v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
3.5.2 Hàm lượng các chất độc hại phía trước và sau BXT
a) Hàm lượng khí thải trước và sau BXT khi không sấy bổ sung
Ở các chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy do nhiệt độ khí thải trên đường thải thấp nên quá trình oxy hóa CO và HC và khử NO trên đường thải là không đáng kể và như vậy hàm lượng các chất phát thải CO, HC và NO được coi là không thay đổi trên đường thải. Tức là, hàm lượng các chất phát thải tại cửa vào BXT bằng hàm lượng các chất phát thải tại cửa thải như đã trình bày ở trên.
Hình 3.17 mô tả diễn biến thay đổi của hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ không tải chuẩn theo thời gian từ lúc khởi động lạnh.
86
Hình 3.17 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ không tải chuẩn theo thời gian kể từ khi bắt đầu khởi động lạnh
Lúc đầu do nhiệt độ bộ xúc tác còn quá thấp, các phản ứng xúc tác trong BXT chưa diễn ra nên hàm lượng các chất độc hại không thay đổi khi qua BXT, các đường biểu diễn hàm lượng chất độc hại phía trước và sau BXT nằm chồng lên nhau. Sau đó khi nhiệt độ BXT tăng lên, các phản ứng oxy hóa CO, HC và khử NO bắt đầu diễn ra làm cho hàm lượng các chất độc hại giảm xuống đường biểu thị hàm lượng các chất độc hại phí sau BXT tách khỏi đường phía trước BXT và bắt đầu đi xuống. Tuy nhiên, do nhiệt độ BXT còn rất thấp, các phản ứng oxy hóa diễn ra không đáng kể do đó mặc dù hàm lượng CO, HC có giảm với mức độ nhỏ.
Hình 3.18 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ không tải nhanh theo thời gian kể từ khi bắt đầu khởi động lạnh
Hình 3.18 mô tả diễn biến của hàm lượng các chất độc hại trong khí thải, phía trước và sau BXT ở chế độ không tải nhanh theo thời gian kể từ lúc khởi động lạnh. Diễn biến hàm lượng các chất độc hại, phía trước và sau BXT tương tự như ở chế độ không tải chuẩn tuy nhiên lúc này các phản ứng trung hòa khí thải diễn ra mạnh mẽ hơn do đó các đường phía sau BXT tách khỏi đường phía trước và đi xuống với độ dốc cao hơn.
87
Hình 3.19 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ 10% tải theo thời gian kể từ khi bắt đầu khởi động lạnh
Hình 3.19 mô tả diễn biến của hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ 10% tải 2500 v/p theo thời gian kể từ khi bắt đầu khởi động lạnh. Hàm lượng các chất độc hại tại cửa vào BXT tương tự như ở cửa thải. Ban đầu, hàm lượng các chất độc hại phía sau BXT bằng phía trước BXT. Sau đó do nhiệt độ của bộ xúc tác tăng lên, BXT bắt đầu làm việc do đó, các chất độc hại được xử lý, hàm lượng của chúng giảm xuống. Về sau khi BXT đạt tới nhiệt độ nhất định, hiệu quả xử lý CO và NO tiệm cận tới một giá trị nhất định do đó hàm lượng phát thải CO và NO là ổn định.
Qua những phân tích ở trên có thể thấy rằng hàm lượng phát thải độc hại trong giai đoạn không tải và khởi động lạnh là khá lớn. Đặc biệt trong khoảng 50 giây đầu sau khởi động lạnh, hàm lượng CO, HC và NO phía sau BXT khi nó chưa được sấy nóng bổ sung là khá lớn cần có biện pháp để giảm các thành phần độc hại này.
Hình 3.20 So sánh hàm lượng phát thải CO trước và sau BXT ở các chế độ ổn định của động cơ
88
Hình 3.20 thể hiện sự so sánh nồng độ phát thải CO ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ. Qua đồ thị có thể thấy khi động cơ làm việc ổn định thì ở tất cả các chế độ hàm lượng CO thải đều giảm tuy nhiên mức độ giảm ở chế độ không tải chuẩn là nhỏ nhất do nhiệt độ BXT chưa đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả. Ở chế độ toàn tải và 10% tải, do nhiệt độ BXT được sấy nóng đến nhiệt độ làm việc hiệu quả do đó mức giảm CO là rất lớn.
Hình 3.21 So sánh hàm lượng phát thải HC trước và sau BXT ở các chế độ ổn định của động cơ
Hình 3.21 so sánh nồng độ phát thải HC ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ. Tương tự như CO, ở chế độ không tải chuẩn do nhiệt độ BXT chưa đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả nên mức giảm HC không nhiều. Ở chế độ toàn tải và 10% tải, do nhiệt độ BXT được sấy nóng đến nhiệt độ làm việc hiệu quả do đó mức giảm HC là rất lớn.
Hình 3.22 So sánh hàm lượng phát thải NOx trước và sau BXT ở các chế độ ổn định của động cơ
Hình 3.22 thể hiện sự so sánh nồng độ phát thải NOx ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ. Tương tự như CO và HC, mức độ giảm NOx ở chế độ không tải là nhỏ nhất và ở chế độ toàn tải là lớn nhất.
89
b) Hàm lượng khí thải trước và sau BXT khi có sấy bổ sung
Hình 3.23 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ không tải chuẩn sấy 400W, 30 giây
Hình 3.23 thể hiện hàm lượng CO, HC và NO phía trước và sau BXT ở chế độ không tải chuẩn ở trường hợp sấy nóng 400W, 30 giây. Hàm lượng NO trong giai đoạn đầu sau khởi động lạnh là không thay đổi, do nhiệt độ BXT chưa đạt tới nhiệt độ xúc tác khử NO về sau nhiệt độ BXT tăng lên quá trình xúc tác khử NO xảy ra do đó hàm lượng chất này giảm xuống. Hàm lượng CO và HC không đổi trong 20 giây đầu tiên, sau đó giảm mạnh do BXT được sấy đến nhiệt độ oxy hóa CO và HC. Sau đó hàm lượng CO và HC tăng nhanh do lúc này nhiệt độ BXT giảm mạnh (hình 3.11). Về sau nhiệt độ BXT tăng lên tiệm cận nhiệt độ khí thải, phản ứng oxy hóa CO và HC diễn ra do đó hàm lượng CO, HC giảm. Tuy nhiên mức độ giảm không nhiều do lúc này nhiệt độ BXT chưa đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả.
Hình 3.24 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ không tải nhanh sấy 400W, 30 giây
Hình 3.24 thể hiện hàm lượng CO, HC và NO phía trước và sau BXT ở chế độ không tải nhanh ở trường hợp sấy nóng 400W, 30 giây. Hàm lượng CO, HC và NO
90
trong khoảng 20 giây đầu sau khởi động lạnh là không thay đổi, do nhiệt độ BXT chưa đạt tới nhiệt độ làm việc nên hàm lượng các chất này không thay đổi khi qua BXT. Ở những giây tiếp theo do BXT tiếp tục được sấy nóng, nó bắt đầu làm việc do đó hàm lượng các chất này giảm mạnh, mức giảm lớn nhất tại 30 giây sau khởi động sau đó hàm lượng các chất này tăng lên một chút do lúc này nhiệt độ BXT giảm nhẹ. Cuối cùng hàm lượng các chất này giảm dần do BXT được khí thải sấy nóng. Trong trường hợp này có thể thấy BXT làm việc hiệu quả sau 30” từ lúc khởi động lạnh.
Hình 3.25 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải phía trước và sau BXT ở chế độ 10% tải sấy 400W, 30 giây
Hình 3.25 thể hiện hàm lượng CO, HC và NO phía trước và sau BXT ở chế độ 10% tải ở trường hợp sấy nóng 400W, 30 giây. Hàm lượng CO, HC và NO trong khoảng 20 giây đầu sau khởi động lạnh là không thay đổi, do nhiệt độ BXT chưa đạt tới nhiệt độ làm việc. Do được sấy nóng bằng dòng cao tần nên nhiệt độ BXT tăng nhanh tới nhiệt độ làm việc ở những giây tiếp theo, các chất độc hại được xử lý làm cho hàm lượng các chất này giảm mạnh.
3.5.3 Hiệu quả xử lý của BXT
a) Không sấy nóng bổ sung
91
Hình 3.26 cho ta thấy rằng ở chế độ không tải chuẩn, trong 300 giây sau khởi động lạnh do nhiệt độ khí thải quá thấp không thể sấy ấm BXT tới nhiệt độ làm việc do đó trong suốt thời gian này BXT hầu như chưa làm việc.
Hình 3.27 Hiệu quả xử lý của BXT ở chế độ không tải nhanh khi chưa được sấy nóng bổ sung
Hình 3.27 cho ta thấy rằng ở khoảng 130 giây đầu tiên ở chế độ không tải nhanh hiệu quả xử lý CO, HC và NO bằng không. Sau đó bắt đầu làm việc tuy nhiên hiệu quả xử lý lúc này còn rất thấp. Bộ xúc tác được coi chính thức làm việc hiệu quả tại 270 giây sau khởi động lạnh khi mà hiệu quả xử lý HC đạt 50%.
Hình 3.28 Hiệu quả xử lý của BXT ở chế độ 10% tải khi chưa được sấy nóng bổ sung
Hình 3.28 thể hiện hiệu quả chuyển đổi CO, HC, NOx ở chế độ 10% tải của động cơ sau khởi động lạnh khi không sấy nóng bổ sung. Đồ thị cho thấy ở khoảng 100 giây đầu tiên hiệu quả xử lý CO, HC và NO bằng không, tức BXT chưa làm việc. Sau đó hiệu quả xử lý tăng dần và đạt 50% chuyển đổi HC tại 170 giây từ lúc khởi động lạnh. BXT được coi là làm việc hiệu quả tại thời điểm này.
Qua các phân tích ở trên có thể thấy, khi bộ xúc tác không được sấy nóng bổ sung, ở chế độ 10% tải BXT sớm làm việc nhất nhưng cũng phải mất tới 170 giây để đưa BXT tới trạng thái hoạt động.
Hình 3.29 Thể hiện hiệu quả trung hòa khí thải ở các chế độ làm việc ổn định khác nhau của động cơ. Qua đồ thị có thể thấy, khác với các chế độ khởi động lạnh
92
và chạy ấm máy, ở chế độ ổn định, hiệu quả chuyển đổi CO, HC, NOx của BXT khá cao. Tuy nhiên, ở chế độ không tải chuẩn ổn định hiệu quả chuyển đổi HC mới chỉ đạt 35%, thấp hơn nhiều so với mức được coi là hoạt động hiệu quả 50%. Còn các chế độ khác BXT đều hoạt động hiệu quả.
Hình 3.29 Hiệu quả trung hòa khí thải của BXT ở các chế độ ổn định của động cơ
Qua những phân tích ở trên có thể thấy rằng hiệu quả xử lý của BXT là khá cao ở các chế độ ổn định. Tuy nhiên, trong quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy, đặc biệt là ở 50 giây đầu tiên sau khởi động lạnh, khi mà phát thải từ động cơ là lớn nhất thì bộ xúc tác lại hầu như không làm việc do nhiệt độ thấp. Do đó, cần có biện pháp sấy nóng BXT trong giai đoạn này để tăng hiệu quả xử lý của BXT. Khi giải quyết được vấn đề phát thải lớn ở chế độ khởi động lạnh thì trang bị BXT sẽ là phương án có hiệu quả rất tốt để giảm phát thải cho xe máy.
b) Có sấy nóng bổ sung
93
Hình 3.30 thể hiện hiệu quả trung hòa khi BXT được sấy nóng với công suất sấy nóng 400W và thời gian sấy nóng 30 giây ở chế độ không tải chuẩn. Ở chế độ này, hiệu quả trung hòa của BXT tăng nhanh ở 20 giây, đạt đỉnh 50% chuyển đổi HC ở 30 giây sau đó giảm mạnh đến 0 và sau khoảng 17” thì lại bắt đầu tăng và chỉ đạt hiệu quả chuyển đổi HC khoảng 12% sau 300”. Từ 50 đến 150 giây hiệu quả trung hòa bằng 0 do nhiệt độ BXT giảm xuống dưới nhiệt độ làm việc. Như vậy, có thể nói sấy bổ sung trong 50” không cải thiện được hiệu quả của BXT ở chế độ không tải chuẩn.
Hình 3.31 Hiệu quả trung hòa khí thải của BXT ở chế độ không tải nhanh khi sấy 400W, 30 giây
Hình 3.31 thể hiện hiệu quả trung hòa khi BXT được sấy nóng với công suất sấy nóng 400W và thời gian sấy nóng 30 giây ở chế độ không tải nhanh. Ở chế độ này, BXT bắt đầu làm việc sau khi sấy 20 giây, sau đó hiệu quả trung hòa HC tăng nhanh đến 60% ở cuối giai đoạn sấy 30”. Sau khi kết thúc quá trình sấy nóng, hiệu quả chuyển đổi giảm một chút rồi từ từ tăng nên có thể nói với chiến lược sấy này, BXT đạt hiệu quả sau 30” từ lúc khởi động lạnh.
94
Hình 3.32 thể hiện hiệu quả trung hòa khi BXT được sấy nóng với công suất sấy nóng 400W và thời gian sấy nóng 30 giây ở chế độ 10% tải. Có thể thấy, hiệu quả trung hòa HC tăng nhanh từ giây thứ 20, đạt 50% ở giây thứ 25, đạt đỉnh 70% ở giây thứ 30 ở cuối giai đoạn sấy, sau đó giảm một chút xíu do BXT mất nhiệt cho khí thải rồi lại tăng dần đến trên 95% ở cuối khoảng thời gian khảo sát 300”. Như vậy, với chiến lược sấy ở chế độ này, BXT làm việc hiệu quả ngay từ giây thứ 25 từ lúc khởi động lạnh và tiếp tục tăng cao sau khi đã dừng sấy.
Để có cái nhìn tổng thể về ảnh hưởng của các chiến lược sấy đến hiệu quả chuyển đổi của BXT, dưới đây trình bày hiệu quả chuyển của BXT với các chiến lược sấy khác nhau. Ở giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy của động cơ xăng thì thành phần HC là đáng kể và được quan tâm nhiều nhất và khó chuyển đổi hơn CO nên một khi BXT đã chuyển đổi được HC thì nghĩa là CO cũng được chuyển đổi và với hiệu quả còn cao hơn hiệu quả chuyển đổi HC [13]. Do đó, để đánh giá ảnh hưởng của sấy bổ sung BXT đến hiệu quả chuyển đổi của BXT để đưa ra chiến lược sấy nóng hợp lý nhất sẽ chỉ cần tập trung nghiên cứu hiệu quả xử lý thành phần HC của BXT với các chiến lược sấy nóng khác nhau là đủ.
Hình 3.33 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 400W
Hình 3.33 thể hiện hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải chuẩn với các chiến lược sấy nóng 400W. Qua hình vẽ ta có thể thấy ở chế độ không tải chuẩn hiệu quả trung hòa HC ở tất cả các trường hợp đều thấp. Ở 50 giây đầu, các chiến lược sấy với thời gian 10”, 20” hầu như cho hiệu quả bằng 0. Trường hợp sấy 400W 30 giây mang lại hiệu quả cao nhất nhưng cũng chỉ đạt 50 % tại giây thứ 30 trong vài giây rồi giảm xuống 0. Hiệu quả trung bình trong thời gian chạy không tải 300” chỉ đạt vài phần trăm.
95
Hình 3.34 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 200W
Hình 3.34 thể hiện hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải chuẩn với các chiến lược sấy nóng 200W. Có thể thấy hiệu quả chuyển đổi còn thấp hơn các chiến lược sấy với công suất 400W.
Qua hình 3.33 và 3.34 ta có thể thấy rằng việc sấy nóng BXT trong 50” không mang lại hiệu quả ở chế độ không tải chuẩn.
Hình 3.35 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 400W
Hình 3.35 thể hiện hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải nhanh với các chiến lược sấy nóng 400W. Trường hợp sấy nóng với 400W 30 giây có được hiệu quả trung hòa tốt nhất khi hiệu quả trung hòa đạt 63% ở giây thứ 30 mặc dù sau đó có giảm một chút nhưng lại tăng trở lại và vượt 85% ở giấy thứ 300 cuối giai đoạn khảo sát. Có thể nói BXT làm việc hiệu quả từ giây thứ 30 trở đi.
96
Hình 3.36 Hiệu quả trung hòa HC ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 200W