(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Duy Tiến

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC BA THÀNH PHẦNCHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lựcMã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hà Nội – 2022

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiv

MỞ ĐẦU 1

i Lý do chọn đề tài 1

ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án 1

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

iv Phương pháp nghiên cứu 3

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

vi Điểm mới của Luận án 3

vii Bố cục của Luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về phát thải trên động cơ xăng 5

1.1.1 Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ đốt trong 5

1.1.2 Phát thải độc hại trong động cơ xăng và ảnh hưởng của chúng tới sứckhỏe con người và môi trường 6

1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại từ khí thải động cơ xăng 8

1.2.1 Kiểm soát phát thải từ bên trong động cơ 9

1.2.2 Sử dụng nhiên liệu thay thế 10

1.2.3 Xử lý khí thải sau cửa thải bằng bộ xúc tác khí thải ba thành phần 11

1.3 Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải của động cơ và hoạt độngcủa BXT 20

1.3.1 Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải của động cơ 20

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hoạt động của BXT 22

1.4 Tổng hợp các nghiên cứu nâng cao hiệu quả BXT 26

1.4.1 Các nghiên cứu trong nước 26

1.4.2 Các nghiên cứu trên thế giới 28

1.5 Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận án 32

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BỘ XÚC TÁC KHÍ THẢI BATHÀNH PHẦN TRÊN PHẦN MỀM AVL BOOST 34

2.1 Cơ sở lý thuyết mô phỏng 34

2.1.1 Lý thuyết về các phản ứng xúc tác diễn ra trong BXT 34

iii

2.1.2 Lý thuyết về đặc điểm lỗ rỗng trong khối xúc tác có cấu trúc dạng tổ ong36

2.1.3 Lý thuyết sự khuếch tán trong lớp vật liệu trung gian 38

2.1.4 Lý thuyết tính toán λ theo thành phần khí thải và lý thuyết tính toán lưulượng khí thải đi vào BXT 40

2.1.5 Lý thuyết tính toán tốc độ của các phản ứng diễn ra trong bộ xử lý xúc tác412.1.6 Mô hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT 44

2.2 Quy trình mô phỏng trên phần mềm AVL Boost 44

2.3 Xây dựng mô hình mô phỏng BXT 45

2.3.1 Xây dựng mô hình 45

2.3.2 Nhập dữ liệu cho mô hình 46

2.4 Thực nghiệm xác định các thông số đầu vào của BXT 50

2.4.1 Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm 50

2.4.2 Chế độ thử nghiệm 51

2.4.3 Trang thiết bị thử nghiệm 52

2.4.4 Kết quả thử nghiệm 52

2.4.5 Tính toán lưu lượng khí thải 54

2.5 Hiệu chuẩn mô hình mô phỏng 55

3.2 Xác định hiệu suất mục tiêu của BXT cải tiến 63

3.3 Nghiên cứu mô phỏng nâng cao hiệu quả BXT thông qua điều chỉnh các thôngsố kỹ thuật của BXT 64

3.3.1 Ảnh hưởng của mật độ lỗ tới hiệu suất xử lý của BXT 64

3.3.2 Ảnh hưởng của thể tích BXT 65

3.3.3 Ảnh hưởng của lượng kim loại quý 67

3.3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ Pt/Rh 68

3.4 Nghiên cứu nâng cao hiệu quả BXT thông qua sử dụng hệ xúc tác mới 69

3.4.1 Nghiên cứu mô phỏng BXT khi sử dụng hệ xúc tác CuO-MnO2 70

3.4.2 Nghiên cứu kết hợp hệ xúc tác mới (CuO)0,3-(MnO2)0,7 với hệ xúc tác kimloại quý Pt/Rh (BXTct) 74

4.1.1 Chuẩn bị lõi kim loại 80

4.1.2 Điều chế lớp kim loại nền Al2O3-CeO2-ZrO2 80

4.1.3 Điều chế lớp vật liệu xúc tác 85

4.1.4 Đặc tính cấu trúc và hình thái bề mặt của lõi sử dụng xúc tác CuO-MnO2884.2 Thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc trang bị BXT tới các tính năng kinhtế, kỹ thuật và phát thải của xe 92

4.3 Thử nghiệm đánh giá hiệu quả của BXTct khi sử dụng nhiên liệu xăng phacồn 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 114

PHỤ LỤC 115

PHỤ LỤC 1 KẾT QUẢ HIỆU CHUẨN MÔ HÌNH BXTEMT 1

PHỤ LỤC 2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ BXT KHI SỬDỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN 2

PL2.1 Kết quả mô phỏng với BXTEMT 2

PL2.2 Kết quả mô phỏng với BXTđc 3

PL2.3 Kết quả mô phỏng với BXTm 5

PL2.3 Kết quả mô phỏng với BXTct 6

PHỤ LỤC 3 TRANG THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH THỬ NGHIỆMĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC 7

PL3.1 Trang thiết bị thử nghiệm 7

PL3.2 Băng thử xe máy CD20’’ (Chassis Dynamometer 20”) 8

PL3.3 Hệ thống lấy mẫu khí thải với thể tích không đổi CVS 8

PL3.5 Dụng cụ đo nhiên liệu 733S 11

PL3.6 Thiết bị đo nhiệt độ 12

PL3.7 Thiết bị đo hệ số dư lượng không khí λ 13

PHỤ LỤC 4 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCHCẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI BỀ MẶT BỘ XÚC TÁC 14

PL4.1 Thiết bị phân tích cấu trúc vật liệu RIGAKU RINT-2100CMT 14

PL4.2 Kính hiển vi điện tử Hitachi, SU6600 EVACSEQ 14v

PL4.3 Kính hiển vi điện tử quét với quang phổ tia X Hitachi SU8230 15

PL4.4 Thiết bị xác định diện tích bề mặt của vật liệu bằng phương pháp BET, máy

ASAP 2010 16PL4.5 Thiết bị xác định thành phần vật liệu theo phương pháp phân tích quangphổ XPS, GVL298 17

vi

MỞ ĐẦUi Lý do chọn đề tài

Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, cũng như nhiều nướctrên thế giới, Việt Nam đã xây dựng lộ trình và đưa ra các chính sách nhằm pháttriển nhiên liệu sinh học với mục tiêu gia tăng tỷ lệ thay thế nhiên liệu xăng - dieseltruyền thống Cụ thể, theo đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầmnhìn đến năm 2025, Việt Nam đã sử dụng nhiên liệu xăng E5 (5% ethanol, 95%RON92) thay thế hoàn toàn cho nhiên liệu RON92 (từ 1/1/2018), các nhiên liệu cótỷ lệ ethanol cao hơn như E10, E20 cũng đang được thí điểm và tiến tới sẽ được sửdụng rộng rãi trong tương lai gần.

Hiện nay, để giảm thiểu các thành phần độc hại do phát thải từ động cơ, giải pháphiệu quả và đang được sử dụng rộng rãi nhất đó là trang bị các thiết bị xử lý khíthải Đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức, bộ xử lý khí thải 3 thành phần, sau đâygọi tắt là bộ xúc tác - BXT, đang được sử dụng rất phổ biến Về lý thuyết hiện nay,BXT chỉ phát huy hiệu quả chuyển đổi đối với các thành phần phát thải độc hại khiđáp ứng đồng thời hai điều kiện sau: Thứ nhất, lõi BXT được sấy nóng hoàn toàntới nhiệt độ khoảng 350 C Thứ hai, hòa khí của động cơ gần với điều kiện lý tưởngλ = 1 nhằm có cả môi trường ô xy hoá và môi trường khử trong hỗn hợp khí thải.

Trong khi đó, khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, do tỷ lệ A/F (không khí/nhiênliệu) của ethanol nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng truyền thống nên khi tỷ lệ ethanoltrong hỗn hợp nhiên liệu càng cao, hòa khí của động cơ có xu hướng càng nhạt.Trên các xe sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử thông thường (được thiếtkế sử dụng với nhiên liệu xăng truyền thống nên trên xe chưa được trang bị cảmbiến đo nồng độ cồn), bộ điều khiển điện tử (ECU) của động cơ có xu hướng điềuchỉnh lượng nhiên liệu phun để đảm bảo hệ số dư lượng không khí λ luôn xấp xỉbằng 1 Tuy nhiên, dữ liệu trong ECU được tính toán trên cơ sở nhiên liệu xăngtruyền thống nên khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, ECU không thể điều khiểnchính xác λ=1 như mong muốn Ngoài ra nhiệt độ khí thải cao hơn, phát sinh cácthành phần mới trong khí thải động cơ cũng là những yếu tố có thể ảnh hưởng tớihiệu quả chuyển đổi của BXT.

Bên cạnh đó, sau hơn 30 năm hình thành và phát triển, cùng với những chính sáchkhuyến khích của Chính phủ, sự nỗ lực của các doanh nghiệp, hiện ngành công nghiệp

ô tô Việt Nam đã đạt được những thành tựu nhất định, đã xuất hiện nhiều nhãn hiệuxe “Made in Việt Nam” Tuy nhiên các sản phẩm đã được nội địa hóa mang hàmlượng công nghệ rất thấp, chưa làm chủ được các các công nghệ cốt lõi như công nghệchế tạo động cơ, hệ thống điều khiển, hệ thống xử lý khí thải…

Vì vậy nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tácba thành phần cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn” nhằm từng bước

làm chủ công nghệ về vật liệu xúc tác Từ đó thiết kế chế tạo BXT mới không chỉthích ứng với nhiên liệu xăng pha cồn mà còn giúp nâng cao hiệu quả và giảm giáthành chế tạo BXT.

ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án

• Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

1

- Đánh giá được ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu quả của BXT.- Nâng cao hiệu quả của bộ xúc thông qua cải tiến các thông số kết cấu, bổ sung thêm các thành phần mới vào lớp vật liệu trung gian, sử dụng vật liệu xúc tác mới.- Tính toán, thiết kế, chế tạo BXT mới có hiệu suất cao, giá thành giảm, phù hợp khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn.

• Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan phát thải độc hại và các giải pháp giảm phát thải độc hại trong động cơ đốt xăng.

- Nghiên cứu tổng quan các giải pháp nâng cao hiệu quả BXT.- Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng BXT trên AVL-Boost.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu quả của BXT.- Nghiên cứu nâng cao hiệu quả BXT thông qua cải tiến các thông số kỹ thuật, sửdụng vật liệu xúc tác mới.

- Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm đánh giá hiệu quả của BXT cải tiến khi sử dụng xăng pha cồn.

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Xe thử nghiệm: Quá trình nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên xe máy Liberty 150 của hãng Piaggio Việt Nam.

- Các BXT sử dụng trong quá trình nghiên cứu:

+ Bộ xúc tác của hãng Emitec được lựa chọn là bộ xúc tác cơ sở (BXTEMT), sửdụng làm cơ sở để xây dựng mô hình cũng như nghiên cứu mô phỏng đánh giá ảnhhưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu quả của BXT.

+ Bộ xúc tác điều chỉnh (BXTđc), được thiết lập dựa trên cơ sở BXTEMT, sử dụngtrong nghiên cứu mô phỏng nâng cao hiệu quả BXT thông qua giải pháp điều chỉnhcác thông số kỹ thuật.

+ Bộ xúc tác mới (BXTm), được thiết lập trên cơ sở kế thừa BXTđc, sử dụng trong quá trình nghiên cứu mô phỏng sử dụng vật liệu xúc tác mới.

+ Bộ xúc tác cải tiến (BXTct) được phát triển trên cơ sở BXTm, sử dụng kết hợpgiữa xúc tác kim loại quý và vật liệu xúc tác mới, quá trình mô phỏng giúp xác địnhcác thông kỹ thuật của BXT Quá trình thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả môphỏng cũng như đánh giá hiệu quả chuyển đổi của BXT theo các chế độ làm việc vànhiên liệu sử dụng.

- Bên cạnh đó, hiện nay xăng pha cồn với tỷ lệ ethanol thấp (≤20%) đã được sửdụng rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới Trong tương lai gần, đây cũng là cácnhiên liệu sẽ được sử dụng rộng rãi ở nước ta Ngoài ra, khi sử dụng nhiên liệu có tỷ lệethanol thấp thì ethanol đóng vai trò như phụ gia pha trộn với xăng và thông thườngkết cấu động cơ không cần thay đổi Vì vậy để hướng tới các phương tiện đang đượcsử dụng hiện nay, nhiên liệu sử dụng trong quá trình nghiên cứu được lựa chọn là cácmẫu nhiên liệu có tỷ lệ ethanol ≤20% Cụ thể bao gồm các nhiên liệu RON95, E10 vàE20.

2

Các yếu tố khác có thể ảnh hưởng tới quá trình làm việc của BXT như sự gia tănglượng hơi nước, xuất hiện các thành phần mới trong khí thải (cồn chưa cháy,alđêhít…) sẽ nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của luận án.

iv.Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng kết hợp giữa nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm, trong đó:- Nghiên cứu mô phỏng sẽ làm cơ sở đánh giá, cải tiến BXT khi sử dụng xăng pha cồn.

- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả mô phỏng cũng nhưđánh giá hiệu quả chuyển đổi của BXTct tại các chế độ làm việc của động cơ khi sửdụng nhiên liệu xăng pha cồn.

v.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

• Ý nghĩa khoa học:

- Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng BXT khi sử dụng xăng phacồn trên phần mềm AVL-Boost và đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu này tới hiệu quảchuyển đổi của BXT.

- Nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác mới thay thế một phần xúc tác kim loạiquý, qua đó không những giúp nâng cao hiệu quả mà còn 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 sẽ góp phần nâng cao chất lượng khí thải của các phương tiện giao thông vận tải.

- Việc chế tạo thành công BXT cũng góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu, làm chủ và phát triển các công nghệ lõi trong ngành công nghiệp ô tô.

- Các kết quả đạt được trong luận án cũng sẽ cơ sở khoa học giúp các cơ quanquản lý nhà nước nghiên cứu nâng cao tỷ lệ phối trộn ethanol trong nhiên liệu Qua đógiúp gia tăng lượng ethanol tiêu thụ, góp phần sớm hoàn thành mục tiêu của của Đề ánphát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ.

vi Điểm mới của Luận án

- Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hoạt động của BXT.

- Phát triển vật liệu xúc tác mới giúp cải thiện hiệu quả của BXT, phù hợp với nhiên liệu xăng pha cồn.

- Xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo BXT bao gồm nhúng phủ lớpvật liệu trung gian và lớp vật liệu xúc tác trên lõi kim loại theo phương pháp phủ

3

vii Bố cục của Luận án

Luận án được thực hiện với những nội dung chính như sau:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Ngày nay, số lượng các phương tiện giao thông đang tăng rất nhanh kéo theo sựgia tăng ô nhiễm môi trường đặc biệt là ô nhiễm môi trường không khí Để giảmlượng khí thải từ động cơ của các phương tiện giao thông vận tải cần có sự phối hợpđồng bộ giữa cơ quan quản lý, các nhà sản xuất và người sử dụng phương tiện.Trong đó, các nhà sản xuất luôn phải đầu tư nghiên cứu, cải tiến công nghệ nhằmchế tạo các động cơ có mức phát thải độc hại thấp, đáp ứng các tiêu chuẩn cũng nhưlộ trình kiểm soát phát thải do cơ quan quản lý đã đề ra Các nhà quản lý nghiên cứuđưa ra các chính sách, tiêu chuẩn kiểm soát hợp lý Lộ trình áp dụng phù hợp vớiđiều kiện kinh tế và trình độ phát triển công nghệ trong tương lai Trong khi đó, đốivới người sử dụng cần phải tuân thủ quy trình vận hành, bảo trì bảo dưỡng của nhàsản xuất và chấp hành các quy định về kiểm soát phát thải của cơ quan quản lý.

Với mục tiêu nâng cao hiệu quả BXT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, trongnội dung chương tổng quan, nghiên cứu sinh (NCS) sẽ trình bày sơ lược các vấn đềsau:

- Tổng quan về phát thải trong động cơ xăng, ảnh hưởng của các thành phần phát thải tới sức khỏe con người và môi trường.

- Tổng quan các giải pháp giảm phát thải trong động cơ xăng trong đó tập trungvào hai giải pháp chính đó là sử dụng các nhiên liệu thay thế với trọng tâm là nhiênliệu xăng pha cồn và giải pháp xử lý khí thải với cốt lõi là trang bị BXT.

- Tổng hợp các nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải của động cơ, quá trình hoạt động và hiệu suất chuyển đổi của BXT.

- Tổng hợp các các nghiên cứu trong và ngoài nước nhằm nâng cao hiệu quả BXT.

1.1 Tổng quan về phát thải trên động cơ xăng

1.1.1 Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ đốt trong

Hiện nay môi trường sống của nhân loại đang ngày càng bị ô nhiễm nặng nề dochất thải từ các hoạt động của con người tạo ra, một trong những nguồn chất thảiđáng kể đó là phát thải của các phương tiện giao thông cơ giới Trong quá trình hoạtđộng, các phương tiện giao thông thải vào không khí ngoài một lượng lớn CO2 vàhơi nước còn một lượng đáng kể các phát thải độc hại khác như CO, hydrocacbon(HC), NOx, SO2, khói đen, chì và các chất thải dạng hạt khác Các thành phần phátthải này không những gây ra tác hại trực tiếp đến sức khỏe của con người mà cònphá hủy môi trường sống của thế giới sinh vật đang nuôi sống con người.

Theo số liệu thống kê tại Mỹ, các chất ô nhiễm do phát thải từ các phương tiệngiao thông hiện chiếm tới 40 đến 50% tổng hàm lượng phát thải HC, 50% tổng hàmlượng NOx và 80 đến 90% tổng hàm lượng CO ở các khu vực thành phố [1] Ở cáckhu vực phát triển khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng đang xảy ra các vấn đềtương tự.

Tại châu Á, ô nhiễm không khí từ các phương tiện giao thông vận tải cũng đangtạo ra những thách thức với nhiều quốc gia trong khu vực Tại Trung Quốc, ô nhiễmkhông khí, đặc biệt là ô nhiễm hạt bụi mịn PM2.5 (loại hạt có trong không khí ảnh

5

hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ con người), đã trở thành một vấn đề nghiêm trọngở các vùng trọng điểm kinh tế như Bắc Kinh, Thiên Tân, đồng bằng sông Dương Tửvà lưu vực sông Châu Giang Chỉ số chất lượng không khí ở thành phố Bắc Kinh vàobuổi sáng thường xuyên vượt ngưỡng tối đa 500, lên tới mức nghiêm trọng Hàmlượng bụi mịn PM10 trong không khí thường xuyên vượt mức 2.000 microgram/1m3,hàm lượng bụi mịn PM2.5 vượt 300 microgram/1m3, trong khi tiêu chuẩn cho phép là35 microgam/1m3 [2].

Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, tốc độ tăng trưởng cácphương tiện giao thông trong những năm vừa qua cũng khá cao, thường xuyên đạtmức tăng trưởng hai chữ số Cụ thể, tốc độ tăng bình quân số lượng xe máy tronggiai đoạn 1990 - 2020 là 11,94% Tính đến cuối năm 2011, Việt Nam mới cókhoảng 33,4 triệu xe máy đang lưu thông, tuy nhiên theo thống kê của Bộ Giaothông Vận tải đến cuối năm 2019, con số này đã gần chạm ngưỡng 60 triệu xe Hiệnnay, Việt Nam đang xếp thứ 4 trong danh sách các quốc gia tiêu thụ xe máy nhiềunhất trên thế giới, đứng sau Ấn Độ, Trung Quốc và Indonesia Bên cạnh đó theothống kê của Cục Đăng kiểm, Việt Nam hiện có khoảng 4.409.053 xe ô tô các loạiđang lưu hành (tính đến tháng 5/2021) [3] Phần lớn số ô tô, xe máy tập trung ở cácđô thị lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh… gây ra ô nhiễm môi trườngkhông khí ngày càng nặng nề Nồng độ các chất độc hại tại một số nút giao thônggần khu dân cư vào giờ cao điểm đã đạt tới mức giới hạn cho phép [4].

1.1.2 Phát thải độc hại trong động cơ xăng và ảnh hưởng của chúngtới sức khỏe con người và môi trường

1.1.2.1 Đặc điểm phát thải trong động cơ xăng

Năng lượng từ động cơ truyền cho máy công tác xuất phát từ quá trình cháy hỗnhợp giữa nhiên liệu và không khí trong xylanh Quá trình ô xy hóa nhiên liệu trongcác phản ứng cháy diễn ra rất phức tạp với nhiều yếu tố ảnh hưởng tới sản phẩmcháy, nhưng cơ bản là phản ứng giữa các hydrocacbon trong nhiên liệu với ô xy tạora sản phẩm cháy là CO2 và H2O.

Hình 1.1 Phát thải của động cơ xăng theo λ [5]

Tuy nhiên quá trình cháy không đồng nhất kết hợp với các yếu tố như nhiệt độ, thể

6

tích, áp suất trong quá trình cháy thay đổi liên tục trong khoảng thời gian rất ngắnnên trong thực tế sản phẩm cháy còn có rất nhiều thành phần phát thải độc hại vớisức khỏe con người và môi trường như CO, HC, NOx, SO2, PM [5] Thành phầnphát thải độc hại của động cơ xăng phụ thuộc chủ yếu vào hệ số dư lượng không khíλ như thể hiện trên Hình 1.1 [5] Ngoài ra, các thành phần này còn phụ thuộc vàonhiều yếu tố khác như thời điểm đánh lửa, tốc độ, tải trọng, quá trình hình thành hỗnhợp, tỷ lệ không khí/ nhiên liệu cụ thể như sau:

- CO (carbon monoxide): Là sản phẩm của quá trình cháy hydrocacbon trong nhiên liệu theo phương trình sau:

Có thể nhận thấy đây là phản ứng ô xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu hay làphản ứng cháy trong điều kiện thiếu ô xy Do đó λ càng nhỏ (hỗn hợp đậm) thì nồngđộ CO càng cao và ngược lại.

Ngoài ra phát thải CO còn phụ thuộc vào tỷ số H/C của nhiên liệu [6] Đối vớimột tỷ lệ A/F (không khí/nhiên liệu) không đổi, nồng độ CO sẽ càng giảm khi tỷ lệH/C của nhiên liệu tăng.

- HC (hydrocacbon): Trong thực tế luôn có một lượng HC chưa cháy hoặc cháymột phần trong khí thải của động cơ, ngoài ra luôn có một lượng nhỏ hơi nhiên liệu bịthất thoát do hiện tượng bay hơi từ hệ thống nhiên liệu Mặc dù chỉ chiếm một

lượng nhỏ trong phát thải của động cơ nhưng phát thải HC cũng có những ảnh hưởng

không tốt tới sức khỏe con người và môi trường.

Cũng như CO, phát thải HC phụ thuộc chủ yếu vào mức độ đậm nhạt của hỗn hợp,trên Hình 1.1 cho thấy HC đạt giá trị nhỏ nhất ở vùng hòa khí có λ từ 1,1 đến 1,25.Những vùng ngoài giá trị này hỗn hợp quá đậm hoặc quá nhạt nên vượt quá giới hạncháy, làm tăng lượng nhiên liệu không cháy trong xy lanh Ngoài ra trong xy lanh luôntồn tại những vùng không gian gây cản trở tới quá trình cháy của nhiên liệu như:

+ Lớp sát vách buồng cháy: Tại những vùng không gian này có nhiệt độ thấp nênkhi màng lửa lan tràn tới đây sẽ bị dập tắt theo hiệu ứng sát vách, đặc biệt tại chế độtải nhỏ.

+ Những kẽ hở là những vùng hẹp mà màng lửa không thể lan truyền tới như kẽ hởgiữa xec-măng và thành xy lanh và kẽ hở đỉnh piston Trong suốt quá trình nén, hỗn hợpkhông cháy bị đẩy vào những kẽ hở, làm cho nhiệt trao đổi tới thành xy lanh giảm xuống.Trong suốt quá trình cháy, áp suất tiếp tục tăng lên và đẩy hỗn hợp khí không cháy khácvào các khe hở Màng lửa tới vùng không gian này bị dập tắt nên khí chưa cháy lại bị đẩyra khỏi các kẽ hở khi áp suất trong xy lanh bắt đầu giảm.

+ Trong quá trình nén thường hình thành màng dầu trên mặt gương xy lanh ngoài ramột phần nhiên liệu bị hấp thụ vào màng dầu này Trong quá trình giãn nở, áp suất giảmphần nhiên liệu hấp thụ cũng như một phần màng dầu sẽ bay hơi và làm tăng

+ Ngoài ra một phần HC còn đến từ quá trình cháy không hoàn toàn có thể diễnra trong một số chu trình của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự không đồng nhấtcủa hòa khí, thay đổi góc đánh lửa sớm Hiện tượng này thường diễn ra trong quá trìnhtăng hoặc giảm tốc đột ngột.

- NOx: NOx hình thành từ phản ứng ô xy hóa nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao của

7

quá trình cháy Thành phần NOx phụ thuộc nhiều vào hệ số dư lượng không khí λ vànhiệt độ của quá trình cháy, từ Hình 1.1 có thể nhận thấy NOx đạt cực đại trongkhoảng λ từ 1,05 đến 1,1 Tại vùng hòa khí này nhiệt độ quá trình cháy cũng nhưnồng độ ô xy đủ lớn để phản ứng ô xy hóa nitơ diễn ra Trong thành phần NOx, NOchiếm tới 90-98% tùy thuộc λ còn lại là NO2.

Ngoài ba thành phần độc hại nêu trên trong động cơ xăng còn có một số thành phầnphát thải khác như andehyt, các hợp chất chứa lưu huỳnh, phát thải dạng hạt PM

ở động cơ phun xăng trực tiếp, tuy nhiên hàm lượng các phát thải này là không đángkể.

1.1.2.2 Ảnh hưởng của các thành phần độc hại trong động cơ tới sức khỏecon người và môi trường

CO là chất khí không màu, không mùi nên rất khó nhận biết Khi hít phải CO vớinồng độ cao sẽ gây cản trở tới quá trình hô hấp, CO kết hợp với hemoglobin củahồng cầu sẽ làm giảm quá trình lưu chuyển ô xy trong máu dẫn tới ngạt khí, hít phảikhối lượng lớn có thể dẫn tới tử vong [5].

Nhiều nghiên cứu y khoa cho thấy thành phần hydrocacbon có nhân benzen làmột trong những tác nhân gây ung thư đặc biệt là ung thư máu [7] Ngoài ra một sốthành phần trong HC kết hợp với NOx gây ra hiện tượng sương mù quang hóa, ảnhhưởng trực tiếp tới niêm mạc mắt, các bệnh về đường hô hấp, phổi [8].

NOx đặc biệt gây nguy hiểm tới phổi và niêm mạc mắt Ngoài ra khi tác dụng vớihơi nước sẽ tạo thành axít gây ăn mòn các chi tiết, gây ra mưa axít ảnh hưởng tớicây trồng, mùa màng [9].

Đối với môi trường thiên nhiên, phát thải độc hại từ các phương tiện giao thôngđang làm giảm sản lượng cây lương thực, ô nhiễm môi trường khí quyển và môitrường nước Cụ thể, gây sói mòn và làm bạc màu đất canh tác, phá hủy rừng và đẩynhanh tốc độ ăn mòn các công trình kiến trúc

Theo WHO [5], khoảng 4-8% các trường hợp tử vong hàng năm trên thế giới cóliên quan đến vấn đề ô nhiễm không khí Các bệnh liên quan tới ô nhiễm không khínhư các bệnh về hô hấp, ung thư cũng làm tăng áp lực tới chi phí y tế, cản trở tới sựphát triển của các quốc gia Theo [10], thiệt hại do ô nhiễm không khí tại TrungQuốc vào năm 1997 vào khoảng 300 tỷ nhân dân tệ, tương ứng 4% GDP, tại Ấn Độmức độ ảnh hưởng còn lớn hơn nhiều, chiếm tới 9% GDP.

Các thành phần phát thải khác, đặc biệt là CO2, còn làm tăng hiệu ứng nhà kính,gây biến đổi khí hậu và làm trái đất nóng lên.

1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại từ khí thải động cơ xăng

Các biện pháp nhằm giảm phát thải độc hại trong động cơ xăng nói riêng cũngnhư động cơ đốt trong nói chung rất đa dạng nhưng có thể chia thành ba nhómchính như sau [5]:

- Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp kiểm soát phát thải từ bên trong động cơthông qua các cải tiến liên quan tới kết cấu động cơ như tối ưu kết cấu buồng cháy, cácphương pháp hình thành hỗn hợp, điều chỉnh và vận hành động cơ

- Nhóm thứ hai bao gồm các giải pháp liên quan tới nhiên liệu như nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay thế có mức phát thải độc hại thấp hơn.

8

- Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để đảm bảo nồng độ khí thảitrước khi thải vào môi trường nhỏ hơn giá trị giới hạn cho phép.

1.2.1 Kiểm soát phát thải từ bên trong động cơ

Có nhiều giải pháp giảm phát thải thông qua các cải tiến liên quan tới động cơ,trong đó một số giải pháp chính, đang được sử dụng rộng rãi hiện nay sẽ được trìnhbày dưới đây.

1.2.1.1 Điều chỉnh chính xác tỷ lệ không khí nhiên liệu

Chất lượng hỗn hợp được đánh giá bằng tỷ lệ nhiên liệu - không khí và tính đồngnhất của hỗn hợp trong xy lanh Trong đó, tỷ lệ nhiên liệu - không khí có ảnh hưởnglớn đến chất lượng khí thải trong động cơ Động cơ làm việc với hỗn hợp đậm (hệsố dư lượng không khí λ < 1) sẽ gây ra phát thải CO và HC cao hơn.

Việc điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu - không khí trên động cơ phun xăng điện tử(PXĐT) được thực hiện chính xác hơn nhiều so với động cơ sử dụng bộ chế hòa khí(CHK) Do đó, lượng phát thải nói chung cũng như phát thải độc hại nói riêng trênxe PXĐT thường thấp hơn so với động cơ sử dụng CHK.

Trong các động cơ xăng hiện đại ngày nay, tỷ lệ nhiên liệu không khí được kiểmsoát xung quanh tỷ lệ cân bằng lý thuyết khi động cơ hoạt động ổn định để tạo ralượng khí thải độc hại thấp và hiệu suất động cơ cao bằng cách sử dụng hệ thốngquản lý động cơ (ECU), điều khiển hệ số dư lượng không khí λ theo vòng kín Tuynhiên, việc kiểm soát tỷ lệ nhiên liệu - không khí chính xác gặp nhiều khó khăn dosự không đồng đều tỷ lệ nhiên liệu - không khí giữa các xy lanh hoặc trong chế độlàm việc chuyển tiếp (quá độ) của động cơ.

Động cơ làm việc với hỗn hợp "nhạt" (λ > 1) có thể đáp ứng đồng thời cả yêu cầu vềphát thải và tiêu thụ nhiên liệu thấp Trên những động cơ này thường sử dụng hệ thốngnạp dạng xoáy với hình dạng đặc biệt của buồng cháy nhằm tạo ra sự xoáy lốc trong xylanh giúp cải thiện tốc độ đốt cháy và giới hạn đốt cháy hỗn hợp Các nghiên cứu vềquá trình đốt cháy hỗn hợp phân lớp cũng chỉ ra sự cải thiện phát thải và tiêu thụ nhiênliệu của động cơ và tăng được giới hạn đốt cháy hỗn hợp [11] Tuy nhiên, động cơ đốtcháy hỗn hợp nhạt cho công suất thấp và không thuận lợi cho BXT hoạt động hiệu quảđể chuyển đổi đối với cả ba thành phần phát thải CO, HC và NOx.

Sự không đồng nhất của hỗn hợp cũng gây ra phát thải CO và HC cao vì khókiểm soát tối ưu tất cả các xy lanh Giải pháp thường được sử dụng đó là giảmlượng nhiên liệu đưa vào xy lanh ở dạng lỏng bằng cách thực hiện quá trình phun vàbay hơi nhiên liệu tại cửa nạp để đạt được hỗn hợp đồng nhất, qua đó sẽ giúp giảmđáng kể lượng phát thải thải CO và HC [12- 14].

1.2.1.2 Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp

Việc tạo ra hỗn hợp đồng nhất trong động cơ xăng là rất cần thiết Tuy nhiên thờiđiểm đánh lửa, năng lượng tia lửa, vị trí đánh lửa cũng đóng một vai trò rất quantrọng Các động cơ hiện nay thường trang bị kết hợp hệ thống phun xăng điện tử vớihệ thống điểu khiển đánh lửa điện tử nhằm điều chỉnh chính xác không chỉ lượngnhiên liệu mà còn thời điểm đánh lửa và năng lượng tia lửa phù hợp với các chế độlàm việc của động cơ Các yếu tố này sẽ giúp cải thiện chất lượng quá trình cháyqua đó giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và giảm các thành phần độc hại trong khí thảiđộng cơ [5].

9

1.2.1.3 Tối ưu kết cấu buồng cháy

Thiết kế buồng cháy ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất và hàm lượng phát thải độchại của động cơ [5] Trong động cơ xăng, buồng cháy với tỷ lệ diện tích bề mặt trênthể tích nhỏ (buồng cháy gọn) sẽ làm giảm hiện tượng dập tắt màng lửa tại vách dođó giảm phát thải HC [15] Thiết kế buồng cháy tối ưu có thể cải thiện tốc độ lantruyền màng lửa đến bất kỳ vị trí nào của buồng cháy qua đó giảm được tỷ lệ hỗnhợp cháy không hoàn toàn.

Trong động cơ hình thành hỗn hợp phân lớp, thiết kế buồng cháy tối ưu giúp tạohỗn hợp phân lớp Bugi được bố trí tại vị trí có thành phần λ thích hợp để đốt cháyhỗn hợp bằng tia lửa điện, phần hỗn hợp này sau khi bốc cháy sẽ làm mồi để đốtphần hỗn hợp còn lại có thành phần λ lớn hơn (hỗn hợp nhạt) Như vậy hỗn hợptoàn bộ của động cơ là hỗn hợp nhạt sẽ được cháy kiệt [5].

1.2.2 Sử dụng nhiên liệu thay thế

1.2.2.1 Nhiên liệu xăng pha cồn

Xăng pha cồn hay còn gọi là xăng sinh học được sản xuất bằng cách phối trộn từhai thành phần chính là xăng khoáng có nguồn gốc từ dầu mỏ và cồn (ethanol) cónguồn gốc sinh học (từ các sản phẩm, phế phẩm nông nghiệp như mía, đường, ngô,khoai, sắn…) [16].

Xăng pha cồn cũng như các nhiên liệu cồn sinh học khác được đánh giá là sạchhơn nhiều so với nhiên liệu xăng truyền thống [16] Bên cạnh đó do có nguồn gốc từthực vật nên đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo theo chu trình các bon kín Việcsử dụng nhiên liệu xăng sinh học cũng sẽ góp phần làm giảm hiệu ứng nhà kính,làm chậm hiện tượng trái đất nóng lên.

Ethanol có trị số tan cao hơn nên khi phối trộn với xăng sẽ làm tăng chỉ số tan của hỗn hợp nhiên liệu Do vậy nó cũng sẽ giúp giảm bớt lượng phụ gia pha vàoxăng nhằm mục đích tăng chỉ số ốc-tan Ethanol ít độc hại, thời gian tồn tại ngắn vàcó khả năng tự phân hủy ngoài môi trường tự nhiên.

ốc-Trong phân tử ethanol (C2H5OH) có sẵn oxy tức là phân tử ethanol tự có mộtphần oxy để đốt cháy hydro và cacbon Điều này tránh được quá trình cháy thiếuoxy cục bộ trong hỗn hợp Do đó giúp quá trình đốt cháy nhiên liệu được triệt đểhơn, giảm phát thải CO và HC [17].

Nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp Do đónạp được nhiều hỗn hợp vào trong xy lanh động cơ hơn, kết hợp với nhiệt trị thểtích hỗn hợp của ethanol - không khí gần bằng của xăng - không khí (khi có cùng hệsố dư lượng không khí λ) cho nên công suất của động cơ khi sử dụng xăng pha cồncó thể bằng thậm chí lớn hơn khi dùng nhiên liệu xăng thông thường [16].

1.2.2.2 Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

Là sản phẩm của quá trình hoá lỏng khí đồng hành thu được trong quá trìnhchưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là C3H8 và C4H10 LPG có thể sửdụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đốt cháy cưỡng bức hoặc cũng có thểsử dụng trên động cơ đốt cháy do nén [18].

LPG được đánh giá là nguồn nhiên liệu cháy sạch, giảm đáng kể các thành phầnđộc hại trong khí thải động cơ Tuy nhiên, việc sử dụng LPG làm nhiên liệu cho xemáy và ô tô con còn gặp nhiều hạn chế bởi không gian lưu trữ, vận chuyển và cấp

10

phát [19].

1.2.2.3 Nhiên liệu hydro

Hiện nay nhiều hãng ôtô nổi tiếng như Honda, Ford, Mercedes đã trưng bày giớithiệu nhiều dòng ôtô không phát thải (Zero Emission Vehicle - ZEV) sử dụng nhiênliệu hydro trong các cuộc triển lãm ôtô quốc tế [20].

Khác với nguồn năng lượng hạt nhân, hydro là nguồn nhiên liệu an toàn đối vớicon người, có ý nghĩa lớn trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm bầu khí quyển và sựbiến đổi khí hậu toàn cầu Ngày nay, phương thức sản xuất hydro từ năng lượng mặttrời đã mở ra tiềm năng rất lớn trong việc áp dụng nguồn nhiên liệu sạch này khôngchỉ trên các phương tiện giao thông vận tải mà còn trong nhiều lĩnh vực khác củacuộc sống [21].

1.2.3 Xử lý khí thải sau cửa thải bằng bộ xúc tác khí thải ba thành phần

1.2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 1.2 Cấu tạo của BXT [22]

1 Vỏ; 2 lõi; 3 Lớp đệm; 4 Lớp vật liệu trung gian; 5 Lớp xúc tác

Sử dụng bộ xúc tác khí thải ba thành phần (BXT) là giải pháp được sử dụng phổbiến nhất trong các biện pháp xử lý khí thải sau cửa thải BXT có khả năng chuyển đổiđồng thời CO, HC và NOx thành các chất không hoặc ít độc hại hơn (CO2, H2O, N2)với hiệu suất lên tới 90% trong điều kiện làm việc phù hợp BXT thường được bố trínằm ở giữa cửa thải và bộ giảm âm, tuy nhiên gần về phía cửa thải hơn nhằm tận dụngnhiệt khí thải giúp thúc đẩy các các phản ứng chuyển hóa (nhiệt độ lý tưởng để BXTlàm việc trong khoảng 250- 350oC) Kết cấu điển hình của BXT được thể hiện trênHình 1.2 với vỏ chế tạo từ thép không gỉ, hình trụ tròn hoặc ô van, ở hai đầu có lắp mặtbích để nối với các đường ống trung gian trong hệ thống thải Cấu tạo bên trong BXTbao gồm phần lõi, lớp vật liệu trung gian và lớp chất xúc tác [22].

Bộ phận quan trọng nhất của BXT là phần lõi xúc tác Hiện nay có ba dạng lõikhác nhau đó là lõi dạng viên gốm, lõi gốm nguyên khối và lõi bằng kim loại.

- Lõi dạng viên gốm gồm các lớp viên gốm hình cầu chế tạo từ gốm chịu nhiệt độcao (cordierite 2MgO.2Al2.5SiO2), có hệ số hấp thụ nhiệt thấp (giúp rút ngắn thời giansấy nóng) và nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 1400oC) [23] Thông thường, các viêngốm có đường kính khoảng 2 - 3mm, bề mặt được phủ một lớp ô xít nhôm nhằm tăngdiện tích bề mặt, chống ăn mòn cũng khả năng bám dính với lớp kim loại xúc tác Cácvật liệu quý platinum (Pt), paladium (Pd) và rhodium (Rh) được thấm trực tiếp trên bềmặt của các viên gốm.

- Dạng lõi gốm nguyên khối thường có cấu trúc tổ ong, gồm rất nhiều rãnh nhỏ li11

ti kích cỡ mm2 được xếp song song với dòng khí thải Lõi gốm cũng được làm từvật liệu chịu nhiệt cordierite, các rãnh nhỏ song song có tiết diện ngang hình tamgiác hoặc hình vuông Trên bề mặt các rãnh này cũng được phủ một lớp ô xít nhôm(A12O3) xốp, dày khoảng 0,02 mm Sau đó lõi gốm được thấm hoặc phủ các kimloại quý Pt, Pd và Rh.

- Lõi kim loại có cấu tạo gồm các lá thép phẳng và các lá thép được dập lượnsóng có độ dày từ 0,04 - 0,05mm xếp thành lớp [22] Sau đó, chúng được cuộn trònthành hình dạng chữ S hoặc hình tròn Phổ biến nhất hiện nay là loại lõi kim loại chiathành 2 phần riêng biệt, giữa hai phần có một khoảng trống nhỏ ở tâm lõi Sau quátrình xử lý bề mặt, lõi thép được phủ một lớp A12O3 có độ xốp cao sau đó được thấmhoặc phủ lớp kim loại xúc tác Pt, Pd và Rh So với hai loại lõi trên thì loại lõi kim loạicó nhiều ưu điểm vượt trội hơn như diện tích sử dụng có ích của các rãnh dẫn khí thảilớn hơn khoảng 10÷15%, độ bền cơ - nhiệt cao hơn, trở lực (mức độ cản trở chuyểnđộng của dòng khí) đối với khí thải thấp hơn Tuy nhiên công nghệ chế tạo lõi kim loạiphức tạp hơn, khối lượng lớn hơn cũng như giá thành cao hơn.

Dưới tác dụng tương hỗ của các kim loại quý, trong lõi xúc diễn ra các phản ứngô xy hóa - khử các thành phần độc hại, các phản ứng chính bao gồm [22]:

- Phản ứng ô xy hóa với ô xy:

Do đòi hỏi ngặt nghèo và chính xác về hệ số dư lượng không khí λ nên các BXThiện nay thường chỉ được trang bị trên động cơ có trang bị hệ thống nhiên liệu điềukhiển điện tử Ngoài ra, BXT làm việc không hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn 250oC,do vậy trong giai đoạn khởi động và chạy ấm máy nồng độ các khí thải độc hại đaphần không được chuyển hóa mà được thải trực tiếp ra ngoài gây ô nhiễm môitrường Có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách đưa BXT tới gần cửa thải, sấynóng đường thải bằng nhiệt điện trở hoặc dòng điện cao tần [24] Tuy nhiên, đối vớiBXT sử dụng lõi gốm nguyên khối hiệu ứng sốc nhiệt sẽ ảnh hưởng tới vật liệuceramic làm giảm tuổi thọ của BXT, hiệu ứng này cũng làm hạn chế việc làm mỏngbề mặt lõi xúc tác, do đó vừa không tăng được diện tích tiếp xúc với khí thải, vừagây cản trở đường thải.

12

1.2.3.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm việc của BXT

Ngoài các thành phần vật liệu quan trọng không thể thiếu trong BXT như đượcgiới thiệu ở các nội dung trên Hiện nay người ta cho thêm vào BXT những chất phụgia với chức năng làm ổn định cấu trúc tinh thể và mở rộng phạm vi hoạt động cũngnhư nâng cao hiệu quả xúc tác Tuy nhiên ngoài những chất có vai trò tích cực nhưvậy thì trong quá trình làm việc xuất hiện những hợp chất không mong muốn cótrong nhiên liệu, khí nạp và điều kiện môi trường làm ảnh hưởng tiêu cực tới khảnăng làm việc của BXT Dưới đây là tổng hợp các kết quả nghiên cứu trong vàngoài nước về các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của BXT.

a) Tác dụng của nhiệt độ tới khả năng làm việc của BXT

Nhiệt độ khí thải động cơ trước BXT thông thường nằm trong khoảng 150 –600oC, tuy nhiên các BXT hiện nay có thể được thiết kế để hoạt động thườngxuyên, kéo dài và lặp lại với nhiệt độ lên tới 800oC, đặc biệt là trong điều kiện cócác phản ứng ô xy hoá làm tăng nhiệt độ bề mặt BXT.

NOx Có BX NOx Ko BX CO Có BX CO Ko BX HC Có BX HC Ko BX

Hình 1.3 So sánh hoạt tính xúc tác của chất xúc tác Pt-Rh/CeO2 với có (nét liền) và khôngcó (nét đứt) bổ sung Ba và Zr, khi thử nghiệm ở 950°C trong 40 giờ [25]

Nhiệt độ cao có thể ảnh hưởng đến tất cả các thành phần vật liệu trong lõi xúctác Các hạt kim loại quý và lớp vật liệu trung gian có thể nóng chảy, bay hơi, màimòn, thiêu kết… Kết quả sẽ làm giảm hiệu quả hoặc thậm chí giảm đi một phần cácchất xúc tác.

Sự thiêu kết đặc biệt ảnh hưởng đến hoạt tính của các chất xúc tác khi làm việctại nhiệt độ thấp Để hạn chế hiện tượng này các BXT hiện nay thường được bổsung CeO2 vào hỗn hợp chất trung gian nhằm ổn định hóa cấu trúc, sự có mặt củaCeO2 sẽ hỗ trợ sự ổn định γ-Al2O3 chống lại quá trình thiêu kết Tuy nhiên, CeO2 cónhược điểm là tự liên kết để phát triển cấu trúc tinh thể ở nhiệt độ cao Hiện tượngnày có thể bị ức chế khi bổ sung bari (Ba) hoặc zirconium (Zr), như thể hiện trongHình 1.3 [25].

Ở nhiệt độ rất cao (trên 800oC), chất xúc tác và vật liệu trung gian ngoài hiện tượngthiêu kết còn có thể bị nóng chảy, bay hơi, ảnh hưởng đến tổng diện tích bề mặt ti ếp xúc,mất mát cơ học lượng vật liệu xúc tác Nhiệt độ cao cũng làm lớp phủ giãn nở, nứt và làmcho nó tách ra khỏi chất nền (Hình 1.4a) Để hạn chế ảnh hưởng này các chất ổn định nhưbari (Ba) và lantan (La) sẽ được bổ sung vào lớp vật liệu trung gian (Hình 1.4b) [25] Vớilõi gốm nguyên khối, nhiệt độ cao có thể làm hợp chất ceramic nứt vỡ thậm chí nóngchảy, tạo thành các kênh mới cho phép khí thải đi qua mà không tiếp xúc với chất xúc tácvà dẫn đến làm giảm hiệu quả chuyển đổi của BXT.

13

Hình 1.4 Ảnh cấu trúc lớp phủ sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao [25]

a)Ảnh SEM lớp vật liệu trung gian sau khi hoạt động liên tục ở nhiệt độ 950oC trong 40h

b)Ảnh SEM lớp vật liệu trung gian đã bổ sung Ba, La sau khi hoạt động liên tục ở nhiệt độ 950oC

b) Hiện tượng ức chế hóa học đối với chất xúc tác

Ức chế hóa học được định nghĩa là sự suy giảm hiệu quả hoạt động do sự hấp thụhóa học của các tạp chất đối với các chất hoạt tính trong dòng khí nạp vào Sự ức chếcó thể làm sai lệch bản chất hóa học của các chất hoạt tính hoặc kết quả là tạo ra cácchất mới vì thế hiệu quả hoạt động xúc tác bị thay đổi không xác định trước được.

Thông thường, sự khác biệt được tạo thành giữa sự ức chế và các chất ức chế Sựức chế là ảnh hưởng của những chất có trao đổi qua lại với các thành phần hoạt tínhrất mạnh và không thuận nghịch, trong khi chất ức chế thường yếu và hấp phụ thuậnnghịch trên bề mặt xúc tác.

Sự ức chế còn được phân loại thành tích cực có chọn lọc (selective) hoặc khôngchọn lọc (non- selective) Trong trường hợp không chọn lọc, tại bề mặt xúc tác là cácđồng dạng với ức chế, và xảy ra thấm hút bề mặt (hấp thụ hóa học) Kết quả là hoạtđộng xúc tác trên bề mặt là hàm tuyến tính của lượng ức chế hấp thụ hóa học Ngược

lại, trong trường hợp ức chế có chọn lọc thì có sự phân bố của các đặc tính của các chấthoạt tính, ví dụ độ a xít theo vị trí hoạt tính mạnh nhất sẽ ức chế đầu tiên Điều

14

này dẫn đến nhiều quan hệ giữa các chất xúc tác hoạt động và lượng chất ức chế hấpthụ.

Chất ức chế được phân loại là thuận nghịch (reversible) hoặc không thuận nghịch(irreversible) Trường hợp thứ nhất, thuận nghịch, chất ức chế không bị hấp thụ mộtcách mạnh mẽ và theo sự tái sinh của xúc tác xảy ra bằng cách loại bỏ chất ức chế rakhỏi chất nạp vào Với trường hợp không thuận nghịch thì chất xúc tác không còn cókhả năng hồi phục sau khi bị ức chế làm nhiễm độc.

Dưới đây là một số ví dụ về các chất ức chế gây ảnh hưởng tới quá trình hoạt độngcủa BXT.

- Ức chế hóa học bởi chì (Pb) các hợp chất chứa chì

H i ệ u

(c)Quãng đường vận hành (dặm)

Hình 1.6 Ảnh hưởng của xăng có chì đối với hiệu suất của BXT thông thường [27]

Chì có trong xăng là một chất ảnh hưởng nghiêm trọng tới hoạt động của các chấtxúc tác [27] Trong những thời gian đầu khi BXT được sử dụng trên ô tô, người tanhận thấy hiệu quả chuyển đổi của BXT bị suy giảm nghiêm trọng sau một thờigian ngắn sử dụng Hình 1.6 cho thấy hiệu suất chuyển đổi của BXT bị suy yếu saukhi xe hoạt động liên tục với nhiên liệu có/không có chì (0,26 g/l) khi vận hànhtrong 10.000 dặm Kết quả cho thấy hiệu quả chuyển đổi CO (Hình 1.6a) giảm,nhưng sau đó hồi phục khi không sử dụng nhiên liệu có chì Ngược lại, hiệu suấtchuyển đổi HC (Hình 1.6b), và đặc biệt là NOx (Hình 1.6c), không thể hồi phục đếncác giá trị tiêu chuẩn ban đầu khi ngừng sử dụng nhiên liệu có chì, do đó không đápứng các quy định về giới hạn phát thải vào thời điểm đó (năm 1986).

Trong số các kim loại quý khác nhau, Pd rất nhạy và dễ bị mất tác dụng đối với chì.Hoạt động của Pd bị suy giảm mạnh khi chỉ cần có một lượng nhỏ chì trong nhiên liệu.Trong khi đó, Rh mất tác dụng một phần còn Pt là chất mất tác dụng ít nhất [26].

Hình 1.7 cho thấy các cấu trúc bề mặt của Pt/γ- Al2O3 sau khi tiếp xúc với chì trong

24 giờ ở 700oC thông qua phép vi phân điện cực điện tử (EPMA - Electron ProbeMicro Analyzer) [27] Kết quả thấy có sự bám dính chì trên bề mặt BXT (các vùngtrắng trên bề mặt càng cao thì nồng độ của chì càng cao) Sự lắng đọng chì, đặc biệt làtrên bề mặt hạt kim loại quý xảy ra bởi các phân tử mang chì có trong khí thải

15

(halogenua hoặc oxyhalide) bị phân hủy trên bề mặt kim loại quý, chỉ để lại chì bámdính trên bề mặt.

Hình 1.7 Hình ảnh cấu trúc bề mặt của Pt/γ- Al2O3 sau khi tiếp xúc với khí thải mô phỏngcó chứa chì (0,33 g/l) [27]

Thực tế Pt có khả năng kháng độc tố chì cao hơn Rh hoặc Pd do tác động giántiếp của lưu huỳnh Một lượng nhỏ lưu huỳnh có trong nhiên liệu sau khi bị ô xyhóa có thể hoạt động với tác dụng như một chất ăn mòn đối với chì SO3 trong khíthải kết hợp với oxit chì tạo thành hợp chất sulfat chì ổn định Trong BXT, Pt làchất xúc tác tốt cho quá trình oxy hóa SO2 có trong khí thải động cơ thành SO3.

Hiện nay nước ta đã cấm không cho phép sử dụng tetra etyl (Pb + (C2H5)4) và tetrametyl (Pb + (CH3)4) pha trong nhiên liện vì các chất này gây ảnh hưởng nghiêm trọngvới sức khỏe con người và gây ô nhiễm môi trường [28] Nhưng như vậy không cónghĩa là trong xăng dầu chì được loại bỏ hoàn toàn, theo tiêu chuẩn Việt Nam vẫn chophép lượng chì trong nhiên liệu ở ngưỡng < 0,013 g/l Vì vậy chì vẫn có một lượng nhỏtrong khí thải và gây ảnh hưởng xấu tới quá trình làm việc của BXT.

- Ức chế hóa học bởi phốt pho

Phốt pho cũng là một chất ảnh hưởng tới các chất xúc tác kim loại quý Hiện naymức phốt pho trong nhiên liệu nhìn chung rất thấp (2×10-5 g/l), tuy nhiên sự tích tụtheo thời sẽ làm giảm hoạt tính của các thành phần kim loại quý Sự phản ứng nàycó ảnh hưởng đặc biệt đối với Pd, trong đó phốt pho tạo thành một hợp chất mới vớiPd và khiến cho nó không còn tác dụng xúc tác.

Hình 1.8 Ảnh (SEM) của một lớp Zn, Ca, và Mg phốt phát trên bề mặt xúc tác [29]

Phốt pho có thể tạo thành lớp phủ chứa phốt phát, đó là hỗn hợp của Zn, Ca vàMg phốt phát trên bề mặt lớp xúc tác Các hợp chất này rất ổn định trên bề mặt xúctác và ngăn cản quá trình xúc tác diễn ra (Hình 1.8) [29].

Ngoài ra, phốt pho còn làm tăng trưởng kích thước hạt, làm ảnh hưởng tới sự dichuyển các tinh thể Pt và hình thành nên những cụm Pt có kích thước lớn Sự tích tụphốt pho càng nhiều sẽ càng làm gia tăng kích thước các tinh thể Pt Do đó làmgiảm hiệu ứng bề mặt, giảm hoạt tính cần thiết cho các phản ứng xúc tác xảy ra(Hình 1.9) [30].

16

Hình 1.9 Ảnh (SEM) lớp xúc tác bị tích tụ phốt pho, hình thành cụm Pt [30]

- Ức chế hóa học bởi lưu huỳnh

Sự có mặt của lưu huỳnh trong hỗn hợp khí thải cũng làm giảm hoạt tính của cácchất xúc tác, đặc biệt đối với phản ứng chuyển đổi và cracking (bẻ gẫy liên kết) quantrọng để ô xy hóa CO và HC Lưu huỳnh cũng làm giảm hiệu quả khử NOx [31].

Pd dễ bị ảnh hưởng bởi lưu huỳnh và không có khả năng hồi phục sau thời gian dàisử dụng [32] Mặc dù Pd rất hiệu quả trong việc hỗ trợ các phản ứng ô xy hóa nhưng lạibị hạn chế bởi rất nhiều yếu tố và những ảnh hưởng này là không thuận nghịch nênngười ta hạn chế sử dụng nó trong BXT Tuy nhiên, để giảm giá thành, các BXT chỉ cóPd đang được phát triển cho thị trường Hoa Kỳ - nơi có sự kiểm soát nghiêm ngặt hơncác hợp chất gây ức chế hóa học của BXT chứa trong nhiên liệu.

Lưu huỳnh có thể được giữ lại bởi Al2O3, và đặc biệt là CeO2, trong lớp vật liệutrung gian [33, 34] Lưu huỳnh được giữ lại dưới dạng hợp chất Ce2(SO4)3 Khi gặpđiều kiện thích hợp, hợp chất này phân hủy, giải phóng ra SO2 và được chuyểnthành H2S thông qua tác động xúc tác bởi kim loại quý Dưới tác dụng của nhiệt độvà hơi nước trong khí thải H2S gây ức chế Pt thông qua phản ứng hình thành sulfuaplatin (PtS):

- Các chất gây mất hiệu quả xúc tác không có khả năng hồi phục

Các kim loại kiềm và kiềm thổ làm trung hòa tính axít của hợp chất nền (Al2O3),tạo thành hợp chất aluminat khá bền.

Các kim loại As, Cu, Pb, Zn, Hg, Si, Fe kết hợp với Pt tạo mối liên kết bền, đầuđộc vĩnh viễn tâm kim loại khiến hiệu quả xúc tác suy giảm và không phục hồi lạiđược Từ đó làm mất chức năng chính của vật liệu xúc tác Các kim loại này còntích tụ trong cả lõi xúc tác, làm giảm nhiệt độ vùng phản ứng, dẫn tới mất hoạt tínhxúc tác tổng thể (hàm lượng cho phép đối với mỗi kim loại là 5 ppm) [27].

c) Sự cốc hóa

Cốc hóa (còn gọi là cacbon hóa - carbonization) là sự chuyển hóa một chất vềdạng cacbon do bị đốt cháy, bị mất nước hoặc do bị thấm, dẫn đến sự che phủ vật lýcác bề mặt hoạt tính Trong BXT hiện tượng này liên quan đến sự phân hủy cáchydrocarbon trong phản ứng phụ xảy ra trên bề mặt xúc tác dẫn đến sự hình thànhcặn cacbon Các cặn cốc này có thể chiếm tới 15% hoặc thậm chí 20% tổng khốilượng của các chất xúc tác Vì vậy, chúng có thể làm giảm hoặc mất tác dụng củacác chất xúc tác do giảm hoạt tính bởi bao phủ bề mặt hoặc bít tắc các lỗ xốp trên bềmặt lõi xúc tác [35].

Cơ chế hình thành cốc diễn ra trên cơ sở ô xy hóa và sulfua hóa rất phức tạp nhưng

17

có thể hình dung đây như là một dạng ngưng tụ, lắng đọng và polymer hóa bề mặt dẫnđến tạo ra các phân tử kích thước lớn có công thức hóa học đặc trưng gần với CHx,trong đó x biến thiên giữa 0,5 và 1 Trong thực tế, sự hình thành cốc có thể được hạnchế bằng cách sử dụng chính các kim loại quý làm chất xúc tác kết hợp với các chất khíhóa (ví dụ H2, H2O và O2 sẽ loại bỏ cốc do CH4, CO và COx tương ứng) [35].

d)Các yếu tố khác - Cấu trúc lõi BXT

Hình 1.10 Ảnh hưởng của mật độ lỗ (số cell) đến hiệu quả làm việc BXT [36]

Lõi của BXT thường được thiết kế hình dạng tổ ong, tam giác (lõi thép dập) hoặc

ô vuông (lõi gốm nguyên khối) Nếu kích thước các lỗ (cell) càng nhỏ, đồng nghĩa vớisố lượng lỗ sẽ nhiều hơn, tăng diện tích tiếp xúc giữa khí thải và bề mặt làm việc, từ đótăng hiệu suất chuyển đổi của BXT (Hình 1.10) [36] Tuy nhiên, khi tăng mật

độ lỗ cũng làm giảm tiết diện thông qua của lõi, tăng cản trở dòng khí thải Ngoàira, mật độ lỗ cao cũng gây ra những khó khăn trong quá trình chế tạo lõi, nhúng phủcác lớp vật liệu xúc tác qua đó làm tăng giá thành chế tạo.

- Vị trí đặt BXT

Hình 1.11 Vị trí đặt BXT trên đường thải [37]

BXT thường được đặt ở phía cuối đường thải của động cơ, đầu ống tiêu âm (Hình1.11) [37] nhằm tận dụng nhiệt năng của khí thải, giúp cho BXT làm việc ở vùngnhiệt độ có hiệu quả chuyển đổi cao (thường từ 250 đến 350oC) [22].

- Hệ thống kiểm soát hệ số dư lượng không khí

Cảm biến ô xy (Hình 1.12) không trực tiếp đo nồng độ ô xy trong khí thải, màđo sự khác biệt giữa lượng ô xy trong khí thải và lượng ô xy trong không khí [5,37] Cảm biến ô xy được chia làm hai phần chính, một phần tiếp xúc với ô xy trongkhông khí và một phần tiếp xúc với ô xy trong khí thải Sự chênh lệch hàm lượng ôxy trong không khí và khí thải chính là tín hiệu điện áp để bộ ECU của động cơphân tích và tính toán hàm lượng ô xy trong khí thải.

18

Hình 1.12 Bố trí cảm biến ô xy trên đường thải [37]

Hình 1.13 Hiệu quả của BXT theo hệ số dư lượng không khí λ [38]

Hình 1.13 cho thấy BXT chỉ hoạt động hiệu quả đối với cả ba thành phần CO,HC và NOx trong phạm vi hệ số dư lượng không khí rất hẹp (λ≈1) [38] Trong thựctế cảm biến λ được sử dụng như là một thông số để điều khiển vòng kín nhằm điềuchỉnh lượng nhiên liệu để đảm bảo hệ số dư lượng không khí λ bằng 1 Tuy nhiên,do chế độ động cơ luôn thay đổi lên hệ số dư lượng không khí λ luôn có sự daođộng nhất định (Hình 1.14) Thực tế, hiện nay trên nhiều động cơ được trang bị haicảm biến λ, nhờ hai cảm biến này sẽ làm giảm mức độ dao động λ của động cơ từđó nâng cao hiệu quả của BXT (Hình 1.12, 1.14) [10].

Hình 1.14 Hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải phụ thuộc mức độ dao động củahệ số dư lượng không khí λ [10]

- Đường kính BXT

Đường kính BXT là một thông số khá quan trọng Cấu trúc của lõi BXT phải tạo ramột diện tích bề mặt đủ lớn để tạo điều kiện cho các phản ứng hoá học diễn ra dễ dàngvà tiêu tốn ít kim loại quý Nếu đường kính lớn, đồng nghĩa với việc có thể tăng đượcsố lượng kênh dẫn khí, đồng thời sẽ tăng được diện tích tiếp xúc giữa khí thải

19

và bề mặt xúc tác, qua đó giúp nâng cao hiệu quả chuyển đổi của BXT.

Tuy nhiên, nếu đường kính quá lớn sẽ làm tăng kích thước đường ống thải, tăngtổn thất nhiệt dẫn đến làm tăng thời gian để BXT đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả.Thông thường, đường kính BXT được xác định sao cho vận tốc không gian (lưulượng khí thải chia cho thể tích BXT) của dòng khí thải đi qua BXT nằm trong giớihạn cho phép (nhỏ hơn 650.000h-1) [39,40].

- Loại phương tiện sử dụng

Các loại phương tiện mới luôn có khả năng đốt cháy nhiên liệu tốt hơn vì vậynồng độ các phát thải độc hại cũng giảm đi rõ rệt Hơn nữa, hiện nay trên những xeđời mới thường được trang bị các công nghệ cải tiến như phun xăng điện tử hoặcphun xăng trực tiếp cùng với các cảm biến và bộ điều khiển ECU, giúp điều chỉnhchính xác lượng nhiên liệu trong từng chế độ làm việc một cách linh hoạt hơn quađó giúp kiểm soát khí thải động cơ cũng dễ dàng hơn [10].

- Điều kiện môi trường

Như đã trình bày ở các nội dung trên, BXT sẽ làm việc hiệu quả ở điều kiện nhiệtđộ khoảng trên 350oC Đối với một số nước nhiệt đới như Việt Nam, đường thảiđộng cơ sẽ nhanh chóng đạt tới nhiệt độ đó, nhưng với các nước hàn đới thời gianquá độ này sẽ dài hơn khá nhiều Do vậy tại các khu vực này các phương tiện sẽ cầnphải có những thiết bị sấy nhằm cấp nhiệt cho BXT sớm đạt tới nhiệt độ hoạt độnghiệu quả [24].

1.3 Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải củađộng cơ và hoạt động của BXT

1.3.1 Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải của động cơ

Nhiên liệu xăng pha cồn đang nhận được sự quan tâm rất lớn của Việt Nam cũngnhư nhiều nước trên thế giới Phát triển sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn sẽ gópphần giải quyết vấn đề thiếu hụt nguồn năng lượng, giảm thiểu tình trạng ô nhiễmmôi trường và biến đổi khí hậu.

Nhiều nghiên cứu cho thấy, động cơ sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ ethanol thấp(nhỏ hơn 20%) thường cho kết quả về công suất, mômen tốt hơn, mức tiêu thụ nhiênliệu có thể cao hơn một chút Tuy nhiên phát thải được cải thiện rõ rệt so với xăngtruyền thống Cụ thể các nghiên cứu cho thấy sử dụng xăng pha cồn giúp giảm đángkể HC, CO Phát thải NOx thay đổi tùy từng trường hợp, phụ thuộc vào tỷ lệ ethanoltrong nhiên liệu [41-49].

M Al-Hasan và cộng sự đã tiến hành thử nghiệm với động cơ xăng 4 xy lanh, tỷsố nén 9:1 đối với xăng pha cồn có tỷ lệ ethanol thay đổi từ 0% đến 25%, tại các tốcđộ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph, bướm ga mở 75% [42] Kết quả nghiên cứu cho thấykhi tăng tỷ lệ ethanol, hệ số dư lượng không khí tương đương (tỷ lệ nghịch với hệ sốdư lượng không khí λ) giảm xuống, tức là hỗn hợp có xu hướng nhạt dần (Hình 1.15a).Điều này được lý giải bởi hai nguyên nhân:

- So với nhiên liệu xăng khoáng, lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối lượng xăng pha cồn giảm.

- Lượng ô xy nạp vào trong xy lanh động cơ tăng vì ngoài lượng ô xy trong không khí nạp còn có một lượng ô xy chứa sẵn trong xăng pha cồn.

20

Hình 1.16 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới phát thải CO, HC và CO2 [42]

Hình 1.17 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới phát thải NOx [43]

Mustafa Koç, Yakup Sekmen tiến hành thử nghiệm đánh giá với các nhiên liệu có tỷlệ ethanol cao như E50 và E85 cũng cho thấy CO và đặc biệt HC giảm nhiều so vớixăng truyền thống [43] Hàm lượng NOx trong trường hợp này cũng có xu hướng giảm(Hình 1.17) Sự hình thành NOx chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ đỉnh và lượng

ô xy có mặt trong quá trình cháy, trong đó hình thành nhiều nhất tại nhiệt độ trên1500oC và hỗn hợp hơi nhạt (hệ số dư lượng không khí lớn hơn 1 một chút) [50, 51].Sự giảm NOx được giải thích do nhiệt hóa hơi của E50 và E85 lớn hơn E0 nên làmgiảm nhiệt độ màng lửa Kết quả giảm NOx cũng thu được ở một số nghiên cứu khác[49,50].

Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác lại cho kết quả hàm lượng NOx tăng khi tăng tỷlệ ethanol trong nhiên liệu [52,53] Thử nghiệm đối với động cơ có bộ chế hòa khí,không điều chỉnh lượng nhiên liệu theo tỷ lệ ethanol trong xăng pha cồn (điều khiểnvòng hở) theo chu trình thử FTP75, khi tỷ lệ ethanol tăng từ 0 đến 20% thì lượng HC

21

và CO giảm trong khi NOx tăng khoảng 30% với E20 [52] Cũng với chu trình thửFTP nhưng với các động cơ phun xăng điện tử điều khiển vòng kín và xăng pha cồncó tỷ lệ cồn từ 0% đến 40% cho thấy NOx tăng chậm đều tới E30 (tăng khoảng 28%với E30) nhưng sau đó tăng nhanh (tới 90% với E40) [53] Kết quả này cũng phùhợp với thử nghiệm E20 trên một số mẫu xe sản xuất năm 2001 với chu trình thửAustralia ADR37/01 [54], trung bình NOx tăng tới 48% so với trường hợp sử dụngxăng thông thường, trong khi HC và CO giảm cùng với xu hướng ở trên.

Hình 1.18 Hàm lượng phát thải khi giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp [55]

Trong trường hợp giữ cố định lượng nhiên liệu cung cấp và lượng không khí nạp,khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu sẽ làm cho hỗn hợp nhạt dần và có ảnh hưởngkhá rõ rệt tới hàm lượng NOx Với hệ số dư lượng không khí λ ban đầu là 0,847, tứclà hỗn hợp đậm, thử nghiệm trên động cơ 1 xylanh cho thấy khi tỷ lệ ethanol tăngđến 20%, λ tăng đến 0,925 và hàm lượng NOx tăng tới 60% (Hình 1.18) [55].

Ngoài ra, khi sử dụng xăng pha cồn có thể làm tăng một số hợp chất carbonyl khôngquy định trong các tiêu chuẩn phát thải như formaldehyde, acetaldehyde và acetone;tuy nhiên, lại làm giảm hàm lượng benzen, toluene là các thành phần có mức độ độc hạirất cao trong khí thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng thông thường

[56] Vì vậy khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn có tỷ lệ ethanol cao vẫn đảm bảo giảm được mức độ độc hại nói chung trong khí thải động cơ.

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hoạt động của BXT

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả BXT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn còn kháhạn chế, hiện chỉ có một số ít các công trình đã được công bố.

Hình 1.19 Khí thải hữu cơ từ xe chạy 100% cồn, động cơ 8 xylanh [57]

Braxin hiện là nước đi đầu trong việc sử dụng nhiên liệu cồn hoặc xăng pha cồn trêncác phương tiện giao thông thay thế một phần nhiên liệu xăng truyền thống [57] Tuynhiên, khi xe sử dụng nhiên liệu 100% cồn, những thành phần ô nhiễm chính bao gồmCO, NOx, cồn không cháy và anđêhít Hình 1.19 thể hiện tỷ lệ các thành phần hữu cơgây ô nhiễm của xe khi sử dụng nhiên liệu 100% cồn Kết quả cho thấy, trong

22

khí thải của động cơ vẫn còn một lượng lớn cồn chưa cháy (58,5% tổng thành phần hữucơ) và một số các hợp chất hữu cơ thơm gốc ankan, anken và alđêhít, vì vậy trên độngcơ cần thiết phải trang bị BXT có khả năng ô xy hóa cồn, foman-đêhít và axetan-đêhít.Cũng trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu đã phát triển BXT cho nhiên liệu cồn sửdụng nhóm kim loại quý Pt, Pd, Rh, Ag, kết quả chỉ ra rằng Pt đem lại hiệu quả tốtnhất Tuy nhiên, tại thời điểm đó giá của Pt cao hơn rất nhiều so với Pd, vì vậy nhómnghiên cứu đã lựa chọn Pd cho các nghiên cứu đánh giá hiệu quả xúc tác Mở rộngnghiên cứu nhóm tiến hành thay đổi ba nhóm vật liệu trung gian (washcoat) để đánhgiá khả năng tương thích khi sử dụng nhiên liệu 100% cồn (Bảng 1.1).

Bảng 1.1 Kết quả sau khi thử nghiệm bền với các mẫu washcoat khác nhau [57]

Hình 1.20 Hiệu quả chuyển hóa axetan-đêhít và foman-đêhít của BXT trên động cơ chạy100% cồn [57]

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả BXT khi sử dụng xăng pha cồn cũng còn khá hạnchế, đa số các nghiên cứu đối chứng đều cho thấy khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiênliệu có thể cải thiện hiệu suất chuyển đổi ô xy hóa của BXT Tuy nhiên nghiên cứucủa Li-Wei Jia và các cộng sự [58] cho thấy sau một thời gian sử dụng (10.000 km)

23

kết tụ của hạt cácbon trên bề mặt BXT lắp trên xe máy chế hòa khí khi sử dụngnhiên liệu E10 cao hơn so với nhiên liệu xăng thông thường Hình 1.21 và 1.22 thểhiện ảnh quan sát trên kính hiển vi điện tử SEM (Scanning Electron Microscopy) bềmặt lõi xúc tác sau khi thử nghiệm với nhiên liệu xăng và xăng pha cồn E10 Kếtquả cho thấy, xuất hiện các hạt các bon kết tụ dạng hình cầu phân bố trên bề mặt lõi,Hình 1.21a và 1.22a cho thấy các bon kết tụ (hình cầu) nhiều nhất tại bề mặt củaBXT Tại các bề mặt chuyển tiếp và thành vách, các hạt các bon tồn tại ít hơn (Hình1.21b-c và Hình 1.22b-c).

Hình 1.21 Hình ảnh SEM bề mặt BXT khi sử dụng xăng thông thường [58]

các bon kết tụ tại các vị trí khác nhau Kết quả cho thấy hàm lượng muội kết tụ trêncác hạt kim loại nhóm kim loại quý cao hơn trên các hạt vật liệu trung gian Ngoàira, hàm lượng các hạt các bon kết tụ trên bề mặt BXT khi sử dụng xăng E10 caohơn so với xăng thông thường Sự kết tụ này chính là nguyên nhân dẫn đến hiệusuất BXT khi sử dụng nhiên liệu E10 giảm so với BXT sử dụng nhiên liệu xăngthông thường sau 10.000 km thử nghiệm [58].

Jiun-Horng Tsai và cộng sự đã nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của nhiên liệuxăng E15 và E30 đối với sự làm việc của BXT trên xe máy sử dụng hệ thống nhiênliệu phun xăng điện tử, tại chế độ định mức 10 mã lực, 8000 vòng/phút [59] Kếtquả cho thấy, so với khi sử dụng RON95, lượng phát thải CO và HC trước BXT khisử dụng nhiên liệu E10, E30 giảm lần lượt từ 30–37% và 19–28% NOx tăng 8,1%tương ứng với E15 và giảm 2,7% ứng với E30.

Lượng phát thải của động cơ thay đổi khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn kếthợp với hòa khí có xu hướng nhạt hơn khi sử dụng nhiên liệu E15, E30 nên có sựthay đổi rất lớn hàm lượng phát thải của xe khi có trang bị BXT Cụ thể khi trang bịBXT phát thải CO, HC và NOx của xe khi sử dụng các loại nhiên liệu lần lượt giảmtừ 12% (RON95) đến 61% (E30), 32% (RON95) đến 39% (E30) và 81% (E10) đến85% (E30) so với khi không trang bị BXT.

Quá trình thử nghiệm bền trong 16.200 km vận hành cho thấy diện tích bề mặt vàthể tích lỗ rỗng của BXT bị suy giảm theo quãng đường sử dụng, ngoài ra hàmlượng phốt pho và lưu huỳnh trên bề mặt lõi xúc tác tăng đáng kể sau thời gian thửbền Khi sử dụng xăng pha cồn sẽ làm giảm lượng phát thải parafin, olefin vàhydrocacbon thơm nhưng tăng lượng cacbonyl và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi(VOCs) trong khí thải (Hình 1.23).

25

1.4 Tổng hợp các nghiên cứu nâng cao hiệu quả BXT1.4.1 Các nghiên cứu trong nước

1.4.1.1 Các giải pháp kỹ thuật

Hiệu quả xử lý của BXT bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ làm việc BXT thườnglàm việc với hiệu suất rất thấp khi nhiệt độ của lõi xúc tác thấp hơn khoảng nhiệt độ250÷300oC Do vậy, trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, khi nhiệt độkhí thải còn thấp, BXT chưa được sấy nóng đáng kể nên hiệu quả xử lý khí thảitrong giai đoạn này rất thấp Vì vậy một lượng lớn khí thải độc hại phát thải ra ngoàimôi trường từ đó tăng lượng phát thải cho cả chu trình hoạt động của xe Để cảithiện hiệu quả làm việc của BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy,Hoàng Đình Long và cộng sự đã thực hiện giải pháp sấy nóng BXT bằng dòng điệncao tần, sơ đồ như thể hiện trên Hình 1.24 [24].

Hình 1.24 Sơ đồ sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần [24]

(a) với hệ thống sấy nóng (b) sơ đồ quấn dây quanh BXT

1- Acquy 12V; 2- Mạch biến tần; 3- Các vòng dây cảm ứng; 4- BXT; 5- Ống thải

Kết quả nghiên cứu cho thấy khi BXT được sấy nóng bằng dòng cao tần với côngsuất 400 W trong thời gian 30s ngay sau khi khởi động động cơ Phương án này đặcbiệt hiệu quả với chế độ không tải nhanh và 10% tải Ở chế độ không tải nhanh tốcđộ 2.500 v/ph có sấy, BXT làm việc hiệu quả ngay từ giây thứ 30 của quá trình chạyấm máy so với giây thứ 230 khi không sấy nóng và tăng đáng kể hiệu quả chuyểnđổi của BXT trong thời gian khảo sát 300s Còn ở chế độ 10% tải, tốc độ 2500 v/phcó sấy nóng, BXT làm việc hiệu quả ngay từ giây thứ 25 của quá trình chạy ấm máyso với giây thứ 160 khi không sấy nóng Kết quả đánh giá tổng thể theo chu trìnhthử ECE R40 hàm lượng các phát thải CO, HC và NOx đều giảm mạnh (Hình 1.25).

Hình 1.25 So sánh phát thải của xe theo chu trình thử ECE R40 trong hai trường hợp cóvà không có sấy [24]

1.4.1.2 Các nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển các vật liệu xúc tác thay thế cũng đang nhậnđược sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Đoàn Kim Hồng và cộng sự đã đánh giá

26

khả năng ô xy hóa CO với xúc tác nano Au trên một số chất mang khác nhau [61].Kết quả cho thấy khả năng ô xy hóa CO có thể lên tới 60 - 90% ở ngay nhiệt độphòng (Hình 1.26).

Hình 1.26 Khả năng chuyển hóa CO của xúc tác nano Au trên chất nền MgO và ZrO2 [61]

Nguyễn Trí đã nghiên cứu ô xy hoá sâu CO và p-xylence trên xúc tác Pt-CuO vớicác chất mang khác nhau [62] Kết quả cho thấy trong môi trường không tạp chấthiệu suất chuyển hóa CO và p-xylence đạt tới gần 100% với nhiệt độ phản ứngkhoảng 3000C (Hình 1.27) Tuy nhiên hiệu suất chuyển hóa bị giảm đáng kể trongđiều kiện môi trường phản ứng có hơi nước.

Hình 1.27 Hiệu suất chuyển hóa CO và p-xylence của xúc tác Pt-CuO với các chất nềnkhác nhau [62]

Bùi Hồng Quang và cộng sự đánh giá khả năng ô xy hóa một số hydrocacbon vớicác xúc tác kim loại (Bảng 1.2) [63] Kết quả cho thấy nhiều hệ xúc tác có hiệu quảrất cao như các ô xít Mn, Mn(Cu)γ-Al2O3 tuy nhiên nhược điểm chính của cácchất xúc tác này là nhiệt độ chuyển hóa còn khá cao.

Bảng 1.2 Khả năng chuyển hóa các hdrocacbon với các xúc tác kim loại [63]

Xúc tác Chất ô nhiễm Nhiệt độ phản ứng (K) Độ chuyển hóa (%)

27

1.4.2 Các nghiên cứu trên thế giới

1.4.2.1 Nghiên cứu công nghệ cải tiến mật độ lỗ trong lõi xúc tác

Ngày nay, công nghệ chế tạo lõi đã có sự cải thiện mạnh mẽ, với lõi thép cuộnmật độ lỗ đã lên tới 900 cell/in2, với lõi gốm nguyên khối mật độ lỗ thậm chí còncao hơn, có thể lên tới 1200 cell/in2 [64] BXT gốm nguyên khối được sử dụng khárộng rãi, chủ yếu là do chi phí sản xuất thấp hơn Trong khi lõi kim loại có khả năngdẫn nhiệt và gia nhiệt cao, cho phép sưởi ấm rất nhanh (đối với loại lắp gần ống xả -CCCs) trong giai đoạn khởi động và chạy ấm máy của động cơ, rút ngắn thời gianxuất hiện phản ứng hiệu quả.

Đối với lõi gốm nguyên khối, phương pháp chế tạo phổ biến nhất là phương phápcán lăn tạo hình (Hình 1.28) Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này làmật độ lỗ không cao Để tăng mật độ lỗ có thể sử dụng các phương pháp hóa họcnhư phản ứng tạo hình ở trạng thái rắn, kết tinh thủy nhiệt [65].

Hình 1.28 Quy trình công nghệ chế tạo lõi BXT gốm nguyên khối theo phương pháp cánlăn [65]

Cách tạo lõi kim loại nguyên khối phổ biến nhất là là phương pháp cuộn lăn nhưHình 1.29 bằng cách xếp các tấm kim loại phẳng và lượn sóng xen kẽ nhau.

Một phương pháp chế tạo lõi kim loại khác, cải tiến từ cách truyền thống đã đượchãng Emitec giới thiệu Các lớp kim loại xen kẽ nhau với lớp bên ngoài là nhôm, lớpbên trong là hợp kim Fe-Cr Khi tạo lõi BXT, người ta gia nhiệt để lớp nhôm nóngchảy, một phần nhôm đi vào lớp bên trong còn một phần điền đầy khe hở giữa tấmphẳng và tấm lượn sóng tạo ra mối hàn kín gắn hai tấm kim loại với nhau [66].

28

Hình 1.29 Chế tạo lõi xúc tác kim loại nguyên khối bằng cách cuộn [65]

1.4.2.2 Nghiên cứu cải tiến lớp vật liệu trung gian

Al2O3 là chất mang giúp cải thiện diện tích bề mặt của BXT Al2O3 được lựachọn do diện tích bề mặt cao và khả năng ổn định nhiệt tương đối tốt trong điều kiệnnhiệt độ và nồng độ hơi nước cao của khí thải Trong hầu hết các nghiên cứu, γ-Al2O3 được sử dụng do diện tích bề mặt cao so với các loại alumina khác [67] Tuynhiên, một số alumina khác như δ và θ-Al2O3 có thể được sử dụng cho các ứngdụng đòi hỏi nhiệt độ làm việc cao hơn như ứng dụng trong CCCs vì khả năng ổnđịnh nhiệt của các alumina này còn cao hơn γ-Al2O3 Hiện nay, một số vật liệu mớiđã được thêm vào nhằm gia tăng khả năng ổn định nhiệt của - Al2O3 như lantan,bari, stronti, xeri, và ô xít zirconi [68-71].

1.4.2.3 Nghiên cứu phát triển lớp vật liệu xúc tác nhằm tăng cường khảnăng hấp thụ và giải phóng ô xy

Trong số các vai trò khác nhau của CeO2 trong BXT, khả năng hấp thụ và giảiphóng ô xy là một trong những thông số quan trọng nhất Từ năm 1995, CeO2-ZrO2đã được thay thế cho CeO2 để đảm bảo vừa cải thiện tính ổn định nhiệt, vừa nângcao khả năng hấp thụ và giải phóng ô xy cũng như diện tích bề mặt Hiện nay, vớiyêu cầu nâng cao tuổi thọ của BXT trang bị kiểu CCCs [72], một vài kim loại khácnhư trillium và lanthanlium được bổ sung vào CeO2-ZrO2 để cải thiện tính ổn địnhnhiệt [73].

1.4.2.4 Nghiên cứu phát triển các hệ xúc tác mới

Hiện nay, vật liệu dùng trên các BXT chủ yếu là kim loại quý platinum (Pt),palladium (Pd), rhodium (Rh) Các vật liệu này mặc dù cho hiệu quả xử lý rất tốt,tuy nhiên sự gia tăng nhanh chóng các phương tiện dẫn tới làm tăng khối lượng sửdụng các kim loại quý này trong BXT Cùng với đó, tiêu chuẩn khí thải ngày càngđược siết chặt cũng làm tăng lượng kim loại quý trên mỗi BXT, từ đó làm cho giáthành BXT ngày càng gia tăng [39].

Trong khi đó, đi kèm với các tiêu chuẩn khí thải, chất lượng nhiên liệu cũng ngàycàng được cải thiện Hiện nay nhiên liệu sử dụng tại các nước châu Âu quy địnhhàm lượng lưu huỳnh rất thấp (dưới 10 ppm) và tiến tới 0 ppm trong tương lai gần.Tại Việt Nam, các kết quả xét nghiệm cũng cho thấy hàm lượng lưu huỳnh cũng ởmức thấp (<50 ppm) [74], điều này cho phép có thể sử dụng những hệ xúc tác kháccó mức hoạt tính thấp hơn, nhưng giá thành rẻ hơn đáng kể mặc dù dễ mất tác dụnghơn, tiêu biểu là các hợp chất của các kim như Au, Fe, Ag, Cu, Mn, Co vv…

Trên thế giới, nghiên cứu phát triển các hệ xúc tác mới cũng sớm được các nhàkhoa học quan tâm Masahide Shimokawabe và các cộng sự đã thực hiện quá trìnhkhử NOx và ôxi hóa C3H6 trên các ô xít kim loại khác nhau [75].

Bảng 1.3 cho thấy hiệu suất chuyển đổi của NO2 thành N2 và C3H6đến COx cho 29

hỗn hợp khí C3H6/NO2 và C3H6/NO2/O2 Để khử NO2 với sự có mặt C3H6 và O2,kim loại xúc tác được sử dụng gồm hai nhóm dựa trên cơ sở tốc độ phản ứng khửcủa NO2 bởi C3H6 và ô xy hóa C3H6 bởi O2 Trong đó Al2O3, ZrO2, MgO, SiO2,La2O3 và CaO (được gọi là các ô xít kim loại nhóm II) đã đạt được hiệu suất chuyểnđổi NO2 sang N2 cao hơn so với hiệu suất chuyển đổi C3H6 thành COx Ngược lại,Co3O4, CuO, ZnO, SnO2, CeO2 và TiO2 (được gọi là các ô xít kim loại nhóm I), sựchuyển đổi đổi C3H6 thành COx cao hơn hiệu suất chuyển đổi NO2 thành N2 Cácmức chuyển đổi của O2 đối với các ô xít kim loại nhóm I cao hơn nhiều so với cácloại ô xít kim loại nhóm II Tỷ lệ chuyển đổi NO2 thành N2 trong hỗn hợpC3H6/NO2/O2 nhỏ hơn 0,34% đối với ô xít kim loại nhóm I trừ CuO, trong khi các ôxít kim loại nhóm II có tỷ lệ khoảng 2 đến 4%.

Bảng 1.3 Hiệu suất chuyển đổi của NOx với C3H6 trên các ô xít kim loại [75]

Hiệu suất chuyển đổi (%)

Cu/AC-1, Cu/AC-2, Cu/AC-3, Cu/AC-4Mn/AC-1, Mn/AC-2, Mn/AC-3, Mn/AC-4

Hình 1.30 Hiệu quả chuyển đổi NO của một số mẫu xúc tác Cu/Mn [76]

30

Hình 1.31 Hiệu quả chuyển đổi NO theo nhiệt độ trên các mẫu CuMn/AC-1, CuMn/AC-2,CuMn/AC-3 [76]

Theo báo cáo này, các mẫu Cu sẽ cho hiệu quả tốt hơn với nhiệt độ phản ứng trên160oC (khử được trên 90% NO) Với tỷ lệ càng lớn thì hiệu quả khử NO càng cao.Các mẫu chứa Mn cho hiệu quả thấp hơn Tuy nhiên các mẫu AC1 và AC2 (nềncácbon hoạt tính) có hàm lượng Mn thấp (2,02 và 3,73%) lại cho hiệu quả khá tốt.Kết quả cũng cho thấy quá trình khử NO của các mẫu chứa Cu/Mn đạt hiệu quả caovới nhiệt độ chỉ khoảng 250oC (tương đương với nhiệt độ làm việc hiệu quả củaBXT kim loại quý), Hình 1.31 cho thấy, với những mẫu có tỷ lệ Cu:Mn là 1:1 hoặc1:2 cho tỷ lệ chuyển hóa NO cao hơn, do khi Mn có hàm lượng lớn sẽ xuất hiện cấutrúc spinel làm tăng hoạt tính xúc tác khử NO Bên cạnh đó, NO bị khử thành N2 màkhông có bất cứ sự xuất hiện nào của N2O.

Nghiên cứu của Ivanka Spassova cho thấy hiệu quả khử NO bởi CO trong môitrường có ô xy và không có ô xy trên hệ xúc tác CuO-MnO2 [77] Kết quả cho thấy(Hình 1.32), hiệu suất khử NO đạt cao nhất với tỷ lệ Cu:Mn = 1:1, khi có mặt ô xyhiệu quả khử NO còn cao hơn trong suốt quá trình ô xy hóa NO thành NO2 sau đómới bị khử thành N2.

Hình 1.32 Hiệu quả khử NO bởi CO trong môi trường có và không có ô xy ở các nhiệt độkhác nhau [77]

Kun Qian và các cộng sự [78] đã báo cáo hiệu quả ô xy hóa CO bởi hệ xúc tác31

CuO/MnO2, kết quả cho thấy CuO và MnO có khả năng thúc đẩy phản ứng ô xy hóaCO (Hình 1.33) Chất xúc tác CuO/MnO2 với lượng CuO dao động từ 1% đến 40%có hiệu suất xúc tác tốt hơn nhiều so với CuO và MnO2, hoạt tính xúc tác của hỗnhợp CuO/MnO2 giảm mạnh khi lượng CuO đạt 50%.

Hình 1.33 Hiệu quả ô xy hóa CO đối với các xúc tác CuO/MnO2 [78]

1.5 Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận án

Để đánh giá ảnh hưởng của xăng pha cồn tới hiệu quả của BXT cũng như nghiêncứu các giải pháp nâng cao hiệu quả của BXT, luận án được triển khai lần lượt theocác nội dung nghiên cứu sau:

- Lựa chọn đối tượng nghiên cứu bao gồm xe thử nghiệm, bộ xúc tác cơ sở, nhiênliệu thử nghiệm.

- Xây dựng mô hình mô phỏng BXT trên phần mềm AVL Boost, hiệu chuẩn và đánh giá độ tin cậy của mô hình.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha cồn tới hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT.

- Nghiên cứu nâng cao hiệu hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải củaBXT thông qua giải pháp điều chỉnh các thông số kỹ thuật của BXT, sử dụng vật liệuxúc tác mới.

- Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm đánh giá hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT cải tiến khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn.

1.6 Kết luận chương 1

Qua các nghiên cứu tổng quan cho thấy, sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ phù hợp và

trang bị BXT là hai giải pháp hiệu quả trong việc giảm phát thải độc hại của ĐCĐT.Tuy nhiên, các nghiên cứu cho thấy hòa khí động cơ có xu hướng “nhạt” hơn khităng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu Ngoài ra nhiệt độ khí thải cao hơn, lượng hơi nướclớn hơn cùng với khí thải động cơ xuất hiện một số hợp chất mới khác với khi sử dụngnhiên liệu truyền thống chính là các yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của BXT.

Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, tùy theo điều kiện làm việc BXT có thể cần bổ32