(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

(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu tơi thực Luận án có sử dụng phần kết tơi nhóm nghiên cứu thực Đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu thiết kế chế tạo xúc tác ba thành phần phù hợp với xăng pha cồn (E5-E20) lắp ôtô”, mã số B2016-BKA18 PGS.TS Nguyễn Thế Lương làm Chủ nhiệm đề tài, quan chủ trì Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng phần kết nghiên cứu Đề tài cấp Bộ vào việc viết luận án Tôi xin cam đoan số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Người hướng dẫn Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Nguyễn Thế Lương PGS.TS Trần Quang Vinh Nguyễn Duy Tiến i LỜI CẢM ƠN Lời cho phép gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng đào tạo, Viện Cơ khí Động lực, Bộ mơn Động đốt Trung tâm Nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu khí thải cho phép giúp đỡ tơi thực luận án thời gian học tập, nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn hai giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thế Lương PGS.TS Trần Quang Vinh hướng dẫn tận tình chu đáo chuyên mơn, giúp tơi thực hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy cô phản biện, thầy cô Hội đồng chấm luận án đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hồn chỉnh luận án đưa định hướng nghiên cứu tương lai Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè đồng nghiệp, người động viên khuyến khích suốt thời gian nghiên cứu thực cơng trình Nghiên cứu sinh Nguyễn Duy Tiến ii 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 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 mô 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 BXTEMT 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 BXTEMT 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 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Ký hiệu λ δ ԑwcl ρL wkL ∆hs ∆hs% A/F 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 CPSI CPSM dhyd E ge GHSV Gnl Gkn Gkt HSi (x) K Ne r R s tkt T ya zb Tên gọi Hệ số dư lượng không khí Chiều dầy lớp vật liệu trung gian Độ xốp lớp vật liệu trung gian Mật độ pha khí lớp vật liệu trung gian Khối lượng chất khí k Thay đổi hiệu suất Mức độ thay đổi hiệu suất Tỷ lệ khối lượng khơng khí nhiên liệu nạp vào động Mật độ lỗ lõi xúc tác Mật độ lỗ lõi xúc tác Chiều rộng thông qua lỗ (cell) xúc tác Năng lượng hoạt hóa phản ứng Suất tiêu thụ nhiên liệu Vận tốc không gian Lưu lượng khối lượng nhiên liệu Lưu lượng khối lượng khơng khí Lưu lượng khối lượng khí thải Hiệu suất chuyển đổi phát thải i sử dụng nhiên liệu x Tham số tốc độ phản ứng Công suất động chế độ làm việc Tốc độ phản ứng Hằng số khí lý tưởng Khoảng cách lỗ (cell) xúc tác Nhiệt độ khí thải Nhiệt độ phản ứng Phần trăm chất khí a hỗn hợp Thành phần kim loại/ xít b bề mặt lớp kim loại vii Đơn vị m % kg % % cell/ in2 cell/ m2 m kJ/mol g/kW.h h-1 kg/h kg/h kg/h % kmol/m2.s kW mol/(l.s) Jmol⁻¹K⁻¹ m C  % % DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu ADAC ADR37/01 AMA AUCI BET BGTVT BXT BXTct BXTđc 10 BXTEMT 11 BXTm 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 CCCs CD20” CEB II CHK CO CO2 CNG CXT CVS ĐCĐT 22 E0-E100 23 ECU 24 EDS 25 26 27 28 EPMA EURO3 H2O H/C 29 HC 30 31 GDP KXT Diễn tả Tổ chức xe máy xe Đức Chu trình thử tiêu chuẩn Australia Chu trình kiểm tra độ bền động AVL User Coding Interface - giao diện lập trình AVL Boost Brunauer Emmett Teller - Phương pháp xác định diện tích bề mặt theo phương pháp phân tích bề mặt riêng Bộ Giao thơng vận tải Three Way Catalyst - Bộ xử lý khí thải ba thành phần Bộ xúc tác cải tiến, sử dụng q trình mơ phỏng, thực nghiệm, phát triển từ BXTm, sử dụng kết hợp vật liệu xúc tác CuOMnO2 xúc tác kim loại quý Pt/Rh Bộ xúc tác điều chỉnh, sử dụng q trình mơ phỏng, phát triển từ BXTEMT sau thay đổi số thông số kỹ thuật Bộ xúc tác sở, cung cấp hãng Emitec Bộ xúc tác mới, sử dụng q trình mơ phỏng, phát triển từ BXTđc, sử dụng vật liệu xúc tác CuO/MnO2 Lõi xúc tác lắp gần cửa thải Chassis dynamometer 20’’ - Băng thử xe máy Emissions Bench - Thiết bị phân tích khí thải Bộ chế hịa khí Monoxit cacbon Dioxit cacbon Compressed Natural Gas - Khí thiên nhiên nén Đường thải xe có lắp xúc tác Contant Volume System - Thiết bị lấy mẫu với thể tích không đổi Động đốt Tỷ lệ phần trăm thể tích ethanol nhiên liệu xăng pha cồn từ – 100% Electronic Control Unit - Bộ điều khiển điện tử Energy dispersive X-ray spectroscopy - Xác định thành phần nguyên tố phương pháp phân tích phổ Electron Probe Micro Analyzer - Phép vi phân điện cực điện tử Tiêu chuẩn phát thải EURO3 Châu Âu Hơi nước Tỷ lệ nguyên tử hydro/cacbon phân tử nhiên liệu Hydro carbon - Thành phần nhiên liệu cháy khơng hết, cịn dư khí thải Tổng thu nhập quốc dân quốc gia Đường thải xe không lắp xúc tác viii 32 33 LNG LPG 34 MBT 35 MTBE 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 NCS 49 TG-DTA 50 51 52 53 54 55 56 57 THC TPR Rh US-FTP 75 XPS XRD WHO ZEV NMs NOx OSC Pd PM Pt PXĐT QCVN SBXT SEM SO2 TBXT Liquefied Natural Gas - Khí thiên nhiên hóa lỏng Liquefied Petroleum Gas- Khí dầu mỏ hóa lỏng Maximum brake torque - Góc đánh lửa sớm tối ưu theo tiêu chí mơ men lớn Methyl tertiary butyl ether - Hợp chất pha vào xăng để tăng số octan Nghiên cứu sinh Catalyst nanomaterials – Lớp xúc tác kim loại quý Thành phần khí thải gồm NO2, NO, N2O Lớp vật liệu xúc tác giải phóng hấp thụ xy Paladium - kim loại quý xúc tác Phát thải dạng hạt Platinum - kim loại quý xúc tác Hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử Quy chuẩn Việt Nam Các thơng số đo phía sau xúc tác Scanning Electron Microscope - Kính hiển vi điện tử Oxit lưu huỳnh - Thành phần phát thải động Các thơng số đo phía trước xúc tác Differential Thermal Analysis - Phân tích nhiệt vi sai, sử dụng để phân tích thành phần vật liệu Tổng lượng hydrocacbon khí thải động Temperature Programmed Reduction - Đặc tính khử theo nhiệt độ Rhodium - kim loại quý xúc tác Chu trình kiểm tra khí thải Mỹ Photoelectron Spectroscopy - Phân tích quang phổ X-Ray Diffraction – Nhiễu xạ tia X World Health Organization - Tổ chức y tế giới Zero Emission Vehicle – Xe ô tô không phát thải ix ... 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... - Bộ xử lý khí thải ba thành phần Bộ xúc tác cải tiến, sử dụng q trình mơ phỏng, thực nghiệm, phát triển từ BXTm, sử dụng kết hợp vật liệu xúc tác CuOMnO2 xúc tác kim loại quý Pt/Rh Bộ xúc tác. .. cam đoan đề tài nghiên cứu tơi thực Luận án có sử dụng phần kết tơi nhóm nghiên cứu thực Đề tài cấp Bộ ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo xúc tác ba thành phần phù hợp với xăng pha cồn (E5-E20) lắp