E10 E20
CO HC NOx CO HC NOx
BXTct 50,88 44,43 63,77 42,91 41,28 65,26
Như vậy, so với BXTEMT hiệu suất trung bình trên bốn đường đặc tính của BXTct với thành phần CO, HC có thể giảm tối đa 10,32% và 6,26% (khi sử dụng E10), trong khi đó hiệu suất NOx cần tăng tối thiểu 9,92% (khi sử dụng E20) như thể hiện trong Hình 3.6. Do vậy, để đạt được mục tiêu này cần thiết phải có những điều
chỉnh nhằm nâng cao hiệu quả của BXT, đặc biệt là hiệu quả chuyển đổi đối với thành phần NOx.
Bảng 3.8. So sánh hiệu suất mục tiêu của BXTct và hiệu suất của BXTEMT khi sử dụng nhiên liệu E10, E20
E10 E20
CO HC NOx CO HC NOx
BXTct
(mục tiêu) 50,88 44,43 64,21 42,91 41,28 65,26 Thay đổi -10,32 -6,26 6,11 -21,05 -13,32 9,92
Object 41
Hình 3.6. Yêu cầu hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXTct so với BXTEMT
3.3. Nghiên cứu mô phỏng nâng cao hiệu quả BXT thông quađiều chỉnh các thông số kỹ thuật của BXT điều chỉnh các thông số kỹ thuật của BXT
Như đã phân tích ở trên, để xác định được giá trị bộ thông số kỹ thuật phù hợp của BXT, cần phải tiến hành đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến hiệu suất chuyển đổi của BXT. Để thuận tiện, từ phần này, BXT điều chỉnh (BXTđc) dùng để gọi tên BXT kế thừa và điều chỉnh một số thông số kỹ thuật từ BXTEMT.
3.3.1. Ảnh hưởng của mật độ lỗ tới hiệu suất xử lý của BXT
Các phản ứng chuyển đổi diễn ra chủ yếu trên bề mặt lõi xúc tác. Vì vậy để tăng hiệu suất của BXT cần tăng diện tích bề mặt lõi. Diện tích bề mặt có thể được cải thiện bằng hai phương pháp. Phương pháp thứ nhất đó là tăng độ xốp, nhấp nhơ bề mặt. Phương pháp này được thực hiện trong quá trình nhúng phủ, chế tạo lớp vật liệu nền và lớp vật liệu trung gian. Phương pháp thứ hai đó là sử dụng các công nghệ chế tạo nhằm gia tăng mật độ lỗ (cell). Để đánh giá ảnh hưởng của mật độ lỗ tới diện tích bề mặt lõi xúc tác, 4 lõi có cùng đường kính và chiều dài (50x100 mm) với mật độ lỗ lần lượt là 100, 200, 400 và 600 cell/in2 đã được sử dụng. Diện tích bề mặt và thể tích thơng qua của các lõi xúc tác được thể hiện trong Bảng 3.9 [82]. Kết quả cho thấy khi tăng mật độ lỗ từ 100 lên 400 cell/in2 diện tích bề mặt lõi xúc tác tăng đến 2 lần.
Bảng 3.9. Mức độ thay đổi diện tích bề mặt và độ giảm thể tích thơng qua BXT khi sử dụng các lõi có mật độ lỗ khác nhau [82] Lõi xúc tác Thể tích (ml) Độ giảm thể tích (%) Độ tăng diện tích bề mặt so với 100 cell (%) Không lõi 200 - - 100 cell/in2 183,2 -8,38 - 200 cell/in2 175,7 -12,15 58 400 cell/in2 170,02 -15,47 100 600 cell/in2 163,88 -18,06 173 BXTEMT +9,92 -6,26 -10,32
Hình 3.7 thể hiện hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT khi thay đổi mật độ lỗ lõi xúc tác. Kết quả cho thấy, khi mật độ lỗ tăng từ 100 đến 400 cell/in2, hiệu suất chuyển hóa tăng mạnh, tiếp tục tăng mật độ lỗ từ 400 lên 800 cell/in2 hiệu suất tăng không nhiều. Nguyên nhân do mật độ lỗ là thông số ảnh hưởng đến diện tích phản ứng của khí thải với lớp vật liệu xúc tác, diện tích phản ứng có xu hướng tăng tỷ lệ với mật độ lỗ. Do đó, khi tăng mật độ lỗ lượng khí thải tác dụng với bề mặt lớp xúc tác càng nhiều dẫn tới hiệu suất chuyển hóa các thành phần phát thải càng cao. Khi mật độ lỗ lớn hơn 400 cell/in2, về lý thuyết có thể tăng diện tích của bề mặt phản ứng nhưng khi đó kích thước của các lỗ càng bé lại vì vậy khơng gian phản ứng tăng khơng đáng kể, chính vì vậy làm cho hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải tăng khơng nhiều [82].
Object 44
Hình 3.7. Ảnh hưởng khi thay đổi mật độ lỗ (cell) tới hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT, tại chế độ 50% tải, tốc độ 50 km/h, nhiên liệu RON95
Ngoài ra, khi tăng mật độ lỗ sẽ yêu cầu các công nghệ và kỹ thuật rất phức tạp nhằm phủ lớp vật liệu trung gian và vật liệu xúc tác đồng đều lên trên bề mặt lớp vật liệu nền. Nếu kỹ thuật phủ khơng phù hợp có thể dẫn đến làm thu hẹp thậm chí tắc lỗ và gây cản trở lưu động của dịng khí thải, làm tăng cơng thải dẫn tới giảm công suất và hiệu suất của động cơ [82].
Từ những phân tích trên, có thể thấy rằng lõi của BXTđc có mật độ lỗ phù hợp là 400 cell/in2 vừa đảm bảo hiệu suất chuyển đổi cao mà không làm ảnh hưởng quá lớn tới công suất, hiệu suất nhiệt của động cơ. Bên cạnh đó với mật độ lỗ khơng quá cao sẽ đòi hỏi các kỹ thuật nhúng, phủ, chế tạo BXT cũng không quá phức tạp.
3.3.2. Ảnh hưởng của thể tích BXT
Thể tích lõi xúc tác là thông số ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ không gian (GHSV) qua lõi xúc tác. GHSV được định nghĩa là tỷ số giữa lưu lượng thể tích dịng khí thải (m3/h) và thể tích lõi xúc tác (m3). Để đảm bảo đủ thời gian cho các phản ứng ơ xy hóa khử diễn ra, u cầu GHSV khơng vượt q 650.000 h-1 [39,40]. Theo Matteo Dodero [83], khối lượng riêng của khí thải động cơ xăng có giá trị khoảng 1,23 kg/m3 ở 273 K, áp suất 1 atm. Xét với đối tượng nghiên cứu (xe Liberty 150), tại các chế độ khảo sát có lưu lượng khí thải lớn nhất là 35,65 kg/h tại
100% tải, tốc độ 80 km/h (Bảng 2.14), nhiệt độ khí thải 624oC (Bảng 2.12). Áp dụng phương trình trạng thái, lưu lượng lớn nhất của dịng khí thải qua BXT là 95,23 m3/h. Như vậy để đảm bảo GHSV khơng vượt q 650.000 h-1, thể tích tối thiểu của lõi xúc tác là:
3 95, 23 0,000146( ) 0,146( ) 650.000 650.000 kt lxt V V m l Object 47
Hình 3.8. Hiệu suất xử lý BXT theo GHSV qua BXT, Tbxt =500oC, =1(RON95)
Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của GHSV tới hiệu suất chuyển đổi của BXT (Hình 3.8). Kết quả mơ phỏng cho thấy khi tăng GHSV từ 0 đến 550.000 h-1, hiệu suất chuyển hóa CO, HC và NOx tăng nhanh và đạt cao nhất lần lượt là 69,12%, 59,37% và 65,16% trong vùng GHSV từ 100.000 đến 200.000 h-1. Tiếp tục tăng GHSV, hiệu suất chuyển hóa CO, HC và NOx giảm dần, hiệu suất giảm mạnh khi GHSV lớn hơn 450.000 h-1. Nguyên nhân của hiện tượng này là do khi tăng GHSV, ban đầu các phần tử khí khuếch tán đều trên bề mặt BXT, hiệu suất chuyển hóa tăng nhanh. Khi tiếp tục tăng vận tốc, các phần tử khí phân tán vào cấu trúc lỗ rỗng của lớp vật liệu trung gian, hiệu suất chuyển hóa tiếp tục tăng nhưng với tốc độ chậm hơn. Khi tốc độ tăng tới một giá trị nào đó, lúc này q trình khuếch tán và thời gian tiếp xúc của các phần tử khí và vật liệu xúc tác giảm dẫn tới hiệu suất xử lý giảm dần. Như vậy có thể thấy vùng BXT hoạt động hiệu quả có GHSV khoảng từ 50.000 đến 450.000 h-1.
Hình 3.9 thể hiện hiệu suất chuyển đổi của BXT theo thể tích lõi. Khi thể tích tăng từ 0 đến 0,15 lít hiệu suất BXT tăng nhanh lên tới trên 66% với CO, 63% với NOx và trên 52% với HC. Khi thể tích tăng từ 0,15 đến 0,4 lít hiệu suất BXT tăng chậm. Điều này có thể giải thích như sau, thể tích BXT nhỏ sẽ làm giảm diện tích phản ứng trên bề mặt lõi xúc tác cũng như làm tăng GHSV (vượt qua vùng hiệu suất cao), qua đó làm giảm hiệu suất chuyển đổi của BXT. Trong khi đó khi thể tích BXT tăng, mặc dù cải thiện được hiệu suất chuyển đổi của BXT nhưng sẽ làm tăng kích thước và khó bố trí trên đường thải.
Trên cơ sở những phân tích trên kết hợp với q trình tìm hiểu các lõi xúc tác
dành cho xe máy hiện có trên thị trường, thể tích thơng qua của lõi BXTđc tương đương với BXTEMT và bằng 0,170 lít (tương ứng với lõi 400 cell trong Bảng 3.6) được lựa chọn sử dụng.
Object 49
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)
3.3.3. Ảnh hưởng của lượng kim loại quý
BXTEMT sử dụng hệ kim loại quý Pt/Rh với tổng lượng kim loại quý 0,14g, tỷ lệ Pt/Rh =5/1. Tăng lượng kim loại quý là phương pháp thường được sử dụng nhằm tăng hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT.
Object 51
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)
Hình 3.10 thể hiện hiệu suất xử lý của BXT theo lượng kim loại quý tại Tbxt =
500oC, GHSV = 250.000h-1 (tương ứng với xe làm việc ở 50% tải tốc độ 50 km/h),
=1 (sử dụng RON95). Kết quả cho thấy, khi tăng tổng lượng kim loại quý Pt và Rh
từ 0 lên 0,2 g, hiệu suất chuyển hóa với cả ba thành phần CO, HC và NOx đều tăng mạnh. Tiếp tục tăng lượng kim loại quý thì hiệu quả xử lý đối với cả ba thành phần phát thải đều tăng chậm lại. Nguyên nhân của hiện tượng này là khi lượng kim loại
quý được phủ đều và phù hợp trên bề mặt phản ứng, tạo điều kiện đủ khơng gian và thời gian cho khí thải tiếp xúc với chất xúc tác, dẫn đến q trình chuyển hóa tối ưu. Khi tiếp tục tăng lượng kim loại quý tới một giá trị nào đó, do số lượng nhiều nên lượng kim loại quý gần như được phân bố, bao phủ đều trên bề mặt và đạt tới trạng thái giới hạn vì vậy hiệu suất chuyển hóa tăng nhưng chậm lại. Hơn nữa khi quá nhiều kim loại quý sẽ làm cho không gian chiếm chỗ tăng lên, làm giảm bề mặt tiếp xúc, vì vậy cũng ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi.
Từ những phân tích nêu trên kết hợp với việc khi tăng lượng kim loại quý sẽ làm tăng giá thành chế tạo BXT, giải pháp giữ nguyên lượng kim loại quý với tổng khối lượng Pt/Rh là 0,14 g được lựa chọn.
3.3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ Pt/Rh
Trong hệ xúc tác Pt/Rh, Pt đóng vai trị là xúc tác hỗ trợ các phản ứng ơ xy hóa cịn Rh đóng vai trị hỗ trợ các phản ứng khử. Việc thay đổi tỷ lệ Pt/Rh sẽ làm thay đổi khối lượng từng thành phần các kim loại quý, qua đó làm thay đổi hiệu suất chuyển đổi đối với từng thành phần phát thải của BXT.
Hình 3.11 thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý của BXT với các thành phần phát thải khi thay đổi tỷ lệ Pt/Rh (tổng lượng kim loại quý là 0,14g). Kết quả cho thấy khi thay đổi tỷ lệ Pt/Rh từ 5-1 sang 4-2 hiệu suất chuyển đổi thành phần NOx tăng mạnh (từ 72% lên 86%) tuy nhiên nếu tiếp tục giảm tỷ lệ Pt/Rh thì hiệu suất chuyển đổi NOx tăng chậm trong khi hiệu suất chuyển đổi với CO và HC giảm mạnh. Vì vậy, để dung hòa cả hai yếu tố tăng hiệu suất chuyển đổi NOx nhưng không giảm quá nhiều hiệu suất chuyển đổi CO, HC, tỷ lệ Pt/Rh của BXTđc được lựa chọn là 4- 2.
Object 54
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)
Như vậy qua q trình tính tốn mơ phỏng các thơng số kỹ thuật của BXT điều chỉnh (BXTđc) có những thay đổi so với BXTEMT, kết quả được tổng hợp và thể hiện trong Bảng 3.10.