô hình......................................................................................50
Hình 3.15: Chọn và khởi tạo các phương pháp tính toán cho mô hình................................51
Hình 3.16: Nhập số bước lặp để tính toán.........................................................................................51

Hình 3.17: Kết quả tính toán hoàn tất và hội tụ..............................................................................52
Hình 3.18: Mở giao diện result và xuất kết quả..............................................................................52
Hình 3.19: Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tham số đặc trưng cháy “m” đến hình dạng của
hàm Vibe...........................................................................................................................................................57
Hình 3.20: Ảnh hưởng của tham số đặc trưng của quá trình cháy .........................................57
Hình 3.21: Mô hình mô phỏng bộ xúc tác xử lý khí thải............................................................60
Hình 3.22: Khai báo các thông số của bộ xúc tác xử lý khí thải.............................................60
Hình 4.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên xe gắn máy.......................................................................62
Hình 4.2: Băng thử thực nghiệm xe gắn máy với mô hình xúc tác được lắp đặt.............63
Hình 4.3: Bộ đo hiển thị nhiệt độ..........................................................................................................63
Hình 4.4: Máy tính hiển thị chu trình thử Japan 10 ......................................................................64
Hình 4.5: Thiết bị phân tích khí xả Hesbon HG520 .....................................................................64
Hình 4.6: Xe máy được lắp đặt lên bệ thử ........................................................................................67
Hình 4.7: Bộ xúc tác được lắp đặt lên trên đường thải của động cơ......................................67
Hình 4.8: Bộ phân tích thành phần khí thải và bộ đo hiển thị nhiệt độ................................68
Hình 5.1: Kết quả phân bố áp suất của dòng khí thải trong bộ xúc tác đối với trường hợp
monolith 10 mm và các góc tới lần lượt là 30o
, 50o
, 75o
............................................................69
, 50o
, 75o
............................................................70
, 50o
, 75o
............................................................70
Hình 5.4: Kết quả phân bố vận tốc của dòng khí thải trong bộ xúc tác đối với trường hợp
, 50o
, 75o
............................................................71
, 50o
, 75o
............................................................72
, 50o
, 75o
............................................................72
Hình 5.7: So sánh mức độ chuyển hóa của thành phần khí thải CO khi thay đổi các bộ
xúc tác với kích thước khác nhau...........................................................................................................73
Hình 5.8: So sánh mức độ chuyển hóa của thành phần khí thải HC khi thay đổi các bộ
Hình 5.9: So sánh mức độ chuyển hóa của thành phần khí thải NOx khi thay đổi các bộ

Hình 5.10: So sánh sự thay đổi của thành phần khí CO khi sử dụng bộ xúc tác, bộ cung
cấp khí phụ và không sử dụng bộ xúc tác...........................................................................................76
Hình 5.11: So sánh sự thay đổi của thành phần khí HC khi sử dụng bộ xúc tác, bộ cung
Hình 5.12: So sánh sự thay đổi của thành phần khí NOx khi sử dụng bộ xúc tác, bộ cung
Hình 5.13: So sánh sự thay đổi của thành phần khí CO2 khi sử dụng bộ xúc tác, bộ cung
Hình 5.14: So sánh sự thay đổi của nhiệt độ khí xả khi sử dụng bộ xúc tác, bộ cung cấp
khí phụ và không sử dụng bộ xúc tác...................................................................................................80
Hình 5.15: So sánh sự thay đổi của nhiệt độ khí xả khi có sử dụng bọc cách nhiệt và
không có sử dụng. .........................................................................................................................................81

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan tình hình phát triển của xe gắn máy tại Việt Nam
Sau thời kì đổi mới, đất nước ta đi vào giai đoạn hình thành và phát triển nền kinh tế thị
trường, kéo theo đó là sự phát triển bùng nổ của các loại phương tiện giao thông đặc biệt là
xe gắn máy. Từ những những thập niên 90, lượng xe gắn máy trên toàn đất nước đã dần phát
triển nhưng còn rất ít và không đa dạng về chủng loại, mẫu mã và nhà sản xuất. Chúng ta vẫn
thường quen gọi tên xe gắn máy bằng “ xe honda’’ bởi vì những năm 90 thành phần lớn các
xe gắn máy đều được sản xuất từ thương hiệu Honda và được tin dùng về độ bền cũng như
chất lượng của nó, bên cạnh đó giá thành của những chiếc xe gắn máy nhập khẩu này rất cao.
Đến giai đoạn năm 2000, khi các chính sách hội nhập và mở cửa của nước ta bắt đầu rộng
rãi hơn, cuộc chiến về thị trường của xe gắn máy trên mảnh đất màu mỡ này cũng được khởi
động. Các dòng xe của Trung Quốc lần lượt nhập khẩu với giá thành rẻ hơn một nửa đã tạo
nên cơn sốt không hề nhỏ, khi mà việc sở hữu một phương tiện đi lại không phải là vấn đề
quá khó khăn. Kết quả là thị trường xe gắn máy tăng đột biến đến 300% vào năm 2000. Như
chúng ta đã biết, các công nghệ được sử dụng trên các dòng xe cũ lúc bấy giờ rất đơn giản và
không phải qua kiểm tra bởi những quy trình nghiêm ngặt. Với chất lượng vượt trội, các
dòng xe máy mang thương hiệu từ Nhật Bản đã dần đánh bật được các thương hiệu từ Trung
Quốc với giá thành rẻ mang theo chất lượng kém ra khỏi thị trường vào giai đoạn những năm
2002-2006. Năm 2007 đánh dấu bước ngoặt cho sự phát triển về mặt công nghệ trên xe gắn
máy tại nước ta, khi động cơ trên Honda Future Neo bắt đầu được áp dụng công nghệ phun
xăng điện tử và ngày phát triển cho đến nay. Cũng vào năm 2007, các mẫu xe tay ga sử dụng
bộ truyền CVT với giá thành rẻ cũng được giới thiệu đến người tiêu dùng. Giai đoạn từ năm
2007 đến nay công nghệ FI (Fuel injection) không chỉ được áp dụng trên các dòng xe có giá
thành cao mà còn trên các dòng xe bình dân với mức giá từ 20 triệu đồng trở xuống để đáp
ứng nhu cầu của người sử dụng.
Sự phát triển luôn đòi hỏi mức cải thiện không ngừng, cùng với việc phát triển về chất
lượng cũng như số lượng của xe gắn máy, Chính phủ đã ban hành các tiêu chuẩn về khí thải
đối với xe gắn máy vào tháng 10 năm 2005 và tháng 9 năm 2011. Xe máy sản xuất mới từ
ngày 01 tháng 01 năm 2017 trở đi phải đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 3. Từ đó các công

nghệ áp dụng về xử lý khí thải trên xe gắn máy cũng được phát triển, hệ thống cung cấp khí
phụ trên đường xả nhằm để đốt cháy các thành phần nhiên liệu dư cũng như oxi hóa các
thành phần khí thải CO, HC ở điều kiện nhiệt độ cao được áp dụng trên động cơ của Honda
và Yamaha từ năm 2007. Ngoài ra, bộ xúc tác xử lý khí thải cũng được áp dụng trên động cơ
của Honda từ đầu năm 2016 để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải theo quy định.
Số lượng xe gắn máy tại Việt Nam tính đến thời điểm này đã vượt quá mức quy hoạch.
Theo quy hoạch phát triển của Bộ Công thương, đến năm 2020 Việt Nam sẽ có 36 triệu xe
máy. Thế nhưng, mới chỉ đến năm 2016, lượng xe lưu thông trên toàn thị trường đã đạt 45
triệu xe, vượt 25% so với quy hoạch [ ]. Chỉ tính riêng 6 tháng đầu năm 2017, 5 hãng xe
thành viên VAMM bao gồm Honda, Yamaha, Piaggio, Suzuki và SYM tiêu thụ 1,5 triệu
chiếc, tăng 6% so với cùng kỳ năm ngoái. Nếu không kịp thời phát triển về các phương tiện
giao thông công cộng và hạ tầng giao thông thì với lượng xe máy như vậy sẽ dẫn đến ùn tắc
kéo dài và ô nhiễm tăng cao.
Hình 1.1: Doanh số lượng xe máy bán ra trên thị trường trong giai đoạn 2011-2016 [1]

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Hình 1.2: Tổng quan các hiện tượng liên quan đến vấn đề về xe máy
Thực trạng về ô nhiễm môi trường đang ở mức ngày càng báo động hơn bao giờ hết.
Với những nguyên nhân thúc đẩy bao gồm sự phát triển vượt bậc của con người về khoa
học công nghệ, sự gia tăng dân số ở mức cao, nhu cầu trong cuộc sống của con người cũng
vì thế mà tăng theo đã gây ra những ảnh hưởng không hề nhỏ và làm chất lượng của môi
trường sống xung quanh ta đang ngày càng tồi tệ. Đặc biệt trong đó không thể không kể
đến môi trường không khí, một trong những yếu tố của sự sống xung quanh con người.
Vấn đề về ô nhiễm không khí đã được đề cập rất nhiều trong các bài báo xã hội, các
nghiên cứu khoa học. Chúng ta có thể đánh giá được nguyên nhân gây ra ô nhiễm không
khí là từ các nhà máy, các khu công nghiệp, diện tích cây xanh bao phủ bị giảm dần và
không thể thiếu được là khí thải từ các phương tiện giao thông hiện nay.
Riêng đối với Việt Nam, hiện nay bài toán về phương tiện giao thông công cộng đang
trong giai đoạn thực thi và sẽ cần có thời gian để có thể đi vào quy hoạch hoàn chỉnh.
Trong khi đó, số lượng phương tiện giao thông đang tăng từng ngày với con số lên đến
ngàn chiếc, và trong đó hơn 70% là phương tiện xe gắn máy. Rất dễ để hiểu rằng tại sao số
lượng xe gắn máy lại nhiều đến như vậy. Thứ nhất, hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông ở

nước ta chưa phát triển. Thứ hai, thu nhập bình quân đầu người vẫn còn thấp. Thứ ba, giá
xe máy hiện nay nếu đánh giá trên bình diện rộng thì nó là phương án thích hợp nhất đối
với người dân. Không chỉ dừng lại ở đó, bên cạnh vấn đề ùn tắc giao thông đang diễn ra
hàng ngày thì tiêu chuẩn về khí thải tại Việt Nam cũng đang rất thấp, những xe đã qua sử
dụng thậm chí còn không đạt được tiêu chuẩn Euro II.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Từ những lý do như trên, hiện trong nước cũng đã có nhiều nghiên cứu để có thể
giảm phát thải trên động cơ đốt trong bằng các phương pháp khác nhau như:
 Sử dụng nhiên liệu sạch (nhiên liệu sinh học, nhiên liệu thay thế, ít carbon,...)

 Tối ưu hệ thống phun xăng điện tử để đạt được lượng hòa khí tốt nhất.

 Sử dụng xúc tác sau đường thải để giảm được các thành phần khí thải độc hại ra môi
trường
Trong khí thải của động cơ do việc cháy không hoàn toàn làm sinh ra một số hợp
chất như: CO, HC, NOx. Đó là các chất khí độc hại, nên hiện nay trên thế giới và ở VN,
một số lọai xe ô tô và xe gắn máy mới được lắp đặt một bộ xử lý khí thải Catalyzer với
chức năng biến đổi các khí độc hại trong khí thải thành các khí không độc, giảm tối đa
việc thải các hợp chất độc hại này ra môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe của cộng đồng.
Tác giả Lê Anh Tuấn và cộng sự khi “nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu xăng
pha ethanol E5 và E10 đến tính năng và phát thải độc hại của xe máy và xe con đang lưu
hành ở Việt Nam”[2] đã đưa ra các kết quả ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha ethanol đến
quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy, tiêu hao nhiên liệu cũng như công suất động
cơ. Kết quả cũng đã đưa ra được lượng khí thải giảm khi sử dụng bằng nhiên liệu xăng pha
ethanol ở các tỉ lệ khác nhau.
Bên cạnh đó cũng nghiên cứu về ước tính sơ bộ các hệ số phát thải của xe gắn máy
trong điều kiện giao thông tại Hà Nội [3], bài báo cũng đã đưa ra được các kết quả cụ thể
về các hệ số phát thải của các thành phần chính có trong khí thải của động cơ, từ đó đóng
góp đáng kể về dữ liệu tham khảo để tiếp tục phát triển các vấn đề về xử lý khí thải trên xe
gắn máy.
Trong bài báo của H.D.Tung và các cộng sự về yếu tố phát thải và đánh giá khí thải
trên xe gắn máy và các xe hạng nhẹ cũng đưa ra được các kết quả nhất định [4]. Bài báo
trình bày các kết quả về tiêu hao nhiên liệu, các thành phần khí thải CO, HC, NOx dựa trên

cơ sở dữ liệu của chu trình thử điển hình được đề ra đối với Hà Nội và dựa trên chương
trình giám sát khí thải trong vòng 2 năm. Bài báo cũng đã kết luận lượng phát thải cao chủ
yếu từ phương tiện là xe gắn máy.
Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Đức Hùng và Đào Khánh Dư về “Nghiên cứu chế
tạo hộp xúc tác xử lý khí thải động cơ bằng kim loại mạ Niken Composit Nano Cesi
Điôxít”[5] đã chế tạo bộ xử lý xúc tác mạ CeO2 với lõi xúc tác bằng thép và so sánh kết
quả với bộ xúc tác bằng vật liệu gốm được sử dụng trên ô tô đã được thương mại. Sau khi
chế tạo bộ xúc tác, nhóm tác giả đã tiến hành thực nghiệm trên động cơ Toyota để đánh giá
mức độ hiệu quả của bộ xúc tác. Việc tiến hành lắp đăt để thực nghiệm cũng đã được khảo
sát vị trí phù hợp với khoảng cách từ cổ góp chính để bộ xúc tác khoảng 20 cm đến 60 cm.
Tại vị trí này phù hợp với vùng nhiệt độ cho bộ xúc tác hoạt động ổn định. Kết quả từ
nghiên cứu cũng chỉ ra rằng Với hệ thiết bị được xây dựng đã xác định vị trí đặt hộp xúc
tác cách cổ gốp từ 20 ÷ 60 cm và khả năng xử lí khí thải HC khí sử dụng bộ cảm biến ôxi
là 29,1% nhưng đối với CO không xác định được. Với chế độ vận hành động cơ không có
cảm biến thì lượng HC được xử lí đạt 41% và với CO là 67%. Khả năng xúc tác của CeO2
mạ trên thép lá sẽ cao ở khoảng vùng nhiệt độ cao 400o
C khi vận hành động cơ ở chế độ
tốc độ cao.
Bài báo của Lê Đát Toa và Nguyễn Văn Nhận trình bày về “Nghiên cứu thử nghiệm
bộ xử lý khí thải xúc tác gắn trên động cơ xăng”[6] đã đưa ra được số liệu thực nghiệm
cho thấy lượng khí thải giảm đáng kể, đối với HC từ 61% trở lên, đối với CO giảm hơn
51% và NOx cũng cho thấy sự giảm rõ rệt vào khoảng 35% trở lên khi sử dụng bộ xúc tác
đặt phía sau đường thải với thành phần xúc tác tương ứng Pt:Pd:Rh là 6:0:1 khi vận hành
với dải tốc độ từ 800 đến 5000 v/p.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Đối với các nghiên cứu tại các nước trên thế giới, các hệ thống xử lý khí thải trên
phương tiện giao thông khá phát triển. Nghiên cứu vể bộ xử lý khí thải xúc tác 3 chức năng
là một ví dụ điển hình, bên cạnh đó hệ thống hồi lưu khí thải trên động cơ cũng được phát
triển. Các nghiên cứu đã được ứng dụng thực tiễn trên các phương tiện sử dụng và đang
cải thiện không ngừng.
Một nghiên cứu về bộ xúc tác sử dụng trên động cơ HCCI (Homogeneous charge
compression ignition) cho kết quả về khí thải giảm được 90-95% HC và CO, trong điều

kiện cháy loãng, ở các tải khác nhau và các tốc độ khác nhau. Bên cạnh đó, NOx cũng
được giảm đáng kể từ 35 đến 55% tại các điều kiện hoạt động của động cơ.[7]
Nghiên cứu khác về xúc tác ba chức năng cũng được trình bày, bài báo đã đưa ra
các kết quả nghiên cứu thử nghiệm trên ô tô đối với bộ xúc tác ba chức năng. Robert
Schallock và các cộng sự [8] cũng đã đưa ra được các phản ứng của chất xúc tác, và mức
độ ảnh hưởng đến việc giảm lượng khí thải trên động cơ.
Bài báo viết về bộ xử lý khí thải 3 thành phần (TWC) trong quá trình thực nghiệm
trên 6 chiếc xe chở khách hiện đại với hành trình ghi nhận 40.000 km dưới điều kiện lái
thực tế đã so sánh được các thành phần hóa học trên các bộ xử lý xúc tác giống nhau khi
sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau như E85, CNG, E5 [9]. Để phân tích các thành phần
hóa học này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện phân tích quang phổ trên bề mặt bộ xúc tác
phía đầu vào và đầu ra cuả bộ xúc tác và nhận thấy rằng các thành phần hóa học như P, Ca,
Zn, Mg giảm đáng kể. Vết nứt và phá hủy được ghi nhận trên các bề mặt của catalyst và hư
hỏng nhiều nhất đối với động cơ sử dụng nhiên liệu pha ethanol. Điều đó cho thấy mức độ
phản ứng hóa học là rất cao và có thể giảm được lượng thành phần khí thải đáng kể.
Bộ chuyển đổi xúc tác ô tô là một thành phần để giảm khí thải gây ô nhiễm như
Carbon Monoxide (CO), Oxit Nitơ (NOx) và Hydro Carbon (HC). Chất liệu cho bộ chuyển
đổi xúc tác được chọn. Tuy nhiên, thách thức là làm thế nào để lựa chọn đúng vật liệu và
phương pháp chính xác. Trong nghiên cứu của A.M.Leman và các cộng sự [10] tiếp cận
các vật liệu chọn lọc như γ-Al2O3 được xem là chất phủ, NiO làm chất xúc tác, FeCrAl
như là chất nền. Ngoài ra, tác giả còn sử dụng các phương pháp như dùng sóng siêu âm,
mạ điện, điện phân hóa các thành phần của bộ xúc tác để hình thành được các phản ứng
oxy hóa khi chúng hoạt động ở nhiệt độ cao cũng như cải thiện được mức độ đồng nhất
thành phần hóa học giữa mặt trong và mặt ngoài của từng vách xúc tác.
Trong bài báo về “Thiết kế và phân tích đặc tính dòng chuyển động của bộ xúc tác
chuyển đổi và ảnh hưởng của áp suất ngược đến đặc tính công suất của động cơ’’ tác giả
P.Karuppusamy và Dr.R.Senthil [11] đã trình bày về cách thức tính toán thể tích của bộ
xúc tác cần cho quá trình xử lý khí thải trên động cơ, bên cạnh đó nhóm tác giả còn thực
hiện quá trình mô phỏng dòng chuyển động với các hình dạng khác nhau của bộ chứa xúc
tác để xem xét hiện tượng “back pressure’’ ảnh hưởng đến đặc tính công suất của động cơ.

Ngoài ra sau khi thực hiện mô phỏng, nhóm tác giả còn so sánh với các giá trị thực nghiệm
nhằm đánh giá được mức độ hoàn thiện của bộ xúc tác sau khi thiết kế.
Vấn đề về kiểm soát khí thải ở nước ta vẫn là một vấn đề đáng lo ngại và cần có
những nghiên cứu chuyên sâu để có thể bắt kịp được với quá trình hội nhập khi mà đa số
phương tiện chúng ta đang sử dụng đều bắt nguồn từ nước ngoài. Bên cạnh đó, tiêu chuẩn
khí thải chúng ta đang áp dụng vẫn còn rất thấp. Đã có những quyết định của Chính phủ để
đưa ra lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro 4 vào 1/1/2018 đối với các xe khách, xe tải
và xe có tải trọng lớn. Trong thời gian sắp tới các xe đã qua sử dụng cũng sẽ bị kiểm soát
về vấn đề khí thải và dán nhãn tiêu thụ năng lượng. Cần nhìn nhận vào thực tế khi mà
chúng ta không thể loại bỏ hoàn toàn các phương tiện vì sẽ ảnh hưởng đến vấn đề kinh tế
của người sử dụng phương tiện và cũng chưa có bộ luật để giới hạn thời gian sử dụng của
xe gắn máy hoặc xe du lịch hạng nhẹ. Chính vì vậy, nghiên cứu giảm phát thải trên động
cơ sẽ không dừng lại ở một hữu hạn. Vẫn còn đó những khó khăn cho quá trình nghiên cứu
như kinh phí cao, công nghệ kỹ thuật chưa đáp ứng như mong đợi, các yếu tố ảnh hưởng
của xã hội trong nước và các nước đang phát triển. Còn đối với những nghiên cứu ngoài
nước đa số áp dụng trên ô tô hoặc các phương tiện vận tải, bởi vì khi áp dụng vào các
phương tiện như vậy phù hợp cho tính ứng dụng và lợi ích về mặt xã hội đối với các nước
phát triển.
Chính vì những yếu tố đó nghiên cứu này đã đưa ra ý tưởng về việc thiết kế chế tạo
và thử nghiệm đánh giá bộ xử lý khí thải trên xe gắn máy tại các điều kiện nhất định phù
hợp với chế độ lưu thông thật trên đường. Lợi ích đầu tiên từ nghiên cứu này là có thể ứng
dụng trên xe gắn máy để giảm được lượng khí thải đưa ra môi trường. Vấn đề ùn tắc giao
thông tại nước ta đang hình thành ngày một nghiêm trọng, các phương tiện chủ yếu chạy ở
tốc độ thấp, đối với động cơ khi hoạt động ở tốc độ thấp thường cháy giàu, ảnh hưởng đến
vấn đề tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải HC, CO gần như phát sinh cao nhất. Bên cạnh
đó cũng tạo ra được tiền đề để tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu hơn đối với xử lý khí thải
trực tiếp trên động cơ. Thực tại đối với nước ta hiện nay, các mẫu nhiên liệu thay thế sử
dụng cho phương tiện giao thông vẫn chưa thực sự phát triển rộng rãi. Vì vậy,đề tài nghiên
cứu này sẽ cung cấp được những kết quả cần thiết cho vấn đề về xử lý khí thải cũng như
ứng dụng thực tiễn trong giai đoạn mà phương tiện giao thông nói chung và xe gắn máy
nói riêng sẽ tiếp tục gia tăng trong nhiều năm tới.

1.3 Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn này bao gồm có 3 mục tiêu chính:
 Nghiên cứu tổng quan về các điều kiện hình thành và điều kiện vận hành thực tế
đến sự phát thải khí độc (nhất là HC và CO) trên xe máy tại các thành phố lớn của
Việt Nam;

 Thiết kế, chế tạo bộ xử lý khí thải phù hợp cho động cơ xe gắn máy;

 Khảo nghiệm đánh giá mức độ hiệu quả của bộ xúc tác khi có và không có lắp bộ
xúc tác trong các điều kiện vận hành tiêu biểu;
Bên cạnh đó, mong muốn rằng luận văn này có thể đóng góp được các kết quả nghiên
cứu để phát triển và ứng dụng được bộ xúc tác xử lý khí thải trên động cơ xe gắn máy
nhằm giảm thiểu tối đa mức khí thải độc hại tác động đến môi trường.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là xe gắn máy sử dụng chế hòa khí để giảm
thiểu thành phần khí thải độc hại từ động cơ phát sinh từ quá trình cháy không hoàn toàn.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài này chỉ giới hạn trong các điều kiện vận hành cụ thể tại
TPHCM (có thể mở rộng đến các thành phố lớn khác tại Việt Nam).
1.5 Nội dung nghiên cứu
Các nội dung nghiên cứu chính của được thực hiện như sau:

Nghiên cứu tổng quan về sự phát triển của các dòng xe máy tại Việt Nam và các
điều kiện gây phát thải khí độc từ xe máy trong và ngoài nước.



Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết liên quan đến quá trình hình thành các thành phần
khí thải trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.



Trên cơ sở mô hình hóa và mô phỏng trong các điều kiện vận hành thực tế, thiết kế
và chế tạo bộ xúc tác tương thích cho xe máy, làm cơ sở cho các thực nghiệm;



Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá về đặc tính khí thải trên động cơ trước và sau khi
lắp bộ xúc tác với điều kiện vận hành thực tế tiêu biểu hiện nay tại TPHCM.

1.6 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tiếp cận chính trong luận văn này là phương pháp mô hình hóa, mô
phỏng và thực nghiệm, trên cơ sở lý thuyết liên quan đến các đặc tính của quá trình xử lý

khí thải khi sử dụng bộ xúc tác. Ngoài ra, tác giả cũng tham khảo các công trình nghiên
cứu có liên quan trong và ngoài nước và cũng sẽ tham khảo ý kiến của các chuyên gia.
Hình 1.3: Sơ đồ phương pháp và nội dung nghiên cứu

1.7 Sơ đồ nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan
Cơ sở lý thuyết
Mô hình hóa và mô phỏng
(ANSYS-FLUENT và AVL
BOOST)
Thiết kế, chế tạo, và lắp đặt bộ
xúc tác tương thích cho xe máy.
Thử nghiệm đánh giá
Nghiên cứu tổng quan về sự phát triển của
các dòng xe máy tại Việt Nam và các điều
kiện gây phát thải khí độc từ xe máy trong
và ngoài nước.
Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết liên quan
đến quá trình hình thành các thành phần
khí thải trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.
Trên cơ sở mô hình hóa và mô phỏng trong
các điều kiện vận hành thực tế, thiết kế và
chế tạo bộ xúc tác tương thích cho xe máy,
làm cơ sở cho các thực nghiệm;
Thiết kế, chế tạo mẫu bộ xúc tác và lắp đặt
trên xe máy. Tiến hành xây dựng các điều
kiện thử nghiệm tương đương thực tế.
Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá về đặc
tính khí thải trên động cơ trước và sau khi
lắp bộ xúc tác với điều kiện vận hành thực
tế tiêu biểu hiện nay tại TPHCM.

CHƯƠNG 2 –CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu chung
Xúc tác là một hiện tượng rất phổ biến trong các quá trình hoá học. Sự có mặt của
xúc tác sẽ làm thay đổi tốc độ phản ứng mà bản thân nó vẫn giữ nguyên thành phần và
lượng khi phản ứng kết thúc. Theo thuyết trạng thái chuyển tiếp, chất xúc tác sẽ làm giảm
hàng rào năng lượng từ đó làm cho phản ứng xảy ra dễ dàng và nhanh chóng hơn.
Bảng 1: Năng lượng hoạt hoá của phản ứng nhiệt và phản ứng xúc tác (kcal/mole) [12]
Phản ứng Enhiệt Exúc tác Chất xúc tác
2N2O
2N2 + O2
58,5 29 Au
C6H5-CH3 + H2
C6H6 + 53 35 Cr2O3 + K2O
CH4
Cracking n-Hexan
55 18 SiO2 - Al2O3
Khử hydro dodecane
52 16 Pt + Ir
Xét đến trạng thái tồn tại của chất xúc tác và chất phản ứng, người ta chia phản
ứng xúc tác ra làm hai loại là phản ứng xúc tác đồng thể và phản ứng xúc tác dị thể.
2.2 Cơ chế hình thành khí thải độc hại [12]-[13]
Quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu-không khí là một trong những yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến công suất, hiệu suất và mức độ phát ô nhiễm của động cơ. Quá trình
cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocacbon với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy
nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp cũng như tính chất phức tạp của các hiện tượng
lý hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ luôn chứa một lượng đáng kể
các chất độc hại như oxyde nitơ (NOx), monoxyde cacbon (CO), các hydrocacbon chưa
cháy (HC), các hạt rắn...Nồng độ các chất ô nhiễm này sẽ phụ thuộc vào loại động cơ và
chế độ vận hành.
Những tạp chất, đặc biệt là các hợp chất chứa lưu huỳnh và các phụ gia có trong
nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Một
trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của
động cơ là hệ số dư lượng không khí. Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với

hệ số dư lượng lamda 1. Đồ thị hình 2.1 cho thấy động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo
có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn, tuy nhiên nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy
thấp, dễ có tình trạng mất lửa và đó là nguyên nhân làm gia tăng nồng độ HC chưa cháy.
Hình 2.1: Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo nồng độ hệ số dư lượng không
khí
Khi hỗn hợp cháy có hệ số dư lượng không khí lamda = 1 thì mức độ phát sinh ô nhiễm trung
bình như trong bảng 2. Tuy nhiên, trong những điều kiện cháy đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ
số dư lượng không khí lớn thì thành phần các chất ô nhiễm sẽ thay đổi theo hướng gia tăng NOx.
Bảng 2: Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy
Chất ô nhiễm Lượng phát sinh (g/kg nhiên liệu)
NOx 20
CO 200
HC 25
Bồ hóng 2 5
Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến
thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các
phản ứng tạo NOx. Nói chung, tất cả những thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ
có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián
tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả.
2.2.1 Cơ chế hình thành các oxyde nitơ (NOx)
NOx là tên gọi chung của các oxyde nitơ NO, NO2, và N2O được hình thành do sự
kết hợp giữa oxy và nitơ (chủ yếu do N2 trong không khí nạp vào động cơ) ở điều kiện

nhiệt độ cao. Trong một số trường hợp, nó là chất ô nhiễm chính làm giới hạn tính năng kỹ
thuật của động cơ.
 Quá trình hình thành monoxyde nitơ (NO)
NO là hợp chất chiếm tỉ lệ cao nhất trong họ NOx. Sự hình thành NO do quá trình
oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả bởi cơ chế Zeldovich [14]. Trong điều
kiện lamda 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO là:
O + N2  NO + N (2.1)
N + O2  NO + O (2.2)
N + OH  NO + H (2.3)
Phản ứng (2.1) và (2.2) diễn ra mạnh trong khu vực màng lửa và trong vùng khí đã
cháy còn phản ứng (2.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu. NO tạo thành trong màng lửa và
trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa. Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra ở điều kiện
áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất ngắn, thêm vào
đó áp suất trong xy-lanh tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí
cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên đại bộ
phận NO hình thành trong khu vực sau màng lửa:
N2 + O2  2NO (2.4)
Còn NO hình thành trong màng lửa có khả năng tạo ra những hợp chất còn lại của
họ NOx. Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì tốc độ
tạo NO càng lớn. Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy. Do đó, trong điều
kiện nhiệt độ cao và nồng độ oxy lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy sẽ lớn.
Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức, một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh
hưởng đến sự hình thành NO là hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp. Khi hỗn hợp quá
đậm hay quá nhạt đều dẫn đến tốc độ phản ứng tạo NO giảm. Bên cạnh đó, hệ số khí sót
cũng ảnh hưởng đáng kể đến lượng NO tạo thành. Sự có mặt của khí sót là do khí cháy của
chu trình trước còn sót lại trong xy-lanh hay do quá trình hồi lưu khí xả. Khi không có sự
hồi lưu, lượng khí sót trong xy-lanh phụ thuộc vào các chế độ tải, góc độ phối khí và đặc
biệt là khoảng trùng điệp giữa các xupap thải và nạp. Khoảng trùng điệp càng tăng thì
lượng khí sót càng tăng, điều đó dẫn đến nồng độ NO phát xả sẽ giảm. Tuy nhiên, sự tăng
quá mức tỉ lệ khí sót sẽ làm giảm chất lượng quá trình cháy, động cơ làm việc không ổn
định, tính kinh tế giảm và tăng hàm lượng HC trong khói thải. Một yếu tố nữa ảnh hưởng
mạnh đến sự phát sinh NO là góc đánh lửa sớm. Khi tăng góc đánh lửa sớm sẽ làm tăng
nồng độ NO phát xả. Nguyên nhân là do khi tăng góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy sẽ
xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện gần ĐCT hơn và

cũng đạt giá trị lớn hơn, lúc này nhiệt độ cực đại cũng tăng lên tương ứng. Mặc khác, do
thời điểm cháy bắt đầu sớm nên thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài.
Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO.
 Quá trình hình thành dioxyde nitơ (NO2)
Dioxyde nitơ (NO2) được hình thành từ monoxyde nitơ (NO) và các chất trung gian
của sản vật cháy theo phản ứng sau:
NO + HO2  NO2 + OH (2.5)
Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:
NO2 + O  NO + O2 (2.6)
Trong trường hợp NO2 sinh ra bị làm mát ngay bởi sự vận động của dòng khí có
nhiệt độ thấp trong buồng cháy thì phản ứng (2.6) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn
tại trong sản vật cháy. Vì vậy khi động cơ làm việc kéo dài ở chế độ không tải hay ở chế
độ tải thấp thì nồng độ NO2 trong khí xả sẽ gia tăng do phản ứng ngược biến đổi NO2
thành NO bị khống chế bởi các vùng không khí có nhiệt độ thấp. Dioxyde nitơ cũng hình
thành trên đường xả khi tốc độ tải thấp và có sự hiện diện của oxy.
 Quá trình hình thành protoxyde nitơ (N2O)
Protoxyde nitơ (N2O) chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi
chúng tác dụng với NO theo phản ứng:
NH + NO  N2O + H (2.7)
NCO + NO  N2O + CO (2.8)
N2O chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà
nguyên tử H lại tạo ra sự phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng:
N2O + H  NH + NO (2.9)
N2O + H  N2 + OH (2.10)
Chính vì vậy N2O chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp trong khí xả của động cơ đốt trong
(khoảng 38 ppm).
2.2.2 Cơ chế hình thành monoxyde cacbon (CO)
CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do sự phân giải
sản phẩm của quá trình cháy. Nồng độ CO phụ thuộc mạnh vào thành phần hỗn hợp hay hệ
số dư lượng không khí (lamda). Ở điều kiện hỗn hợp giàu, lượng O2 có mặt trong hỗn hợp
không đủ để oxy hóa hoàn toàn carbon của nhiên liệu thành CO2. Mặc khác, ở điều kiện
nhiệt độ cao, phản ứng phân giải sản phẩm cháy cũng làm tăng nồng độ CO ngay cả khi
hỗn hợp nghèo. Ở điều kiện nhiệt độ rất cao (trên 1200 o
C), hơi nước tạo thành có thể bị
nhiệt phân tạo H2 và O2. Khi đó, H2 có thể phản ứng với CO2 tạo thành CO theo phản ứng:

CO2 + H2

CO + H2O (2.11)
Khi động cơ làm việc ở chế độ non tải, do điều kiện cháy của hỗn hợp không thuận
lợi, tạo ra các vùng cháy không hoàn toàn cục bộ nên nồng độ CO trong khí xả cao hơn dù
hệ số dư lượng không khí được điều chỉnh dao động chung quanh giá trị cháy hoàn toàn lý
thuyết. Chính vì lẽ đó, khi phương tiện hoạt động trong thành phố thì sự phát sinh CO
đáng quan tâm nhất, do động cơ thường xuyên làm việc ở chế độ tải thấp.
Sự hình thành CO chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như áp suất nạp nhiên liệu vào
động cơ, thành phần của hỗn hợp nhiên liệu-không khí, góc đánh lửa sớm, bản chất của
nhiên liệu, hệ số khí sót…
2.2.3 Cơ chế hình thành hydrocarbon (HC)
Sự phát sinh HC là do quá trình cháy không hoàn toàn ở một số chu trình làm việc
của động cơ (khi có sự thay đổi về độ đậm đặc, góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí xả) hoặc
do một bộ phận hỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa. Điều này xảy ra do sự
không đồng nhất của hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay trong
các không gian chết. Nghĩa là ở các khu vực có nhiệt độ thấp, khác với sự hình thành CO
và NOx diễn ra trong pha đồng nhất ở những khu vực có nhiệt độ cao.
Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa đi qua không phải là nguồn
phát sinh HC chính đo được trên đường xả của động cơ. Kết quả đo sự biến thiên nồng độ
HC theo góc quay trục khuỷu trên thành buồng cháy của động cơ một xy-lanh cho thấy
ngay khi màng lửa đi qua, nồng độ HC đo được thấp hơn nồng độ HC có mặt trong khí xả
và vào cuối chu trình nồng độ HC lại tăng lên. Đó là do khi màng lửa lan đến khu vực gần
thành thì nó bị dập tắt và chính HC thoát ra từ các vùng không bị cháy đóng vai trò chủ
yếu trong việc tăng nồng độ HC.
Sự dập tắt màng lửa hay còn gọi là tôi màng lửa diễn ra khi màng lửa tiếp xúc với
thành buồng cháy hay ở trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, chẳng hạn
như khe hở giữa piston và thành xy-lanh. Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng
hỗn hợp chưa cháy hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (culasse, piston, xy-
lanh, xupap...) hay ở những không gian chết.
Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt độ và áp suất
của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề
mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy...
Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu, màng lửa bị
tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa
tỏa ra. Vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự oxy hóa nên nồng độ HC tại

khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi. Mặc khác, những HC thoát ra do màng lửa
bị dập tắt có thể bị oxy hóa trong quá trình giãn nở hay thải.
Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên thành xy-lanh có thể hấp thụ HC, nhất là các HC
trước khi bén lửa ở giai đoạn nạp và nén rồi thải chúng ra trong kỳ giãn nở. Quá trình hấp
thụ và nhả HC như vậy là nguồn phát sinh HC quan trọng trong khí xả động cơ đốt trong.
Ngoài ra, lớp muội than trong buồng cháy cũng có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC.
2.3 Lý thuyết về xúc tác xử lý khí thải trên động cơ
Trong dòng khí xả, có thể xảy ra những phản ứng sau:
CO + 1/2O2 CO2 NO + CO 1/2N2 + CO2
[HC] + O2 CO2 + H2O NO + H2 1/2N2 + H2O
H2 + 1/2O2 H2O NO + [HC] N2 + CO2 + H2O
CO + H2O CO2 + H2 (Water Gas Shift) NO + 5/2H2 NH3 + H2O
[HC] + H2O CO2 + H2 (Vaporeformage) 3NO + 2NH3 5/2N2 + 3H2O
SO2 + 1/2O2 SO3 2NO + H2 N2O + H2O
SO3 + H2O H2SO4 2N2O 2N2 + O2
SO2 + H2 H2S + O2 2NH3 N2 + 3H2
2NO + 5CO + 3H2O 2NH3 + 5CO2 2NO + CO N2O + CO2
Ngoại trừ phản ứng oxy hoá NO thành NO2, những phản ứng oxy hoá bằng O2 đều
toả nhiệt và không bị giới hạn nhiệt động của điều kiện nhiệt độ, áp suất đường xả. Những
phản ứng oxy hoá bằng H2O chỉ có thể tiến hành ở khoảng 500o
C. Về mặt động học, các
phản ứng oxy hoá CO, HC trong dòng khí xảy ra rất chậm ở nhiệt độ của hệ thống xả (500-
900o
C). Đối với HC thời gian oxy hoá là trên 50 ms, còn đối với CO là trên 200 ms.
Ở nhiệt độ khoảng 900o
C, hợp chất NO rất bền. Hơn nữa, thời gian lưu của khí thải trong
hệ thống xả rất ngắn (<1s). Do đó cần phải tăng tốc độ của những phản ứng bằng các chất
xúc tác.
Cơ chế của những phản ứng xúc tác trên động cơ
Phản ứng xúc tác trên động cơ là những phản ứng xúc tác dị thể. Quá trình phản
ứng xảy ra theo 5 giai đoạn sau:

Khuyếch tán chất phản ứng đến xúc tác.



Hấp phụ chất phản ứng lên bề mặt xúc tác



Xảy ra phản ứng hoá học trong lớp hấp phụ.



Nhả hấp phụ sản phẩm ra khỏi xúc tác.



Khuyếch tán sản phẩm vào môi trường.



Quá trình oxy hoá monoxyde cacbon (CO)


Trong khí xả động cơ luôn có một lượng oxy dư, sự có mặt của chất xúc tác sẽ đẩy
nhanh phản ứng oxy hoá sau:
CO + 1/2O2  CO2 (2.12)
Quá trình oxy hoá CO bởi O2 theo cơ chế Langmuir Hinshelwood [15] trải qua 4
giai đoạn chủ yếu.
COgaz + *  COads (2.13)
O2gaz + *  2Oads (2.14)
COads + Oads  CO2, gaz (2.15)
COgaz + Oads  CO2, gaz (2.16)
Các phản ứng (2.13) và (2.14) sẽ tạo ra những tâm hoạt động mới, từ đó phản ứng
oxy hoá CO (2.15 và 2.16) tạo CO2 bắt đầu xảy ra mạnh. Ở đây, CO có thể tự hấp phụ trên
bề mặt xúc tác đã được O2 hấp phụ hoá học. Ngược lại, O2 không thể tự hấp phụ trên bề
mặt đã có CO. Do đó, khi hỗn hợp giàu, sự hấp phụ một lượng lớn CO lên những kim loại
quý sẽ ngăn cản quá trình oxy hoá. Cần phải có nhiệt độ đủ lớn (100-200o
C) để mà giải
phóng CO ra khỏi những tâm xúc tác nhường chỗ cho những phân tử O2. Trên những kim
loại quý (Pt, Pd), tốc độ phản ứng oxy hoá CO gần như không đổi khi nhiệt độ vượt quá
500o
K. Phương trình vận tốc như sau:
 k1 PCO PO
V 2 
CO 1 k 2 PCO k3 PHC2
1 k4 Pn
NO
Phương trình cho thấy phản ứng bị tác động ức chế mạnh bởi NO, ngược lại CO2 và
H2O không gây ra ảnh hưởng nào cả. Với xúc tác Rh và trên 280o
C, ôxy bị hấp phụ hoá
học sẽ gây tác động ức chế đến quá trình oxy hoá CO thành CO2. Năng lượng hoạt hoá của
phản ứng trên (80-100kJ/mol) phụ thuộc vào bản chất của xúc tác (Pt, Pd, Rh).

Quá trình oxy hoá hydrocarbon (HC)

Tương tự như CO, dưới tác động của chất xúc tác oxy hoá cùng với sự có mặt của
oxy thừa trong khí xả sẽ dẫn đến phản ứng sau:
CxHy + (x/2+y/4)O2

xCO2 + y/2H2O (2.17)
Phản ứng xảy ra toả nhiệt và phụ thuộc vào bản chất của HC. Những alcanes có
mạch càng ngắn thì quá trình oxy hoá càng khó xảy ra. Khi áp suất riêng phần của O2 tăng
(lamda <1) thì quá trình oxy hoá tăng và ngược lại. Đối với những hợp chất không no, quá
trình oxy hoá dễ dàng hơn, ít bị ảnh hưởng bởi chiều dài cũng như cấu trúc mạch và tăng
theo nồng độ O2 với giá trị bất kỳ của lamda. Cơ chế oxy hoá HC hoàn toàn tương tự như
CO nhưng trong trường hợp này, có tác dụng ức chế của CO và NO.


Quá trình khử oxyde nitơ (NO)

NO có cấu trúc đặt biệt với một điện tử không ghép đôi nên dễ dàng nhường điện tử
để tạo thành ion NO+
. Về mặt nhiệt động học, phân tử NO không bền (trừ trường hợp ở
nhiệt độ cao). Theo lý thuyết, nó có thể bị phân huỷ tạo N2 và O2 theo phản ứng:
NO

1/2N2 + 1/2O2 (2.18)
Phản ứng toả nhiệt này khó xảy ra ở nhiệt độ cao hơn là khi có mặt của xúc tác.
Trên những chất xúc tác có xảy ra sự phân ly của những phân tử NO bị hấp phụ. Sản phẩm
phân ly vẫn còn bị hấp phụ mạnh trên bề mặt xúc tác nên việc giải phóng oxy tạo thành sẽ
quyết định đến sự tiến triển của phản ứng. Do đó, nhiệt độ cao hay có mặt của những hợp
chất khử là không thể thiếu để lấy lại hoạt tính của xúc tác. Các chất khử có thể là những
hợp chất có mặt trong dòng khí xả như CO, H2 hay HC chưa cháy. Sự có mặt của H2 là do
phản ứng reformage hơi của CO được xúc tác bởi NiO hoặc CeO2
CO+ H2O

CO2+ H2 (2.19)
Cơ chế phản ứng khử NO bằng CO phụ thuộc vào bản chất của xúc tác, trong
trường hợp này Rh có tác động hiệu quả hơn Pt. Tương tự như trường hợp CO, sự hấp phụ
mạnh của NO lên bề mặt xúc tác sẽ làm giảm quá trình khử cũng như quá trình oxy hoá
của CO và HC. Trong quá trình oxy hoá, có sự cạnh tranh giữa oxy sinh ra từ quá trình
phân huỷ NO và oxy phân tử có mặt trong khí xả. Khi áp suất riêng phần của oxy phân tử
lớn hơn rất nhiều so với áp suất riêng phần của NO, tốc độ phản ứng khử NO trở nên rất
nhỏ. Chính vì lý do đó, với những chất xúc tác hiện nay thì không thể khử NO trong khí xả
động cơ đánh lửa cưỡng bức hoạt động với hỗn hợp thừa không khí hay động cơ Diesel (tỷ
số không khí/nhiên liệu ngay cả ở chế độ đầy tải luôn đảm bảo lamda=1,2). Ngược lại, khi
hỗn hợp giàu, lượng chất khử lớn, NO có thể bị khử sâu hơn tạo thành NH3.

Qúa trình oxy hoá H2 bằng O2

Phản ứng này xảy ra dễ dàng trên những kim loại quý. Tuy nhiên, sự có mặt của CO
sẽ làm phản ứng xảy ra chậm hơn nhiều do sự cạnh tranh hấp phụ lên bề mặt xúc tác.
Nghiên cứu cho thấy khi không có mặt CO, nhiệt độ của phản ứng là 95o
C và khi có
khoảng 1% CO nhiệt độ này lên đến 295o
C. H2 không ảnh hưởng đến phản ứng oxy hoá
CO.
Phản ứng WGS xảy ra chậm hơn nhiều so với phản ứng oxy hoá trực tiếp CO và chỉ
đáng kể khi nồng độ O2 gần như bằng không (hỗn hợp rất giàu). Hoạt tính xúc tác của Pt
cho phản ứng này tốt hơn Rh. Còn đối với quá trình reforming hơi, hệ số phản ứng lý
thuyết phụ thuộc vào tỉ lệ CO/CO2, tỷ lệ này chịu ảnh hưởng của phản ứng WGS.
2.4 Bộ xúc tác dùng trên động cơ động cơ đánh lửa cưỡng bức [12]-[13]

Hiện nay, bộ xử lý khí xả đang trong quá trình hoàn thiện và phát triển nhưng đã có
thể thõa mãn các yêu cầu của luật bảo vệ môi trường. Kết cấu của bộ xử lý khí xả không
phức tạp nhưng nguyên lý hoạt động của nó lại rất phong phú.
Bộ xử lý xúc tác dùng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức 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 (2.20)
[HC] + O2  CO2 +H2O (2.21)
Bộ xúc tác này làm việc hiệu quả khi có một lượng oxy 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 (2.22)
NO + H2 1/2N2 + H2O (2.23)
NO + [HC] 1/2N2 + CO2 + H2O (2.24)
Ngoài ra còn có một lượng NH3 được hình thành do phản ứng:
NO + 5/2H2 NH3 + H2O (2.25)
2NO + 5CO + 3H2O
2NH3 + 5CO2 (2.26)
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 (2.27)
[HC] + O2  CO2 +H2O (2.28)
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.

Hình 2.2: Quá trình xử lý khí thải của bộ xúc tác hai thành phần
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 quả 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 (2.29)
NH3 + 5/4O2  NO + 3/2H2O (2.30)
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.

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 + H2  1/2N2 + H2O (2.34)
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 lamda 1 trong
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 lamda ≈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.


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.
Hình 2.3: Vị trí lắp đặt của bộ cảm biến trên hệ thống xả và các hệ thống khác của động cơ [16]

Hình 2.4: Hình dạng và cấu tạo của bộ cảm biến lamda [17]
Việc duy trì thành phần hỗn hợp có lamda = 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 lamda ≈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.
2.5 Hệ thống cấu tạo các thành phần của bộ xúc tác xử lý khí thải [11]-[12]
So với chất xúc tác cổ điển đã được sử dụng trong công nghiệp hoá học và hoá dầu,
những chất xúc tác sử dụng cho quá trình đốt cháy sau trên động cơ nổi bật bởi bản chất
của chất mang và thành phần của pha hoạt động. Nói chung, bộ xúc tác trên động cơ có
cấu tạo gồm một vỏ bằng thép không oxy hoá bên trong có chứa chất mang (thường có
dạng bi cầu hoặc dạng monolithe) với nhiều rãnh nhỏ, bề mặt của rãnh được bao phủ bởi

một lớp mỏng kim loại quý (Pt, Pd, Rh) đặt trên lớp vật liệu nền (wash-coat). Khi khí xả đi
qua bộ xúc tác, những kim loại sẽ đóng vai trò xúc tác cho quá trình chuyển hoá hoá học
các thành phần trong khí xả để tạo thành những chất không ô nhiễm.
Hình 2.5: Cấu tạo bộ xúc tác xử lý khí thải [18]
2.5.1 Hệ thống chất mang của bộ xúc tác
2.5.1.1 Yêu cầu của chất mang
Hoạt tính của hệ thống xúc tác được quyết định chủ yếu bởi hoạt động của những
nguyên tử bề mặt. Để tận dụng tốt nhất hoạt tính của chất xúc tác khi cần sử dụng một
lượng rất nhỏ thì cần phân bố chúng trên những chất mang. Do đó, yêu cầu đầu tiên của
chất mang là phải phân bố tốt pha hoạt động. Hơn nữa, hạn chế sự tiếp xúc giữa các hạt
xúc tác sẽ tránh được nguy cơ xảy ra hiện tượng thiêu kết làm mất hoạt tính của chất xúc
tác. Bên cạnh đó, các chất mang còn phải bảo đảm được những yêu cầu về mặt hình học
cũng như cơ khí cho việc sử dụng trên động cơ.
Chất mang phải cho dòng khí xả đi qua mà không gây trở lực quá lớn ở hệ thống xả,
điều này có thể ảnh hưởng đến sự vận hành của động cơ. Về mặt cấu tạo, chất mang phải
có bề mặt riêng lớn nhờ những lỗ xốp nhằm phân tán tốt nhất các pha hoạt động và đảm
bảo quá trình chuyển khối đủ nhanh. Những lỗ xốp lớn có đường kính trung bình 1-2 mm,
còn những lỗ xốp nhỏ có đường kính khoảng 20nm.
Về mặt cơ học, chất mang phải đảm bảo được độ bền cơ và độ bền do ma sát với
những dao động trong quá trình làm việc của động cơ. Đối với những chất mang đặc biệt,
còn có yêu cầu khả năng chống lại những cú sốc nhiệt do những biến đổi đột ngột trong

Nghiên cứu giảm khí thải xe máy (co hc) bằng phương pháp xử lý trên đường thải.doc

Nghiên cứu giảm khí thải xe máy (co hc) bằng phương pháp xử lý trên đường thải.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên cứu giảm khí thải xe máy (co hc) bằng phương pháp xử lý trên đường thải.doc

Similar to Nghiên cứu giảm khí thải xe máy (co hc) bằng phương pháp xử lý trên đường thải.doc (20)

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Nghiên cứu giảm khí thải xe máy (co hc) bằng phương pháp xử lý trên đường thải.doc