Luận án Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn

1% Cảm biến nhiệt độ loại K 0-800oC 0,01oC - Cảm biến lamda Bosch LSU 4.9 0,65 - 20 0,01 0,1 A/F Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm 2.4.4. Kết quả thử nghiệm Tổng hợp các kết quả thực nghiệm khi xe sử dụng các nhiên liệu RON95, E10, E20 được tổng hợp trong các Bảng 2.10-2.12. Bảng 2.10. Kết quả thử nghiệm khí thải khi sử dụng nhiên liệu RON95 Tải (%) v (km/h) CO (ppm) HC (ppm) NOx (ppm) CO2 (ppm) λ tkt (oC) Gnl (kg/h) 25 20 16.220 2.952 5.561 121.234 0,995 335 0,689 30 14.661 2.662 4.791 120.629 0,996 341 0,727 40 17.429 2.968 4.325 119.234 0,999 345 0,755 50 15.693 2.638 3.916 121.563 1.000 349 0,794 60 15.433 2.441 3.266 120.537 0,995 350 0,799 50 30 15.943 1.323 8.494 123.098 0,9986 511 1,339 40 13.915 1.296 9.134 121.700 0,998 514 1,405 50 15.328 1.199 9.313 120.889 0,9989 517 1,435 60 13.911 1.065 9.166 122.100 0,9989 520 1,465 70 13.241 979 8.782 122.420 0,9993 525 1,505 75 30 14.508 1.180 8.402 123.405 0,993 538 1,696 40 13.184 1.141 8.831 124.051 0,994 545 1,816 50 12.545 1.095 8.962 124.149 0,995 551 1,798 60 13.200 1.021 9.061 124.160 0,995 553 1,841 70 12.986 869 8.571 124.544 0,996 558 1,958 100 40 73.420 2.774 2.837 76.068 0,869 568 1,934 50 67.024 2.826 4.155 79.158 0,874 576 1,979 60 64.837 3.042 4.566 81.403 0,871 581 1,961 70 78.949 3.160 4.694 79.591 0,844 591 2,155 80 83.158 3.528 1.336 66.634 0,817 602 2,539 Bảng 2.11. Kết quả thử nghiệm khí thải khi sử dụng nhiên liệu E10 Tải (%) v (km/h) CO (ppm) HC (ppm) NOx (ppm) CO2 (ppm) λ tkt (oC) Gnl (kg/h) 25 20 14.554 2.857 6.293 123.326 1,035 342 0,716 30 13.645 2.513 5.769 123.414 1,036 352 0,756 40 15.291 2.800 4.991 123.457 1,037 368 0,785 50 14.143 2.478 4.577 123.773 1,037 372 0,818 60 13.565 2.321 3.966 124.055 1,035 375 0,832 50 30 13.872 1.318 8.775 123.326 1,038 521 1,398 40 13.336 1.217 9.322 124.314 1,039 523 1,465 50 13.729 1.118 9.425 125.257 1,038 525 1,505 60 13.101 996 9.487 126.473 1,039 529 1,521 70 12.531 905 9.095 126.755 1,039 531 1,557 75 40 13.510 1.164 8.772 127.500 1,033 544 1,752 50 11.770 1.110 9.066 127.640 1,035 554 1,879 60 11.540 1.058 9.464 127.796 1,036 557 1,878 70 11.996 982 9.562 127.871 1,034 565 1,907 80 11.834 815 8.841 128.631 0,95 578 2,027 100 40 59.266 2.582 3.783 82.533 0,905 577 2,006 50 53.327 2.395 5.337 84.605 0,91 588 2,051 60 52.660 2.478 4.822 87.727 0,907 592 2,050 70 61.445 2.821 5.053 83.949 0,879 604 2,284 80 74.987 3.162 1.360 73.940 0,851 614 2,663 Bảng 2.12. Kết quả thử nghiệm khí thải khi sử dụng nhiên liệu E20 Tải (%) v (km/h) CO (ppm) HC (ppm) NOx (ppm) CO2 (ppm) λ tkt (oC) Gnl (kg/h) 25 20 13.666 2.620 6.780 126.195 1,078 348 0,739 30 12.236 2.466 6.245 126.401 1,08 359 0,779 40 13.255 2.492 5.494 126.585 1,082 375 0,812 50 13.291 2.252 4.826 126.875 1,082 388 0,852 60 12.745 2.149 4.291 126.997 1,083 392 0,861 50 30 13.381 1.248 8.978 127.095 1,079 530 1,435 40 12.659 1.131 9.420 127.301 1,082 536 1,508 50 13.304 1.013 9.534 127.485 1,082 538 1,546 60 12.233 945 9.317 127.775 1,081 540 1,571 70 11.799 811 9.380 127.897 1,083 542 1,619 75 40 12.124 1.132 9.192 124.369 1,078 553 1,818 50 11.430 1.006 9.346 125.557 1,078 562 1,945 60 10.837 1.052 9.472 125.573 1,079 566 1,948 70 10.552 948 9.846 125.832 1,079 575 2,004 80 11.323 787 9.083 126.451 1,08 592 2,115 100 40 46.266 2.244 4.173 90.091 0,941 585 2,103 50 41.627 2.187 5.688 92.084 0,947 602 2,124 60 40.180 2.166 5.342 93.806 0,943 608 2,112 70 52.346 2.327 5.443 83.281 0,914 615 2,338 80 60.088 2.590 1.529 79.656 0,885 624 2,788 2.4.5. Tính toán lưu lượng khí thải Ngoài các thông số đầu vào trong mô hình mô phỏng BXT được thể hiện trong Bảng 2.10-2.12, thông số lưu lượng khí thải (Gkt) được tính toán dựa trên lưu lượng khí nạp (Gkn) và lượng nhiên liệu tiêu thụ (Gnl) theo công thức: Gkt = Gkn+Gnl (2.36) Lưu lượng khí nạp có thể được tính toán gián tiếp theo lưu lượng nhiên liệu và hệ số dư lượng không khí (λ) theo công thức: Gkn = λ.Gnl.(A/F) (2.37) Gkt được xác định bằng cách thay Gkn từ công thức (2.37) vào (2.36): Gkt = Gnl(1+ λ. (A/F)) (2.38) Theo Juan E. Tibaquira [81], A/F của các mẫu nhiên liệu xăng pha cồn được thể hiện trong Bảng 2.13. Bảng 2.13. Tỷ số A/F của các nhiên liệu xăng pha cồn [81] Nhiên liệu RON95 E10 E20 E100 A/F 14,49 13,89 13,31 8,87 Gkt được tính toán trên cơ sở kết hợp các kết quả đo Gnl trong Bảng 2.10-2.12, công thức (2.38) và tỷ số A/F trong Bảng 2.13, kết quả được tổng hợp trong Bảng 2.14. Bảng 2.14. Lưu lượng khí thải tại các chế độ làm việc Tải (%) v (km/h) RON95 E10 E20 λ Gnl (kg/h) Gkt (kg/h) λ Gnl (kg/h) Gkt (kg/h) λ Gnl (kg/h) Gkt (kg/h) 25 20 0,995 0,69 10,62 1,035 0,72 11,01 1,078 0,74 11,34 30 0,996 0,73 11,22 1,036 0,76 11,63 1,08 0,78 11,98 40 0,999 0,75 11,68 1,037 0,79 12,09 1,082 0,81 12,51 50 1 0,79 12,30 1,037 0,82 12,60 1,082 0,85 13,12 60 0,995 0,80 12,32 1,035 0,83 12,79 1,083 0,86 13,27 50 30 0,9986 1,34 20,72 1,038 1,40 21,55 1,079 1,44 22,04 40 0,998 1,41 21,73 1,039 1,47 22,61 1,082 1,51 23,23 50 0,9989 1,44 22,21 1,038 1,51 23,20 1,082 1,55 23,81 60 0,9989 1,47 22,67 1,039 1,52 23,47 1,081 1,57 24,17 70 0,9993 1,50 23,29 1,039 1,56 24,03 1,083 1,62 24,96 75 40 0,993 1,70 26,09 1,033 1,75 26,89 1,078 1,82 27,90 50 0,994 1,82 27,98 1,035 1,88 28,89 1,078 1,95 29,85 60 0,995 1,80 27,72 1,036 1,88 28,90 1,079 1,95 29,92 70 0,995 1,84 28,38 1,034 1,91 29,30 1,079 2,00 30,78 80 0,996 1,96 30,21 0,95 2,03 28,77 1,08 2,12 32,52 100 40 0,869 1,93 26,29 0,905 2,01 27,22 0,941 2,10 28,44 50 0,874 1,98 27,04 0,91 2,05 27,98 0,947 2,12 28,90 60 0,871 1,96 26,71 0,907 2,05 27,88 0,943 2,11 28,62 70 0,844 2,16 28,51 0,879 2,28 30,17 0,914 2,34 30,78 80 0,817 2,54 32,60 0,851 2,66 34,14 0,885 2,79 35,63 2.5. Hiệu chuẩn mô hình mô phỏng Mục tiêu của nội dung này nhằm đánh giá, hiệu chuẩn tính chính xác và độ tin cậy của mô hình mô phỏng BXT. Quá trình hiệu chuẩn được thực hiện tương ứng với xe thử nghiệm hoạt động tại 50% tải. Đây là chế độ tải mà xe thử nghiệm cũng như BXT hoạt động ở trạng thái ổn định nhất. Tải trọng của xe và nhiệt độ của BXT không quá thấp hoặc quá cao so với các chế độ khác. Các thông số về phát thải, hệ số dư lượng không khí λ cũng ở trạng thái ổn định và đảm bảo yêu cầu để hiệu chuẩn mô hình. Thông số hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT khi xe sử dụng các loại nhiên liệu RON95, E10, E20 sẽ được sử dụng làm thông số hiệu chuẩn mô hình. Hiệu suất chuyển đổi của BXT (HS) được xác định dựa trên sự thay đổi hàm lượng phát thải giữa hai điểm đo phía trước (TBXT) và phía sau BXT (SBXT), kết quả tổng hợp được thể hiện trên Bảng 2.15. Bảng 2.15. Phát thải và hiệu suất của BXTEMT tại 50% tải Nhiên liệu v (km/h) CO HC NOx TBXT (ppm) SBXT (ppm) HS (%) TBXT (ppm) SBXT (ppm) HS (%) TBXT (ppm) SBXT (ppm) HS (%) RON95 30 15.943 5.143 67,7 1.323 576 56,5 8.494 2.926 65,6 40 13.915 4.526 67,5 1.296 583 55,0 9.134 3.100 66,1 50 15.328 4.840 68,4 1.199 550 54,1 9.313 3.211 65,5 60 13.911 4.787 65,6 1.065 468 56,1 9.166 3.212 65,0 70 13.242 4.751 64,1 979 434 55,6 8.782 3.213 63,4 E10 30 13.872 4.173 69,9 1.318 540 59,1 8.775 3.269 62,7 40 13.337 3.990 70,1 1.217 511 58,0 9.322 3.455 62,9 50 13.729 3.976 71,0 1.118 482 56,9 9.425 3.411 63,8 60 13.101 3.844 70,7 996 438 56,0 9.487 3.440 63,7 70 12.531 4.541 63,8 905 395 56,3 9.095 3.308 63,6 E20 30 13.381 3.899 70,9 1.248 472 62,2 8.978 3.447 61,6 40 12.659 3.638 71,3 1.131 440 61,1 9.420 3.748 60,2 50 13.304 3.772 71,6 1.013 400 60,5 9.534 3.739 60,8 60 12.233 3.513 71,3 945 379 59,9 9.317 3.733 59,9 70 11.799 4.142 64,9 811 339 58,2 9.380 3.817 59,3 Trên cơ sở các tham số đầu vào đã xác định được ở trên (mục 2.4.4, 2.4.5), tiến hành chạy mô hình mô phỏng tại chế độ 50% tải. Trên cơ sở các kết quả thu được là hiệu suất xử lý đối với các thành phần phát thải CO, HC, NOx, so sánh và hiệu chỉnh các thông số trên mô hình mô phỏng với mục tiêu đưa mức sai lệch hiệu suất trung bình với mỗi thành phần phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm không vượt quá 5%. Bảng 2.16. Sai lệch hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT giữa mô phỏng và thực nghiệm Tải v (km/h) E0 E10 E20 CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx 50% 30 -3,4 -1,2 1,3 -2,7 -1,9 1,3 -1,3 -3 0,2 40 -1,7 -2,4 -1 -1,5 -2,4 -0,5 -1,2 -2,7 -1,4 50 -0,9 -3,1 -1,1 -0,5 -1,9 -1,4 -1 -3 -1,2 60 1,4 -3,3 -0,9 1,4 -1,7 -2 1,2 -4,8 -1,7 70 2,1 -3 -2,5 1,2 -3,3 -1,7 1,3 -2,4 -2,2 Sai lệch trung bình (%) -0,5 -2,6 -0,84 -0,42 -2,24 -0,86 -0,2 -3,18 -1,26 Cụ thể, trong nghiên cứu này, hai hệ số K, E của các phản ứng diễn ra trong BXT là các thông số được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình. Sai lệch hiệu suất giữa mô phỏng và thực nghiệm được tổng hợp trong Bảng 2.16. Kết quả cho thấy sai lệch hiệu suất chuyển đổi trung bình của BXT với các thành phần phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm đều nhỏ hơn 5%, điểm có sai lệch lớn nhất là 4,8% ứng với phát thải HC khi sử dụng nhiên liệu E20. Xét trung bình trên toàn bộ đặc tính sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm của các thành phần phát thải lần lượt ứng với RON95, E10 và E20 cụ thể như sau: - Sai lệch CO thấp nhất trong ba thành phần phát thải là 0,5%, 0,42% và 0,2%. - Sai lệch HC lớn nhất trong ba thành phần phát thải là 2,6%, 2,24% và 3,18%. - Sai lệch NOx là 0,84%, 0,86% và 1,26%. Như vậy mô hình mô phỏng BXT đã đảm bảo độ tin cậy, do vậy có thể sử dụng để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo. 2.6. Kết luận chương 2 Cơ sở lý thuyết về mô hình mô phỏng BXT và cơ chế các phản ứng diễn ra trong lõi bộ xúc tác đã được làm rõ trong chương này. Lý thuyết về cấu trúc lỗ rỗng và sự khuyếch tán trong lớp vật liệu trung gian, các mô hình xác định tốc độ các phản ứng diễn ra trong lõi xúc tác, mô hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT cũng đã được trình bày. Xây dựng thành công mô hình mô phỏng BXT trên phần mềm AVL-Boost. Trong đó các thông số điều kiện biên đầu vào của mô hình bao gồm hàm lượng các thành phần phát thải CO, HC, NOx, CO2, hệ số dư lượng không khí λ, nhiệt độ và lưu lượng khí thải được xác định bằng thực nghiệm. Việc hiệu chuẩn mô hình mô phỏng được thực hiện bằng cách hiệu chỉnh hệ số tốc độ phản ứng K và năng lượng hoạt hóa E trong các phản diễn ra trong lõi xúc tác. Sau quá trình hiệu chuẩn sai lệch hiệu suất xử lý các thành phần phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm đều nhỏ hơn 5%, đảm bảo đủ độ tin cậy cần thiết. Sau khi đã xác nhận độ tin cậy, mô hình này sẽ được dùng để nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn đến hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT cũng như nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả chuyển đổi của BXT. Những nội dung này được trình bày cụ thể hơn trong chương tiếp theo. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC KHÍ THẢI BA THÀNH PHẦN KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN Trên cơ sở mô hình mô phỏng đã được hiệu chuẩn đạt độ tin cậy cần thiết như trình bày ở Chương 2, trong Chương 3 mô hình trên được dùng để đánh giá ảnh hưởng và nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả BXT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn. Quy trình nghiên cứu mô phỏng được thể hiện trên sơ đồ Hình 3.1. Hình 3.1. Nội dung, mục tiêu và quy trình mô phỏng Quá trình mô phỏng được thực hiện trình tự theo ba bước, cụ thể như sau: - Bước 1: Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học tới hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT, từ các kết quả đạt được sẽ được sử dụng làm cơ sở xác định hiệu suất mục tiêu của BXT cải tiến (BXTct). - Bước 2: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả BXT thông qua cải tiến các thông số kỹ thuật của BXTEMT như mật độ lỗ, thể tích lõi, lượng và tỷ lệ các kim loại quý. - Bước 3: Nghiên cứu sử dụng hệ xúc tác mới thay thế một phần hay hoàn toàn cho hệ xúc tác Pt/Rh nhằm không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn giảm giá thành của BXT. 3.1. Đánh giá hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXTEMT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn Hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXTEMT khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20 được tổng hợp trong các Bảng 3.1-3.4 cũng như được so sánh chi tiết trên các Hình 3.2-3.5. Bảng 3.1. Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT tại 25% tải v (km/h) RON95 E10 E20 CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) 20 69,64 59,96 66,85 70,64 61,11 64,71 71,04 64,04 63,17 30 70,76 58,08 65,06 71,68 58,50 62,35 72,40 62,98 61,73 40 69,62 56,66 64,42 71,60 58,43 61,85 72,52 59,39 60,59 50 68,66 56,47 64,06 71,42 58,23 61,00 71,63 59,18 57,19 60 68,78 57,15 60,91 69,83 57,95 59,23 71,42 58,35 58,17 Bảng 3.2. Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT tại 50% tải v (km/h) RON95 E10 E20 CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) 30 64,34 55,26 65,55 67,22 57,20 64,06 69,56 59,18 61,81 40 65,77 52,62 66,06 68,58 55,49 62,44 70,06 58,40 58,81 50 67,52 51,03 65,52 70,54 55,08 62,41 70,65 57,50 59,58 60 66,99 52,76 64,96 72,06 54,42 61,74 72,48 55,10 58,23 70 66,22 52,67 63,41 64,97 53,05 61,94 66,19 55,81 57,10 Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT tại 75% tải v (km/h) RON95 E10 E20 CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) 30 59,23 55,25 65,08 67,25 57,30 61,98 69,04 61,76 59,56 40 60,36 54,86 63,19 67,95 56,67 61,48 70,53 60,35 58,65 50 61,39 56,30 62,91 66,21 55,95 61,05 68,68 58,83 59,64 60 59,47 54,31 61,97 65,57 56,01 60,51 67,70 59,16 55,09 70 58,25 52,07 59,63 61,60 54,23 55,31 63,84 55,12 53,12 Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT tại 100% tải v (km/h) RON95 E10 E20 CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) 40 34,05 27,97 52,63 40,66 33,23 49,80 45,77 43,58 46,85 50 31,50 26,11 50,28 37,75 32,66 48,64 46,94 40,64 46,22 60 31,86 27,28 49,17 34,23 32,12 44,63 43,03 40,90 40,17 70 29,90 27,13 47,89 33,29 28,77 42,43 42,45 37,69 35,17 80 26,36 26,98 41,24 29,38 28,53 37,21 38,65 35,59 34,46 Hình 3.2. Hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT với thành phần CO khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20 Hình 3.3. Hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT với thành phần HC khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20 Hình 3.4. Hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT với thành phần NOx khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20 Hình 3.5. Hiệu suất chuyển đổi trung bình của BXTEMT trên bốn đường đặc tính với các thành phần phát thải khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20 Bảng 3.5. Thay đổi hiệu suất BXTEMT khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON95 Thông số Nhiên liệu CO HC NOx ∆hs E10 4,66 2,64 -2,05 E20 7,43 6,55 -4,97 Bảng 3.5 thể hiện thay đổi hiệu suất của BXT (∆hs) khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON95. ∆hs được xác định theo công thức sau: ∆hsi (x) = HSi (x) – HSi (RON95) (3.1) Trong đó: - i: Các thành phần phát thải (CO, HC, NOx) - x: Nhiên liệu E10 hoặc E20 - HSi (RON95): Hiệu suất chuyển đổi của phát thải i khi sử dụng nhiên liệu RON95 - HSi (x): Hiệu suất chuyển đổi của phát thải i khi sử dụng nhiên liệu E10 hoặc E20. So với khi sử dụng nhiên liệu RON95, hiệu suất chuyển đổi đối với thành phần CO, HC có xu hướng tăng trong khi đó hiệu suất chuyển đổi đối với thành phần NOx của BXT có xu hướng giảm khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu. Bảng 3.6. So sánh sự thay đổi phát thải và mức độ thay đổi hiệu suất BXT khi xe sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON95 Thông số Nhiên liệu CO HC NOx Thay đổi hàm lượng phát thải phía trước BXT (%) E10 -11,11 -6,54 9,96 E20 -19,97 -12,99 16,09 ∆hs% (%) E10 6,26 5,49 -3,41 E20 13,14 13,63 -8,26 Thay đổi hàm lượng phát thải phía sau BXT (%) E10 -18,57 -10,19 18,02 E20 -31,53 -23,28 32,37 Bảng 3.6 trình bày kết quả tổng hợp sự thay đổi phát thải (trước và sau BXT) cũng như mức thay đổi hiệu suất của BXT (∆hs%) khi xe sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON95. ∆hs% có thể diễn giải theo công thức sau: ∆hs% = (HSi (x) – HSi (RON95))/HSi (RON95).100% (3.2) Từ kết quả thể hiện nêu trên có thể nhận thấy có sự thay đổi đáng kể về hàm lượng phát thải và hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải khi sử dụng nhiên liệu E10, E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON 95, cụ thể như sau: - Về hàm lượng phát thải phía trước BXT: Có sự giảm đáng kể phát thải CO, HC nhưng có sự tăng mạnh phát thải NOx (Bảng 2.10 - 2.12). Xét trung bình trên bốn đường đặc tính phát thải CO giảm 11,11% với nhiên liệu E10, 19,97% với nhiên liệu E20. Phát thải HC cũng có sự tương đồng khi giảm lần lượt 6,54% với nhiên liệu E10 và 12,99% với nhiên liệu E20. Trong khi đó hàm lượng phát thải NOx tăng lần lượt 9,96%, 16,09% khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20. - Hiệu suất chuyển đổi BXT (Hình 3.3 – 3.5): Sự cải thiện môi trường ô xy hóa trong BXT đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi CO và HC. Cụ thể, xét trung bình trên bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi CO tăng 6,26%, 13,14% tương ứng với khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20. Tương tự với HC, hiệu suất chuyển đổi khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 tăng lần lượt 5,49% và 13,63%. Trong khi đó hòa khí của động cơ có xu hướng nhạt hơn khi sử dụng nhiên liệu E10, E20 (λ > 1 ở các chế độ 25%, 50% và 75% tải) đã làm giảm môi trường khử trong BXT dẫn tới hiệu quả chuyển đổi NOx giảm, với mức giảm lần lượt là 3,41% khi sử dụng nhiên liệu E10 và 8,26% khi sử dụng nhiên liệu E20 (Bảng 3.6). - Hàm lượng phát thải phía sau BXT: Có thể nhận thấy xu hướng ngược chiều trong sự thay đổi các hàm lượng phát thải của động cơ và hiệu suất chuyển đổi của BXT khi sử dụng xăng pha cồn. Vì vậy hàm lượng phát thải phía sau BXT CO, HC giảm còn NOx tăng mạnh (Bảng 3.6). Cụ thể như sau: + Hàm lượng phát thải CO trung bình trên bốn đặc tính 25%, 50%, 75%, 100% tải giảm lần lượt 18,57% và 31,53% khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20. + Hàm lượng phát thải HC trung bình trên bốn đặc tính 25%, 50%, 75%, 100% tải giảm lần lượt 10,19% và 23,28% khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20. + Hàm lượng phát thải NOx trung bình trên bốn đặc tính 25%, 50%, 75%, 100% tải tăng lần lượt 18,02% và 32,37% khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20. 3.2. Xác định hiệu suất mục tiêu của BXT cải tiến Tổng hợp từ các kết quả trên mục 3.1 cho thấy khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu phát thải CO, HC có xu hướng giảm trong khi đó NOx có xu hướng tăng mạnh. Do vậy, với mục tiêu đặt ra là phát thải của xe đối với cả ba thành phần CO, HC, NOx khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (trang bị BXTct) tương đương hoặc tốt hơn so với khi sử dụng nhiên liệu xăng thông thường (khi trang bị BXTEMT) sẽ đòi hỏi cần có những giải pháp điều chỉnh nhằm thay đổi hiệu suất chuyển đổi đối với từng thành phần phát thải của BXT. Các điều chỉnh nhằm hướng tới cải thiện mạnh hiệu suất khử NOx trong khi đó hiệu suất ô xy hóa CO, HC giữ nguyên hoặc giảm không đáng kể (Bảng 3.6). Từ yêu cầu nên trên, hiệu suất mục tiêu của BXTct khi sử dụng xăng E10, E20 sẽ được xác định như sau: Phát thải phía trước BXT được xác định là phát thải của xe khi sử dụng nhiên liệu E10, E20. Phát thải phía sau BXT được lấy là phát thải của xe khi sử dụng nhiên liệu RON95 (khi trang bị BXTEMT). Thông qua các kết quả phát thải trong Bảng 2.10-2.12, hiệu suất mục tiêu của BXTct xét trung bình trên bốn đường đặc tính được thể hiện trong Bảng 3.7. Bảng 3.7. Hiệu suất mục tiêu của BXTct khi sử dụng nhiên liệu E10, E20 E10 E20 CO HC NOx CO HC NOx BXTct 50,88 44,43 63,77 42,91 41,28 65,26 Như vậy, so với BXTEMT hiệu suất trung bình trên bốn đường đặc tính của BXTct với thành phần CO, HC có thể giảm tối đa 10,32% và 6,26% (khi sử dụng E10), trong khi đó hiệu suất NOx cần tăng tối thiểu 9,92% (khi sử dụng E20) như thể hiện trong Hình 3.6. Do vậy, để đạt được mục tiêu này cần thiết phải có những điều chỉnh nhằm nâng cao hiệu quả của BXT, đặc biệt là hiệu quả chuyển đổi đối với thành phần NOx. Bảng 3.8. So sánh hiệu suất mục tiêu của BXTct và hiệu suất của BXTEMT khi sử dụng nhiên liệu E10, E20 E10 E20 CO HC NOx CO HC NOx BXTEMT 61,20 50,69 58,10 63,96 54,60 55,18 BXTct (mục tiêu) 50,88 44,43 64,21 42,91 41,28 65,26 Thay đổi -10,32 -6,26 6,11 -21,05 -13,32 9,92 BXTEMT +9,92 -6,26 -10,32 Hình 3.6. Yêu cầu hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXTct so với BXTEMT 3.3. Nghiên cứu mô phỏng nâng cao hiệu quả BXT thông qua điều chỉnh các thông số kỹ thuật của BXT Như đã phân tích ở trên, để xác định được giá trị bộ thông số kỹ thuật phù hợp của BXT, cần phải tiến hành đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến hiệu suất chuyển đổi của BXT. Để thuận tiện, từ phần này, BXT điều chỉnh (BXTđc) dùng để gọi tên BXT kế thừa và điều chỉnh một số thông số kỹ thuật từ BXTEMT. 3.3.1. Ảnh hưởng của mật độ lỗ tới hiệu suất xử lý của BXT Các phản ứng chuyển đổi diễn ra chủ yếu trên bề mặt lõi xúc tác. Vì vậy để tăng hiệu suất của BXT cần tăng diện tích bề mặt lõi. Diện tích bề mặt có thể được cải thiện bằng hai phương pháp. Phương pháp thứ nhất đó là tăng độ xốp, nhấp nhô bề mặt. Phương pháp này được thực hiện trong quá trình nhúng phủ, chế tạo lớp vật liệu nền và lớp vật liệu trung gian. Phương pháp thứ hai đó là sử dụng các công nghệ chế tạo nhằm gia tăng mật độ lỗ (cell). Để đánh giá ảnh hưởng của mật độ lỗ tới diện tích bề mặt lõi xúc tác, 4 lõi có cùng đường kính và chiều dài (50x100 mm) với mật độ lỗ lần lượt là 100, 200, 400 và 600 cell/in2 đã được sử dụng. Diện tích bề mặt và thể tích thông qua của các lõi xúc tác được thể hiện trong Bảng 3.9 [82]. Kết quả cho thấy khi tăng mật độ lỗ từ 100 lên 400 cell/in2 diện tích bề mặt lõi xúc tác tăng đến 2 lần. Bảng 3.9. Mức độ thay đổi diện tích bề mặt và độ giảm thể tích thông qua BXT khi sử dụng các lõi có mật độ lỗ khác nhau [82] Lõi xúc tác Thể tích (ml) Độ giảm thể tích (%) Độ tăng diện tích bề mặt so với 100 cell (%) Không lõi 200 - - 100 cell/in2 183,2 -8,38 - 200 cell/in2 175,7 -12,15 58 400 cell/in2 170,02 -15,47 100 600 cell/in2 163,88 -18,06 173 Hình 3.7 thể hiện hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT khi thay đổi mật độ lỗ lõi xúc tác. Kết quả cho thấy, khi mật độ lỗ tăng từ 100 đến 400 cell/in2, hiệu suất chuyển hóa tăng mạnh, tiếp tục tăng mật độ lỗ từ 400 lên 800 cell/in2 hiệu suất tăng không nhiều. Nguyên nhân do mật độ lỗ là thông số ảnh hưởng đến diện tích phản ứng của khí thải với lớp vật liệu xúc tác, diện tích phản ứng có xu hướng tăng tỷ lệ với mật độ lỗ. Do đó, khi tăng mật độ lỗ lượng khí thải tác dụng với bề mặt lớp xúc tác càng nhiều dẫn tới hiệu suất chuyển hóa các thành phần phát thải càng cao. Khi mật độ lỗ lớn hơn 400 cell/in2, về lý thuyết có thể tăng diện tích của bề mặt phản ứng nhưng khi đó kích thước của các lỗ càng bé lại vì vậy không gian phản ứng tăng không đáng kể, chính vì vậy làm cho hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải tăng không nhiều [82]. BXTEMT Hình 3.7. Ảnh hưởng khi thay đổi mật độ lỗ (cell) tới hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT, tại chế độ 50% tải, tốc độ 50 km/h, nhiên liệu RON95 Ngoài ra, khi tăng mật độ lỗ sẽ yêu cầu các công nghệ và kỹ thuật rất phức tạp nhằm phủ lớp vật liệu trung gian và vật liệu xúc tác đồng đều lên trên bề mặt lớp vật liệu nền. Nếu kỹ thuật phủ không phù hợp có thể dẫn đến làm thu hẹp thậm chí tắc lỗ và gây cản trở lưu động của dòng khí thải, làm tăng công thải dẫn tới giảm công suất và hiệu suất của động cơ [82]. Từ những phân tích trên, có thể thấy rằng lõi của BXTđc có mật độ lỗ phù hợp là 400 cell/in2 vừa đảm bảo hiệu suất chuyển đổi cao mà không làm ảnh hưởng quá lớn tới công suất, hiệu suất nhiệt của động cơ. Bên cạnh đó với mật độ lỗ không quá cao sẽ đòi hỏi các kỹ thuật nhúng, phủ, chế tạo BXT cũng không quá phức tạp. 3.3.2. Ảnh hưởng của thể tích BXT Thể tích lõi xúc tác là thông số ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ không gian (GHSV) qua lõi xúc tác. GHSV được định nghĩa là tỷ số giữa lưu lượng thể tích dòng khí thải (m3/h) và thể tích lõi xúc tác (m3). Để đảm bảo đủ thời gian cho các phản ứ