v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.3.2. Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hoạt động của BXT
Nghiên cứu đánh giá hiệu quả BXT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn còn khá hạn chế, hiện chỉ có một số ít các công trình đã được công bố.
Hình 1.19. Khí thải hữu cơ từ xe chạy 100% cồn, động cơ 8 xylanh [57]
Braxin hiện là nước đi đầu trong việc sử dụng nhiên liệu cồn hoặc xăng pha cồn trên các phương tiện giao thông thay thế một phần nhiên liệu xăng truyền thống [57]. Tuy nhiên, khi xe sử dụng nhiên liệu 100% cồn, những thành phần ô nhiễm chính bao gồm CO, NOx, cồn không cháy và anđêhít. Hình 1.19 thể hiện tỷ lệ các thành phần hữu cơ gây ô nhiễm của xe khi sử dụng nhiên liệu 100% cồn. Kết quả cho thấy, trong
khí thải của động cơ vẫn còn một lượng lớn cồn chưa cháy (58,5% tổng thành phần hữu cơ) và một số các hợp chất hữu cơ thơm gốc ankan, anken và alđêhít, vì vậy trên động cơ cần thiết phải trang bị BXT có khả năng ô xy hóa cồn, foman-đêhít và axetan- đêhít. Cũng trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu đã phát triển BXT cho nhiên liệu cồn sử dụng nhóm kim loại quý Pt, Pd, Rh, Ag, kết quả chỉ ra rằng Pt đem lại hiệu quả tốt nhất. Tuy nhiên, tại thời điểm đó giá của Pt cao hơn rất nhiều so với Pd, vì vậy nhóm nghiên cứu đã lựa chọn Pd cho các nghiên cứu đánh giá hiệu quả xúc tác. Mở rộng nghiên cứu nhóm tiến hành thay đổi ba nhóm vật liệu trung gian (washcoat) để đánh giá khả năng tương thích khi sử dụng nhiên liệu 100% cồn (Bảng 1.1).
Bảng 1.1. Kết quả sau khi thử nghiệm bền với các mẫu washcoat khác nhau [57]
Mẫu lớp vật liệu trung gian
Lượng kim loại quý (g/ft3) Thử bền = 0,984 NOx (oC) = 1,02 CO (oC) HC (oC) A A A Pd 40 Pd 40 Pd 40 Thử bền trên động cơ 282 315 373 250 262 290 335 267 275 B B B Pd 40 Pd 40 Pd 40 Thử bền trên động cơ 265 310 345 250 285 280 337 260 290 C C C Pd 40 Pd 40 Pd 40 Thử bền trên động cơ 264 375 345 234 261 280 325 250 290
Sau khi chế tạo mẫu, tiến hành thử bền nhiệt bằng hai phương pháp là thử bền nhiệt trên lò nung và trên băng thử động cơ. Kết quả cho thấy nhóm vật liệu trung gian C và lượng kim loại quý Pd là 40 g/ft3 cho kết quả khả quan nhất (qua thử bền trên lò nung và băng thử). Nhóm đã lựa chọn mẫu vật liệu này để nghiên cứu hiệu quả chuyển hóa axetan-đêhít và foman-đêhít (Hình 1.20). Nghiên cứu đã chỉ ra, khoảng nhiệt độ giữa 280°C và 340°C đạt được hiệu suất phản ứng cao nhất cho cả axetan-đêhít và foman-đêhít trong điều kiện thử nghiệm trên băng thử động cơ, các phép đo được thực hiện với λ= 0,984 [57].
Hình 1.20. Hiệu quả chuyển hóa axetan-đêhít và foman-đêhít của BXT trên động cơ chạy 100% cồn [57]
Nghiên cứu đánh giá hiệu quả BXT khi sử dụng xăng pha cồn cũng còn khá hạn chế, đa số các nghiên cứu đối chứng đều cho thấy khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu có thể cải thiện hiệu suất chuyển đổi ô xy hóa của BXT. Tuy nhiên nghiên cứu của Li-Wei Jia và các cộng sự [58] cho thấy sau một thời gian sử dụng (10.000 km)
kết tụ của hạt cácbon trên bề mặt BXT lắp trên xe máy chế hòa khí khi sử dụng nhiên liệu E10 cao hơn so với nhiên liệu xăng thông thường. Hình 1.21 và 1.22 thể hiện ảnh quan sát trên kính hiển vi điện tử SEM (Scanning Electron Microscopy) bề mặt lõi xúc tác sau khi thử nghiệm với nhiên liệu xăng và xăng pha cồn E10. Kết quả cho thấy, xuất hiện các hạt các bon kết tụ dạng hình cầu phân bố trên bề mặt lõi, Hình 1.21a và 1.22a cho thấy các bon kết tụ (hình cầu) nhiều nhất tại bề mặt của BXT. Tại các bề mặt chuyển tiếp và thành vách, các hạt các bon tồn tại ít hơn (Hình 1.21b-c và Hình 1.22b-c).
Hình 1.21. Hình ảnh SEM bề mặt BXT khi sử dụng xăng thông thường [58] a. Bề mặt BXT; b. Vị trí chuyển tiếp; c. Vách
Hình 1.22. Hình ảnh SEM bề mặt BXT khi sử dụng nhiên liệu xăng E10 [58] a. Bề mặt BXT; b. Vị trí chuyển tiếp; c. Vách
các bon kết tụ tại các vị trí khác nhau. Kết quả cho thấy hàm lượng muội kết tụ trên các hạt kim loại nhóm kim loại quý cao hơn trên các hạt vật liệu trung gian. Ngoài ra, hàm lượng các hạt các bon kết tụ trên bề mặt BXT khi sử dụng xăng E10 cao hơn so với xăng thông thường. Sự kết tụ này chính là nguyên nhân dẫn đến hiệu suất BXT khi sử dụng nhiên liệu E10 giảm so với BXT sử dụng nhiên liệu xăng thông thường sau 10.000 km thử nghiệm [58].
Jiun-Horng Tsai và cộng sự đã nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của nhiên liệu xăng E15 và E30 đối với sự làm việc của BXT trên xe máy sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử, tại chế độ định mức 10 mã lực, 8000 vòng/phút [59]. Kết quả cho thấy, so với khi sử dụng RON95, lượng phát thải CO và HC trước BXT khi sử dụng nhiên liệu E10, E30 giảm lần lượt từ 30–37% và 19–28%. NOx tăng 8,1% tương ứng với E15 và giảm 2,7% ứng với E30.
Lượng phát thải của động cơ thay đổi khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn kết hợp với hòa khí có xu hướng nhạt hơn khi sử dụng nhiên liệu E15, E30 nên có sự thay đổi rất lớn hàm lượng phát thải của xe khi có trang bị BXT. Cụ thể khi trang bị BXT phát thải CO, HC và NOx của xe khi sử dụng các loại nhiên liệu lần lượt giảm từ 12% (RON95) đến 61% (E30), 32% (RON95) đến 39% (E30) và 81% (E10) đến 85% (E30) so với khi không trang bị BXT.
Quá trình thử nghiệm bền trong 16.200 km vận hành cho thấy diện tích bề mặt và thể tích lỗ rỗng của BXT bị suy giảm theo quãng đường sử dụng, ngoài ra hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh trên bề mặt lõi xúc tác tăng đáng kể sau thời gian thử bền. Khi sử dụng xăng pha cồn sẽ làm giảm lượng phát thải parafin, olefin và hydrocacbon thơm nhưng tăng lượng cacbonyl và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) trong khí thải (Hình 1.23).
Hình 1.23. Lượng phát thải VOCs (a) và tiềm năng phá hủy tầng ô zôn (b) khi sử dụng RON95, E15 và E30 trong trường hợp có (C) và không có (NC) BXT [59]
T. Zhu [60] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu E10 và E30 trên động cơ ô tô có trang bị BXT, công suất thay đổi từ 9,7 đến 44,4 kW. Kết quả cho thấy mặc dù tổng lượng hydrocacbon (THC) khi sử dụng xăng pha cồn thấp hơn nhưng hàm lượng axetan-đêhít và đặc biệt ethanol cao hơn nhiều so với khi sử dụng xăng thông thường. Nghiên cứu cũng cho thấy BXT với hệ xúc tác Pt/Rh chuyển đổi hiệu quả đối với thành phần axetan-đêhít nhưng chuyển đổi kém hiệu quả với thành phần ethanol.