Hệ thống ống xả máy xăng (Phần 4: Xử lý NOx)

Bộ xúc tác lưu trữ và khử NOx

Ở động cơ phun xăng trực tiếp và được vận hành trong những phạm vi nhất định với hòa khí phân lớp và λ > 1 thì NO_xkhông thể khử được bằng bộ xúc tác 3 thành phần vì trong những phạm vi tải này thừa không khí. Bên cạnh bộ xúc tác ba chức năng được đặt gần động cơ, cần phải sử dụng thêm một bộ xúc tác trữ và khử NOx đặc biệt, gắn dưới gầm xe để xử lý lại nitơ oxide.

Hệ thống lọc khí thải động cơ phun xăng trực tiếp

Cấu tạo

Giá mang bằng gốm được phủ một lớp trung gian. Lớp này lại được tráng thêm lớp bari oxide (BaO) hoặc kali oxide (KO) dùng làm vật liệu lưu trữ.

Nguyên lý hoạt động

Lưu trữ NO_x: Trong khi vận hành với hòa khí nhạt, vật liệu lưu trữ có khả năng kết nối với nitơ oxide (hấp phụ). Khi khả năng lưu trữ đã cạn sẽ được nhận biết bởi một cảm biến NOx.

Khử NO_x: Nhờ vào việc tăng độ đậm của hòa khí theo chu kỳ (1 đến 5 giây), nitơ oxide sẽ được phóng thích trở lại và được khử thành nitơ bởi kim loại đất hiếm rhodi với sự hỗ trợ của những thành phần chưa cháy khác trong khí thải như HC và CO.

Điều kiện vận hành cho bộ hấp thụ NO_x

Khoảng 80 % đến 90 % nitơ oxide được khử ở nhiệt độ hoạt động giữa 250 °C và 500°C.

Nếu nhiệt độ cao hơn 500 °C thì bộ xúc tác bị lão hóa vì nhiệt độ cao, vì thế khí thải phải được làm nguội khi cần, chẳng hạn dùng những đường ống chạy vòng. Lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu phải thấp hơn 0,050 mg (< 0,050 ppm) để tránh làm suy giảm đáng kể khả năng lưu trữ (“sự đầu độc lưu huỳnh”).

Cảm biến NO_x (cảm biến nitơ oxide)

Nhiệm vụ: Cảm biến NO_x là cần thiết để giám sát việc khử NO_x trong hệ thống tái xử lý khí thải để có thể giữ đúng những trị số giới hạn theo quy định. Với mục đích đó, cảm biến NO_x đo NO_x và O₂ trong khí thải với độ chính xác cao cho λ nằm ở giữa khoảng λ ≥ 1 và 1 ≤ λ. Cảm biến NOx, được đặt ngay sau bộ xúc tác trữ và khử NO_x. Nó có một bộ điều khiển riêng để giao tiếp với bộ điều khiển động cơ và truyền số liệu đo đã được xử lý qua CAN-bus.

Cấu tạo: Phần tử cảm biến NO_xbao gồm ba lớp điện phân rắn bằng zirconi dioxide (ZrO₂), được ghép lớp với những điện cực.

Buồng 1 và buồng 2 (cảm biến buồng kép) được ngăn với nhau bằng vùng chắn khuếch tán 2. Lớp trên cùng và dưới cùng của phần tử cảm biến được làm bằng oxide nhôm (Al₂O₃) để đạt được độ cách nhiệt tốt và độ bền cao khi nhiệt độ thay đổi. Bộ gia nhiệt cảm biến giúp phần tử cảm biến đạt được nhiệt độ nhanh chóng và sau đó duy trì nhiệt độ vận hành ở khoảng 700 °C. Phần tử cảm biến được phủ một lớp bảo vệ để chống những thành phần ăn mòn trong khí thải và được đặt trong một vỏ bọc kim loại.

Nguyên lý hoạt động: Trước tiên, khí thải đi qua vùng chắn khuếch tán 1 rồi vào buồng 1. Trong buồng 1, hầu hết oxy được tách ra để tránh ảnh hưởng đến kết quả đo nitơ oxide trong buồng 2. Để đạt được điều này, những phân tử O₂ được tách ra thành ion oxy mang điện tích gấp đôi (2O^{– –}) ở điện cực của buồng 1. Nếu có tác dụng của điện áp bơm, ion oxy sẽ được bơm ra khỏi buồng 1, xuyên qua chất điện phân rắn ZrO₂ cho đến khi λ > 1 một chút. Điện áp đo ở lớp điện phân giữa được dùng như đại lượng điều chỉnh cho buồng 1. Như vậy dòng điện bơm I_p1 tỷ lệ với nồng độ oxy trong khí thải.

NO_x và O₂ dư đi xuyên qua vùng chắn khuếch tán thứ hai để vào buồng 2. O₂ dư khuếch tán ra ngoài thông qua những đường dẫn và khe thoát. Ở điện cực trong buồng 2, nitơ oxide (2NO) được tách ra thành nitơ (N₂) và ion oxy (2O^{– –}). Qua tác dụng của một điện áp, những ion oxy này sẽ được bơm ra khỏi buồng 2, đi qua chất điện phân rắn để vào buồng chuẩn. Tại đây, những ion oxy phản ứng thành O₂, và khuếch tán ra ngoài qua những khe thoát.

Dòng điện bơm được đo I_p2 ( A) tỷ lệ với nồng độ nitơ oxide trong khí thải. I_p2 được đánh giá trong bộ điều khiển NO_x và xử lý thành một tín hiệu hữu dụng cho bộ điều khiển động cơ. Phạm vi đo NO_x trong khoảng 0 đến 1.500 ppm với độ chính xác ± 10 ppm (phần triệu).

Độ lệch của đường thẳng I_p2 là do ảnh hưởng của lượng oxy dư trong buồng 2.