Bộ chuyển đổi khí thải trên xe hơi hoạt động như thế nào?

Xe ô tô luôn được xem là một tác nhân rất lớn ảnh hưởng đến môi trường và bộ chuyển đổi khí thải xúc tác (Catalytic Converter) chính là một "anh hùng" thầm lặng mà không phải ai cũng biết đến. Theo một con số thống kê của Mỹ vào năm 2010, toàn thế giới có 1,015 tỷ chiếc xe đang lưu thông trên đường. Đến nay là tháng 10/2013, con số này chắc chắn đã tăng lên khá nhiều, theo dự đoán thì đến năm 2050 sẽ có khoảng 2.5 tỷ chiếc. Ví dụ như chúng ta "trừ hao" hết ga là hiện nay có 1 tỷ chiếc xe thôi, mỗi chiếc chỉ chạy 10km/ngày và thải ra trung bình 250g CO2/km. Như vậy, một ngày sẽ có khoảng 2,5 triệu tấn CO2 thải ra từ xe hơi - một con số vô cùng khủng khiếp dù đã "trừ hao" khá nhiều.

Ngoài khí CO2, quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch còn sinh ra rất nhiều hợp chất độc hại hơn CO2 rất nhiều lần như CO, NO, NO2, HC, SO2.v.v... Chính vì thế, để giảm thiểu đi những chất độc hại này thì các kỹ sư cần phải chế tạo ra một bộ phận giúp chuyển đổi chúng thành những dạng chất thải khác ít ảnh hưởng đến môi trường hơn. Câu trả lời đó chính là bộ chuyển đổi khí thải xúc tác - một bộ phận rất dễ nhìn thấy mỗi khi bạn cuối xuống quan sát bên dưới gầm xe.

Trong phạm vi bài viết này, mình sẽ chia sẻ với các bạn cấu tạo và chức năng cơ bản của bộ chuyển đổi khí thải này chứ không đi sâu vào phân tích các phản ứng hóa học cũng như các "lý thuyết" học thuật này nọ. Mục đích chính của mình là giúp các bạn nắm được và hiểu rõ cái cơ bản chứ không muốn làm các bạn... "nhức đầu".

Bộ chuyển đổi khí thải nằm bên dưới gầm của một chiếc Dodge đời 1996.

Bộ chuyển đổi khí thải, hay gọi một cách "khoa học" hơn là bộ chuyển đổi xúc tác, được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1950, nó được phát minh bởi một kỹ sư người Pháp, ông Eugene Houdry. Tuy nhiên, bộ chuyển đổi khí thải này chỉ được sử dụng rộng rãi vào những năm 1975 - thời điểm mà những bộ luật về hạn chế khí thải và bảo vệ môi trường được thực thi một cách cứng rắn hơn.

Công việc chính của bộ chuyển đổi khí thải (Catalytic Converter) chính là chuyển đổi khí thải độc hại (thường là NO, NO2, CO, HC...) thành những phân tử hóa học khác ít độc hại hơn (như N2, CO2, H2O...) trước khi nó thực sự rời khỏi hệ thống xả thải của chiếc xe. Bộ chuyển đổi khí thải là một bộ phận có cấu tạo rất đơn giản, nhưng ảnh hưởng của nó đến việc giảm thiểu khí thải độc hại và bảo vệ môi trường là vô cùng to lớn...

Thật vậy, nếu nói một cách nôm na, nó là một cái hộp bằng kim loại có chứa một chiếc lõi lọc dạng tổ ong được làm bằng Ceramic hoặc kim loại. Chiếc lõi lọc này sẽ được phủ lên một lớp chất xúc tác giúp tạo ra phản ứng hóa học với các loại khí thải độc hại, những chất xúc tác này thường là những kim loại quý hiếm như bạch kim (Platinum), Rhodium, Palladium... Có thể bạn chưa biết được rằng, cái hộp bằng kim loại thô kệch kia có chứa một lượng Platinum, Rhodium hay Palladium... có giá trị từ vài trăm cho đến hàng nghìn đô-la Mỹ.

Một bộ chuyển đổi khí thải có lưới lọc bằng Ceramic.

Thông thường, sau khi đốt cháy nhiên liệu, động cơ sẽ thải những hợp chất chủ yếu sau:

• Khí Ni-tơ (N2): Do chiếm đến 78% trong không khí và là một loại khí trơ nên loại khí này hầu như sẽ đi qua quá trình đốt cháy mà không có bất kì sự thay đổi nào.
• Khí Cacbonic (CO2): Nguyên tố Carbon (C) trong nhiên liệu sẽ kết hợp với Oxy (O2) trong không khí để tạo thành loại khí này.
• Hơi nước (H2O): Một sản phẩm nữa của quá trình đốt cháy, nguyên tố Hydro trong nhiên liệu sẽ kết hợp với Oxy để tạo thành hơi nước.

Theo lý thuyết thì những hợp chất này gần như vô hại với môi trường nếu quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra một cách triệt để và "hoàn hảo" (trừ khí CO2 có thể gây nên hiệu ứng nhà kính nếu lượng thải ra quá nhiều). Tuy nhiên, trong thực tế thì không có gì có thể gọi là "hoàn hảo" được. Dù cho động cơ có tốt đến đâu đi nữa thì quá trình đốt cháy vẫn có thể tạo ra một lượng nhỏ những hợp chất rất độc hại khác, đó chính là những loại chất thải sau:

• Khí Cacbon Oxit (CO): Một loại khí rất độc, không màu và không mùi.
• Khí Ni-tơ Oxit (NO, NO2...): Cũng là một loại khí rất độc, chúng góp phần tạo nên những trận mưa axit và gây nên ảnh hưởng lớn đến bộ não của con người.
• Hydrocarbon (HC) hay còn gọi là hợp chất hữu cơ dễ bay hơi: Nhân tố gây nên các trận mưa axit và khói độc, chủ yếu được tạo ra từ lượng nhiên liệu không cháy hết và sự bốc hơi của nhiên liệu (đặc biệt là các loại xăng).

Mặt cắt bên trong của một chiếc lõi lọc làm bằng kim loại.

Như vậy, nhiệm vụ cụ thể của bộ chuyển đổi khí thải chính là chuyển đổi những chất thải siêu độc hại như CO, NO, NO2 và HC thành những hợp chất ít có hại hơn (CO2) hoặc vô hại với môi trường (N2, H2O). Để làm được điều này, bộ chuyển đổi khí thải được trang bị một chiếc lõi lọc dạng tổ ong với bề mặt được bao phủ bằng một lớp hỗn hợp kim loại quý hiếm như Platinum (Pt), Palladium (Pd) và Rhodium (Rh). Hỗn hợp kim loại này sẽ là chất xúc tác cần thiết cho các phản ứng khử và oxi hoá diễn ra trên bề mặt của lõi lọc.

Chính vì vậy, cấu trúc của chiếc lõi lọc này phải tạo ra một diện tích bề mặt thật lớn để tạo điều kiện cho các phản ứng hoá học diễn ra dễ dàng hơn và tiêu hao ít... kim loại hơn. Trong thời gian gần đây, người ta bắt đầu sử dụng chất liệu vàng (Au) trong hỗn hợp kim loại dùng để phủ lên bề mặt của lõi lọc. Lý do là vàng có giá "rẻ" hơn các kim loại kia và có tính oxi hóa tăng hơn khoảng 40%.

Mình sẽ đưa ra một số phản ứng hóa học đơn giản để minh họa cho quá trình "chuyển đổi" khí thải diễn ra trên bề mặt chiếc lưới lọc này. Đầu tiên là các phản ứng khử:



Tiếp theo là các phản ứng oxi hóa:



Như vậy, các chất độc hại sẽ không còn tồn tại nếu 100% chất thải đều tham gia các phản ứng này. Tuy nhiên, như mình đã nói ở trên, không có gì là tuyệt đối, bộ chuyển đổi khí thải dựa vào chất xúc tác này chỉ có thể chuyển đổi khoảng được 90% lượng chất độc hại sinh ra. Một số hãng xe cao cấp ngày nay đều có bổ sung thêm các bộ lọc (Filter) đặc biệt giúp tăng lên đáng kể hiệu quả làm việc của "chiếc hộp sắt" giúp bảo vệ môi trường này (có thể chuyển đổi lên đến 99% lượng khí thải).

Như chúng ta đã thấy, bộ chuyển đổi khí thải xúc tác (Catalytic Converter) có thể biến đổi các chất thải độc hại thành các hợp chất ít độc hại hơn một cách khá hiệu quả. Tuy nhiên, chúng vẫn chưa thể làm giảm đi một loại khí thải khá độc hại khác - đó chính là CO2, nguyên nhân chính gây nên hiệu ứng nhà kính và hiện tượng ấm dần lên toàn cầu ngày nay. Chính vì vậy, việc các nhà sản xuất xe hơi ngày càng chú ý đến lượng nhiên liệu tiêu thụ và bắt đầu cho ra đời các sản phẩm kết hợp xăng-điện (Hybrid) hay dùng các loại nhiên liệu khác như khí tự nhiên, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời.v.v... sẽ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường ngay từ gốc. Lọc, xử lý và chuyển đổi chỉ là các giải pháp cho sự "đã rồi" mà thôi.

Một số hình ảnh minh họa thêm:

Vị trí của bộ chuyển đổi khí thải (chỗ khoanh tròn màu đỏ) trên một chiếc ô tô ngày nay.

Bên dưới khung gầm của một chiếc Mitsubishi Lancer Evolution đời 2010.

Xin kết thúc bài viết tại đây.
Cảm ơn các bạn.

Tham khảo TheCarConnection, HowStuffWork, ExploreCuriocity