Lựa chọn và tích hợp bộ chuyển đổi xúc tác cho các dự án ô tô

Báo cáo này cung cấp phân tích toàn diện về việc lựa chọn, định cỡ và cân nhắc lắp đặt bộ chuyển đổi xúc tác cho nhiều dự án ô tô khác nhau, bao gồm thay thế OEM, chế tạo theo yêu cầu, nâng cấp hiệu suất và phục chế xe cổ. Báo cáo tổng hợp các nghiên cứu hiện tại về công nghệ bộ chuyển đổi xúc tác, quy định về khí thải và các phương pháp tối ưu để tích hợp, nhằm hướng dẫn việc ra quyết định tối ưu về hiệu suất, tuân thủ và tuổi thọ.

1. Bối cảnh và mục tiêu của dự án

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong việc lựa chọn bộ chuyển đổi xúc tác là xác định rõ ràng bản chất và mục tiêu chính của dự án ô tô. Hiểu biết cơ bản này sẽ quyết định các yêu cầu cơ bản cho việc lựa chọn bộ chuyển đổi xúc tác, ảnh hưởng đến mọi khía cạnh, từ chi phí đến hiệu suất và tuân thủ quy định.

Các dự án ô tô thường được chia thành nhiều loại, mỗi loại có mức độ ưu tiên riêng biệt:

• Thay thế OEM: Mục tiêu chính ở đây là khôi phục xe về thông số kỹ thuật ban đầu của nhà máy, đảm bảo lắp ráp liền mạch, tuân thủ quy định khí thải và tuổi thọ mong đợi. Bộ chuyển đổi xúc tác OEM (Nhà sản xuất thiết bị gốc) được sản xuất bởi cùng nhà sản xuất với bộ phận gốc của xe, đảm bảo độ vừa vặn và hiệu suất hoàn hảo. 41. Chúng thường chứa nồng độ kim loại quý cao hơn như rhodium, bạch kim và palladium, mang lại hiệu quả và độ bền vượt trội, mặc dù chi phí cao hơn 41. Bộ chuyển đổi OEM cũng đi kèm với chế độ bảo hành, thường được EPA yêu cầu 41Quyết định lựa chọn thay thế OEM ưu tiên lắp đặt trực tiếp và tuân thủ các thông số kỹ thuật ban đầu của xe, với kỳ vọng rằng chi phí trả trước cao hơn sẽ được bù đắp bằng tuổi thọ dài hơn và đảm bảo tuân thủ 43.
• Xây dựng tùy chỉnh: Đối với các bản độ tùy chỉnh, trọng tâm chuyển sang tích hợp bộ chuyển đổi xúc tác vào một chiếc xe độc đáo hoặc được cải tiến cao. Điều này đòi hỏi sự kết hợp cẩn thận giữa bộ chuyển đổi và các đặc tính hiệu suất cụ thể của động cơ, bao gồm mã lực, mô-men xoắn và lưu lượng khí thải. Cần cân nhắc kỹ lưỡng đến các hạn chế về bao bì và không gian bên trong khung gầm tùy chỉnh, cũng như khả năng tương thích vật liệu với các bộ phận ống xả đặt làm riêng khác và thiết kế tổng thể của xe.
• Nâng cấp hiệu suất: Các dự án nhằm nâng cao hiệu suất ưu tiên tối đa hóa lưu lượng khí thải để giảm áp suất ngược và cải thiện công suất động cơ. Điều này thường liên quan đến việc lựa chọn bộ chuyển đổi xúc tác lưu lượng cao được thiết kế để chịu được nhiệt độ và áp suất khí thải cao hơn. Mặc dù bộ chuyển đổi OEM thường lớn hơn do hàm lượng kim loại quý, nhưng bộ chuyển đổi hiệu suất hậu mãi thường đạt lưu lượng cao hơn nhờ thiết kế nền khác nhau và mật độ cell thấp hơn. 43. Ví dụ, việc nâng cấp lên bộ chuyển đổi xúc tác 200 cell có thể cải thiện đáng kể công suất, phản ứng bướm ga và âm thanh ống xả, có khả năng tạo ra thêm 20-22 mã lực phanh 8Tuy nhiên, các bộ chuyển đổi hậu mãi, đặc biệt là những bộ có số lượng cell thấp hơn, có thể thỉnh thoảng kích hoạt đèn động cơ do kiểm soát khí thải kém nghiêm ngặt hơn so với các bộ phận OEM 44.
• Phục chế xe cổ điển: Trong quá trình phục chế xe cổ, mục tiêu thường là duy trì tính chân thực về mặt hình ảnh và tính chính xác về mặt thời đại. Điều này có nghĩa là việc lựa chọn bộ chuyển đổi xúc tác có thể ưu tiên vẻ ngoài phù hợp với năm sản xuất ban đầu của xe, ngay cả khi điều đó đồng nghĩa với việc phải đánh đổi hiệu suất hoặc hiệu suất hiện đại. Việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải áp dụng trong năm sản xuất ban đầu của xe là rất quan trọng đối với tính chính xác về mặt lịch sử. Quyết định này có thể bao gồm việc chế tạo lại bộ chuyển đổi ban đầu, nếu khả thi, hoặc tìm kiếm một bộ chuyển đổi hiện đại tương đương, mô phỏng chặt chẽ hình dạng và chức năng của bộ chuyển đổi ban đầu. Tất cả các bộ chuyển đổi xúc tác OEM đều có dấu riêng biệt, chẳng hạn như logo của nhà sản xuất, theo sau là số sê-ri, điều này có thể rất quan trọng đối với tính chân thực trong các dự án phục chế. 41.

Mục tiêu chính - dù là hiệu suất tối đa, tuân thủ nghiêm ngặt quy định khí thải, hay cân bằng cả hai - về cơ bản quyết định các yêu cầu lựa chọn bộ chuyển đổi xúc tác. Ví dụ, một chiếc xe đua có thể hoàn toàn không sử dụng bộ chuyển đổi xúc tác hoặc chỉ sử dụng một bộ tối thiểu, lưu lượng cao, trong khi một chiếc xe hợp pháp lưu thông trên đường phố ở California sẽ yêu cầu một bộ chuyển đổi tuân thủ CARB với các mức hiệu suất cụ thể.

2. Thông số kỹ thuật của động cơ và hệ thống xả

Kiến thức chi tiết về thông số kỹ thuật của động cơ và hệ thống xả là tối quan trọng để xác định kích thước và lắp đặt bộ chuyển đổi xúc tác phù hợp. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến thể tích và nhiệt độ khí thải, từ đó quyết định công suất và khả năng chịu nhiệt cần thiết của bộ chuyển đổi.

Các thông số chính của động cơ bao gồm:

• Độ dịch chuyển và công suất đầu ra ước tính: Dung tích động cơ lớn hơn và công suất mã lực cao hơn tạo ra lượng khí thải lớn hơn, đòi hỏi bộ chuyển đổi xúc tác lớn hơn để xử lý lưu lượng tăng lên 5. Nguyên tắc chung cho đường kính ống xả là khoảng 1 inch cho mỗi 100 mã lực 5. Đối với động cơ cảm ứng cưỡng bức công suất cao, bộ chuyển đổi xúc tác của nhà máy có thể trở thành nút thắt cổ chai đáng kể, tạo ra áp suất ngược khí thải quá mức và cản trở hiệu suất 5.
• Loại nhiên liệu: Động cơ xăng thường sử dụng bộ chuyển đổi xúc tác ba chiều (TWC) thực hiện đồng thời cả chức năng oxy hóa và khử, thường có hai chất nền cho mỗi quá trình 1Mặt khác, động cơ diesel thường sử dụng bộ chuyển đổi xúc tác hai chiều được thiết kế chủ yếu để oxy hóa carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC) và vật chất dạng hạt (PM) vì hàm lượng NOx cao của chúngx​ khí thải đòi hỏi các kỹ thuật bổ sung như hệ thống Tuần hoàn khí thải (EGR) và Giảm xúc tác chọn lọc (SCR) 1.
• Cảm ứng cưỡng bức: Động cơ được trang bị bộ tăng áp hoặc siêu tăng áp tạo ra nhiệt độ khí thải và lưu lượng cao hơn đáng kể. Điều này đòi hỏi bộ chuyển đổi xúc tác có khả năng chịu nhiệt và lưu lượng cao hơn để ngăn ngừa hiện tượng tắc nghẽn và đảm bảo cuộn dây tăng áp tối ưu. 6. Nếu bộ chuyển đổi xúc tác bị chặn hoặc hạn chế, hiệu quả của bộ tăng áp sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng 6.
• Đường kính ống xả hiện tại: Đường kính đầu vào và đầu ra của bộ chuyển đổi xúc tác lý tưởng nhất là phải phù hợp với đường kính ống xả hiện có để tránh hạn chế lưu lượng khí thải, có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của động cơ 5. Mặc dù việc giảm hạn chế khí thải thường cải thiện công suất và khả năng tiết kiệm nhiên liệu, nhưng việc tăng đường kính ống xả quá lớn có thể dẫn đến tình trạng quá tải, có khả năng làm giảm công suất động cơ và hiệu suất nhiên liệu. 6. Một số mức độ áp suất ngược thường cần thiết để động cơ hoạt động tối ưu 6.
• Không gian vật lý có sẵn để lắp đặt: Kích thước vật lý của bộ chuyển đổi xúc tác phải vừa vặn với không gian có sẵn trong gầm xe hoặc khoang động cơ. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các bộ chuyển đổi khí thải ghép nối gần, được đặt gần ống xả để đạt được hiệu suất đốt cháy nhanh chóng, nhưng cũng phải chịu năng lượng rung động tăng cao từ động cơ. 25. Để kéo dài tuổi thọ, một số cơ sở lắp đặt có thể thích lắp bộ chuyển đổi xa hơn động cơ để giảm thiểu tiếp xúc với nhiệt độ quá cao, mặc dù điều này có thể làm chậm quá trình tắt đèn. 25Tổng trọng lượng xe (GVW) cũng là một yếu tố quan trọng trong việc xác định kích thước bộ chuyển đổi xúc tác, đôi khi thậm chí còn quan trọng hơn cả dung tích động cơ hoặc số lượng xi-lanh 5.

3. Tiêu chuẩn khí thải và tuân thủ quy định

Việc tuân thủ các quy định cụ thể về khí thải là một khía cạnh không thể thương lượng trong việc lựa chọn bộ chuyển đổi xúc tác, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất xúc tác, loại chất nền và lượng kim loại quý cần thiết. Các tiêu chuẩn khí thải toàn cầu đang ngày càng thắt chặt, thúc đẩy nhu cầu về các công nghệ xúc tác tiên tiến hơn. 15.

Các khuôn khổ pháp lý chính bao gồm:

• Hoa Kỳ (EPA và CARB): Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) đặt ra các tiêu chuẩn quốc gia và điều chỉnh lượng khí thải, bao gồm cả việc lắp đặt và vận hành bộ chuyển đổi xúc tác 11. EPA cũng xác định Tiêu chuẩn Chất lượng Không khí Xung quanh Quốc gia (NAAQS) đối với các chất gây ô nhiễm như carbon monoxide, nitơ dioxide, sulfur dioxide, vật chất dạng hạt, hydrocarbon và chất oxy hóa quang hóa 11Vào tháng 12 năm 2021, EPA đã ban hành các tiêu chuẩn khí nhà kính mới cho xe ô tô chở khách và xe tải nhẹ, có hiệu lực từ năm sản xuất 2023 12. California, thông qua Hội đồng Tài nguyên Không khí California (CARB), đã được miễn trừ để đặt ra các tiêu chuẩn khí thải thậm chí còn nghiêm ngặt hơn, mà các tiểu bang khác cũng có thể áp dụng 14. Các sửa đổi Đạo luật Không khí Sạch năm 1990 đã xác định hai bậc tiêu chuẩn khí thải cho xe hạng nhẹ: Bậc I (được áp dụng trong giai đoạn 1994-1997) và Bậc II (được áp dụng trong giai đoạn 2004-2009), trong đó Bậc II bao gồm các bậc xếp hạng phụ (BIN 1-10) trong đó các số thấp hơn biểu thị xe sạch hơn 14. Các quy định của Bậc II cũng áp đặt các hạn chế về hàm lượng lưu huỳnh trong xăng và nhiên liệu diesel, vì lưu huỳnh có thể gây trở ngại cho các hệ thống xử lý khí thải tiên tiến 14.
• Liên minh Châu Âu (Tiêu chuẩn Euro): EU có các tiêu chuẩn nghiêm ngặt riêng đối với việc sản xuất bộ chuyển đổi xúc tác, tập trung vào hiệu quả và an toàn môi trường 11. Các nhà sản xuất phải xin phê duyệt dựa trên các yếu tố như vật liệu, hoạt động xúc tác, kích thước, khả năng bảo vệ nhiệt và hàm lượng vật liệu 11Tiêu chuẩn đầu tiên trên toàn EU, Euro 1, được đưa ra vào năm 1992, yêu cầu phải có bộ chuyển đổi xúc tác trên ô tô mới và sử dụng xăng không chì 13Tiêu chuẩn mới nhất, Euro 6, được giới thiệu vào tháng 9 năm 2014, có nhiều phiên bản, với Euro 6d trở thành bắt buộc vào tháng 1 năm 2021 13Tiêu chuẩn Euro 6 yêu cầu xe ô tô chạy bằng dầu diesel không được thải ra quá 0,08 g/km NOxx​, trong khi xe chạy xăng không được vượt quá 0,06 g/km 13. Sự phát triển của các tiêu chuẩn Euro đã dẫn đến việc giảm đáng kể lượng khí thải carbon monoxide, hydrocarbon, nitơ oxit và các hạt vật chất 13. EU cũng đặt ra mục tiêu phát thải CO22 trung bình cho xe ô tô chở khách mới, hướng tới mức 95 gam/km từ năm 2021 12.
• Tiêu chuẩn khí thải của Trung Quốc: Trung Quốc đã nhanh chóng áp dụng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt hơn. Kể từ ngày 1 tháng 1 năm 2018, tất cả các xe mới phải tuân thủ Tiêu chuẩn Trung Quốc 5 (tương tự Euro 5). Đến ngày 1 tháng 1 năm 2021, Tiêu chuẩn Trung Quốc 6a (tương tự Euro 6) đã được yêu cầu, và từ ngày 1 tháng 7 năm 2023, Tiêu chuẩn Trung Quốc 6b (nghiêm ngặt hơn Euro 6) đã trở thành bắt buộc. 12.

Yêu cầu pháp lý phải có bộ chuyển đổi xúc tác ở Hoa Kỳ có nghĩa là việc tháo bỏ nó có thể khiến xe không đủ điều kiện lưu thông 21Do đó, việc lựa chọn một bộ chuyển đổi đáp ứng các tiêu chuẩn cụ thể của khu vực vận hành dự kiến của dự án là vô cùng quan trọng. Việc thắt chặt các tiêu chuẩn khí thải toàn cầu, đặc biệt là đối với NOxxvà vật chất dạng hạt là động lực chính thúc đẩy nhu cầu về công nghệ xúc tác tiên tiến và sự đổi mới liên tục trong thiết kế chất xúc tác 15.

4. Công nghệ bộ chuyển đổi xúc tác và tiêu chí lựa chọn

Việc lựa chọn một bộ chuyển đổi xúc tác đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các công nghệ nền tảng, bao gồm các loại chất xúc tác, vật liệu nền, mật độ cell và hàm lượng kim loại quý. Các thông số kỹ thuật này phải phù hợp chính xác với mục tiêu, đặc tính động cơ và yêu cầu tuân thủ khí thải của dự án.

Các loại chất xúc tác:

• Bộ chuyển đổi xúc tác hai chiều: Được sử dụng chủ yếu trong động cơ diesel, các bộ chuyển đổi này được thiết kế cho các phản ứng oxy hóa, chuyển đổi carbon monoxide (CO) thành carbon dioxide (CO22​) và hydrocarbon chưa cháy (HC) thành CO2​ và nước (H22​O). Chúng cũng đóng vai trò trong việc giảm thiểu bụi mịn (PM) 1.
• Bộ chuyển đổi xúc tác ba chiều (TWC): Được sử dụng chủ yếu trong động cơ xăng, TWC có khả năng thực hiện đồng thời cả phản ứng oxy hóa và khử. Chúng chuyển đổi CO và HC thành CO22​ và H22​O, đồng thời khử oxit nitơ (NOx)x) thành nitơ (N22​) và oxy (O22​) 1. Chức năng kép này đạt được thông qua việc kiểm soát tỷ lệ không khí-nhiên liệu chính xác và sử dụng các kim loại quý cụ thể 1.

Vật liệu nền:

Chất nền cung cấp cấu trúc hỗ trợ cho lớp phủ xúc tác và kim loại quý. Hai vật liệu chính được sử dụng:

• Gốm sứ (Cordierite): Vật liệu nền gốm vốn phổ biến trong lịch sử, có giá thành hợp lý và độ ổn định nhiệt tốt. Chúng thường có cấu trúc dạng tổ ong, giúp tối đa hóa diện tích bề mặt cho các phản ứng. 4Tuy nhiên, chúng có thể giòn và dễ bị hư hỏng vật lý hoặc sốc nhiệt. Các tấm nền gốm được gắn với tấm trương nở tiêu chuẩn có thể chịu được điều kiện rung động nhiệt độ cao khắc nghiệt. 34.
• Kim loại (Lá thép không gỉ): Chất nền kim loại, thường được làm từ lá thép không gỉ, có độ bền vượt trội, độ dẫn nhiệt cao hơn và áp suất ngược thấp hơn so với chất nền gốm có cùng kích thước do diện tích mặt trước mở lớn hơn 19Chúng có khả năng chống chịu va đập vật lý và sốc nhiệt tốt hơn, phù hợp cho các ứng dụng hiệu suất cao hoặc ứng dụng liên kết chặt chẽ. Nippon Steel đã phát triển 'lớp nền phủ màng α' với lớp màng oxit đặc biệt trên bề mặt thép không gỉ, mang lại khả năng chống ăn mòn axit tuyệt vời, hữu ích trong các hệ thống SCR. 17.

Mật độ tế bào (CPSI – Tế bào trên một inch vuông):

Mật độ tế bào đề cập đến số lượng kênh dòng chảy trên mỗi inch vuông mặt cắt ngang của chất nền. Thông số này ảnh hưởng đáng kể đến cả hiệu suất xúc tác và sức cản dòng khí thải:

• Mật độ tế bào cao hơn (ví dụ: 600-1200 cpsi): Mật độ tế bào tăng dẫn đến diện tích bề mặt hình học (GSA) cao hơn, cung cấp nhiều vị trí hoạt động hơn cho các phản ứng xúc tác và do đó cải thiện hiệu quả 1. Điều này đặc biệt có lợi cho các chất xúc tác liên kết chặt chẽ để cải thiện hành vi khởi động lạnh bằng cách giảm thời gian cần thiết để đạt đến nhiệt độ hoạt động 16. Tuy nhiên, cpsi cao hơn cũng làm tăng sức cản dòng chảy (Rff) và áp suất ngược 7. Trong khi việc tăng mật độ tế bào có thể làm bão hòa hiệu suất chuyển đổi tắt đèn do khối lượng nhiệt tăng lên, điều này có thể được giảm thiểu bằng cách tăng tải kim loại quý 19.
• Mật độ tế bào thấp hơn (ví dụ: 200-400 cpsi): Mật độ tế bào thấp hơn làm giảm áp suất ngược và hạn chế trên mỗi đơn vị diện tích, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng hiệu suất trong đó việc tối đa hóa lưu lượng khí thải là rất quan trọng 9. Chúng cũng thường được sử dụng để cải tạo các ứng dụng động cơ diesel nhằm giảm thiểu nguy cơ tắc nghẽn do bồ hóng 7. “Chất nền bù trừ” có mật độ tế bào là 400 cpsi (OS-400) thể hiện mức tổn thất áp suất cao hơn 40% so với chất nền kim loại thông thường có cùng mật độ tế bào (Metal-400) 17Tuy nhiên, các chất nền bù trừ thể hiện độ bền vận tốc không gian (SV) tốt hơn, cho thấy phản ứng xúc tác ít bị suy giảm hơn khi lưu lượng khí tăng. 17.

Tiến trình lịch sử của thiết kế bộ chuyển đổi xúc tác cho thấy mật độ cell tăng từ 200 cpsi vào năm 1974 lên 1200 cpsi hiện tại, kèm theo độ dày thành giảm đáng kể từ 12 mil xuống còn khoảng 2 mil 16. Sự phát triển của các chất nền có thành mỏng, chắc chắn này đã làm tăng đáng kể hiệu quả của chất xúc tác bằng cách giảm khối lượng nhiệt, cho phép chất nền đạt đến nhiệt độ tắt đèn nhanh hơn 16.

Tải trọng kim loại quý và lớp phủ:

• Kim loại quý (PGM): Vật liệu xúc tác hoạt động thường là các kim loại nhóm bạch kim (PGM) như paladi (Pd), platin (Pt) và rhodi (Rh). Paladi và platin chủ yếu hỗ trợ quá trình oxy hóa hydrocarbon và carbon monoxide, trong khi rhodi rất quan trọng trong quá trình khử nitơ oxit. 118. Tải kim loại quý cao làm tăng giá của bộ chuyển đổi xúc tác và có thể dẫn đến thiêu kết ở nhiệt độ cao, làm mất tác dụng của chất xúc tác 1Nhu cầu về bạch kim, nói riêng, đã tăng lên 3.
• Áo choàng tắm: Một lớp xốp, được gọi là lớp phủ, được phủ lên bề mặt nền. Lớp này, thường được tạo thành từ các oxit gốc ceria, giúp tăng diện tích bề mặt và hoạt động như một chất lưu trữ oxy, yếu tố thiết yếu cho khả năng hoạt động hiệu quả của chất xúc tác ba chiều trên các tỷ lệ không khí-nhiên liệu khác nhau. 1Công nghệ nano trong lớp phủ xúc tác liên quan đến các tinh thể ổn định, vật liệu lớp phủ duy trì diện tích bề mặt cao ở nhiệt độ khoảng 1000°C, các thành phần lưu trữ oxy được cải thiện và các quy trình phủ mới để tối ưu hóa sự phân bố lớp phủ 16.
• Chất xúc tác thay thế: Nghiên cứu đang được tiến hành tích cực trên các chất xúc tác thay thế, ít tốn kém hơn như Pervoskite, spinel, monel và hopcalite để thay thế kim loại quý trong bộ chuyển đổi xúc tác ô tô, do chi phí cao và giá cả biến động của PGM 2.

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu suất:

• Sự lắng đọng chất xúc tác: Quá trình cụ thể được sử dụng để lắng đọng vật liệu xúc tác lên chất nền ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả tổng thể của bộ chuyển đổi xúc tác 1.
• Các yếu tố tốc độ phản ứng: Tốc độ phản ứng hóa học bên trong bộ chuyển đổi xúc tác bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ phản ứng, áp suất, nồng độ chất phản ứng, diện tích bề mặt và sự hiện diện của chất xúc tác 4.
• Nhiệt độ tắt đèn: Bộ chuyển đổi xúc tác chỉ có hiệu quả sau khi đạt đến nhiệt độ "tắt đèn", thường là khoảng 250-300°C 10. Đặt bộ chuyển đổi gần ống xả hơn là một cách hiệu quả để đạt được hiệu suất tắt đèn nhanh chóng 10. Các công nghệ như Microlith® của PCI sử dụng chất nền dạng lưới kim loại, lớp phủ chuyên dụng và thiết kế lò phản ứng độc đáo để đạt được hiệu quả phát sáng nhanh chóng thông qua tốc độ truyền nhiệt và khối lượng rất cao 10.
• Mô hình hóa và tối ưu hóa: Mô phỏng động lực học chất lưu tính toán (CFD) được sử dụng rộng rãi để phân tích và tối ưu hóa các hệ thống xử lý khí thải sau, đánh giá tác động của thiết kế ống xả đến tính đồng nhất của dòng chất lỏng tại lối vào bộ chuyển đổi 19. CFD có thể giúp duy trì dòng chảy đồng đều, giữ mức giảm áp suất trong giới hạn tới hạn và duy trì nhiệt độ chất xúc tác trong phạm vi yêu cầu 19. Chất nền xúc tác thường được mô hình hóa như một môi trường xốp trong CFD, được xác định bởi các đặc tính cản nhớt và quán tính 19. Các mô hình xúc tác dòng chảy ổn định một chiều (1-D) được sử dụng để dự đoán hiệu suất, trong khi các mô hình không chiều (0-D) được sử dụng để xác định kích thước xúc tác và dự đoán hiệu suất 19.

5. Những cân nhắc về cài đặt và tích hợp

Việc lắp đặt và tích hợp bộ chuyển đổi xúc tác đúng cách cũng quan trọng như việc lựa chọn bộ chuyển đổi để đảm bảo hiệu suất tối ưu, tuổi thọ cao và tuân thủ quy định. Phần này đề cập đến các khía cạnh thực tế của việc lắp đặt, vị trí cảm biến, quản lý nhiệt và đảm bảo lưu lượng khí thải phù hợp cũng như tính toàn vẹn của cấu trúc.

Lắp đặt và bố trí:

• Gần Động cơ: Để có hiệu suất khí thải tối ưu, đặc biệt là khi khởi động nguội, việc đặt bộ chuyển đổi xúc tác gần động cơ hơn giúp động cơ đạt nhiệt độ "tắt đèn" (thường là 250-300°C) nhanh hơn 10. Một số động cơ hiện đại thậm chí còn tích hợp bộ chuyển đổi trực tiếp vào ống xả 25Tuy nhiên, bộ chuyển đổi kết nối chặt chẽ phải chịu nhiệt độ cao hơn và năng lượng rung động tăng lên từ động cơ, điều này có thể ảnh hưởng đến độ bền 34.
• Vị trí giữa ống và gầm xe: Thông thường, bộ chuyển đổi xúc tác nằm ở phần ống giữa của hệ thống xả, giữa động cơ và bộ giảm thanh 26. Lắp đặt dưới gầm xe là phổ biến vì tiết kiệm không gian và tản nhiệt 26.
• Định hướng: Bộ chuyển đổi phải được lắp đặt theo đúng hướng, phù hợp với lưu lượng khí thải, thường được chỉ ra bằng mũi tên trên thân bộ chuyển đổi 26.
• Hàn vào so với bu lông vào:
  • Chốt vào: Dễ dàng lắp đặt và thay thế hơn, thường được ưa chuộng để thay thế trực tiếp cho OEM.
  • Hàn vào: Cung cấp kết nối an toàn hơn và thường có lưu lượng cao hơn, phổ biến trong các hệ thống xả tùy chỉnh hoặc hiệu suất cao. Hàn MIG thường được sử dụng để chế tạo ống xả 21. Hệ thống ống xả tùy chỉnh thường sử dụng ống uốn cong để cải thiện luồng không khí và giảm áp suất ngược 33.

Vị trí đặt cảm biến O2:

Cảm biến oxy (O2) rất quan trọng để theo dõi hiệu suất động cơ và hiệu suất bộ chuyển đổi xúc tác. Vị trí đặt cảm biến chính xác rất quan trọng:

• Cảm biến O2 thượng nguồn: Vị trí trước Bộ chuyển đổi xúc tác, cảm biến này theo dõi tỷ lệ không khí-nhiên liệu và hiệu suất của động cơ. Đối với động cơ hút khí tự nhiên, cảm biến này nên được đặt trong phạm vi 12-18 inch (25-45 cm) tính từ ống xả hoặc ống góp. Đối với động cơ tăng áp, cảm biến này phải được đặt phía sau bộ tăng áp. 27.
• Cảm biến O2 hạ lưu: Xác định vị trí sau đó bộ chuyển đổi xúc tác, cảm biến này đánh giá hiệu quả của bộ chuyển đổi bằng cách so sánh mức oxy trước và sau khi xúc tác 27.
• Hệ thống cảm biến kép: Nhiều xe hiện đại sử dụng cảm biến O2 kép, với cảm biến thượng nguồn quản lý hiệu suất động cơ và cảm biến hạ nguồn theo dõi hiệu suất của bộ chuyển đổi 27.
• Góc lắp đặt: Nút cảm biến O2 nên được lắp đặt ở góc 10-45 độ so với phương ngang để tránh ngưng tụ trên đầu cảm biến, có thể làm hỏng nó. 27. Đảm bảo đầu cảm biến O2 được tiếp xúc hoàn toàn với luồng khí thải 27. Bôi hợp chất chống kẹt vào ren cảm biến nếu chúng chưa được phủ lớp phủ trước và siết chặt cảm biến theo mô-men xoắn quy định để tránh hư hỏng 37.

Quản lý nhiệt:

Bộ chuyển đổi xúc tác hoạt động ở nhiệt độ cực cao (thường vượt quá 538°C hoặc 1000°F) 29, khiến việc quản lý nhiệt hiệu quả trở nên quan trọng đối với tuổi thọ của linh kiện và sự an toàn của xe:

• Tấm chắn nhiệt: Cần thiết để bảo vệ các bộ phận gần đó (dây điện, bộ phận nhựa, đường nhiên liệu, hộp số) và nội thất xe khỏi nhiệt bức xạ 29Tấm chắn nhiệt có thể được làm từ các vật liệu như vải bazan, lớp cách nhiệt bằng gốm và lớp bên trong bằng silica, có khả năng chịu được nhiệt độ liên tục lên đến 1.000°C 30.
• Chăn chuyển đổi xúc tác: Chúng cung cấp khả năng cách nhiệt để duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu bên trong bộ chuyển đổi, cải thiện hiệu suất và giảm bức xạ nhiệt ra các khu vực xung quanh 29.
• Lớp phủ gốm: Việc áp dụng lớp phủ gốm cho các thành phần của hệ thống xả có thể hỗ trợ quản lý nhiệt bằng cách giảm truyền nhiệt 29.
• Khoảng cách không khí: Việc kết hợp các khe hở không khí vào thiết kế ống xả có thể cung cấp thêm khả năng cách nhiệt 29.
• Công nghệ giữ nhiệt: Để tăng cường giảm phát thải khi khởi động nguội, các công nghệ như cách nhiệt chân không và lưu trữ nhiệt thay đổi pha có thể được sử dụng để giữ nhiệt bên trong bộ chuyển đổi 31.
• Giới hạn nhiệt độ: Điều quan trọng là phải duy trì nhiệt độ chất xúc tác trong giới hạn an toàn, thường là khoảng 1000°C, để ngăn ngừa sự suy thoái nhiệt và hỏng sớm 29.
• An toàn hệ thống nhiên liệu: Bơm nhiên liệu không được đặt trong phạm vi 12 inch tính từ bộ chuyển đổi xúc tác và các đường ống nhiên liệu phải được dẫn ra xa vùng nhiệt độ cao của bộ chuyển đổi để ngăn ngừa nguy cơ hỏa hoạn. 29.

Lưu lượng khí thải và tính toàn vẹn của cấu trúc:

• Dòng chảy mượt mà: Đảm bảo luồng khí thải thông suốt là rất quan trọng để giảm thiểu nhiễu loạn và áp suất ngược, có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của động cơ 32Đường kính và hình dạng của ống xả ảnh hưởng đáng kể đến lưu lượng và áp suất giảm 32.
• Giảm thiểu áp suất ngược: Tối ưu hóa thiết kế nền và cấu hình hệ thống xả tổng thể là chìa khóa để giảm thiểu sự sụt áp trên bộ chuyển đổi 32. Mặc dù cần một số áp suất ngược để điều chỉnh động cơ, nhưng áp suất ngược quá mức từ bộ chuyển đổi bị tắc hoặc thiết kế không đúng cách có thể làm giảm công suất động cơ 21.
• Quản lý rung động: Hệ thống xả chịu tác động đáng kể từ rung động của động cơ. Việc lắp đặt đúng cách là rất cần thiết để chịu được ứng suất nhiệt-cơ và rung động. 34. Các kết nối giảm chấn hoặc bộ giảm thanh được đặt ở vị trí chiến lược có thể bù cho rung động của động cơ, ngăn chặn sự truyền tải của chúng đến thân xe 34.
• Cảm biến EGT: Cảm biến nhiệt độ khí thải (EGT) theo dõi nhiệt độ khí thải tại nhiều điểm khác nhau (trước/sau bộ tăng áp, bộ chuyển đổi xúc tác, DPF) để bảo vệ các bộ phận khỏi quá tải nhiệt 35. Dữ liệu từ cảm biến EGT được gửi đến Bộ điều khiển động cơ (ECU) để điều chỉnh lượng nhiên liệu phun, thời điểm đánh lửa hoặc áp suất tăng áp, do đó kiểm soát nhiệt độ 35. Cảm biến EGT bị lỗi có thể kích hoạt đèn “Kiểm tra động cơ” và lưu trữ mã chẩn đoán 37. Trong động cơ diesel, cảm biến EGT rất quan trọng để theo dõi nhiệt độ DPF cho các quá trình tái tạo 37.

Thực hành lắp đặt chung:

• Phù hợp trực tiếp so với phù hợp phổ thông: Lựa chọn giữa bộ chuyển đổi lắp trực tiếp, được thiết kế cho các mẫu xe cụ thể và bộ chuyển đổi lắp chung, cần phải sửa đổi để lắp đặt 39.
• Kiểm tra trước khi cài đặt: Trước khi thay thế bộ chuyển đổi xúc tác, điều bắt buộc là phải chẩn đoán và khắc phục nguyên nhân gốc rễ của lỗi ban đầu (ví dụ: động cơ bị đánh lửa, cảm biến O2 bị lỗi, rò rỉ khí thải) để tránh hư hỏng sớm cho bộ phận mới 40.
• An toàn và Công cụ: Luôn sử dụng các dụng cụ phù hợp (kích xe, giá đỡ kích, cờ lê) và thiết bị an toàn (kính bảo hộ). Đảm bảo xe đã nguội trước khi bắt đầu làm việc. 39.
• Lắp đặt phù hợp: Sử dụng bộ dụng cụ lắp mới để đảm bảo đai ốc và bu lông phù hợp 40. Không bôi chất bịt kín hoặc keo xả vào bộ chuyển đổi vì nó có thể làm hỏng chất xúc tác 40. Không bao giờ đập bộ chuyển đổi bằng búa hoặc búa để cố định nó vào đúng vị trí 40.
• Sau khi cài đặt: Sau khi lắp đặt, hãy kiểm tra kỹ xem có rò rỉ khí thải không 37. Đảm bảo tất cả các dây cáp cảm biến đều an toàn và không tiếp xúc với hệ thống xả nóng 40. Cuối cùng, xóa mọi mã lỗi liên quan khỏi ECU 40. Nếu không chắc chắn về việc lắp đặt an toàn và đúng cách, hãy tìm kiếm sự trợ giúp chuyên nghiệp 39.

Tiếng kêu lạch cạch từ gầm xe có thể chỉ ra cấu trúc tổ ong bên trong bộ chuyển đổi xúc tác bị sụp đổ, báo hiệu cần phải thay thế 23. Bộ chuyển đổi xúc tác bị trục trặc cũng có thể kích hoạt đèn “Kiểm tra động cơ” do phát hiện các vấn đề về khí thải 24và dẫn đến hiệu suất động cơ giảm sút, rung lắc, chết máy và giảm hiệu suất nhiên liệu 24.

Những cân nhắc chủ động:

Nhìn về tương lai, ngành công nghiệp ô tô đang không ngừng phát triển. Trong khi việc áp dụng Xe điện chạy bằng pin (BEV) đang chậm lại do những thách thức về cơ sở hạ tầng và chuỗi cung ứng 3, xe sử dụng động cơ đốt trong (ICE) sẽ vẫn phổ biến trong tương lai gần. Điều này đòi hỏi sự đổi mới liên tục trong công nghệ bộ chuyển đổi xúc tác. Các cân nhắc trong tương lai cho các dự án ô tô nên bao gồm:

• Dự đoán các quy định nghiêm ngặt hơn: Ngay cả khi các mục tiêu dự án hiện tại đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải hiện hành, vẫn cần cân nhắc khả năng thắt chặt các quy định trong tương lai (ví dụ: Euro 7, các yêu cầu CARB nghiêm ngặt hơn) để đảm bảo tuân thủ lâu dài và tránh việc cải tạo tốn kém.
• Vật liệu và sản xuất tiên tiến: Khám phá các công nghệ mới nổi như sản xuất bồi đắp để tạo ra hình học bên trong mới lạ, như chất nền dạng lưới kim cương, đã cho thấy sự cải thiện đáng kể về nhiệt độ tắt đèn đối với CO, THC và NOxx​ so với các thiết kế thông thường 18.
• Chất xúc tác thông minh: Theo suy đoán, việc tích hợp các cảm biến thông minh và mô hình AI/ML có thể cho phép bảo trì dự đoán cho bộ chuyển đổi xúc tác, tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của chúng bằng cách điều chỉnh linh hoạt các thông số động cơ dựa trên dữ liệu về tình trạng và hiệu suất của bộ xúc tác theo thời gian thực. Điều này cũng có thể dẫn đến việc kiểm soát chính xác hơn việc nạp và phân phối kim loại quý.
• Tái chế và tính bền vững: Do nguồn cung toàn cầu hạn chế và giá cả biến động của PGM, sự đổi mới trong tái chế chất xúc tác đang ngày càng được chú ý. 15. Các dự án có thể chủ động xem xét tiềm năng tái chế cuối vòng đời của bộ chuyển đổi xúc tác đã chọn.

Bằng cách cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố này, các nhà quản lý và kỹ sư dự án ô tô có thể đưa ra quyết định sáng suốt liên quan đến việc lựa chọn và tích hợp bộ chuyển đổi xúc tác, đảm bảo hiệu suất tối ưu, tuân thủ quy định và độ tin cậy lâu dài cho các ứng dụng cụ thể của họ.