(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 PHẦN CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thế Lương PGS.TS Trần Quang Vinh 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 i Lý chọn đề tài ii Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu iv Phương pháp nghiên cứu v Ý nghĩa khoa học thực tiễn vi Điểm Luận án vii Bố cục Luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan phát thải động xăng 1.1.1 Tình hình nhiễm mơi trường khí thải từ động đốt .5 1.1.2 Phát thải độc hại động xăng ảnh hưởng chúng tới sức khỏe người môi trường 1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại từ khí thải động xăng 1.2.1 Kiểm soát phát thải từ bên động 1.2.2 Sử dụng nhiên liệu thay 10 1.2.3 Xử lý khí thải sau cửa thải xúc tác khí thải ba thành phần 11 1.3 Ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải động hoạt động BXT 20 1.3.1 Ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải động .20 1.3.2 Ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới hoạt động BXT 22 1.4 Tổng hợp nghiên cứu nâng cao hiệu BXT 26 1.4.1 Các nghiên cứu nước 26 1.4.2 Các nghiên cứu giới 28 1.5 Hướng tiếp cận nội dung nghiên cứu luận án 32 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG BỘ XÚC TÁC KHÍ THẢI BA THÀNH PHẦN TRÊN PHẦN MỀM AVL BOOST 34 2.1 Cơ sở lý thuyết mô 34 2.1.1 Lý thuyết phản ứng xúc tác diễn BXT 34 iii 2.1.2 Lý thuyết đặc điểm lỗ rỗng khối xúc tác có cấu trúc dạng tổ ong 36 2.1.3 Lý thuyết khuếch tán lớp vật liệu trung gian 38 2.1.4 Lý thuyết tính tốn λ theo thành phần khí thải lý thuyết tính tốn lưu lượng khí thải vào BXT 40 2.1.5 Lý thuyết tính tốn tốc độ phản ứng diễn xử lý xúc tác 41 2.1.6 Mơ hình trao đổi nhiệt khí thải BXT 44 2.2 Quy trình mơ phần mềm AVL Boost 44 2.3 Xây dựng mơ hình mơ BXT 45 2.3.1 Xây dựng mơ hình 45 2.3.2 Nhập liệu cho mơ hình 46 2.4 Thực nghiệm xác định thông số đầu vào BXT 50 2.4.1 Đối tượng 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 thử nghiệm 52 2.4.5 Tính tốn lưu lượng khí thải 54 2.5 Hiệu chuẩn mơ hình mơ 55 2.6 Kết luận chương 57 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC KHÍ THẢI BA THÀNH PHẦN KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN 58 3.1 Đánh giá hiệu chuyển đổi thành phần phát thải BXT EMT sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn 59 3.2 Xác định hiệu suất mục tiêu BXT cải tiến 63 3.3 Nghiên cứu mô nâng cao hiệu BXT thông qua điều chỉnh thông số kỹ thuật BXT 64 3.3.1 Ảnh hưởng mật độ lỗ tới hiệu suất xử lý BXT 64 3.3.2 Ảnh hưởng thể tích BXT 65 3.3.3 Ảnh hưởng lượng kim loại quý 67 3.3.4 Ảnh hưởng tỷ lệ Pt/Rh 68 3.4 Nghiên cứu nâng cao hiệu BXT thông qua sử dụng hệ xúc tác 69 3.4.1 Nghiên cứu mô BXT sử dụng hệ xúc tác CuO-MnO2 70 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) 74 3.3 Kết luận chương 77 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA BỘ XÚC TÁC CẢI TIẾN 79 4.1 Nghiên cứu chế tạo BXTct 79 iv 4.1.1 Chuẩn bị lõi kim loại 80 4.1.2 Điều chế lớp kim loại Al2O3-CeO2-ZrO2 80 4.1.3 Điều chế lớp vật liệu xúc tác 85 4.1.4 Đặc tính cấu trúc hình thái bề mặt lõi sử dụng xúc tác CuO-MnO2 88 4.2 Thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng việc trang bị BXT tới tính kinh tế, kỹ thuật phát thải xe 92 4.3 Thử nghiệm đánh giá hiệu BXTct sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn 94 4.3.1 Tại chế độ ổn định 95 4.3.2 Hiệu chuyển đổi BXT thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 + EUDC 104 4.4 So sánh đánh giá chi phí vật liệu cấu thành lên lõi xúc tác 105 4.5 Kết luận chương 106 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 107 KẾT LUẬN CHUNG 107 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 114 PHỤ LỤC 115 PHỤ LỤC KẾT QUẢ HIỆU CHUẨN MƠ HÌNH BXT EMT PHỤ LỤC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ BXT KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN PL2.1 Kết mô với BXTEMT PL2.2 Kết mô với BXTđc PL2.3 Kết mô với BXTm PL2.3 Kết mô với BXTct PHỤ LỤC TRANG THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC PL3.1 Trang thiết bị thử nghiệm PL3.2 Băng thử xe máy CD20’’ (Chassis Dynamometer 20”) PL3.3 Hệ thống lấy mẫu khí thải với thể tích khơng đổi CVS 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 khơng khí λ 13 PHỤ LỤC CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH CẤU 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 14 v 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 vật liệu phương pháp BET, máy ASAP 2010 16 PL4.5 Thiết bị xác định thành phần vật liệu theo phương pháp phân tích quang phổ XPS, GVL298 17 vi 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, sau gọi tắt xúc tác - 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 350 C 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 (khơng 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 khơng khí λ ln xấp xỉ Tuy nhiên, liệu ECU tính toán sở nhiên liệu xăng truyền thống nên sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, ECU 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 công 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 • Mục tiêu 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 • Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan phát thải độc hại giải pháp giảm phát thải độc hại động đốt xăng - Nghiên cứu tổng quan giải pháp nâng cao hiệu BXT - Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ BXT AVL-Boost - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu BXT - Nghiên cứu nâng cao hiệu BXT thông qua cải tiến thông số kỹ thuật, sử dụng vật liệu xúc tác - Nghiên cứu chế tạo thực nghiệm đánh giá hiệu BXT cải tiến sử dụng xăng pha cồn iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu luận án bao gồm: - 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 (BXT EMT), sử dụng làm sở để xây dựng mơ nghiên cứu mơ đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu BXT + Bộ xúc tác điều chỉnh (BXTđc), thiết lập dựa sở BXT EMT, 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, q trình mơ giúp xác định thơng kỹ thuật BXT Q 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 Ngoài 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 không 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 mô 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 không thực giới hạn thời gian kinh phí Các yếu tố khác ảnh hưởng tới 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 • Phương pháp nghiên cứu iv 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 Ý nghĩa khoa học thực tiễn v 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 chuyển đổi BXT - Nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác thay phần xúc tác kim loại q, qua khơng giúp nâng cao hiệu mà cịn 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 Ngày nay, số lượng phương tiện giao thông tăng nhanh kéo theo gia tăng ô nhiễm môi trường đặc biệt nhiễm mơi trường khơng khí Để giảm lượng khí thải từ động phương tiện giao thơng vận tải cần có phối hợp đồng quan quản lý, nhà sản xuất người sử dụng phương tiện Trong đó, nhà sản xuất phải đầu tư nghiên cứu, cải tiến cơng nghệ nhằm chế tạo động có mức phát thải độc hại thấp, đáp ứng tiêu chuẩn lộ trình kiểm sốt phát thải quan quản lý đề Các nhà quản lý nghiên cứu đưa sách, tiêu chuẩn kiểm sốt hợp lý Lộ trình áp dụng phù hợp với điều kiện kinh tế trình độ phát triển cơng nghệ tương lai Trong đó, người sử dụng cần phải tuân thủ quy trình vận hành, bảo trì bảo dưỡng nhà sản xuất chấp hành quy định kiểm soát phát thải quan quản lý Với mục tiêu nâng cao hiệu BXT sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, nội dung chương tổng quan, nghiên cứu sinh (NCS) trình bày sơ lược vấn đề sau: - Tổng quan phát thải động xăng, ảnh hưởng thành phần phát thải tới sức khỏe người môi trường - Tổng quan giải pháp giảm phát thải động xăng tập trung vào hai giải pháp sử dụng nhiên liệu thay với trọng tâm nhiên liệu xăng pha cồn giải pháp xử lý khí thải với cốt lõi trang bị BXT - Tổng hợp nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải động cơ, trình hoạt động hiệu suất chuyển đổi BXT - Tổng hợp các nghiên cứu nước nhằm nâng cao hiệu BXT 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 thơng giới Trong q trình hoạt động, phương tiện giao thơng thải vào khơng khí ngồi lượng lớn CO nước lượng đáng kể phát thải độc hại khác CO, hydrocacbon (HC), NOx, SO2, khói đen, chì chất thải dạng hạt khác Các thành phần phát thải gây tác hại trực tiếp đến sức khỏe người mà cịn phá hủy mơi trường sống giới sinh vật nuôi sống người Theo số liệu thống kê Mỹ, chất ô nhiễm phát thải từ phương tiện giao thông chiếm tới 40 đến 50% tổng hàm lượng phát thải HC, 50% tổng hàm lượng NOx 80 đến 90% tổng hàm lượng CO khu vực thành phố [1] Ở khu vực phát triển khác Châu Âu Nhật Bản xảy vấn đề tương tự Tại châu Á, ô nhiễm không khí từ phương tiện giao thơng vận tải tạo thách thức với nhiều quốc gia khu vực Tại Trung Quốc, nhiễm khơng khí, đặc biệt ô nhiễm hạt bụi mịn PM2.5 (loại hạt có khơng khí ảnh PL2.3 Kết mô với BXTm Bảng Pl2.15 Hiệu suất BXTm theo nhiệt độ lõi xúc tác, =1, GHSV= -1 250.000h (50km/h, 50% độ mở bướm ga) (0C) o Bảng Pl2.16 Hiệu suất BXTm theo GHSV Tbxt = 500 C, λ =1 GVHS (h-1) Bảng Pl2.17 Hiệu suất BXTm -1 theo hệ số dư lượng khơng khí λ, Tbxt = o 500 C, GHSV= 250.000h (50% tải, 50% độ mở bướm ga) 5.PL PL2.3 Kết mô với BXTct Bảng Pl2.18 Hiệu suất BXTct theo lượng kim loại quý sử dụng, (CuO0,3 – (MnO2) 0,7) o -1 =1, Tbxt = 500 C, GHSV= 250.000h (50km/h, 50% độ mở bướm ga) Lượng kim loại quý (g) Bảng Pl2.19 Hiệu suất chuyển đổi với thành phần phát thải CO BXTct, 50% tải sử dụng nhiên liệu RON95, E10, E20 v (km/h) 30 40 50 60 70 TB Bảng Pl2.20 Hiệu suất chuyển đổi với thành phần phát thải HC BXTct, 50% tải sử dụng nhiên liệu RON95, E10, E20 Bảng Pl2.21 Hiệu suất chuyển đổi với thành phần phát thải NOx BXTct, 50% tải sử dụng nhiên liệu RON95, E10, E20 v 6.PL PHỤ LỤC TRANG THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC PL3.1 Trang thiết bị thử nghiệm Quá trình thử nghiệm tiến hành phịng thử xe máy CD 20” trang bị thiết bị đại, đồng hệ thống lấy mẫu khí thải với thể tích khơng đổi, CVS (Constant Volume Sampler), tủ phân tích khí thải CEB II, cân đo nhiên liệu siêu xác AVL 733S, thiết bị đo nhiệt độ thiết bị đo hệ số dư lượng khơng khí (Bosch LSU 4.9) Thông số kỹ thuật thiết bị thể Bảng Pl3.1 sơ đồ hệ thống thử nghiệm thể Hình Pl3.1 Bảng Pl3.1 Thông số kỹ thuật thiết bị đo Các phân tích khí thải Băng thử lăn Hình Pl3.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm 7.PL PL3.2 Băng thử xe máy CD20’’ (Chassis Dynamometer 20”) Băng thử Chassis Dynamometer 20’’ hãng AVL cung cấp, có chức thử nghiệm kiểm tra xe chế độ mơ Qua giúp cho q trình nghiên cứu cải tiến xe máy động dễ dàng Các chức băng thử: - Xác định tốc độ xe - Xác định lực tác dụng bề mặt lăn - Xác định gia tốc cơng suất xe - Mơ hình hóa tải trọng đường thông qua băng thử Các thông số băng thử: - Mơ hình hóa động lực học xe máy có khối lượng từ 80 kg đến 350 kg - Quán tính sở lăn tương đương với khối lượng xe khoảng 170 kg - Lực kéo lớn chế độ động 1512 N tốc độ 90 km/h Lực kéo lớn chế độ máy phát 1680 N tốc độ 90 km/h - Lực kéo lớn chế độ động sử dụng thời gian dài 945 N tốc độ 90 km/h Ở chế độ máy phát sử dụng thời gian dài 1040 N tốc độ 90 km/h Hình Pl3.2 Băng thử xe máy CD 20” Hiện băng thử sử dụng kết hợp với hệ thống lấy mẫu khí thải CVS, tủ phân tích khí CEBII, thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu thiết bị phụ trợ khác (Hình Pl3.2) trình thử nghiệm theo chu trình thử châu Âu (ECE R40 – tiêu chuẩn EURO II, EURO III, WMTC - tiêu chuẩn EURO III, EURO IV) qua xác định thành phần chất thải độc hại có khí thải lượng nhiên liệu tiêu thụ PL3.3 Hệ thống lấy mẫu khí thải với thể tích khơng đổi CVS 8.PL Hệ thống lấy mẫu với thể tích khơng đổi CVS có nhiệm vụ trộn khí thải với khơng khí lọc từ mơi trường tạo thành khí pha lỗng nhằm mơ q trình hình thành phát thải khí thải mơi trường tránh tượng ngưng tụ nước khí thải động Lưu động dịng khí hệ thống tạo quạt hút, lưu lượng khí pha lỗng giữ khơng đổi nhờ ống Venturi Phía trước ống Venturi có cảm biến nhiệt độ, áp suất khí đầu lấy mẫu khí vào túi khí PL3.4 Tủ phân tích khí thải CEBII Tủ phân tích khí thải CEB II (Hình Pl3.3) phân tích thành phần chất CO, CO 2, NOx, HC có khí thải động Mỗi phân tích chia thành dải đo, tùy thuộc vào hàm lượng thực tế chất có khí thải mà phân tích lựa chọn dải đo phù hợp Để đảm bảo độ xác phép đo, phận phân tích hiệu chuẩn trước đo chất khí hiệu chuẩn tương ứng với giải đo Hình Pl3.3 Tủ phân tích khí thải CEB II Hình Pl3.4 Sơ đồ cấu tạo phân tích CO Một buồng phát tia hồng ngoại, Màn chắn, Đĩa khoét rãnh, Buồng chứa khí mẫu, Buồng chứa khí CO ngăn chắn màng cao su, 6.Thiết bị đo độ võng màn, Buồng chứa khí CO ngăn màng cao su, Buồng chứa khí mẫu 9.PL - Các phân tích CO CO2 hoạt động dựa nguyên lý hấp thụ tia hồng ngoại (Hình Pl3.4) Khi chiếu tia hồng ngoại qua hỗn hợp khí, tia hồng ngoại bị CO (CO 2) hỗn hợp hấp thụ suy yếu Thông qua mức độ suy giảm tia đo xác định hàm lượng CO (CO2) hỗn hợp khí mẫu Khi đo CO khí thải phương pháp cần phải loại bỏ yếu tố gây sai lệch kết đo, đặc biệt hấp thụ hồng ngoại nước Vì khí thải trước đưa vào phân tích cần phải loại bỏ hồn tồn nước thơng qua phương pháp lọc làm lạnh – ngưng tụ - Bộ phân tích HC xác định thành phần HC phương pháp ion hóa lửa Khí mẫu vào hịa trộn với hỗn hợp khí cháy (hỗn hợp H 2/He) Trong buồng phản ứng, hỗn hợp khí Synthetic Air (20% O 2, 80% N2) bơm vào làm môi trường ô xy hóa Khi khí mẫu khí cháy đưa vào, hệ thống đánh lửa bật tia lửa đốt cháy hỗn hợp H2/He Trong điều kiện áp suất nhiệt độ đặc biệt, khí HC khơng bị cháy mà bị bẻ gãy liên kết hình thành ion Các ion sinh mơi trường có từ trường cặp điện cực, bị hút hai cực tạo thành dòng điện mạch Dòng điện khuyếch đại qua khuyếch đại đưa tới đo điện áp Khí cháy hút nhờ độ chân không đầu Độ chân không sinh luồng khí nén thổi qua miệng hút Dựa vào cường độ dòng điện sinh đánh giá lượng HC có khí mẫu - Bộ phân tích NOx xác định thành phần NO x phương pháp quang hóa Thực chất phương pháp đo cường độ ánh sáng phần tử NO hoạt tính sinh NO2 hoạt tính tạo buồng phản ứng qua phản ứng sau: NO+O3=NO2*+O2 Khơng khí đưa vào đường cho qua tạo ôzôn, O khơng khí tạo thành O3 nhờ tia lửa điện đưa đến buồng phản ứng Để đo lượng NO có khí xả, khí xả đưa trực tiếp vào buồng phản ứng Trong buồng phản ứng có O3 phần NO có khí xả mẫu phản ứng với O tạo NO2*, NO2 hoạt tính tồn khơng lâu điều kiện bình thường tự động chuyển NO2 khơng hoạt tính cách phóng phần lượng dạng tia sáng Đo cường độ tia sáng thu dựa vào để xác định lượng NO phản ứng Từ lượng NO phản ứng tính lượng NO có khí xả mẫu Để đo lượng NOx có khí xả mẫu, cho tất khí xả mẫu qua chuyển đổi từ NO2 thành NO Phần lớn NO2 chuyển đổi thành NO, sau tất khí xả qua chuyển đổi đưa tới buồng phản ứng Tương tự với NO, buồng phản ứng lượng NO có khí xả phản ứng với O tạo thành NO2 hoạt tính NO2 hoạt tính có lượng cao chuyển mức lượng thấp phát ánh sáng, vào cường độ ánh sáng thu ta tính lượng NOx có khí xả Trong tất phản ứng phân tích NO NO x xảy với hiệu suất định Do để biết xác lượng chất NO NO x có khí xả ta phải xác định hiệu suất phản ứng Muốn ta phải biết lượng chất tham gia phản ứng Chính hệ thống CEBII có phận đo hiệu suất phản ứng tạo O3 hiệu suất phản ứng tạo NO 10.PL Hình Pl3.5 Sơ đồ cấu tạo phân tích NO NOx PL3.5 Dụng cụ đo nhiên liệu 733S Hình Pl3.6 Hệ thống đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S Đặc điểm hệ thống Nguyên lý đo phân tích trọng lượng cho phép đo trực tiếp khối lượng nhiên liệu tiêu thụ Do khơng có ảnh hưởng nhiệt độ tỷ trọng nhiên liệu tới phép đo Giải pháp thơng gió cho bình đo nhằm đảm bảo khơng xuất bọt khí mạch đồng thời giải pháp đảm bảo tính an tồn độ ổn định cao Ngun lý đo phân tích trọng lượng cho phép đo trực tiếp khối lượng nhiên liệu tiêu thụ Do khơng có ảnh hưởng nhiệt độ tỉ trọng nhiên liệu tới phép đo Sai số thiết bị 0,1% Giải đo từ đến 150kg/h Có thể cho phép tới 400kg/h Tổng khối lượng bình đo 1800g Với khối lượng cho phép đo liên tục áp dụng cho loại xe từ xe máy tới ôtô áp dụng tiêu chuẩn thử nghiệm FTP75, ECE R40 Với thời gian điền đầy ngắn, cho phép sớm tiến hành phép đo 11.PL Thông qua tiêu chuẩn ISO 9000 Tất thiết bị AVL có chế tự động kiểm chuẩn thiết bị cho phép tự động calib khối lượng đo đồng thời tự động chuẩn đoán lỗi báo lỗi Nguyên lý hoạt động Fuel Balance 733S dùng cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu tiêu thụ cung cấp cho động cách cân lượng nhiên liệu bình chứa (đo theo kiểu khối lượng) (hình Pl3.7) Hình Pl3.7 Sơ đồ nguyên lý hoặt động hệ thống AVL 733 Nhiên liệu cấp vào thùng đo, Nhiên liệu tới động cơ, Nhiên liệu hồi từ động cơ, Ống thông hơi, Các ống nối mềm, Thùng đo, Thanh cân, Lò xo lá, Cân bì, 10 Cảm biến lưu lượng, 11 Thiết bị giảm chấn, 12 Van điện từ đường nạp Fuel Balance 733S dùng cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu tiêu thụ cung cấp cho động cách cân lượng nhiên liệu bình chứa (đo theo kiểu khối lượng) Yêu cầu cảm biến phản ứng với tốc độ nhanh độ nhạy độ xác cao Bắt đầu trình đo nhiên liệu cấp đầy vào thùng đo thông qua đường cấp nhiên liệu Khi lượng nhiên liệu đầy lúc lực tì lên cảm biến lưu lượng lớn Van điện từ 12 đóng lại ngăn khơng cho dịng nhiên liệu vào thùng đo đường cấp vào động mở, lượng nhiên liệu đường hồi động (khi sử dụng hệ thống phun xăng điện tử) áp suất bình giữ ổn định nhờ ống thơng Đồng thời với q trình phận đếm thời gian hoạt động Lượng nhiên liệu bình chứa đo liên tục giây dựa vào lượng nhiên liệu cịn bình ECU tính lượng nhiên liệu tiêu thụ động PL3.6 Thiết bị đo nhiệt độ Hình Pl3.8 Cảm biến đo nhiệt độ khí thải PT100 12.PL Cảm biến đo nhiệt độ kiểu K (Hình Pl3.8), PT100 kèm mạch chuyển tín hiệu AD597A với thơng số: • Dải đo: ữ 800 C ã Sai s: 0.02 C Nguyên lý đo: T ( C) = V/10 với V điện áp (output) từ module AD597A kết nối với cảm biến nhiệt đơn vị tính mV Thiết bị hiển thị nhiệt độ bảng điện tử (Hình Pl3.9), có đầu kết nối, đầu kết nối với cảm biến nhiệt độ, đầu kết nối với máy tính để hiển thị lưu trữ liệu nhiệt độ Hình Pl3.9 Thiết bị hiển thị nhiệt độ PL3.7 Thiết bị đo hệ số dư lượng khơng khí λ Cảm biến lamda sử dụng cảm biến dải rộng Bosch LSU 4.9 (Hình Pl3.10), độ xác tới 0,1 A/F, dải đo lamda từ 0,65 đến 20 (lamda khơng khí) Hình Pl3.10 Cảm biến phần mềm đo, hiển thị lưu thông số lamda Cảm biến lambda hoạt động kết nối với LSU-IC, phần mềm cho phép khai báo loại nhiên liệu sử dụng, từ giá trị A/F đo phần mềm quy đổi sang giá trị lamda, giá trị lamda hiển thị lưu trữ dạng file tex với độ phân giải lên tới 0,1 s (Hình Pl3.10) 13.PL PHỤ LỤC CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI BỀ MẶT BỘ XÚC TÁC Các thiết bị sử dụng nghiên cứu phân tích cấu trúc hình thái bề mặt BXT bao gồm: thiết bị phân tích cấu trúc vật liệu X-ray diffractometry (XRD) RIGAKU RINT-2100CMT, kính hiển vi điện tử SEM (scanning electron microscopy, Hitachi, SU6600 EVACSEQ) thiết bị xác định phân bố thành phần vật liệu EDX (Energy Dispersive X-ray, Hitachi SU8230) Diện tích bề mặt vật liệu xác định phương pháp BET máy ASAP 2010 Tất thí nghiệm thực Phịng thí nghiệm vật liệu, Khoa khoa học vật liệu, Đại học Nagoya, Nhật Bản PL4.1 Thiết bị phân tích cấu trúc vật liệu RIGAKU RINT-2100CMT Hình Pl4.1 Thiết bị phân tích cấu trúc vật liệu RIGAKU RINT-2100CMT Thiết bị X-Ray RIGAKU RINT-2100CMT dùng để phân tích cấu trúc vật liệu (Hình Pl4.1) Thiết bị cho phép thực nghiên cứu dựa phương pháp nhiễu xạ tia X phân tích cấu trúc vật liệu, phân tích màng mỏng, phép đo phổ huỳnh quang tia X, tán xạ tia X góc nhỏ, protein phân tử nhỏ tinh thể học tia X, quang phổ Raman, quang học tia X, đo lường bán dẫn, nguồn tia X, chụp cắt lớp vi tính, kiểm tra khơng phá hủy phân tích nhiệt PL4.2 Kính hiển vi điện tử Hitachi, SU6600 EVACSEQ Hình Pl4.2 Kính hiển vi điện tử Hitachi, SU6600 EVACSEQ 14.PL Hitachi SU6600 dạng kính hiển vi điện tử (SEM) với trường phát xạ linh hoạt sử dụng cơng nghệ biến áp (VP) tiên tiến (Hình Pl4.2) Nguồn điện tử phát xạ trường Schottky cải tiến giúp cung cấp dịng điện thăm dị có độ ổn định cao SU6600 trang bị hệ thống EDAX để phân tích vật liệu linh hoạt bên cạnh hình ảnh có độ phân giải cao mơ tả chi tiết đặc tính vật liệu Chế độ VP cho phép người vận hành thay đổi điều kiện chân không buồng mẫu từ vận hành chân không cao (≤10–4Pa) sang vận hành chân không thấp (10 ~ 300Pa) Thiết bị cung cấp khả phân tích hình ảnh EDX với mẫu trực tiếp mà không cần chuẩn bị mẫu lớp phủ kim loại kỹ thuật nối đất đặc biệt Các thơng số thiết bị thể Bảng Pll4.1 Bảng Pl4.1 Thông số kỹ thuật thiết bị đo Thông số kỹ thuật Nguồn phát chùm tia điện tử Dòng thăm dò Dải điện áp điều chỉnh Độ phân giải hình ảnh Electron thứ cấp Độ phân giải hình ảnh Electron tán xạ ngược Độ phóng đại Áp suất thay đổi PL4.3 Kính hiển vi điện tử quét với quang phổ tia X Hitachi SU8230 Hình Pl4.3 Kính hiển vi điện tử quét với quang phổ tia X Hitachi SU8230 Hình Pl4.3 thể hình ảnh kính hiển vi điện tử quét với quang phổ tia X Hitachi SU8230, Bảng Pl4.2 thể thông số kỹ thuật thiết bị Kính hiển vi điện tử quét với quang phổ tia X phân tán lượng (SEM/EDX) kỹ thuật phân tích bề mặt biết đến nhiều sử dụng rộng rãi Hình ảnh có độ phân giải cao cấu trúc bề mặt, với độ sâu trường ảnh cao, tạo cách sử dụng chùm tia điện tử quét (sơ cấp) có mức tập trung lượng cao Chùm hạt electron sơ cấp vào bề mặt có lượng 0,5 - 30 kV tạo nhiều electron thứ cấp 15.PL lượng thấp Cường độ điện tử thứ cấp phần lớn bị chi phối địa hình bề mặt mẫu Do đó, hình ảnh bề mặt mẫu xây dựng cách đo cường độ điện tử thứ cấp hàm vị trí chùm điện tử sơ cấp quét Phương pháp có độ phân giải khơng gian cao chùm điện tử sơ cấp hội tụ đến điểm nhỏ (