Tóm tắt luận án: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn.

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

MỞ ĐẦU i Lý chọn đề tài Nhằm giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, nhiều nước giới, Việt Nam xây dựng lộ trình đưa sách nhằm phát triển nhiên liệu sinh học với mục tiêu gia tăng tỷ lệ thay nhiên liệu xăng - diesel truyền thống Cụ thể, theo đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, Việt Nam sử dụng nhiên liệu xăng E5 (5% ethanol, 95% RON92) thay hoàn toàn cho nhiên liệu RON92 (từ 1/1/2018), nhiên liệu có tỷ lệ ethanol cao E10, E20 thí điểm tiến tới sử dụng rộng rãi tương lai gần Hiện nay, để giảm thiểu thành phần độc hại phát thải từ động cơ, giải pháp hiệu sử dụng rộng rãi trang bị thiết bị xử lý khí thải Đối với động đốt cháy cưỡng bức, xử lý khí thải thành phần (BXT) sử dụng phổ biến Về lý thuyết nay, BXT phát huy hiệu chuyển đổi thành phần phát thải độc hại đáp ứng đồng thời hai điều kiện sau: Thứ nhất, lõi BXT sấy nóng hồn tồn tới nhiệt độ khoảng 350οC Thứ hai, hịa khí động gần với điều kiện lý tưởng λ = nhằm có mơi trường xy hố mơi trường khử hỗn hợp khí thải Trong đó, sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, tỷ lệ A/F (không khí/nhiên liệu) ethanol nhỏ so với nhiên liệu xăng truyền thống nên tỷ lệ ethanol hỗn hợp nhiên liệu cao, hịa khí động có xu hướng nhạt Trên xe sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử thông thường (được thiết kế sử dụng với nhiên liệu xăng truyền thống nên xe chưa trang bị cảm biến đo nồng độ cồn), điều khiển điện tử (ECU) động có xu hướng điều chỉnh lượng nhiên liệu phun để đảm bảo hệ số dư lượng không khí λ ln xấp xỉ Tuy nhiên, liệu ECU tính tốn sở nhiên liệu xăng truyền thống nên sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, ECU khơng thể điều khiển xác λ=1 mong muốn Ngồi nhiệt độ khí thải cao hơn, phát sinh thành phần khí thải động yếu tố ảnh hưởng tới hiệu chuyển đổi BXT Bên cạnh đó, sau 30 năm hình thành phát triển, với sách khuyến khích Chính phủ, nỗ lực doanh nghiệp, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đạt thành tựu định, xuất nhiều nhãn hiệu xe “Made in Việt Nam” Tuy nhiên sản phẩm nội địa hóa mang hàm lượng cơng nghệ thấp, chưa làm chủ các công nghệ cốt lõi công nghệ chế tạo động cơ, hệ thống điều khiển, hệ thống xử lý khí thải… Vì nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu xúc tác ba thành phần cho động sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn” nhằm bước làm chủ công nghệ vật liệu xúc tác Từ thiết kế chế tạo BXT khơng thích ứng với nhiên liệu xăng pha cồn mà giúp nâng cao hiệu giảm giá thành chế tạo BXT ii.Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án - Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu BXT - Nâng cao hiệu xúc thông qua cải tiến thông số kết cấu, bổ sung thêm thành phần vào lớp vật liệu trung gian, sử dụng vật liệu xúc tác - Tính tốn, thiết kế, chế tạo BXT có hiệu suất cao, giá thành giảm, phù hợp sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu - Xe thử nghiệm: Quá trình nghiên cứu thực nghiệm thực xe máy Liberty 150 hãng Piaggio Việt Nam - Các BXT sử dụng trình nghiên cứu: + Bộ xúc tác hãng Emitec lựa chọn xúc tác sở (BXTEMT), sử dụng làm sở để xây dựng mơ nghiên cứu mô đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu BXT + Bộ xúc tác điều chỉnh (BXTđc), thiết lập dựa sở BXTEMT, sử dụng nghiên cứu mô nâng cao hiệu BXT thông qua giải pháp điều chỉnh thông số kỹ thuật + Bộ xúc tác (BXTm), thiết lập sở kế thừa BXTđc, sử dụng q trình nghiên cứu mơ sử dụng vật liệu xúc tác + Bộ xúc tác cải tiến (BXTct) phát triển sở BXTm, sử dụng kết hợp xúc tác kim loại quý vật liệu xúc tác mới, trình mô giúp xác định thông kỹ thuật BXT Quá trình thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết mô đánh giá hiệu chuyển đổi BXT theo chế độ làm việc nhiên liệu sử dụng - Bên cạnh đó, xăng pha cồn với tỷ lệ ethanol thấp (≤20%) sử dụng rộng rãi nhiều quốc gia giới Trong tương lai gần, nhiên liệu sử dụng rộng rãi nước ta Ngồi ra, sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ ethanol thấp ethanol đóng vai trị phụ gia pha trộn với xăng thông thường kết cấu động khơng cần thay đổi Vì để hướng tới phương tiện sử dụng nay, nhiên liệu sử dụng trình nghiên cứu lựa chọn mẫu nhiên liệu có tỷ lệ ethanol ≤20% Cụ thể bao gồm nhiên liệu RON95, E10 E20 • Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu mơ thực mơ hình BXT, tham số điều kiện biên mơ hình xác định thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm giới hạn phạm vi phịng thí nghiệm với xe thử nghiệm vận hành chế ổn định, theo chu trình thử tiêu chuẩn ECE R40+ EUDC Quá trình đánh giá kiểm nghiệm bền BXT khơng thực giới hạn thời gian kinh phí Các yếu tố khác ảnh hưởng tới q trình làm việc BXT gia tăng lượng nước, xuất thành phần khí thải (cồn chưa cháy, alđêhít…) nằm ngồi phạm vi nghiên cứu luận án iv Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng kết hợp nghiên cứu mô thực nghiệm, đó: - Nghiên cứu mơ làm sở đánh giá, cải tiến BXT sử dụng xăng pha cồn - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết mô đánh giá hiệu chuyển đổi BXTct chế độ làm việc động sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn v.Ý nghĩa khoa học thực tiễn • Ý nghĩa khoa học: - Luận án xây dựng thành cơng mơ hình mơ BXT sử dụng xăng pha cồn phần mềm AVL-Boost đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu tới hiệu BXT - Nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác thay phần xúc tác kim loại q, qua khơng giúp nâng cao hiệu mà giảm giá thành chế tạo BXT • Ý nghĩa thực tiễn: - Bộ xúc tác cải tiến có hiệu suất cao, phù hợp sử dụng với nhiên liệu xăng pha cồn góp phần nâng cao chất lượng khí thải phương tiện giao thơng vận tải - Việc chế tạo thành cơng BXT góp phần nâng cao lực nghiên cứu, làm chủ phát triển công nghệ lõi ngành công nghiệp ô tô - Các kết đạt luận án sở khoa học giúp quan quản lý nhà nước nghiên cứu nâng cao tỷ lệ phối trộn ethanol nhiên liệu Qua giúp gia tăng lượng ethanol tiêu thụ, góp phần sớm hồn thành mục tiêu của Đề án phát triển nhiên liệu sinh học Chính phủ vi Điểm Luận án - Đây cơng trình nghiên cứu Việt Nam thực nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới hoạt động BXT - Phát triển vật liệu xúc tác giúp cải thiện hiệu BXT, phù hợp với nhiên liệu xăng pha cồn - Xây dựng thành cơng quy trình cơng nghệ chế tạo BXT bao gồm nhúng phủ lớp vật liệu trung gian lớp vật liệu xúc tác lõi kim loại theo phương pháp phủ quay vii Bố cục Luận án Luận án thực với nội dung sau: - Mở đầu - Chương Tổng quan - Chương Xây dựng mơ hình mơ xúc tác khí thải ba thành phần phần mền AVL Boost - Chương Nghiên cứu nâng cao hiệu xúc tác khí thải ba thành phần sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn - Chương Nghiên cứu đánh giá hiệu xúc tác cải tiến - Kết luận chung hướng phát triển đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan phát thải động xăng 1.1.1 Tình hình nhiễm mơi trường khí thải từ động đốt Hiện môi trường sống nhân loại ngày bị ô nhiễm nặng nề chất thải từ hoạt động người tạo ra, nguồn chất thải đáng kể phát thải phương tiện giao thông giới Trong q trình hoạt động, phương tiện giao thơng thải vào khơng khí ngồi lượng lớn CO2 nước lượng đáng kể phát thải độc hại khác CO, hyđrơcacbon (HC), NOx, SO2, khói đen, chì chất thải dạng hạt khác Các thành phần chất thải gây tác hại trực tiếp đến sức khỏe người mà phá hủy môi trường sống giới sinh vật nuôi sống người 1.1.2 Phát thải độc hại động xăng ảnh hưởng chúng tới sức khỏe người mơi trường Q trình cháy không đồng kết hợp với yếu tố nhiệt độ, thể tích, áp suất q trình cháy thay đổi liên tục khoảng thời gian ngắn nên thực tế sản phẩm cháy cịn có nhiều thành phần phát thải độc hại với sức khỏe người môi trường CO, HC, NOx, SO2, PM Theo nghiên cứu y khoa cho thấy: - CO chất khí khơng màu, khơng mùi nên khó nhận biết Khi hít phải CO với nồng độ cao gây cản trở tới q trình hơ hấp, CO kết hợp với hemoglobin hồng cầu làm giảm q trình lưu chuyển xy máu dẫn tới ngạt khí, hít phải khối lượng lớn dẫn tới tử vong [5] - Thành phần hydrocacbon có nhân benzen tác nhân gây ung thư đặc biệt ung thư máu [7] Ngoài số thành phần HC kết hợp với NOx gây tượng sương mù quang hóa, ảnh hưởng trực tiếp tới liêm mạc mắt, bệnh đường hô hấp, phổi [8] - NOx đặc biệt gây nguy hiểm tới phổi niêm mạc mắt Ngoài tác dụng với nước tạo thành axit gây ăn mòn chi tiết, gây mưa axit ảnh hưởng tới trồng, mùa màng [9] - CO2 cịn làm tăng hiệu ứng nhà kính, gây biến đổi khí hậu làm trái đất nóng lên Đối với môi trường thiên nhiên, phát thải độc hại từ phương tiện giao thông làm giảm sản lượng lương thực, nhiễm mơi trường khí mơi trường nước Cụ thể, gây sói mịn làm bạc màu đất canh tác, phá hủy rừng đẩy nhanh tốc độ ăn mịn cơng trình kiến trúc 1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại từ khí thải động xăng Các biện pháp nhằm giảm phát thải độc hai động xăng nói riêng động đốt nói chung đa dạng chia thành ba nhóm sau [5]: - Nhóm thứ nhất: Các biện pháp kiểm soát phát thải từ bên động thông qua cải tiến liên quan tới kết cấu động tối ưu kết cấu buồng cháy, phương pháp hình thành hỗn hợp, điều chỉnh vận hành động - Nhóm thứ hai: Các biện pháp xử lý khí thải, đảm bảo nồng độ khí thải trước thải vào môi trường nhỏ giá trị giới hạn cho phép - Nhóm thứ ba bao gồm giải pháp liên quan tới nhiên liệu nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay có mức phát thải độc hại thấp 1.2.1 Kiểm soát phát thải từ bên động 1.2.1.1 Điều chỉnh xác tỷ lệ khơng khí nhiên liệu 1.2.1.2 Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp 1.2.1.3 Tối ưu kết cấu buồng cháy 1.2.2 Sử dụng nhiên liệu thay 1.2.2.1 Nhiên liệu xăng pha cồn 1.2.2.2 Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) 1.2.2.3 Nhiên liệu hydro 1.2.3 Xử lý khí thải sau cửa thải xúc tác khí thải ba thành phần 1.2.3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc 1.2.3.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới khả làm việc BXT 1.3 Ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải động hoạt động BXT 1.3.1 Ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải động 1.3.2 Ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới hoạt động BXT 1.4 Tổng hợp nghiên cứu nâng cao hiệu BXT 1.4.1 Các nghiên cứu nước 1.4.1.1 Các giải pháp kỹ thuật 1.4.1.2 Các nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác 1.4.2 Các nghiên cứu giới 1.4.2.1 Nghiên cứu công nghệ cải tiến mật độ lỗ lõi xúc tác 1.4.2.2 Nghiên cứu cải tiến lớp vật liệu trung gian 1.4.2.3 Nghiên cứu phát triển lớp vật liệu xúc tác nhằm tăng cường khả hấp thụ giải phóng xy 1.4.2.4 Nghiên cứu phát triển hệ xúc tác 1.5 Hướng tiếp cận nội dung nghiên cứu luận án Để đánh giá ảnh hưởng xăng pha cồn tới hiệu BXT nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu BXT, luận án triển khai theo nội dung nghiên cứu sau: - Lựa chọn đối tượng nghiên cứu bao gồm xe thử nghiệm, xúc tác sở, nhiên liệu thử nghiệm - Xây dựng mơ hình mơ BXT phần mềm AVL Boost, hiệu chuẩn đánh giá độ tin cậy mơ hình - Nghiên cứu ảnh hưởng xăng pha cồn tới hiệu chuyển đổi thành phần phát thải BXT - Nghiên cứu nâng cao hiệu hiệu chuyển đổi thành phần phát thải BXT thông qua giải pháp điều chỉnh thông số kỹ thuật BXT, sử dụng vật liệu xúc tác - Nghiên cứu chế tạo thực nghiệm đánh giá hiệu chuyển đổi thành phần phát thải BXT sau trình cải tiến sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn 1.6 Kết luận chương Qua nghiên cứu tổng quan cho thấy, sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ phù hợp trang bị BXT hai giải pháp hiệu việc giảm phát thải độc hại ĐCĐT Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy hịa khí động có xu hướng “nhạt” tăng tỷ lệ ethanol nhiên liệu Ngồi nhiệt độ khí thải cao hơn, lượng nước lớn với khí thải động xuất số hợp chất khác với sử dụng nhiên liệu truyền thống yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động BXT Các nghiên cứu rằng, tùy theo điều kiện làm việc BXT cần bổ sung thêm số thành phần vào lớp vật liệu trung gian 3.4.1.2 Nghiên cứu xác định tỷ lệ CuO-MnO2 phù hợp 70 60 58.4 Hi ệu su ất ch uy ển đổi (% ) 65.7 61.3 66.6 61.6 CO HC 56.6 52.7 52.2 51.2 50.3 46 50 64.1 NOx 48.7 40.2 37.3 40 30 20 10 CuO)0,3 - (MnO)0,7 ( MnO2( CuO)0,5 - (MnO)0,5 (CuO)0,7 - (MnO)0,3 CuO Hình 3.13 Hiệu suất BXT theo tỷ lệ (CuO)x-(MnO2)1-x (x=0; 0,3; 0,5; 0,7; 1) λ=1 (RON95), Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 ((50% tải, 50 km/h) 3.4.1.3 Đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ tới hiệu BXTm 80 Hi ệu su ất ch uy ển đổ i (% 60 40 CO HC 20 200 250 300 350 400 450 500 Nhiệt độ lõi xúc tác (0C) 550 600 650 Hình 3.14 Hiệu suất BXTm theo nhiệt độ, λ=1 (RON95), GHSV= 250.000h-1 (50% tải, 50 km/h) 3.4.1.4 Ảnh hưởng vận tốc không gian tới hiệu BXTm 80 Hi ệu su ất ch uy ển đổ i (% 70 CO HC NOx 60 50 40 30 20 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 300,000 350,000 400,000 450,000 500,000 GHSV (h-1) Hình 3.15 Hiệu suất BXTm theo GHSV Tbxt = 500oC, λ =1 (RON95) Quá trình nghiên cứu mơ hình mơ cho thấy, hiệu chuyển hóa CO, HC NOx BXTm với hệ xúc tác (CuO)0,3(MnO2)0,7 phủ lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2 theo hệ số dư lượng khơng khí, nhiệt độ khí thải, lưu lượng khí thải thực Kết chung cho thấy, hiệu chuyển hóa CO, HC NOx đạt từ 45-70% nhiệt độ BXT đạt 4000 C Tuy nhiên thấy hiệu suất BXTm với phát thải CO, HC thấp so với BXTEMT hiệu suất chuyển đổi với phát thải NO x tăng không đáng kể xét chế độ làm việc (Bảng 3.13) Do giải pháp NCS lựa chọn nhằm nâng cao hiệu BXT kết hợp sử dụng hệ xúc tác CuO 0,3-(MnO2)0,7 với hệ xúc tác kim loại quý Pt/Rh Bảng 3.13 So sánh hiệu suất chuyển đổi thành phần phát thải BXTEMT BXTm, λ=1 (RON95), Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 (50% tải, 50 km/h) CO (%) HC (%) NOx (%) BXTEMT 67,5 51 64,4 BXTm 60 50 65 Thay đổi (BXTm- BXTEMT) -7,5 -1 0,6 3.4.2 Nghiên cứu kết hợp hệ xúc tác (CuO)0,3(MnO2)0,7 với hệ xúc tác kim loại quý Pt/Rh (BXTct) 3.4.2.1 Xác định lượng kim loại quý bổ sung Hình 3.17 Hiệu suất BXTct theo lượng kim loại quý, (CuO0,3 – (MnO2) 0,7) λ=1 (RON95), Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 (50% tải, 50 km/h) Cân đối mức tăng hiệu suất với mức tăng chi phí BXT NCS lựa chọn lượng kim loại quý bổ sung BXTct 0,07g (giảm 50% khối lượng so với BXTEMT) 3.4.2.2 Đánh giá hiệu BXTct theo nhiên liệu, chế độ làm việc Kết so sánh hiệu suất BXTct BXTEMT BXTm chế độ cho thấy có cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi ba thành phần phát thải Trong hiệu suất chuyển đổi NOx tăng tới 15,13%, so sánh với tiêu chí cải tiến ban đầu hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đề Hình 3.19 So sánh hiệu suất ba BXT λ=1 (RON95), Tbxt=5000C, GHSV= 250.000h-1 (50% tải, 50 km/h) 3.5 Kết luận chương Sự cải thiện môi trường xy hóa BXT sử dụng xăng pha cồn giúp cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi CO HC Cụ thể, xét trung bình bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi CO tăng 4,66%, 7,43% tương ứng với sử dụng nhiên liệu E10 E20 Tương tự với HC, hiệu suất chuyển đổi sử dụng nhiên liệu E10 E20 tăng 2,64% 6,55% Trong đó, suy giảm nồng độ chất khử (CO, HC) môi trường khử BXT (hỗn hợp có xu hướng nhạt hơn) dẫn tới hiệu chuyển đổi NOx giảm tăng tỷ lệ ethanol nhiên liệu, với mức giảm 2,05% sử dụng nhiên liệu E10 4,97% sử dụng nhiên liệu E20 Với mục tiêu đặt hàm lượng thành phần phát thải xe sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (trang bị BXTct) tương đương tốt so với sử dụng xăng RON95 (trang bị BXTEMT) cần có điều chỉnh liên quan đến thơng số BXT Các điều chỉnh nhằm hướng tới cải thiện mạnh hiệu suất khử NO x hiệu suất xy hóa CO, HC giữ ngun giảm không đáng kể Cụ thể, để đảm bảo mục tiêu nêu hiệu suất trung bình bốn đường đặc tính BXTct với thành phần CO, HC giảm tối đa 10,32% 6,26% (khi sử dụng E10), hiệu suất NOx cần tăng tối thiểu 9,92% (khi sử dụng E20) so với BXTEMT BXTđc phát triển cở BXT EMT thông qua điều chỉnh mật độ lỗ từ 200 lên 400 cell/in2, tỷ lệ Pt/Rh thay đổi từ 5/1 thành 4/2 Kết cho thấy hiệu suất chuyển đổi CO, HC đáp ứng mục tiêu đề hiệu suất chuyển đổi NOx thấp so với mục tiêu 2,71% Hiệu suất chuyển đổi NO x cải thiện cách giảm tỷ lệ Pt/Rh xuống thấp Tuy nhiên, phương án làm giảm hiệu chuyển đổi CO, HC Ngoài lượng kim loại quý không thay đổi việc tăng khối lượng Rh kéo theo tăng giá thành BXT giá thành Rh cao Pt khoảng 1,5 lần Các xít CuO-MnO2 lựa chọn hệ vật liệu xúc tác Nghiên cứu cho thấy hiệu suất BXTm với hệ xúc tác (CuO) 0,3(MnO2)0,7 với khối lượng 6g có hiệu suất tiệm cận với hiệu suất BXTEMT, nhiên chưa đáp ứng hiệu suất mục tiêu đề Hiệu suất BXTm khó nâng cao cách tăng lượng vật liệu xúc tác hạn chế khả bám dính với lớp vật liệu trung gian, suy giảm tiết diện lưu thơng diện tích phản ứng bề mặt lõi Vì vậy, sử dụng kết hợp xúc tác kim loại quý (Pt/Rh) với hệ xúc tác ((CuO)0,3-(MnO2)0,7) khối lượng kim loại quý điều chỉnh giảm (từ 0,14 g xuống 0,07g) giải pháp phù hợp lựa chọn Kết cho thấy, hiệu suất BXTct cải thiện rõ rệt so với BXTEMT Xét trung bình bốn đường đặc tính (25%, 50%, 75% 100% tải), hiệu suất chuyển đổi BXTct với CO cao 5,93%, HC cao 12% NOx cao 15,13% so với BXTEMT đáp ứng hiệu suất mục tiêu đề Trên cở thông số kỹ thuật BXTct xác định, việc thiết kế, chế tạo mẫu thực nghiệm đánh giá hiệu BXTct sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn thực Nội dung nghiên cứu NCS trình bày cụ thể chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA BỘ XÚC TÁC CẢI TIẾN 4.1 Quy trình chế tạo BXTct Xử lý nhiệt (9000 C) Nhúng lõi vào dung dịch huyền phù Xử lý bề mặt Lõi xúc tác AlCrFe Dung dịch huyền phù Al2O3, CeO2, ZrO2 Quay ly tâm tốc độ 450v/ph Làm khô 2500C 2hNung 6500C 2.5h Kiểm tra % khối lượng phủ Nghiền ướt 2giờ + Chất kết dính (Al2(NO3)3, Al2O3) + Hỗn hợp nghiền (CeO2, ZrO2, H2O) Lớp phủ (Al2O3, CeO2, ZrO2) Nhúng lõi vào dung dịch Sol-Gel Khuấy từ 20 phút Quay ly tâm tốc độ 450v/ph Làm khô 2500C 2hNung 6500C 2.5h Muối Cu(NO3)2, Mn(NO3)2 H2O Kiểm tra % khối lượng phủ Muối Pt(NO3)2, Rh(NO3)2 H2O Kết thúc Hình 4.1 Quy trình phủ xúc tác lên bề mặt lõi kim loại 4.1.1 Chuẩn bị lõi kim loại 4.1.2 Điều chế lớp kim loại Al2O3-CeO2-ZrO2 4.1.2.1 Điều chế bột lớp vật liệu trung gian 4.1.2.2 Điều chế chất kết dính 4.1.2.3 Tạo dung dịch phủ dạng huyền phù 4.1.2.4 Nhúng phủ lớp vật liệu trung gian 4.1.3 Điều chế lớp vật liệu xúc tác 4.1.3.1 Điều chế nhúng phủ lớp vật liệu xúc tác CuO/MnO2 4.1.3.2 Điều chế phủ lớp xúc tác Pt/Rh 4.1.4 Đặc tính cấu trúc hình thái bề mặt lõi sử dụng xúc tác CuO-MnO2 4.1.4.1 Xác định diện tích bề mặt phương pháp phân tích bề mặt riêng BET 4.1.4.2 Đặc tính cấu trúc hình thái bề mặt lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2 Hình 4.2 Ảnh SEM lớp Al2O3-CeO2-ZrO2 lõi kim loại 4.1.4.3 Đặc tính cấu trúc đặc tính hình học lớp vật liệu xúc tác CuO/MnO2 lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2 Hình 4.3 Ảnh EDS phân bố Cu, Mn mẫu kim loại Al 2O3CeO2-ZrO2 a, mẫu chụp EDS; b, Phân bố hạt Cu, c, Phân bố hạt Mn 4.1.4.4 Đặc tính cấu trúc lớp xúc tác Pt-Rh CuO-MnO2 /Al2O3- CeO2-ZrO2 4.2 Đánh giá ảnh hưởng việc trang bị BXT tới tính kinh tế, kỹ thuật phát thải xe Xét trung bình tồn đặc tính (50%) tải mức suy giảm công suất xe trang bị BXTEMT BXTct 1,84% 2,04% Mức tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu 3,08% (BXT EMT) 3,63% (BXTct) Sự gia tăng cản trở đường thải ảnh hưởng lớn tới phát thải xe Xét trung bình tồn đặc tính, so với trường hợp xe nguyên phát thải xe trang bị BXT EMT BXTct thay đổi sau: - Phát thải CO tăng 2,51% 2,85% - Phát thải HC tăng 3,47% 4,02% - Phát thải NOx giảm 3,88% 4,44% Xét trung bình tồn đặc tính so với trường hợp trang bị BXTEMT, thành phần phát thải xe trang bị BXTct thay đổi sau: Phát thải CO HC tăng 0,34% 0,55%, phát thải NOx giảm 0,56% Từ kết nêu cho thấy tương đồng BXTct BXTEMT, việc trang bị hai BXT không làm thay đổi nhiều tới tính kinh tế kỹ thuật phát thải xe (mức độ thay đổi nhỏ 5%) 4.3 Đánh giá hiệu BXTct sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn 4.3.1 Tại chế độ ổn định 4.3.1.1 Phát thải hiệu suất chuyển đổi BXT với thành phần phát thải - Phát thải CO Xét trung bình bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi BXT 62,92% (RON95), 65,78% (E10) 67,56% (E20) - Phát thải HC Hiệu suất chuyển đổi có xu hướng giảm tải trọng động tăng, hiệu suất chuyển đổi sử dụng nhiên liệu sinh học E10, E20 cao so với sử dụng nhiên liệu RON95 Xét trung bình bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi HC xe sử dụng nhiên liệu RON95, E10 E20 55,39%; 56,76% 59,00% - Phát thải NOx Hiệu suất chuyển đổi NOx bốn đường đặc tính ba mẫu nhiên liệu tương đồng, có xu hướng giảm tăng tốc độ, tải trọng xe tỷ lệ ethanol nhiên liệu Có thể nhận thấy hiệu suất chuyển đổi NOx 100% tải đạt giá trị tốt, hiệu suất trung bình 53,93% (RON95), 50,75% (E10) 48,63% (E20) Trung bình bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi NO x ứng với nhiên liệu RON95, E10, E20 72,28% (RON95), 71,26% (E10) 70,19% (E20) 4.3.1.2 So sánh hiệu chuyển đổi BXTct kết mô thực nghiệm Kết cho thấy, với thành phần CO HC sai lệch lớn ứng với sử dụng nhiên liệu RON95 với mức sai lệch trung bình -1,45% Với thành phần NOx sai lớn ứng với sử dụng nhiên liệu E10 với giá trị trung bình 3,26% Như vậy, khẳng định mơ hình BXTct xây dựng Chương đảm bảo độ tin cậy phản ánh xác xu hướng thay đổi hiệu suất BXT thành phần phát thải sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn 4.3.1.3 So sánh hiệu suất chuyển đổi BXTct với BXTEMT Hình 4.30 Hiệu suất chuyển đổi trung bình bốn đặc tính theo kỳ vọng (BXTct-kv) thực tế đạt (BXTct-tt) BXTct 4.3.2 Hiệu chuyển đổi BXT thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 + EUDC Bảng 4.12 Phát thải hiệu suất BXTct theo chu trình ECE-R40+EUDC RON95 Thành phần Đơn vị KXT CXT CO HC NOx [g/km] [g/km] [g/km] 2,792 0,712 0,238 1,028 0,320 0,058 E10 HS (%) 63,2 55,1 75,6 KXT CXT 2,307 0,570 0,264 0,765 0,241 0,067 E20 HS (%) 66,8 57,7 74,6 KXT CXT 2,004 0,460 0,289 0,592 0,190 0,078 4.4 So sánh đánh giá tính kinh tế Giá thành BXT phụ thuộc vào nhiều yếu tố yếu tố quan trọng chi phí vật liệu cấu thành nên lõi xúc tác, cắt giảm đáng kể lượng kim loại quý sử dụng (từ 0,14g xuống 0,07g) nên tổng chi phí vật liệu chế tạo lõi xúc BXTct giảm đáng kể, từ 335.300đ xuống 228.550đ, tương ứng với cắt giảm 31,84% chi phí vật liệu 4.5 Kết luận chương Trên sở thơng số kỹ thuật tính tốn lựa chọn, BXTct chế tạo thành cơng Trong đó, phương pháp phủ quay với dung dịch huyền phù (lớp vật liệu trung gian) dung dịch muối (lớp vật liệu xúc tác) thực mang lại hiệu tốt Lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2 phủ lõi kim loại, kết HS (%) 70,5 58,7 73,0 phân tích SEM chiều dầy lớp phủ khoảng 25µm sau 20 lần phủ, kim loại phân bố bám dính tốt bề mặt kim loại với độ xốp cao qua giúp tăng diện tích phản ứng lõi xúc tác Đối với lớp vật liệu xúc tác CuO-MnO 2, kết cho thấy kim loại xúc tác phân tán bề mặt lớp vật liệu trung gian Xuất cấu trúc spinel (tinh thể hỗn hợp) Cu xMnyOz, cấu trúc chứng minh có hiệu tốt trình khử NOx Việc điều chế nhúng phủ lớp vật liệu xúc tác kim loại quý Pt/Rh thực thành công Đây công đoạn phức tạp khó khăn q trình chế tạo BXT số lượng kim loại ít, quy trình điều chế trải qua nhiều bước Phân tích XPS cho thấy Pt/Rh với kích thước nanomet bám phân bố bám dính lớp vật liệu xúc tác lớp vật liệu trung gian Kết thực nghiệm khẳng định BXTct có hiệu suất cải thiện rõ rệt Cụ thể, hiệu suất chuyển đổi với ba thành phần phát thải tăng lên, hiệu suất chuyển đổi CO tăng 4,86%, HC tăng 5,93% NOx tăng 13,35% so với BXTEMT Không vậy, mức độ chênh lệch hiệu suất chuyển đổi với thành phần phát thải sử dụng nhiên liệu sinh học thay đổi so với BXTEMT Theo tính tốn sơ bộ, việc sử dụng xúc tác phi kim loại q giảm chi phí vật liệu chế tạo tới 31,38% qua góp phần giảm chi phí chế tạo BXT Từ kết trên, khẳng định BXTct đạt mục tiêu nghiên cứu đề ban đầu KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận chung Sau thực luận án, NCS rút số kết luận sau: Mơ hình mơ BXT phần mềm AVL-Boost xây dựng thành công Kết mô cho thấy, sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn E10-E20, hiệu suất xử lý CO, HC cải thiện, nhiên hiệu suất xử lý NO x có xu hướng giảm đáng kể, hiệu suất xử lý NOx giảm trung bình tới 5% sử dụng E20 Do đó, để đảm bảo hàm lượng thành phần phát thải sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn tương đương tốt so với sử dụng xăng RON95 cần có điều chỉnh liên quan đến thông số BXT Các điều chỉnh nhằm hướng tới cải thiện mạnh hiệu suất khử NOx hiệu suất xy hóa CO, HC giữ ngun giảm khơng đáng kể Hiệu suất BXT cải thiện thông qua điều chỉnh thông số kỹ thuật BXT mật độ lỗ, thể tích lõi xúc tác, lượng tỷ lệ kim loại quý, Cụ thể với BXTđc kế thừa từ BXT EMT, mật độ lỗ điều chỉnh từ 200 lên 400 cell/in2, tỷ lệ Pt/Rh thay đổi từ 5/1 thành 4/2 Khi đó, hiệu suất chuyển đổi CO, HC đáp ứng mục tiêu đề hiệu suất chuyển đổi NOx thấp so với mục tiêu 2,71% Có thể nâng cao hiệu suất chuyển đổi NO x cách giảm tỷ lệ Pt/Rh, nhiên phương án nàysẽ làm giảm hiệu chuyển đổi CO, HC tăng giá thành BXT Hệ xúc tác CuO-MnO2 nghiên cứu với mục tiêu cải thiện hiệu khử NOx môi trường giàu ô xy giảm lượng kim loại quý cho BXT Hệ xúc tác CuO0.3-(MnO2)0.7 lựa chọn đảm bảo hiệu suất chuyển hóa cao đồng thời với ba thành phần phát thải CO, HC NOx Hiệu khử NOx đạt giá trị cao môi trường nhiều ô xy (λ>1), điều phù hợp với xe sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ cồn cao Để nâng cao hiệu suất BXT, BXTct sử dụng hệ xúc tác CuO-MnO2/Pt-Rh chế tạo thử nghiệm Kết thử nghiệm cho thấy BXTct có khả cải thiện hiệu chuyển hóa với ba thành phần phát thải đặc biệt hiệu khử NOx môi trường giàu ôxy giúp giảm khoảng 50% lượng kim loại quý so với BXTEMT qua giúp giảm chi phí vật liệu của BXTct tới 31,84% Hướng phát triển Để ứng dụng kết nghiên cứu từ đề tài luận án vào thực tiễn, nhằm giảm phát thải độc hại giảm giá thành BXT, cần tiến thành nghiên cứu tiếp theo: - Thử nghiệm bền BXT động trường nhằm đánh giá khả thích ứng làm việc lâu dài BXT - Nghiên cứu giảm thành phần axetan-đêhít foman-đêhít,… sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn - Kết nối mơ hình mơ BXT với mơ hình mơ chu trình nhiệt động động nhằm giảm thời gian chi phí nghiên cứu ... mơ xúc tác khí thải ba thành phần phần mền AVL Boost - Chương Nghiên cứu nâng cao hiệu xúc tác khí thải ba thành phần sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn - Chương Nghiên cứu đánh giá hiệu xúc tác. .. quý Nâng cao hiệu xúc tác thông qua sử dụng hệ xúc tác Nghiên cứu sử dụng hệ xúc tác Nghiên cứu sử dụng kết hợp hệ xúc tác với hệ xúc tác kim loại quý Xác định khối lượng, thành phần vật liệu. .. lý khí thải… Vì nghiên cứu sinh chọn đề tài ? ?Nghiên cứu nâng cao hiệu xúc tác ba thành phần cho động sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn” nhằm bước làm chủ công nghệ vật liệu xúc tác Từ thiết kế