Nhiên liệu v (km/h) CO HC NOx TBXT (ppm) SBXT (ppm) HS (%) TBXT (ppm) SBXT (ppm) HS (%) TBXT (ppm) SBXT (ppm) HS (%) RON9 5 30 15.943 5.143 67,7 1.323 576 56,5 8.494 2.926 65,6 40 13.915 4.526 67,5 1.296 583 55,0 9.134 3.100 66,1 50 15.328 4.840 68,4 1.199 550 54,1 9.313 3.211 65,5 60 13.911 4.787 65,6 1.065 468 56,1 9.166 3.212 65,0 70 13.242 4.751 64,1 979 434 55,6 8.782 3.213 63,4 E10 30 13.872 4.173 69,9 1.318 540 59,1 8.775 3.269 62,7 40 13.337 3.990 70,1 1.217 511 58,0 9.322 3.455 62,9 50 13.729 3.976 71,0 1.118 482 56,9 9.425 3.411 63,8 60 13.101 3.844 70,7 996 438 56,0 9.487 3.440 63,7 70 12.531 4.541 63,8 905 395 56,3 9.095 3.308 63,6 E20 30 13.381 3.899 70,9 1.248 472 62,2 8.978 3.447 61,6 40 12.659 3.638 71,3 1.131 440 61,1 9.420 3.748 60,2 50 13.304 3.772 71,6 1.013 400 60,5 9.534 3.739 60,8 60 12.233 3.513 71,3 945 379 59,9 9.317 3.733 59,9 70 11.799 4.142 64,9 811 339 58,2 9.380 3.817 59,3
Trên cơ sở các tham số đầu vào đã xác định được ở trên (mục 2.4.4, 2.4.5), tiến hành chạy mơ hình mơ 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 thơng số trên mơ hình mơ 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)
E0 E10 E20
CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx
50% 30 -3,4 -1,2 1,3 -2,7 -1,9 1,3 -1,3 -3 0,2 40 -1,7 -2,4 -1 -1,5 -2,4 -0,5 -1,2 -2,7 -1,4 50 -0,9 -3,1 -1,1 -0,5 -1,9 -1,4 -1 -3 -1,2 60 1,4 -3,3 -0,9 1,4 -1,7 -2 1,2 -4,8 -1,7 70 2,1 -3 -2,5 1,2 -3,3 -1,7 1,3 -2,4 -2,2 Sai lệch trung bình (%) -0,5 -2,6 -0,84 -0,42 -2,24 -0,86 -0,2 -3,18 -1,26
Cụ thể, trong nghiên cứu này, hai hệ số K, E của các phản ứng diễn ra trong BXT là các thơng số được sử dụng để hiệu chỉnh mơ hình. Sai lệch hiệu suất giữa mơ 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 tồn 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 mơ hình mơ 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 mơ hình mơ 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 mơ hình xác định tốc độ các phản ứng diễn ra trong lõi xúc tác, mơ hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT cũng đã được trình bày.
Xây dựng thành cơng mơ hình mơ phỏng BXT trên phần mềm AVL-Boost. Trong đó các thơng số điều kiện biên đầu vào của mơ hình bao gồm hàm lượng các thành phần phát thải CO, HC, NOx, CO2, hệ số dư lượng khơng khí λ, nhiệt độ và lưu lượng khí thải được xác định bằng thực nghiệm.
Việc hiệu chuẩn mơ hình mơ phỏng được thực hiện bằng cách hiệu chỉnh hệ số tốc độ phản ứng K và năng lượng hoạt hóa E trong các phản diễn ra trong lõi xúc tác. Sau quá trình hiệu chuẩn sai lệch hiệu suất xử lý các thành phần phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm đều nhỏ hơn 5%, đảm bảo đủ độ tin cậy cần thiết.
Sau khi đã xác nhận độ tin cậy, mơ hình này sẽ được dùng để nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn đến hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT cũng như nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả chuyển đổi của BXT. Những nội dung này được trình bày cụ thể hơn trong chương tiếp theo.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC KHÍ THẢI BA THÀNH PHẦN KHI SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN
Trên cơ sở mơ hình mơ phỏng đã được hiệu chuẩn đạt độ tin cậy cần thiết như trình bày ở Chương 2, trong Chương 3 mơ hình trên được dùng để đánh giá ảnh hưởng và nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả BXT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn. Quy trình nghiên cứu mơ phỏng được thể hiện trên sơ đồ Hình 3.1.
Hình 3.1. Nội dung, mục tiêu và quy trình mơ phỏng
Q trình mơ phỏng được thực hiện trình tự theo ba bước, cụ thể như sau:
- Bước 1: Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học tới hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT, từ các kết quả đạt được sẽ được sử dụng làm cơ sở xác định hiệu suất mục tiêu của BXT cải tiến (BXTct).
- Bước 2: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả BXT thông qua cải tiến các thông số kỹ thuật của BXTEMT như mật độ lỗ, thể tích lõi, lượng và tỷ lệ các kim loại quý.
- Bước 3: Nghiên cứu sử dụng hệ xúc tác mới thay thế một phần hay hoàn toàn cho hệ xúc tác Pt/Rh nhằm khơng chỉ nâng cao hiệu quả mà cịn giảm giá thành của BXT.
3.1. Đánh giá hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải củaBXTEMT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn BXTEMT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn
Hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXTEMT khi sử dụng nhiên
liệu RON95, E10 và E20 được tổng hợp trong các Bảng 3.1-3.4 cũng như được so sánh chi tiết trên các Hình 3.2-3.5.
Bảng 3.1. Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT tại 25% tải
v
(km/h) RON95 E10 E20
CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%)
20 69,64 59,96 66,85 70,64 61,11 64,71 71,04 64,04 63,17 30 70,76 58,08 65,06 71,68 58,50 62,35 72,40 62,98 61,73 40 69,62 56,66 64,42 71,60 58,43 61,85 72,52 59,39 60,59 50 68,66 56,47 64,06 71,42 58,23 61,00 71,63 59,18 57,19 60 68,78 57,15 60,91 69,83 57,95 59,23 71,42 58,35 58,17
Bảng 3.2. Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT tại 50% tải
v
(km/h) RON95 E10 E20
CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%)
30 64,34 55,26 65,55 67,22 57,20 64,06 69,56 59,18 61,81 40 65,77 52,62 66,06 68,58 55,49 62,44 70,06 58,40 58,81 50 67,52 51,03 65,52 70,54 55,08 62,41 70,65 57,50 59,58 60 66,99 52,76 64,96 72,06 54,42 61,74 72,48 55,10 58,23 70 66,22 52,67 63,41 64,97 53,05 61,94 66,19 55,81 57,10
Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT tại 75% tải
v
(km/h) RON95 E10 E20
CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%)
30 59,23 55,25 65,08 67,25 57,30 61,98 69,04 61,76 59,56 40 60,36 54,86 63,19 67,95 56,67 61,48 70,53 60,35 58,65 50 61,39 56,30 62,91 66,21 55,95 61,05 68,68 58,83 59,64 60 59,47 54,31 61,97 65,57 56,01 60,51 67,70 59,16 55,09 70 58,25 52,07 59,63 61,60 54,23 55,31 63,84 55,12 53,12
Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT tại 100% tải
v
(km/h) RON95 E10 E20
CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%) CO(%) HC(%) NOx(%)
40 34,05 27,97 52,63 40,66 33,23 49,80 45,77 43,58 46,85 50 31,50 26,11 50,28 37,75 32,66 48,64 46,94 40,64 46,22 60 31,86 27,28 49,17 34,23 32,12 44,63 43,03 40,90 40,17 70 29,90 27,13 47,89 33,29 28,77 42,43 42,45 37,69 35,17 80 26,36 26,98 41,24 29,38 28,53 37,21 38,65 35,59 34,46
Object 11 Object 14
Object 16 Object 19
Hình 3.2. Hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT với thành phần CO khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20
Object 21 Object 23
Object 25 Object 27
Hình 3.3. Hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT với thành phần HC khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20
Object 30 Object 32
Object 35 Object 37
Hình 3.4. Hiệu suất chuyển đổi của BXTEMT với thành phần NOx khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20
Object 39
Hình 3.5. Hiệu suất chuyển đổi trung bình của BXTEMT trên bốn đường đặc tính với các thành phần phát thải khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20
Bảng 3.5. Thay đổi hiệu suất BXTEMT khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON95
Thông số Nhiên liệu CO HC NOx
∆hs E10 4,66 2,64 -2,05
E20 7,43 6,55 -4,97
Bảng 3.5 thể hiện thay đổi hiệu suất của BXT (∆hs) khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON95. ∆hs được xác định theo công thức sau:
∆hsi (x) = HSi (x) – HSi (RON95) (3.1) Trong đó:
- i: Các thành phần phát thải (CO, HC, NOx) - x: Nhiên liệu E10 hoặc E20
- HSi (RON95): Hiệu suất chuyển đổi của phát thải i khi sử dụng nhiên liệu RON95
- HSi (x): Hiệu suất chuyển đổi của phát thải i khi sử dụng nhiên liệu E10 hoặc E20.
So với khi sử dụng nhiên liệu RON95, hiệu suất chuyển đổi đối với thành phần CO, HC có xu hướng tăng trong khi đó hiệu suất chuyển đổi đối với thành phần NOx của BXT có xu hướng giảm khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu.
Bảng 3.6. So sánh sự thay đổi phát thải và mức độ thay đổi hiệu suất BXT khi xe sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON95
Thông số Nhiên liệu CO HC NOx
Thay đổi hàm lượng phát thải phía trước BXT (%)
E10 -11,11 -6,54 9,96 E20 -19,97 -12,99 16,09
∆hs% (%) E10 6,26 5,49 -3,41
E20 13,14 13,63 -8,26 Thay đổi hàm lượng phát thải
phía sau BXT (%)
E10 -18,57 -10,19 18,02 E20 -31,53 -23,28 32,37
Bảng 3.6 trình bày kết quả tổng hợp sự thay đổi phát thải (trước và sau BXT) cũng như mức thay đổi hiệu suất của BXT (∆hs%) khi xe sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON95. ∆hs% có thể diễn giải theo cơng thức sau:
∆hs% = (HSi (x) – HSi (RON95))/HSi (RON95).100% (3.2) Từ kết quả thể hiện nêu trên có thể nhận thấy có sự thay đổi đáng kể về hàm lượng phát thải và hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải khi sử dụng nhiên liệu E10, E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON 95, cụ thể như sau:
- Về hàm lượng phát thải phía trước BXT: Có sự giảm đáng kể phát thải CO, HC nhưng có sự tăng mạnh phát thải NOx (Bảng 2.10 - 2.12). Xét trung bình trên bốn đường đặc tính phát thải CO giảm 11,11% với nhiên liệu E10, 19,97% với nhiên liệu E20. Phát thải HC cũng có sự tương đồng khi giảm lần lượt 6,54% với nhiên liệu E10 và 12,99% với nhiên liệu E20. Trong khi đó hàm lượng phát thải NOx tăng lần lượt 9,96%, 16,09% khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20.
- Hiệu suất chuyển đổi BXT (Hình 3.3 – 3.5): Sự cải thiện mơi trường ơ xy hóa trong BXT đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi CO và HC. Cụ thể, xét trung bình trên bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi CO tăng 6,26%, 13,14% tương ứng với khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20. Tương tự với HC, hiệu suất chuyển đổi khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 tăng lần lượt 5,49% và 13,63%. Trong khi đó hịa khí của động cơ có xu hướng nhạt hơn khi sử dụng nhiên liệu E10, E20 (λ > 1 ở các chế độ 25%, 50% và 75% tải) đã làm giảm môi trường khử trong BXT dẫn tới hiệu quả chuyển đổi NOx giảm, với mức giảm lần lượt là 3,41% khi sử dụng nhiên liệu E10 và 8,26% khi sử dụng nhiên liệu E20 (Bảng 3.6).
- Hàm lượng phát thải phía sau BXT: Có thể nhận thấy xu hướng ngược chiều trong sự thay đổi các hàm lượng phát thải của động cơ và hiệu suất chuyển đổi của BXT khi sử dụng xăng pha cồn. Vì vậy hàm lượng phát thải phía sau BXT CO, HC giảm còn NOx tăng mạnh (Bảng 3.6). Cụ thể như sau:
+ Hàm lượng phát thải CO trung bình trên bốn đặc tính 25%, 50%, 75%, 100% tải giảm lần lượt 18,57% và 31,53% khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20.
+ Hàm lượng phát thải HC trung bình trên bốn đặc tính 25%, 50%, 75%, 100% tải giảm lần lượt 10,19% và 23,28% khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20.
+ Hàm lượng phát thải NOx trung bình trên bốn đặc tính 25%, 50%, 75%, 100% tải tăng lần lượt 18,02% và 32,37% khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20.
3.2. Xác định hiệu suất mục tiêu của BXT cải tiến
Tổng hợp từ các kết quả trên mục 3.1 cho thấy khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu phát thải CO, HC có xu hướng giảm trong khi đó NOx có xu hướng tăng mạnh. Do vậy, với mục tiêu đặt ra là phát thải của xe đối với cả ba thành phần CO, HC, NOx khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (trang bị BXTct) tương đương hoặc tốt hơn so với khi sử dụng nhiên liệu xăng thông thường (khi trang bị BXTEMT) sẽ địi
hỏi cần có những giải pháp điều chỉnh nhằm thay đổi hiệu suất chuyển đổi đối với từng thành phần phát thải của BXT. Các điều chỉnh nhằm hướng tới cải thiện mạnh
hiệu suất khử NOx trong khi đó hiệu suất ơ xy hóa CO, HC giữ nguyên hoặc giảm không đáng kể (Bảng 3.6).
Từ yêu cầu nên trên, hiệu suất mục tiêu của BXTct khi sử dụng xăng E10, E20 sẽ được xác định như sau: Phát thải phía trước BXT được xác định là phát thải của xe khi sử dụng nhiên liệu E10, E20. Phát thải phía sau BXT được lấy là phát thải của
xe khi sử dụng nhiên liệu RON95 (khi trang bị BXTEMT).
Thông qua các kết quả phát thải trong Bảng 2.10-2.12, hiệu suất mục tiêu của BXTct xét trung bình trên bốn đường đặc tính được thể hiện trong Bảng 3.7.
Bảng 3.7. Hiệu suất mục tiêu của BXTct khi sử dụng nhiên liệu E10, E20
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 cơng nghệ chế tạo nhằm gia tăng mật độ lỗ (cell). Để đánh giá ảnh hưởng của mật độ lỗ