v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.3. Xây dựng mô hình mô phỏng BXT
2.3.1. Xây dựng mô hình
Với đối tượng nghiên cứu là xe máy, cụ thể là xe Liberty 150 của hãng Piaggio - Việt Nam. Như đã trình bày ở đầu chương 2, các thông số của BXT dành cho xe máy
của hãng Emitec được dùng để xây dựng mô hình mô phỏng (BXTEMT). Các thông số kỹ thuật của BXTEMT được cung cấp bởi hãng Emitec.
.
Hình 2.6. Mô hình BXT trên AVL-Boost [79]
Tiến hành xây dựng mô hình BXTEMT trên phần mềm AVL Boost từ các phần tử trong phần mềm. Các phần tử của mô hình thể hiện trên Hình 2.6 và Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các phần tử của mô hình
STT 1 2 3
2.3.2. Nhập dữ liệu cho mô hình
Dữ liệu nhập vào mô hình bao gồm các dữ liệu điều khiển chung, dữ liệu điều kiện biên, các dữ liệu về kết cấu BXT và các phản ứng diễn ra trong BXT. Các dữ liệu như lưu lượng khí thải, nồng độ của các thành phần khí thải đầu vào, nhiệt độ của BXT, áp suất trước và sau BXT. Ngoài các dữ liệu thuộc thông số kỹ thuật, các dữ liệu khác được tham khảo từ thực nghiệm thực hiện trên BXTEMT. Các dữ liệu nhập vào cần phải nằm trong giới hạn giá trị quy định và giới hạn tính toán của phần mềm. Phần mềm sẽ báo lỗi khi dữ liệu nhập vào vượt quá giá trị giới hạn và tính toán. Quá trình nhập dữ liệu cho mô hình được thực hiện trình tự theo các nội dung sau.
2.3.2.1. Nhập dữ liệu điều khiển chung
Hình 2.7. Màn hình nhập dữ điều khiển liệu chung
Dữ liệu chung là dữ liệu chi phối toàn bộ quá trình mô phỏng của mô hình. Dữ liệu chung cần phải nhập đầu tiên trước khi nhập dữ liệu cho các phần tử cụ thể của mô hình. Màn hình nhập dữ liêu điều khiển chung được thể hiện trên Hình 2.7.
Các dữ liệu này được nhập thông qua các của sổ giao diện. Trong suốt quá trình tính toán các dữ liệu chung này sẽ là thông số điều khiển bên ngoài, điều khiển các quá trình chạy, truy xuất dữ liệu, tính toán cơ bản…
Căn cứ vào nội dung bài toán mô phỏng, thông số kỹ thuật của BXTEMT và tham khảo thực nghiệm, các thông số chung của mô hình được khai báo như trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Dữ liệu điều khiển chung
STT Thông số
1 Thời điểm bắt đầu
2 Thời điểm kết thúc
3 Bước thời gian
4 Thành phần khí thải
đầu vào BXT
2.3.2.2. Nhập dữ liệu điều kiện biên
Điều kiện biên ATB 1 thể hiện trạng thái đầu vào của BXT như nhiệt độ, hệ số dư lượng không khí, lưu lượng và thành phần của khí thải khi đi vào BXT. Các thông số này được xác định và tính toán từ thực nghiệm.
Việc khai báo các thông số điều kiện biên ATB 1 được thực hiện cụ thể như trên Hình 2.8. Điều kiện biên ATB 2 bao gồm áp suất khí thải sau BXT được chọn bằng hằng số 1,05 bar (thông qua đo đạc trên xe thử nghiệm tại các đặc tính khảo sát) tổng hợp các thông số điều kiện biên ATB 1 và ATB 2 được tổng hợp trên Bảng 2.3.
Hình 2.8. Nhập dữ liệu điền kiện biên. Bảng 2.3. Dữ liệu điều kiện biên
STT
1
2.3.2.3. Nhập dữ liệu phần tử BXT
Hình 2.9. Màn hình nhập dữ liệu phần tử BXT
Căn cứ vào các thông số kỹ thuật của BXTEMT và các tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết, các dữ liệu về phần tử BXTEMT (Bảng 2.4) được đưa vào mô hình (Hình 2.9).
Bảng 2.4. Dữ liệu về phần tử BXTEMT
STT Thông số
1 Thể tích BXT
2 Chiều dài khối BXT
3 Mật độ lỗ (cell)
4 Tổng thể tích phần rỗng của các lỗ (cell)
5 Độ dày thành khối xúc tác
6 Độ dày lớp washcoat
7 Khối lượng riêng BXT
8 Độ dẫn nhiệt
9 Nhiệt dung riêng
10 Hệ số truyền nhiệt bên ngoài
11 Độ dày lớp vỏ
12 Độ dày lớp cách nhiệt
13 Độ dẫn nhiệt của lớp vỏ
14 Độ dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt
15 Nhiệt độ môi trường
16 Kim loại quý sử dụng
17 Khối lượng kim loại quý Pt, Rh sử dụng
18 Tỷ lệ khối lượng Pt/Rh
2.3.2.4. Thiết lập cơ chế phản ứng
Cơ chế phản ứng và các thông số liên quan đến các phản ứng hóa học diễn ra trong BXT là yếu tố quyết định đến việc mô hình mô phỏng có phản ánh đúng xu hướng
diễn ra trong mô hình thực hay không. Tính chính xác của các kết quả mô phỏng sẽ phụ thuộc vào việc khai báo đúng cơ chế và các thông số của cơ chế phản ứng.
AVL Boost cung cấp các cơ chế phản ứng mặc định. Tuy nhiên do yêu cầu cụ thể của bài toán là sử dụng các kim loại quý Pt, Rh và các vật liệu xúc tác mới khác trong các phản ứng của bộ xử lý xúc tác, cơ chế phản ứng mặc định này không đáp ứng đầy đủ dữ liệu về phản ứng. Do đó cần thực hiện việc thiết lập một cơ chế phản ứng mới trên công cụ thiết lập cơ chế phản ứng do người dùng tự định nghĩa.
Để tự định nghĩa các cơ chế phản ứng diễn ra trong BXT. Người dùng sử dụng giao diện lập trình AUCI (AVL User Coding Interface) để thiết lập mới một cơ chế phản ứng. Trong đó người dùng tự định nghĩa các phản ứng xảy ra, phương trình phản ứng, tốc độ phản ứng và các tham số liên quan đến tốc độ phản ứng, các tham số liên quan đến nhiệt phản ứng... Ngoài ra công cụ AUCI cũng cho phép người dùng bổ sung các vật liệu xúc tác khác và các đặc tính của chúng trong cơ chế phản ứng.
Việc thiết lập cơ chế các phản ứng bao gồm:
- Lựa chọn các phản ứng diễn ra trong BXT dựa trên dữ liệu sẵn có của phần mềm và bổ sung các phản ứng liên quan đến kim loại quý hoặc vật liệu mới thêm vào.
- Nhập tên phản ứng, phương trình phản ứng, hệ số phản ứng. - Nhập các thông số nhiệt của phản ứng.
- Nhập phương trình tính tốc độ phản ứng: thông số K, E. Trong đó K
(kmol/m2.s) là tham số tốc độ; E (kJ/mol) là năng lượng hoạt hóa của phản ứng.
2.3.2.5. Nhập dữ liệu cho cơ chế phản ứng
Bảng 2.5. Dữ liệu nhập vào cơ chế phản ứng [68, 69]
STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Dựa vào các tính toán trên cơ sở lý thuyết, dữ liệu tham khảo phần mềm, dữ liệu từ các nghiên cứu đã được công bố [68, 69], các thông số, dữ liệu nhập vào cơ chế phản ứng thể hiện trong Bảng 2.5.
2.3.2.6. Chạy thử nghiệm mô hình
Trên cơ sở hoàn thiện việc xây dựng mô hình và nhập dữ liệu, mô hình không xảy ra các lỗi liên quan đến dữ liệu và logic, bước tiếp theo tiến hành chạy thử nghiệm mô hình. Việc chạy thử nghiệm này nhằm mục đích có được kết quả sơ bộ là hiệu suất xử lý các thành phần khí thải CO, HC, NOx của mô hình đã xây dựng, làm cơ sở cho việc hiệu chuẩn tính chính xác của mô hình và tiến hành mô phỏng cũng như đưa ra các nghiên cứu đánh giá cụ thể theo yêu cầu của bài toán ở các mục tiếp theo.
2.4. Thực nghiệm xác định các thông số đầu vào của BXT
Thành phần khí, lưu lượng, hệ số dư lượng không khí, nhiệt độ khí thải trước BXT là các tham số đầu vào của BXT, các tham số này được xác định bằng thực nghiệm.
2.4.1. Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm
Đối tượng sử dụng trong thử nghiệm xác định các tham số đầu vào cho mô hình mô phỏng cũng như đánh giá hiệu quả chuyển đổi của các BXT trong nghiên cứu này là xe Piaggio Liberty 150 của hãng Piaggio Việt Nam. Các thông số kỹ thuật của xe được thể hiện trong Bảng 2.6.
Bảng 2.6. Thông số kỹ thuật xe Piaggio Liberty 150
STT Thông số 1 Mẫu xe 2 Kiểu động cơ 3 Dung tích xylanh 4 Đường kính x Hành trình 5 Tỉ số nén
6 Công suất tối đa
7 Mô – men cực đại
8 Hệ thống làm mát
9 Hệ thống nhiên liệu
10 Góc đánh lửa sớm
11 Cơ cấu phân phối khí
12 Khởi động
13 Hộp số
Nhiên liệu thử nghiệm bao gồm xăng RON95 của công ty Petrolimex và xăng RON95 có pha ethanol với tỷ lệ lần lượt là 10% (E10) và 20% (E20), tính chất lý hóa của nhiên liệu xăng RON95 và xăng pha cồn E10 và E20 được thể hiện trong Bảng 2.7 [17].
Bảng 2.7. Tính chất của nhiên liệu xăng và xăng pha cồn [17]
STT Tính chất
1 Trọng lượng riêng (kg/l ở 15,5oC)
2 Chỉ số Octan
3 Hàm lượng lưu huỳnh (wt %)
50
4 Hàm lượng chất keo rửa trôi (mg/100ml)
5 Hàm lượng chất keo không rửa trôi
6 Hàm lượng chì (g/l) 7 Nhiệt trị (cal/g) 8 Cacbon (wt%) 9 Hydro (wt%) 10 Màu sắc 2.4.2. Chế độ thử nghiệm
Thử nghiệm được thực hiện trên băng thử khí thải xe máy CD20” tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Để đánh giá đầy đủ hiệu quả chuyển đổi của BXT tại các chế độ làm việc của xe. Quá trình thử nghiệm được thực hiện theo các đặc tính tốc độ tại vị trí 25%, 50%, 75% và 100% độ mở bướm ga (tải), cụ thể như thể hiện trong Bảng 2.8.
Bảng 2.8. Chế độ tải và tốc độ thử nghiệm
STT 1
2
Hình 2.10. Sơ đồ bố trí vị trí lấy mẫu khí thải và các cảm biến
Quá trình thử nghiệm được tiến hành như sau:
Tiến hành lắp BXTEMT lên xe thử nghiệm. Gá đặt xe thử nghiệm lên băng thử, tiến hành quá trình thử nghiệm đối chứng với các mẫu nhiên liệu RON95, E10, E20 tại các chế độ làm việc của xe như thể hiện trên Bảng 2.8. Tại mỗi chế độ thử nghiệm tiến hành đo các thông số sau: Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx, CO2 trước BXT, nhiệt độ khí thải tại sát lõi xúc tác (tkt), hệ số dư lượng không khí λ, lượng tiêu thụ nhiên liệu (Gnl - sử dụng để xác định lưu lượng khí thải). Riêng tại 50% tải tiến hành đo thêm hàm lượng các phát thải sau BXT để làm cơ sở cho việc hiệu chuẩn mô hình. Sơ đồ bố trí các cảm biến và vị trí lấy mẫu khí thải được thể hiện trên Hình 2.10.
2.4.3. Trang thiết bị thử nghiệm
Quá trình thử nghiệm được tiến hành trong phòng thử xe máy CD 20” được trang bị các thiết bị hiện đại, đồng bộ như hệ thống lấy mẫu khí thải với thể tích không đổi CVS (Constant Volume Sampler), tủ phân tích khí thải CEB II, thiết bị đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S, thiết bị đo nhiệt độ với cảm biến loại K, thiết bị đo hệ số dư lượng không khí sử dụng cảm biến lamda dải rộng Bosch LSU 4.9. Chi tiết các trang thiết bị này được trình bày trong Phụ lục 1. Các thông số kỹ thuật chính của các thiết bị được thể hiện trong Bảng 2.9. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm được thể hiện trên Hình 2.11.
Bảng 2.9. Thông số kỹ thuật các thiết bị đo
Thiết bị
AVL 733S
CEBII
Băng thử xe máy CD 20”
Cảm biến nhiệt độ loại K Cảm biến lamda Bosch LSU 4.9 Fuel Balance 733S Màn hình hỗ trợ người lái Quạt gió
(1) điểm lấy mẫu trước BXT
(2) điểm lấy mẫu sau BXT
T, λ
Thiết bị đo nhiệt độ và
Chassis Dynamometer
Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm
2.4.4. Kết quả thử nghiệm
Tổng hợp các kết quả thực nghiệm khi xe sử dụng các nhiên liệu RON95, E10, E20 được tổng hợp trong các Bảng 2.10-2.12.
Bảng 2.10. Kết quả thử nghiệm khí thải khi sử dụng nhiên liệu RON95 Tải (%) 25 50 75 100
Bảng 2.11. Kết quả thử nghiệm khí thải khi sử dụng nhiên liệu E10
Tải (%) 25 50 75 100 53
Bảng 2.12. Kết quả thử nghiệm khí thải khi sử dụng nhiên liệu E20 Tải (%) (km/h) 20 30 25 40 50 60 30 40 50 50 60 70 40 50 75 60 70 80 40 50 100 60 70 80
2.4.5. Tính toán lưu lượng khí thải
Ngoài các thông số đầu vào trong mô hình mô phỏng BXT được thể hiện trong Bảng 2.10-2.12, thông số lưu lượng khí thải (Gkt) được tính toán dựa trên lưu lượng khí nạp (Gkn) và lượng nhiên liệu tiêu thụ (Gnl) theo công thức:
Gkt = Gkn+Gnl
Lưu lượng khí nạp có thể được tính toán gián tiếp theo lưu lượng nhiên liệu và hệ số dư lượng không khí (λ) theo công thức:
Gkn = λ.Gnl.(A/F)
Gkt được xác định bằng cách thay Gkn từ công thức (2.37) vào (2.36): Gkt = Gnl(1+ λ. (A/F))
Theo Juan E. Tibaquira [81], A/F của các mẫu nhiên liệu xăng pha cồn được thể hiện trong Bảng 2.13.
Bảng 2.13. Tỷ số A/F của các nhiên liệu xăng pha cồn [81]
Nhiên liệu A/F
Gkt được tính toán trên cơ sở kết hợp các kết quả đo Gnl trong Bảng 2.10-2.12, công 54
thức (2.38) và tỷ số A/F trong Bảng 2.13, kết quả được tổng hợp trong Bảng 2.14.
Bảng 2.14. Lưu lượng khí thải tại các chế độ làm việc
Tải v (%) (km/h) 20 30 25 40 50 60 30 40 50 50 60 70 40 50 75 60 70 80 40 50 100 60 70 80
2.5. Hiệu chuẩn mô hình mô phỏng
Mục tiêu của nội dung này nhằm đánh giá, hiệu chuẩn tính chính xác và độ tin cậy của mô hình mô phỏng BXT. Quá trình hiệu chuẩn được thực hiện tương ứng với xe
thử nghiệm hoạt động tại 50% tải. Đây là chế độ tải mà xe thử nghiệm cũng như BXT hoạt động ở trạng thái ổn định nhất. Tải trọng của xe và nhiệt độ của BXT không quá thấp hoặc quá cao so với các chế độ khác. Các thông số về phát thải, hệ số dư lượng không khí λ cũng ở trạng thái ổn định và đảm bảo yêu cầu để hiệu chuẩn mô hình.
Thông số hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT khi xe sử dụng các loại nhiên liệu RON95, E10, E20 sẽ được sử dụng làm thông số hiệu chuẩn mô hình. Hiệu suất chuyển đổi của BXT (HS) được xác định dựa trên sự thay đổi hàm lượng phát thải giữa hai điểm đo phía trước (TBXT) và phía sau BXT (SBXT), kết quả tổng hợp được thể hiện trên Bảng 2.15.
Bảng 2.15. Phát thải và hiệu suất của BXTEMT tại 50% tải Nhiên v liệu (km/h) 30 40 RON95 50 60 70 30 40 E10 50 60 70 30 40 E20 50 60 70 Trên cơ sở các tham số đầu vào đã xác định được ở trên (mục 2.4.4, 2.4.5), tiến
hành chạy mô hình mô phỏng tại chế độ 50% tải. Trên cơ sở các kết quả thu được là hiệu suất xử lý đối với các thành phần phát thải CO, HC, NOx, so sánh và hiệu chỉnh các thông số trên mô hình mô phỏng với mục tiêu đưa mức sai lệch hiệu suất trung bình với mỗi thành phần phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm không vượt quá 5%.
Bảng 2.16. Sai lệch hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT giữa mô phỏng và thực nghiệm Tải v (km/h) 30 40 50% 50 60 70
Sai lệch trung bình (%)
Cụ thể, trong nghiên cứu này, hai hệ số K, E của các phản ứng diễn ra trong BXT là các thông số được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình. Sai lệch hiệu suất giữa mô phỏng và thực nghiệm được tổng hợp trong Bảng 2.16. Kết quả cho thấy sai lệch hiệu suất chuyển đổi trung bình của BXT với các thành phần phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm đều nhỏ hơn 5%, điểm có sai lệch lớn nhất là 4,8% ứng với phát thải HC khi sử dụng nhiên liệu E20. Xét trung bình trên toàn bộ đặc tính sai lệch giữa mô phỏng
và thực nghiệm của các thành phần phát thải lần lượt ứng với RON95, E10 và E20 cụ thể như sau:
- Sai lệch CO thấp nhất trong ba thành phần phát thải là 0,5%, 0,42% và 0,2%. - Sai lệch HC lớn nhất trong ba thành phần phát thải là 2,6%, 2,24% và 3,18%. - Sai lệch NOx là 0,84%, 0,86% và 1,26%.
Như vậy mô hình mô phỏng BXT đã đảm bảo độ tin cậy, do vậy có thể sử dụng để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.
2.6. Kết luận chương 2
Cơ sở lý thuyết về mô hình mô phỏng BXT và cơ chế các phản ứng diễn ra trong lõi bộ xúc tác đã được làm rõ trong chương này. Lý thuyết về cấu trúc lỗ rỗng và sự khuyếch tán trong lớp vật liệu trung gian, các mô hình xác định tốc độ các phản ứng