Nghiên cứu chế tạo và đánh giá hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần trên động cơ ô tô con

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 103 
BÀI BÁO KHOA HỌC 
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC 
BA THÀNH PHẦN TRÊN ĐỘNG CƠ Ô TÔ CON 
Nguyễn Thế Lương1 
Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu chế tạo và đánh giá hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần trên động cơ 
ô tô Toyota Vios 1.5. Bộ xúc tác được chế tạo bằng phương pháp phủ quay, lõi xúc tác có kích 
thước 100x250, mật độ lỗ 400 lỗ/inch2, lượng kim loại lớp vật liệu trung gian Al, Ce và Zr phủ lên 
lõi xúc tác lần lượt là 210, 20,4 và 18,6 gam, lượng kim loại quý Pt và Rh sử dụng là 2,1gam 
(Pt:Rh=5:1). Cấu trúc của bộ xúc tác được xác định bằng phương pháp XRD, XPS và SEM, hiệu 
quả bộ xúc tác được đánh giá trên động cơ ô tô vios 1.5 lắp trên băng thử APA100. Kết quả cho 
thấy các đỉnh nhiễu xạ của các ôxít kim loại của Al,Ce và Zr đã được xác định, phương pháp XPS 
chỉ ra các đỉnh nhiễu xạ của Pt và Rh, điều này cho thấy quá trình phủ đã thành công. Kết quả 
nghiên thử nghiệm trên động cơ cho thấy hiệu suất chuyển hóa CO, HC và NOx cao nhất lần lượt là 
95,7%, 82,1% và 99,1%, khi tăng tốc độ động cơ và tăng tay ga, hiệu suất xử lý CO, HC và NOx có 
xu hướng giảm, khi lamđa động cơ nhỏ hơn một, hiệu suất chuyển hóa CO và HC giảm mạnh. 
Từ khóa: Bộ xúc tác ba thành phần; CO, HC, NOx; tay ga, tốc độ. 
1. GIỚI THIỆU* 
Số lượng ô tô ở nước ta tăng rất nhanh trong 
những năm gần đây. Kéo theo đó là sự ô nhiễm 
môi trường từ khí thải ô tô (Green Innovation 
and Development Centre, 2007). Việc giảm ô 
nhiễm môi trường từ khí thải của ô tô là yêu cầu 
cấp thiết,một trong những giải pháp hiệu quả để 
giảm ô nhiễm khí thải từ ô tô là áp dụng các tiêu 
chuẩn khí thải. Để đáp ứng các tiêu chuẩn khí 
thải trên, việc sử dụng bộ xúc tác xử lý khí thải 
mang lại hiệu quả cao và đang được sử dụng 
phổ biến. Hiện nay bộ xúc tác ba thành phần đã 
được sử dụng cho động cơ xăng, rất nhiều 
nghiên cứu trên bộ xúc tác ba thành phần đã 
được chỉ ra .Ví dụ như H.He và các cộng sự (H. 
He et al, 2002) đã báo cáo hiệu quả xúc tác của 
những kim loại quý Pd, Pt, Rh phủ 
trênCe0.6Zr0.35Y0.05O2. Một vài nghiên cứu cải 
thiện tính bền của kim loại quý trên CeO2-ZrO2 
hoặc Al2O3 cũng được quan tâm nghiên cứu 
(Xiaodong và các cộng sự, 2004, Takeru 
Yoshida và các cộng sự, 2006). Tại Việt Nam, 
hiện chỉ có một số ít các công trình được công 
1 Viện Cơ khí động lực,Đại học Bách khoa Hà Nội 
bố, Hoàng Đình Long và các cộng sự (2015) 
nghiên cứu về hiệu quả bộ xúc tác ba thành 
phần khi khởi động lạnh và tối ưu hóa bộ xúc 
tác trên ôtô. Nguyễn Thế Lương (2018) đã 
nghiên cứu mô phỏng hiệu quả của bộ xúc tác 
ba thành phần trên xe máy khi sử dụng nhiên 
liệu xăng pha cồn E5-E20, Nguyễn Duy Tiến và 
các cộng sự (2017) nghiên cứu đánh giá ảnh 
hưởng của mật độ lỗ và đặc tính hình học của bộ 
xúc tác đến tính năng kinh tế kỹ thuật của xe. 
Việt Nam đã và đang áp dụng tiêu chuẩn khí 
thải EURO IV cho ô tô mới vào năm 2018. Bên 
cạnh đó ô tô đang lưu hành cũng đã được áp 
dụng các tiêu chuẩn khí thải, dự kiến mức tiêu 
chuẩn khí thải cho ô tô đang lưu hành cũng sẽ 
được nâng cao, để đáp ứng tiêu chuẩn đó, ô tô 
đang lưu hành phải được lắp bộ xúc tác xử lý 
khí thải. Việc mua các bộ xúc tác mới của các 
hãng ô tô để lắp lên ô tô đang lưu hành sẽ có giá 
thành cao và không phù hợp với điều kiện Việt 
Nam. Vì vậy, việc thiết kế chế tạo bộ xúc tác 
bằng công nghệ trong nước sẽ đáp ứng được yêu 
cầu trên. Nguyễn Thế Lương và các cộng sự 
(2018) đã nghiên cứu thiết kế bộ xúc tác ba 
thành phần cho động cơ xe ô tô Vios 1.5. Bài 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 104 
báo này sẽ nghiên cứu chế tạo và đánh giá hiệu 
quả bộ xúc tác ba thành phần trên động cơ ô tô 
con đang lưu hành. 
2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ XÚC 
TÁC BA THÀNH PHẦN BẰNG PHƯƠNG 
PHÁP PHỦ QUAY 
Lõi xúc tác có kích thước 100x250, mật 
độ lỗ 400 lỗ/inch2 (Beihai Kaite Chemical 
Packing Co., Trung Quốc) đã được đặt hàng 
để chế tạo bộ xúc tác, kích thước lõi xúc tác 
được tham khảo bài báo của Nguyễn Thế 
Lương và các cộng sự. Phương pháp phủ quay 
được sử dụng để phủ lõi xúc tác, lõi xúc tác 
sau khi mua về được làm sạch bề mặt bằng 
cồn và axít, sau đó tiến hành phủ lõi lớp vật 
liệu trung gian bao gồm hỗn hợp của bột 
Al2O3-CeO2-ZrO2, quá trình phủ được lặp lại 
25 lần cho đến khi đạt được kích thước lớp 
phủ mong muốn khoảng 25m (hình 1), lượng 
kim loại Al, Ce và Zr phủ trên bề mặt lõi xúc 
tác lần lượt là 210, 20,4 và 18,6 gam, tiếp đến 
tiến hành phủ lớp vật liệu xúc tác bao gồm 
hỗn hợp của Pt-Rh, chiều dầy lớp vật liệu 
trung gian cỡ 25m, quá trình phủ cũng được 
lặp lại cho đến khi đủ lượng kim loại quý theo 
như thiết kế 2,1 gam. 
2.1. Đặc tính lớp phủ Al2O3-CeO2-ZrO2 
trên lõi kim loại 
Hình 1. Ảnh SEM lớp phủ kim loại nền Al2O3-CeO2-ZrO2 trên lõi kim loại 
(a) mặt cắt ngang lớp phủ; (b) ảnh chụp bề mặt lớp phủ 
Hình 1 chỉ ra ảnh SEM lớp phủ Al2O3-CeO2-
ZrO2 trên lõi kim loại, kết quả cho thấy sau 25 lần 
phủ chiều dầy lớp phủ khoảng 25 m, lớp phủ phân 
bố đều trên lỗ lõi kim loại (hình 1a), kết quả cũng 
cho thấy các hạt CeO2-ZrO2 cỡ từ vài chục đến vài 
trăm nm phân bố đều trên hạt -Al2O3 (hình 1b). 
Đỉnh nhiễu xạ XRD của lõi kim loại trước và 
sau khi xử lý nhiệt và của lớp phủ Al2O3-CeO2-
ZrO2 phủ trên lõi kim loại được chỉ ra trên hình 
2. Kết quả cho thấy, những đỉnh nhiễu xạ của 
thép hợp kim FeCrAl của lõi kim loại được 
quan sát, sau khi xử lý nhiệt ở 900oC trong 
không khí những đỉnh -Al2O3 được nhìn thấy 
(hình 2a), khi Al2O3-CeO2-ZrO2 được phủ lên 
lõi kim loại, cường độ những đỉnh FeCrAl bị 
che mất trong khi những đỉnh-Al2O3, CeO2 và 
ZrO2 được quan sát, điều này chứng tỏ quá trình 
phủ quay thành công, các hạt kim loại được kết 
tủa trên lõi kim loại (hình 2b-2c). 
Hình 2. XRD của (a) kim loại nền- FeCrAl; 
 (b) -Al2O3 washcoat/lõi kim loại; 
(c) Al2O3-CeO2-ZrO2/lõi kim loại 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 105 
2.2. Đặc tính lớp phủ Pt-Rh/Al2O3-CeO2-
ZrO2 trên lõi kim loại 
Hình 3 chỉ ra kết quả phân tích quang phổ 
XPS, kết quả cho thấy có sự xuất hiện của các 
đỉnh nhiễu xạ của các kim loại Al2O3-CeO2-
ZrO2, điều đó chứng tỏ quá trình chế tạo đã 
thành công. Kết quả phân tích XPS cũng chỉ ra 
sự xuất hiện của các đỉnh Pt-Rh trong mẫu chế 
tạo, điều đó cho thấy các kim loại quý Pt-Rh đã 
phân bố trên bề mặt lớp vật liệu trung gian. 
Hình 3. XPS của kim loại quý phủ trên lõi kim 
loại nền (a) Pt 4f and (b) Rh 3d phủ trên CuO-
CeO2--Al2O3/FeCrAl 
3. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ 
BỘ XÚC TÁC TRÊN ĐỘNG CƠ Ô TÔ 
PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ 
3.1. Phương pháp thử nghiệm 
Thử nghiệm với động cơ lắp bộ xúc tác mới 
sử dụng nhiên liệu xăng RON95, tiến hành thử 
nghiệm thay đổi vị trí tay ga lần lượt 15%, 30%, 
50% và 100%, tốc độ động cơ thay đổi từ 1000 
vòng/phút đến 3000 vòng/phút. Tại mỗi điểm đo 
xác định công suất, lượng tiêu hao nhiên liệu, hệ 
số dư lượng không khí, lưu lượng khí nạp, nhiệt 
độ bộ xúc tác, thành phần khí thải CO, HC, 
NOx, CO2 trước và sau bộ xúc tác. 
3.2. Trang thiết bị thử nghiệm 
Thử nghiệm động cơ ôtô tại phòng thử động 
lực học cao với băng thử APA 100, cân nhiên 
liệu 733S, tủ phân tích khí thải CEBII, cảm biến 
lamda Bosch Lsu 4.9 và cảm biến nhiệt loại K, 
dải đo từ 0-800oC. 
3.3. Kết quả thử nghiệm 
3.3.1. Đặc tính công suất và suất tiêu hao 
nhiên liệu của động cơ 
Hình 4. Đặc tính công suất và suất tiêu hao 
nhiên liệu tại 15% , 30%, 50% và 100% tay ga, 
tốc độ từ 1000 vòng/phút đến 3000 vòng/phút 
Hình 4 chỉ ra đặc tính công suất và suất tiêu 
hao nhiên liệu tại 15% , 30%, 50% và 100% tay 
ga, tốc độ từ 1000 vòng/phút đến 3000 
vòng/phút. Tại chế độ 15% tay ga, bướm ga nhỏ 
nhỏ, khi tốc độ động cơ tăng, tổn thất tại bướm 
ga tăng nhanh, làm cho lượng khí nạp giảm dẫn 
tới công suất động cơ có xu hướng giảm, suất 
tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng. 
Tại chế độ 30% tay ga, lúc này bướm ga đã 
mở lớn hơn, khi tốc độ tăng trong khoảng 1000-
2000 vòng/phút, lực cản của bướm ga nhỏ, công 
suất động cơ có xu hướng tăng khi tăng tốc độ, 
suất tiêu hao nhiên liệu giảm. Tiếp tục tăng tốc 
độ từ 2000 đến 3000 vòng/phút, công suất động 
cơ có xu hướng giảm do lực cản của bướm ga 
tăng nhanh vì vậy công suất động cơ giảm 
nhưng không nhiều, suất tiêu hao nhiên liệu 
thay đổi không đáng kể (hình 4). 
3.3.2. Đặc tính lamđa và nhiệt độ bộ xúc tác 
Hình 5. Đặc tính lamđa và nhiệt độ BXT tại 
15% , 30%, 50% và 100% tay ga, tốc độ từ 
1000 vòng/phút đến 3000 vòng/phút 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 106 
Hình 5 chỉ ra đặc tính lamđa và nhiệt độ bộ 
xúc tác (BXT) tại tại 15% , 30%, 50% và 100% 
tay ga, tốc độ từ 1000 vòng/phút đến 3000 
vòng/phút. Tại 15% tay ga, bướm ga mở nhỏ, 
động cơ đã nóng máy, vì vậy ECU sẽ điều khiển 
lượng nhiên liệu phun để giữ lamđa trong 
khoảng 1 khi tốc độ động cơ thay đổi từ 1000 
đến 3000 vòng/phút. Tại vị trí 30 và 50%, khi 
tăng tốc độ động cơ từ 1000 vòng/phút đến 1500 
vòng/phút, động cơ chạy ở chế độ tiết kiệm 
nhiên liệu, vì vậy lam đa được giữ trong khoảng 
1, khi tăng tốc độ tăng từ 1500 vòng/phút đến 
3000 vòng/phút, lúc này động cơ ưu tiên phát ra 
công suất lớn nhất, vì vậy lamđa có xu hướng 
giảm dần từ 1 xuống 0,86. Tại chế độ 100% tay 
ga, tại chế độ này động cơ ưu tiên phát ra công 
suất lớn nhất vì vậy lamđa của động cơ đậm, khi 
tăng tốc độ động cơ từ 1500 vòng/ phút đến 
3000 vòng/phút lamđa giảm từ 0,86 đến 0,82 
(hình 5). Hình 5 cũng chỉ ra nhiệt độ BXT, tại 
trí 15% tay ga, bướm ga mở nhỏ, động cơ phát 
ra công suất thấp, vì vậy nhiệt độ BXT đạt thấp 
trong khoảng 307oC-414oC, khi càng tăng độ 
mở bướm ga và tốc độ động cơ thì nhiệt độ 
BXT càng tăng đạt cao nhất 644oC tại 100% tay 
ga và tốc độ 3000 vòng/phút. 
3.3.3. Hiệu quả của bộ xúc tác theo phần 
trăm tay ga và tốc độ động cơ 
Hình 6. Hiệu quả chuyển hóa của BXT tại 15% , 30%, 50% và 100% tay ga, 
tốc độ từ 1000 vòng/phút đến 3000 vòng/phút 
Hình 6 chỉ ra hiệu suất xử lý của bộ xúc tác 
theo tốc độ động cơ tại 15%, 30%, 50% và 
100% tay ga. Tại tốc độ động cơ 1000 vg/ph, 
hiệu suất chuyển hóa CO, HC và NOx cao nhất 
lần lượt là 95,7%, 82,1% và 99,1% (hình 6). Khi 
càng tăng tốc độ động cơ (vận tốc không gian 
tăng), hiệu suất chuyển hóa CO, HC và NOx có 
xu hướng giảm, nguyên nhân của hiện tượng 
này là do khi tăng tốc độ động cơ, vận tốc 
không gian tăng làm cho thời gian tiếp xúc giữa 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 107 
vật liệu xúc tác và khí thải giảm, vì vậy hiệu 
suất chuyển hóa CO, HC và NOx có xu hướng 
giảm. Hình 6 cũngchỉ ra hiệu suất xử lý của bộ 
xúc tác tại 30%, 50% và 100% tay ga, kết quả 
cho thấy hiệu suất xử lý CO, HC và NOx có xu 
hướng tương tự tại vị trí 15% tay ga, tuy nhiên 
tại các vị trí tay ga 30%, 50% và 100%, khi tốc 
độ động cơ lớn hơn 1500 vg/ph, lúc này động cơ 
ưu tiên phát ra công suất lớn nhất, lamđa của 
động cơ có xu hướng đậm (hình 4), vì vậy hiệu 
suất chuyển hóa CO và HC có giảm nhanh. 
4. KẾT LUẬN 
Bộ xúc tác ba thành phần lắp trên động cơ 
ôtô Toyota Vios 1.5 đã được chế tạo thành 
công. Phương pháp phủ quay đã được sử dụng 
để phủ lõi xúc tác có kích thước 100x250, mật 
độ lỗ 400 lỗ/inch2, lượng kim loại lớp vật liệu 
trung gian và lượng kim loại quý Al, Ce, Zr, Pt 
và Rh được sử dụng lần lượt là 210, 20,4, 18,6, 
2,1gam (Pt:Rh=5:1). Kết quả cho thấy các đỉnh 
nhiễu xạ của các ôxít kim loại của Al,Ce và Zr 
đã được xác định, phương pháp XPS chỉ ra các 
đỉnh nhiễu xạ của Pt và Rh, điều này cho thấy 
quá trình phủ đã thành công. Kết quả nghiên 
thử nghiệm trên động cơ cho thấy hiệu suất 
chuyển hóa CO, HC và NOx cao nhất lần lượt 
là 95,7%, 82,1% và 99,1%, khi tăng tốc độ 
động cơ và tăng tay ga, hiệu suất xử lý CO, HC 
và NOx có xu hướng giảm, khi lamđa động cơ 
nhỏ hơn một, hiệu suất chuyển hóa CO và HC 
giảm mạnh. 
LỜI CẢM ƠN 
Tác giả xin chân thành cám ơn Trường Đại 
học Bách Khoa Hà Nội, đề tài cấp trường mã số 
T2017-PC-056 đã hỗ trợ kinh phí để thực hiện 
nghiên cứu này. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Hoàng Đình Long, Nguyễn Kim Kỳ, 2015.Nghiên cứu hiệu quả bộ xúc tác khí thải xe máy trong 
giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường đại học 
Công nghiệp Hà Nội, số 27. 
Nguyễn Thế Lương, 2018.Nghiên cứu mô phỏng đánh giá hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần trên 
động cơ phun xăng điện tử khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn E10-E20, Tạp chí Khoa học và 
Công nghệ các trường đại học kỹ thuật, số 2. 
Nguyễn Duy Tiến, Nguyễn Thế Lương, La Vạn Thắng, Đinh Xuân Thành, 2017, Nghiên cứu, đánh 
giá ảnh hưởng của kết cấu hình học bộ xúc tác ba thành phần đến các tính năng kinh tế, kỹ thuật 
và phát thải của xe máy phun xăng điện tử,Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường Đại học 
Công nghiệp Hà Nội, số 41, 8. 
Nguyễn Thế Lương, Nguyễn Duy Tiến, Bùi Văn Chinh, 2018, Nghiên cứu mô phỏng thiết kế và 
tính toán hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần trên ô tô, hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc 
về cơ khí lần thứ V. 
Green Innovation and Development Centre (GreenID), 2007, Báo cáo chất lượng không khí năm. 
H. He, H.X.Dai, L.H.Ng, K.W.Wong, C. T. Au, 2002. Pd, Pt and Rh-Loaded Ce0.6Zr0.35Y0.05O2 
Three-Way Catalysts, Journal of catalysis 206, 1-13. 
Xiaodong Wu, Luhua Xu, Duan Weng, 2004, The thermal stability and catalytic performance of 
Ce-Zr promoted Rh-Pd/γ-Al2O3 automotive catalysts, Applied Surface Science 221, 375–383. 
Takeru Yoshida, Akemi sato, Hiromasa Suzuki, 2006, Development of High Performance Three-
Way-Catalyst, SAE 2006-01-1061. 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 108 
Abstract: 
THE STUDY PRODUCT AND ESTIMATE PERFORMANCE OF THREE WAY 
CATALYST ON AUTOMOBILE ENGINE 
This paper study to product a Three Way Catalytic (TWC) using on Toyota Vios 1.5 engine, 
TWC is prodcucted by spin coating method, TWC of dimension was 100x250 respectively, the 
intensity of cell was 400 cell/inch2, amount of Al, Ce and Zr washcoat materials are 210, 20.4 
and 18.6 respectively, Pt and Rh noble metals of 2,1 gram (Pt:Rh=5:1) were used. The 
structure of TWC is chacacteristic by XRD, XPS và SEM, catalytic perfoamnce was carried on 
APA100 bench using Toyota Vios 1.5 engine. The results showed that, the XRD peaks of Al2O3, 
CeO2, ZrO2 were determineded, the peak of Pt and Rh were also showed by the XPS method. 
The experiment results on Toyota Vios 1.5 engine showed that, the highest performance of CO, 
HC and NOx was 95,7%, 82,1% và 99,1%, when throttle and speed increased from 15% to 
100%, CO, HC and NOx conversion perfomance trendly decreased. At <1, the CO and HC 
performance decreased strongly. 
Keywords: Three Way Catalysts (TWC), CO, HC, NOx, throttle, speed 
Ngày nhận bài: 10/5/2019 
Ngày chấp nhận đăng: 30/5/2019