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

LỜI CẢM ƠN Lời cho phép gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng đào tạo, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động đốt Trung tâm Nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu khí thải cho phép giúp đỡ 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 chun mơn, giúp tơi thực hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lòng 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 ln 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 mơ phần mềm AVL Boost 44 2.3 Xây dựng mơ hình mơ BXT 45 2.3.1 Xây dựng mô 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 khơng 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 thông 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 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 khơng 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 ô 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 q 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 DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phát thải động xăng theo λ [5] Hình 1.2 Cấu tạo BXT [22] 11 Hình 1.3 So sánh hoạt tính xúc tác chất xúc tác Pt-Rh/CeO2 với có (nét liền) khơng có (nét đứt) bổ sung Ba Zr, thử nghiệm 950°C 40 [25] 13 Hình 1.4 Ảnh cấu trúc lớp phủ sau tiếp xúc với nhiệt độ cao [25] 14 Hình 1.5 So sánh hoạt tính xúc tác a) Rh/γ-Al2O3 (b) Rh/ZrO2]/γ-Al2O3 sau xử lý nhiệt 1100oC khơng khí [26] 14 Hình 1.6 Ảnh hưởng xăng có chì hiệu suất BXT thông thường [27] 15 Hình 1.7 Hình ảnh cấu trúc bề mặt Pt/γ- Al2O3 sau tiếp xúc với khí thải mơ có chứa chì (0,33 g/l) [27] 16 Hình 1.8 Ảnh (SEM) lớp Zn, Ca, Mg phốt phát bề mặt xúc tác [29] 16 Hình 1.9 Ảnh (SEM) lớp xúc tác bị tích tụ phốt pho, hình thành cụm Pt [30] 17 Hình 1.10 Ảnh hưởng mật độ lỗ (số cell) đến hiệu làm việc BXT [36] 18 Hình 1.11 Vị trí đặt BXT đường thải [37] 18 Hình 1.12 Bố trí cảm biến xy đường thải [37] 19 Hình 1.13 Hiệu BXT theo hệ số dư lượng khơng khí λ [38] 19 Hình 1.14 Hiệu chuyển đổi thành phần phát thải phụ thuộc mức độ dao động hệ số dư lượng khơng khí λ [10] 19 Hình 1.15 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol tới hệ số dư lượng khơng khí tương đương (a) hệ số nạp (b) [42] 21 Hình 1.16 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol tới phát thải CO, HC CO2 [42] 21 Hình 1.17 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol tới phát thải NOx [43] 21 Hình 1.18 Hàm lượng phát thải giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp [55] 22 Hình 1.19 Khí thải hữu từ xe chạy 100% cồn, động xylanh [57] 22 Hình 1.20 Hiệu chuyển hóa axetan-đêhít foman-đêhít BXT động chạy 100% cồn [57] 23 Hình 1.21 Hình ảnh SEM bề mặt BXT sử dụng xăng thông thường [58] 24 Hình 1.22 Hình ảnh SEM bề mặt BXT sử dụng nhiên liệu xăng E10 [58] 24 Hình 1.23 Lượng phát thải VOCs (a) tiềm phá hủy tầng ô zôn (b) sử dụng RON95, E15 E30 trường hợp có (C) khơng có (NC) BXT [59] 25 Hình 1.24 Sơ đồ sấy nóng BXT dịng điện cao tần [24] 26 Hình 1.25 So sánh phát thải xe theo chu trình thử ECE R40 hai trường hợp có khơng có sấy [24] 26 Hình 1.26 Khả chuyển hóa CO xúc tác nano Au chất MgO ZrO2 [61] 27 Hình 1.27 Hiệu suất chuyển hóa CO p-xylence xúc tác Pt-CuO với chất khác [62] 27 Hình 1.28 Quy trình cơng nghệ chế tạo lõi BXT gốm nguyên khối theo phương pháp cán lăn [65] 28 Hình 1.29 Chế tạo lõi xúc tác kim loại nguyên khối cách cuộn [65] 29 Hình 1.30 Hiệu chuyển đổi NO số mẫu xúc tác Cu/Mn [76] 30 x Hình 1.31 Hiệu chuyển đổi NO theo nhiệt độ mẫu CuMn/AC-1, CuMn/AC-2, CuMn/AC-3 [76] 31 Hình 1.32 Hiệu khử NO CO môi trường có khơng có xy nhiệt độ khác [77] 31 Hình 1.33 Hiệu xy hóa CO xúc tác CuO/MnO2 [78] 32 Hình 2.1 Các bước chế phản ứng xúc tác [79] 35 Hình 2.2 Cấu trúc khối monolith dạng tổ ong [79] 36 Hình 2.3 BXT với lỗ ô vuông phủ lớp vật liệu trung gian [79] 38 Hình 2.4 Mơ hình trao đổi nhiệt lỗ BXT với Qi-dòng nhiệt, x- phân tố chiều dài lõi BXT [24] 44 Hình 2.5 Giao diện phần mềm AVL Boost [78] 45 Hình 2.6 Mơ hình BXT AVL-Boost [79] 46 Hình 2.7 Màn hình nhập điều khiển liệu chung 46 Hình 2.8 Nhập liệu điền kiện biên 47 Hình 2.9 Màn hình nhập liệu phần tử BXT 48 Hình 2.10 Sơ đồ bố trí vị trí lấy mẫu khí thải cảm biến 51 Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm 52 Hình 3.1 Nội dung, mục tiêu quy trình mơ 58 Hình 3.2 Hiệu suất chuyển đổi BXTEMT với thành phần CO sử dụng nhiên liệu RON95, E10 E20 60 Hình 3.3 Hiệu suất chuyển đổi BXTEMT với thành phần HC sử dụng nhiên liệu RON95, E10 E20 60 Hình 3.4 Hiệu suất chuyển đổi BXTEMT với thành phần NOx sử dụng nhiên liệu RON95, E10 E20 61 Hình 3.5 Hiệu suất chuyển đổi trung bình BXTEMT bốn đường đặc tính với thành phần phát thải sử dụng nhiên liệu RON95, E10 E20 61 Hình 3.6 Yêu cầu hiệu suất chuyển đổi thành phần phát thải BXTct so với BXTEMT 64 Hình 3.7 Ảnh hưởng thay đổi mật độ lỗ (cell) tới hiệu chuyển đổi thành phần phát thải BXT, chế độ 50% tải, tốc độ 50 km/h, nhiên liệu RON95 65 Hình 3.8 Hiệu suất xử lý BXT theo GHSV qua BXT, Tbxt =500oC, =1(RON95) 66 Hình 3.9 Hiệu suất xử lý BXT theo thể tích lõi, Tbxt =500oC, =1 (RON95), lưu lượng khí thải 22,2 kg/h (50% tải, 50 km/h) 67 Hình 3.10 Hiệu suất xử lý BXT theo lượng kim loại quý, Tbxt = 500oC, GHSV =250.000h-1 (50% tải, 50 km/h), mật độ lỗ 400 cell, =1 (RON95) 67 Hình 3.11 Hiệu suất xử lý BXT theo tỷ lệ kim loại quý (Pt/Rh), Tbxt = 500oC, GHSV = 250.000h-1 (50% tải, 50 km/h), mật độ lỗ 400 cell, =1 (RON95) 68 Hình 3.12 So sánh hiệu suất BXTđc hiệu suất mục tiêu BXTct 69 Hình 3.13 Hiệu suất BXT (CuO)x-(MnO2)1-x (x=0; 0,3; 0,5; 0,7; 1) =1 (RON95), Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 ((50% tải, 50 km/h) 72 Hình 3.14 Hiệu suất BXTm theo nhiệt độ, =1 (RON95), GHSV= 250.000h-1 (50km/h, 50% tải) 72 Hình 3.15 Hiệu suất BXTm theo GHSV Tbxt = 500oC, λ=1 (RON95) 73 xi Bảng Pl2.10 Hiệu suất chuyển đổi BXTđc theo tỷ lệ kim loại quý, Tbxt = 350oC, GHSV =250.000h-1, mật độ lỗ 400 cell, =1 (RON95) Tỷ lệ Pt/Rh CO HC NOx (5-1) (4-2) 74 67 64 58 72 79 (3-3) (2-4) (1-5) 60 44 30 48 39 27 83 85 87 Bảng Pl2.11 Kết mô hiệu suất chuyển đổi BXTđc 25% độ mở bướm ga RON95 HC(%) NOx(%) CO(%) E10 HC(%) NOx(%) 76,05 67,52 60,02 56,01 75,36 68,28 67,52 55,16 74,12 50 65,48 54,97 60 64,97 54,25 v (km/h) 20 CO(%) 66,21 58,33 30 67,43 40 CO(%) E20 HC(%) NOx(%) 75,83 68,77 63,14 73,57 57,25 73,35 70,04 63,05 72,25 68,47 56,24 72,94 79,61 57,82 71,98 73,26 69,03 56,33 71,64 68,81 57,88 68,12 70,31 65,88 55,48 66,69 69,01 56,12 67,87 Bảng Pl2.12 Kết mô hiệu suất chuyển đổi BXTđc 50% độ mở bướm ga RON95 HC(%) NOx(%) 54,16 75,55 CO(%) 65,29 E10 HC(%) 55,42 NOx(%) 73,16 CO(%) 67,06 E20 HC(%) 52,28 NOx(%) 71,52 75,06 65,72 54,63 71,77 67,82 56,24 70,81 49,23 73,52 68,52 53,28 70,91 69,72 54,75 68,58 62,31 50,86 71,56 70,01 51,72 68,54 71,41 54,71 66,22 61,21 49,87 70,91 62,05 50,55 67,94 62,01 52,66 64,17 v (km/h) 30 CO(%) 61,21 40 61,77 50,92 50 63,52 60 70 Bảng Pl2.13 Kết mô hiệu suất chuyển đổi BXTđc 75% độ mở bướm ga RON95 HC(%) NOx(%) CO(%) E10 HC(%) NOx(%) 72,48 62,21 54,92 51,85 70,59 63,75 58,31 53,17 69,82 60 55,37 52,01 70 54,29 49,21 v (km/h) 30 CO(%) 55,77 53,21 40 58,23 50 CO(%) E20 HC(%) NOx(%) 69,48 65,04 58,16 67,02 55,17 68,74 66,53 59,32 65,45 61,31 53,65 67,45 65,98 57,44 65,57 67,97 59,52 53,21 66,51 60,15 56,26 62,22 65,63 56,63 50,77 61,43 58,18 52,55 58,13 Bảng Pl2.14 Kết mô hiệu suất chuyển đổi BXTđc 100% độ mở bướm ga RON95 HC(%) NOx(%) CO(%) E10 HC(%) NOx(%) 61,61 37,68 31,23 25,21 57,28 34,73 28,61 26,28 55,17 70 26,34 25,73 80 21,31 26,08 v (km/h) 40 CO(%) 31,21 26,17 50 29,55 60 CO(%) E20 HC(%) NOx(%) 54,86 42,33 40,33 51,51 31,17 54,64 42,24 38,74 50,27 30,23 30,88 52,63 37,03 36,76 48,16 54,89 28,29 27,28 51,82 35,36 34,11 45,17 48,24 25,88 25,2 45,71 32,62 32,44 39,41 4.PL PL2.3 Kết mô với BXTm Bảng Pl2.15 Hiệu suất BXTm theo nhiệt độ lõi xúc tác, =1, GHSV= 250.000h-1 (50km/h, 50% độ mở bướm ga) Nhiệt độ lõi xúc tác (0C) CO HC NOx 200 23,2 15,3 30,4 250 30,2 22,2 34,1 300 42,3 31,4 41 350 51,2 43,5 55,2 400 55,4 47,2 60,1 450 56,9 48,9 62,3 500 60,5 50,3 64,9 550 63,1 53,1 66,8 600 64 54,9 69 650 64,9 56 70,2 Bảng Pl2.16 Hiệu suất BXTm theo GHSV Tbxt = 500 C, λ =1 o GVHS (h-1) CO (%) HC (%) NOx (%) 50.000 43,15 37,06 49,02 100.000 63,11 52,12 69,11 150.000 62,17 51,13 67,13 200.000 59,96 50,31 64,88 250.000 59,02 49,05 64,03 300.000 58,51 48,97 62,94 350.000 57,86 46,01 59,05 400.000 54,02 44,97 56,94 450.000 38,66 38,69 41,03 Bảng Pl2.17 Hiệu suất BXTm theo hệ số dư lượng khơng khí λ, Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 (50% tải, 50% độ mở bướm ga) λ(-) CO HC NOx 0,85 17,5 15,4 67,1 0,9 20,4 22,2 65,9 0,95 33,2 27,7 64,2 55,1 45,3 58,3 1,05 58,3 47,1 56,2 1,1 59,8 48,8 54,1 1,15 62,2 51,1 41,2 1,2 63,9 52,1 28,5 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) =1, Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 (50km/h, 50% độ mở bướm ga) Lượng kim loại quý (g) CO HC NOx 55,21 45,02 58,32 0,02 63,17 51,14 65,16 0,05 69,42 58,27 74,22 0,07 73,43 63 79,53 0,09 75,51 66,04 82,51 0,11 77,03 68,12 84,14 0,14 79,71 70,21 85,41 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) RON95 E10 E20 30 71 73 74 40 72,6 75,08 76,26 50 73,42 76,04 76,65 60 72 75,66 76,29 70 69,12 68,76 69,9 TB 71,63 73,71 74,62 Bảng Pl2.20 Hiệu suất chuyển đổi với thành phần phát thải HC BXTct, 50% tải sử dụng nhiên liệu RON95, E10, E20 v (km/h) RON95 E10 E20 30 60,02 62,17 63,7 40 62,14 64,5 67,09 50 63,05 65,21 68 60 62 64,06 66,02 70 59,65 60,32 60,97 TB 61,37 63,25 65,16 Bảng Pl2.21 Hiệu suất chuyển đổi với thành phần phát thải NOx BXTct, 50% tải sử dụng nhiên liệu RON95, E10, E20 v (km/h) RON95 E10 E20 30 79,56 76,75 75 40 80,06 77,5 75,5 50 79,53 77,81 74,79 60 78,96 76 73,94 70 77,41 74 71 TB 79,1 76,41 74,04 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 phòng 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) Thơng số kỹ thuật thiết bị thể Bảng Pl3.1 sơ đồ hệ thống thử nghiệm thể Hình Pl3.1 Bảng Pl3.1 Thơng số kỹ thuật thiết bị đo Thiết bị Dải đo AVL 733S CO Các CO2 phân tích khí thải HC NOx - 100.000 ppm (4 dải) - 160.000 ppm (4 dải) - 20.000 ppm (4 dải) - 5.000 ppm (4 dải) Độ phân giải Độ xác mg – 0,5s ±1% ppm ±2% ppm ±2% ppm ±2% ppm ±2% Băng thử Tốc độ 0-200 km/h 0,1 km/h 0,01% lăn Lực kéo 0-1.000 N 0.1 N ±1% 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 mô 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 công 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 môi 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, CO2, 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 (CO2) 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 H2/He) Trong buồng phản ứng, hỗn hợp khí Synthetic Air (20% O2, 80% N2) bơm vào làm môi trường 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 khơng sinh luồng khí nén thổi qua miệng hút Dựa vào cường độ dịng điện sinh đánh giá lượng HC có khí mẫu - Bộ phân tích NOx xác định thành phần NOx phương pháp quang hóa Thực chất phương pháp đo cường độ ánh sáng phần tử NO2 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 ơzơn, O2 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 O3 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 O3 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 NOx xảy với hiệu suất định Do để biết xác lượng chất NO NOx 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 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 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 o: ữ 8000C ã Sai s: 0.020C Nguyờn lý đo: T (0C) = 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 RINT2100CMT, 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 công nghệ biến áp (VP) tiên tiến (Hình Pl4.2) Nguồn điện tử phát xạ trường Schottky cải tiến giúp cung cấp dòng 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 thông số thiết bị thể Bảng Pll4.1 Bảng Pl4.1 Thông số kỹ thuật thiết bị đo Mô tả/Đơn vị Thông số kỹ thuật Nguồn phát chùm tia điện tử Nguồn điện tử phát xạ ZrO/W Schottky Dòng thăm dò 1pA ~ 200nA Dải điện áp điều chỉnh 0,5 ~ 30kV (bước 0,1kV) Độ phân giải hình ảnh Electron thứ cấp 1,2nm (Vacc: 30kV, WD = 5mm) Độ phân giải hình ảnh Electron tán xạ 3,5nm (Vacc: 30kV, WD = 8mm, 10Pa) ngược Độ phóng đại 10 - 600.000X Áp suất thay đổi 10 ~ 300 Pa 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 qt với quang phổ tia X Hitachi SU8230, Bảng Pl4.2 thể thơng 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 (