SCIENCE TECHNOLOGY Số 44 2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KINH TẾ KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XE MÁY PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG BỘ XÚC TÁC GIÀU HYĐRO Cu Ni/Al2O3 SAU[.]
SCIENCE TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KINH TẾ KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XE MÁY PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG BỘ XÚC TÁC GIÀU HYĐRO Cu-Ni/Al2O3 SAU KHI CHẠY BỀN 5.000KM STUDY PERFORMANCE AND EMISSION OF AN EFI MOTORCYCLE SUPPLEMENTED WITH HYDROGEN-RICH GAS DIRIVED FROM ON-BOARD Cu-Ni/Al2O3 CATALYST AFTER RUNNING 5.000KM Trần Văn Hoàng1,*, Nguyễn Thế Lương1, Nguyễn Văn Thắng1, Lê Anh Tuấn1, Phạm Minh Tuấn1, Bùi Văn Chinh2 TÓM TẮT Bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydro Cu-Ni/ Al2O3 từ phần nhiên liệu nhờ xúc tác tận dụng nhiệt khí thải sử dụng động đốt để cải thiện tính kinh tế kỹ thuật phát thải động Tuy nhiên, nghiên cứu đánh giá độ bền xúc tác sau lắp động chưa thực Bài báo nghiên cứu đánh giá đặc tính kinh tế kỹ thuật phát thải động xe máy phun xăng điện tử sử dụng xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydro Cu-Ni/ Al2O3 sau chạy bền 5000km Phương pháp đối chứng sử dụng nghiên cứu này, thí nghiệm thực băng thử CD 20”, thiết bị phân tích thành phần khí thải CEBII đo tiêu hao nhiên liệu 733S Kết nghiên cứu 100% tay ga cho thấy, động sau chạy 5000km cơng suất giảm suất tiêu hao nhiên liệu tăng, trung bình giảm 1,82% công suất tăng 2,02% suất tiêu hao nhiên liệu Kết thí nghiệm cho thấy, phát thải CO HC trung bình tăng 1,89%, 1,84 %, phát thải NOx CO2 trung bình giảm xuống 1,98%, 1,90% Kết thử nghiệm sau chạy bền 5000km, độ kín khít buồng cháy giảm xuống, trung bình giảm 0,84 %, hạt kim loại xúc tác có xu hướng kết tụ lại với tạo thành hạt lớn hơn, đồng thời xuất hạt carbon kết tủa đọng bám bề mặt xúc tác Từ khóa: Ni-Cu/Al2O3, suất tiêu hao nhiên liệu, CO, HC, NOX, chạy bền ABSTRACT Steam reforming of gasoline (SRG) Cu-Ni/ Al2O3 catalyst was used in a SI engine to convert a proportion of gasoline to rich-hydrogen gas with the aid of heat generated from exhaust gas, the rich-hydrogen gas is then supplied to the engine in order to improve performance and emission quality However, studying durability of catalyst still not be executed This article will study the economic specifications and emission of an EFI motorcycle using Cu-Ni/ Al2O3 catalyst after running durability 5000km The comparing experiment was used in this study The experiment was performed on Chassis Dynamometer 20”, analyzing - exhaust equipment CEBII and Fuel balance 733S The study has shown that after running durability, at load characteristics with different load levels, power decreased while fuel consumption increased, at full load, avarage power decreased 1.82% and fuel consumption increased 2.02% It also has shown that average CO and HC content increased by 1.89% and 1.84%, while average NOx and CO2 decreased by 1.98% and 1.90% The experiment pointed out, after running durability, hermetic chamber reduced, average decreased 0.84%, catalytic metal particles tended to combine together, and appearing particles carbon was deposited on the surface of the Ni catalyst Keywords: Cu-Ni/ Al2O3, fuel consumption, CO, HC, NOx, running durability Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: tranbachoang@gmail.com Ngày nhận bài: 01/11/2017 Ngày nhận sửa sau phản biện: 10/12/2017 Ngày chấp nhận đăng: 26/02/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, nhiên liệu hóa thạch nguyên liệu cho hầu hết ngành sản suất lượng nói chung động đốt nói riêng Do vậy, nguồn nguyên liệu ngày dần bị cạn kiệt Vì nhà nghiên cứu động đưa giải pháp để đa dạng hóa nguồn nhiên liệu nâng cao hiệu sử dụng lượng nhằm giảm thiểu tối đa sử dụng nhiên liệu hóa thạch Đa dạng hóa cách sử dụng nguồn nhiên liệu thay như: Ethanol, Biodiesel, CNG, LPG,… đặc biệt khí Hydro Việc Số 44.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 83 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ nâng cao hiệu sử dụng lượng thực cách thay đổi kết cấu điều khiển động cơ, thêm phụ gia vào nhiên liệu giúp tăng độ kín khít buồng cháy Một hướng nghiên cứu khác thêm phụ gia vào nhiên liệu giúp cải thiện trình cháy cho kết khả quan Hydro nguồn nguyên liệu sạch, tái tạo sản xuất từ nguồn nước vơ tận Do Hydro có trị số Octan lớn nên xem nguồn nhiên liệu dồi mong muốn cho động đốt Trong nghiên cứu gần đây, Hydro nghiên cứu đưa vào nhiên liệu phụ gia giúp cải thiện trình cháy Radu Chiriac cộng [1] nghiên cứu phun khí Hydro vào đường nạp, kết cho thấy hiệu suất nhiệt có ích động tăng lên, phát thải CO, CO2 HC giảm, nhiên NOx lại tăng lên trình cháy cải thiện Changwei Ji cộng [2-5] nghiên cứu cho thấy giảm tiêu hao nhiên liệu khí thải chế độ khơng tải, q trình cháy với hỗn hợp nghèo cải thiện Tuy nhiên, vấn đề tích trữ, bảo quản an tồn sử dụng khí Hydro làm hạn chế phát triển nguồn nhiên liệu phương tiện giao thơng Do đó, vấn đề quan tâm sản xuất cung cấp trực tiếp khí Hydro động Ở đó, xúc tác lắp đường thải tận dụng nhiệt khí thải động cơ, kết hợp với tác dụng chất xúc tác, khí giàu Hydro sản xuất đưa đến đường nạp động Trần Văn Hoàng cộng [6] nghiên cứu báo cáo hiệu kinh tế, kỹ thuật phát thải động phun xăng điện tử sử dụng xúc tác giàu Hydro Cu-Ni/ Al2O3, kết nghiên cứu cho thấy cải thiện công suất động suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải CO, HC Tuy nhiên, vấn đề đánh giá độ bền hiệu xúc tác theo thời gian chưa nghiên cứu Vì vậy, báo nghiên cứu đánh giá thông số kĩ thuật, kinh tế phát thải động sau chạy bền với xúc tác Đối tượng thử nghiệm động xe máy Piagio-Leberty có dung tích xylanh 150cc Piagio sản xuất, lắp xúc tác tạo khí giàu hyđro Cu-Ni/Al2O3 Các thơng số kỹ thuật động xúc tác trình bày bảng 2.2 Thiết bị thử nghiệm Thử nghiệm tiến hành PTN Động đốt trong, Trường ĐHBK Hà Nội với trang thiết bị thử nghiệm gồm: băng thử xe máy CD 20”, thiết bị phân tích thành phần khí thải CEBII đo tiêu hao nhiên liệu 733S Băng thử động lực học 20“ với động cơng suất 23,9 kW, tốc độ lớn 160 km/h Hệ thống phân tích khí thải CEBII gồm phân tích thành phần CO, CO2, HC, NOx, O2 khí thải Thiết bị đo tiêu thụ nhiên liệu 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) Tiến hành đo ba lần xylanh piston động trước sau thử nghiệm Dùng panme đo đo với độ xác 0,001mm 2.3 Phương pháp thử nghiệm Quá trình thử nghiệm tiến hành theo phương pháp đối chứng động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng RON92 với khí giàu hyđro trước chạy bền sau chạy bền Động đưa lên băng thử CD 20” chạy rà vòng với vận tốc 50 km/h Lượng nhiên liệu cung cấp cho động chế độ điều khiển ECU Tiến hành đo công suất, lượng tiêu hao nhiên liệu, phát thải CO, HC, NOx, CO2 vị trí 100% tay ga tốc độ từ 30 đến 70 km/h (hình 2) Sau đo đạc, xe thử nghiệm trường 5000km tuyến đường Láng - Hòa Lạc, chạy 25 ngày liên tục, ngày chạy với tốc độ 50 km/h (hình 2) Sau chạy bền, xe đo kiểm nghiệm tính kinh tế, kỹ thuật phát thải băng thử giống trước chạy bền PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu Bảng Thông số động xe máy Piagio-Lyberty Kiểu động van, xylanh đơn, kỳ Hệ thống cung cấp nhiên liệu Phun xăng điện tử Hệ thống làm mát Làm mắt gió cưỡng Dung tích xylanh 154,8cc Cơng suất cực đại/Tốc độ 8,7 kW/7750 vịng/phút Moment xoắn cực đại/Tốc độ 12 Nm/5000 vịng/phút Bảng Thơng số kỹ thuật xúc tác tạo khí giàu hyđro Cu-Ni/Al2O3 Bộ xúc tác - Kích thước xúc tác: 25x100 mm, mật độ lỗ 200 lỗ/inch vuông - Lớp xúc tác: Thép FeCrAl, lớp vật liệu trung gian: 280g/fit3 g-Al2O3, vật liệu xúc tác: 80g/fit3; Cu:Ni 1:1 - Hệ thống hỗ trợ sấy nhiệt điện trở 3:1 Tỷ lệ xăng:nước Lượng xăng cấp cho 3% lượng tiêu hao nhiên liệu điểm đo xúc tác 84 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 44.2018 Hình Xe Piagio-Leberty thử nghiệm trường băng thử CD 20” KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết đo tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động xe Lyberty trước sau chạy bền 5.000 km 100% tay ga Kết thử nghiệm hình thể công suất suất tiêu thụ nhiên liệu xe Liberty theo tốc độ từ 30 đến 70 km/h 100% tay ga Ta thấy, tăng tốc độ từ 30 đến 70 km/h, công suất động trước chạy bền tăng đạt cực đại 70 km/h, tăng nhanh khoảng từ 30 đến 45 km/h 55 đến 70 km/h Công suất sau chạy bền có đặc tính tương tự thấp đường trước chạy bền Đối với suất tiêu thụ nhiên liệu trước sau chạy bền có dạng tăng chậm tốc độ tăng từ 30 đến 55 km/h Khi tiếp tục tăng tốc SCIENCE TECHNOLOGY độ suất tiêu hao nhiên liệu giảm xuống Đồ thị cho thấy, đường suất tiêu hao nhiên liệu sau chạy bền cao đường trước chạy Kết cho thấy, sau chạy bền công suất động giảm suất tiêu thụ nhiên liệu tăng lên Nguyên nhân dẫn đến điều piston - xylanh - xéc măng bị mịn nên độ kín khít giảm, sau chạy bền hiệu suất xúc tác giảm xuống dẫn đến lượng khí hydro cung cấp cho động giảm, làm cho công suất động giảm tiêu hao nhiên liệu tăng Hình Công suất suất tiêu hao nhiên liệu xe Liberty trước sau chạy thử nghiệm trường đo 100% tay ga Hình Phát thải CO CO2 xe Liberty trước sau chạy thử nghiệm trường đo 100% tay ga Hình Phát thải HC NOx xe Liberty trước sau chạy thử nghiệm trường đo 100% tay ga Kết thử nghiệm hình thể phát thải động xe Liberty trước sau chạy trường chế độ 100% tay ga, tốc độ từ 30 đến 70 km/h Kết thí nghiệm (hình 4), trước chạy bền, phát thải CO tăng nhanh CO2 giảm nhanh tốc độ tăng từ 30 lên 55 km/h Tiếp tục tăng tốc độ phát thải CO CO2 gần khơng đổi Nhìn biểu đồ hình cho thấy, trước chạy bền, NOx có xu hướng giảm mạnh HC có xu hướng tăng chậm tốc độ tăng từ 30 đến 55 km/h, sau hai có xu hướng giảm, HC giảm khơng đáng kể Đường đặc tính CO, HC, NOx, CO2 sau chạy bền có hình dáng tương tự CO HC thấp NOx CO2 cao so với trước chạy bền Qua chứng tỏ, phát thải CO, HC tăng lên NOx CO2 giảm xuống Hình Tính kinh tế, kỹ thuật phát thải trung bình động sau so với trước thử nghiệm trường đo 100% tay ga Hình cho ta kết tính kinh tế, kỹ thuật phát thải trung bình động sau so với trước thử nghiệm ngồi trường đo đặc tính tốc độ 100% tay ga Nhìn biểu đồ cho thấy, cơng suất trung bình tồn dải tốc độ sau chạy bền giảm 1,82% so với trước chạy bền, nhiên giá trị giảm không đáng để, chế độ thử nghiệm cơng suất giảm 2% Suất tiêu thụ nhiên liệu trung bình sau chạy bền chế độ 100% tay ga tăng 2,02% so với trước chạy bền Suất tiêu thụ nhiên liệu tăng lên sau chạy bền chế độ thử nghiệm, nhiên giá trị tăng lên không đáng kể dao động khoảng 2% Hình cho thấy, sau chạy trường phát thải CO trung bình tồn dải tốc độ động tăng 1,89%, phát thải HC trung bình tăng 1,84%, phát thải NOx trung bình giảm 1,98% phát thải CO2 trung bình giảm 1,90% so với trước chạy trường Kết chứng tỏ sau chạy trường piston - xylanh - xéc măng bị mịn nên dẫn đến q trình cháy phát thải CO HC tăng lên phát thải CO2 NOx giảm xuống Tuy nhiên kết thay đổi không đáng kể thấp 2% 3.2 Đánh giá độ kín khít buồng cháy Độ kín khít buồng cháy động thể qua thông số áp suất nén không nổ Kết đo trước sau chạy thử nghiệm trường cho bảng Có thể thấy giá trị áp suất nén đo sau chạy bền động tốc độ khác giảm Tuy nhiên, độ chênh lệch hai giá trị khơng đáng kể, trung bình giảm 0,84% Bảng Áp suất nén đo trước sau chạy bền Áp suất nén (bar) Tốc độ (km/h) Trước thử nghiệm Sau thử nghiệm 11,5 11,4 10 11,8 11,7 15 12,3 12,2 Sau chạy bền 5000km, thực tháo động đo piston xylanh Thực lần đo để lấy kết trung bình, đo xylanh vị trí cách mép xylanh 10mm đo theo hướng ngang xylanh, đo piston vị trí cách lỗ chốt piston khoảng 10mm phía vng góc với chốt piston Số 44.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 85 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Kết hình cho thấy, mài mịn piston xylanh động khơng q 0,5% Hình Kết đo piston xylanh động sau chạy 5000km 3.3 Đánh giá độ bền xúc tác Cu-Ni/ Al2O3 Cu Al Ni C Hình Ảnh chụp kính hiển vi điện tử SEM EDX bề mặt xúc tác Cu-Ni/ Al2O3 trước chạy bền Cu Al Ni Hình Ảnh chụp kính hiển vi điện tử SEM EDX bề mặt xúc tác Cu-Ni/ Al2O3 sau chạy bền Hình thể ảnh chụp bề mặt xúc tác kình hiển vi điện tử SEM EDX trước sau chạy bền Kết cho thấy sau chạy bền, hạt kim loại Ni, Cu, 86 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 44.2018 Al có xu hướng lớn Chính điều làm giảm diện tích phản ứng dẫn đến làm giảm hiệu suất xúc tác Bên cạnh đó, ảnh chụp kính hiển vi điện tử cho thấy bề mặt xúc tác có đọng bám hạt Carbon kết tủa Chính hạt Carbon làm tác dụng hoạt động kim loại Ni dẫn đến giảm khả chuyển hóa nhiên liệu thành khí Hydro xúc tác, hay phần làm giảm cơng suất động Do đó, ta phải sử dụng phương pháp để loại bỏ hạt Carbon bề mặt xúc tác để kéo dài tuổi thọ xúc tác trì làm việc ổn định KẾT LUẬN Hiệu kinh kế kỹ thuật phát thải động sử dụng xúc tác giàu hyđro Cu-Ni/Al2O3 đánh giá so sánh trước sau chạy bền 5.000km Kết rằng, công suất xe máy sau chạy thử nghiệm trường giảm không đáng kể so với trước chạy trường Cụ thể, chạy đặc tính tốc độ 100% tải, cơng suất trung bình sau chạy bền giảm 1,82% so với trước chạy bền, chế độ thử nghiệm khác cơng suất giảm 2%, suất tiêu thụ nhiên liệu trung bình sau chạy bền tăng 2,02% Kết thử nghiệm cho thấy phát thải CO HC xe máy tăng lên so với trước chạy trường 1,89% 1,84%, đồng thời phát thải CO2 NOx trung bình giảm xuống 1,90% 1,98% Thử nghiệm cho thấy, sau chạy bền hạt kim loại xúc tác có kích thước lớn lên bề mặt xúc tác có đọng bám hạt Carbon kết tủa Chính điều làm giảm hiệu suất suất xúc tác, dẫn đến công suất động giảm Lời cảm ơn Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Bộ Khoa học Cơng nghệ cung cấp tài chính, PTN Động đốt Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cho phép sử dụng trang thiết bị để thực nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Radu Chiriac, et al., 2006 Effects of Gasoline-Air Enrichment with HRG Gas on Efficiency and Emissions of a SI Engine SAE Paper 2006- 01- 3431 [2] Changwei Ji, Shuofeng Wang, 2010 Combustion and emissions performance of a hybrid hydrogen-gasoline engine at idle and lean conditions Int J of Hydrogen Energy, Vol 35, 346-355 [3] Changwei Ji, Shuofeng Wang, 2009 Effect of hydrogen addition on combustion and emissions performance of a spark ignition gasoline engine at lean conditions Int J of Hydrogen Energy, Vol 34, 7823-7834 [4] Changwei Ji, et al., 2010 Effect of spark timing on the performance of a hybrid hydrogen-gasoline engine at lean conditions, Int J of Hydrogen Energy, Vol 35, 2203-2212 [5] Changwei Ji, Shuofeng Wang, 2010 Experimental study on combustion and emissions performance of a hybrid hydrogen-gasoline engine at lean burn limits, Int J of Hydrogen Energy, Vol 35, 1453-1462 [6] Tran Van Hoang, Nguyen The Luong, Le Anh Tuan, Pham Minh Tuan, 2016 Study performance and emission of an EFI motorcycle supplemented with hydrogen-rich gas dirived from on-board Cu-Ni/ Al2O3 catalyst Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 108 - 114, tháng năm 2016