STT Thông số Thành phần Giá trị Đơn vị
1 Thời điểm bắt đầu 0 s
2 Thời điểm kết thúc 1200 s
3 Bước thời gian 40 s
4 Thành phần khí thải đầu vào BXT CO, C3H6, NO, CO2,H2O, O2, N2 Xác định bằng thựcnghiệm (mục 2.4) ppm
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 khơng khí, lưu lượng và thành phần của khí thải khi đi vào BXT. Các thông số này được xác định và tính tốn 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 Bảng 2.3. Dữ liệu điều kiện biên
STT Điều kiện biên Thông số Giá trị Đơn vị
1 ATB1
Lưu lượng khí thải g/s
Nhiệt độ oC
Hệ số dư lượng KK -
Hàm lượng phát thải ppm
2 ATB 2 Áp suất 1,05 bar
Hình 2.9. Màn hình nhập dữ liệu phần tử BXT
Căn cứ vào các thông số kỹ thuật của BXTEMT và các tính tốn dựa trên cơ sở lý thuyết, các dữ liệu về phần tử BXTEMT (Bảng 2.4) được đưa vào mơ hình (Hình 2.9).
Bảng 2.4. Dữ liệu về phần tử BXTEMT
STT Thông số Giá trị Đơn vị
1 Thể tích BXT 0,2 l
2 Chiều dài khối BXT 0,1 m
3 Mật độ lỗ (cell) 200 cell/in2
4 Tổng thể tích phần rỗng của các lỗ (cell) 0,17 l 5 Độ dày thành khối xúc tác 1.8E-4 m 6 Độ dày lớp washcoat 1,3E-5 m 7 Khối lượng riêng BXT 1.700 kg/m3
8 Độ dẫn nhiệt 0,4 W/(m.K)
9 Nhiệt dung riêng 1.200 J/(kg.K) 10 Hệ số truyền nhiệt bên ngoài 30 W/m2.K
11 Độ dày lớp vỏ 0,001 m
12 Độ dày lớp cách nhiệt 0,01 m 13 Độ dẫn nhiệt của lớp vỏ 40 W/(m.K) 14 Độ dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt 0,3 W/(m.K)
15 Nhiệt độ môi trường 298 K
16 Kim loại quý sử dụng Pt, Rh
17 Khối lượng kim loại quý Pt, Rh sử dụng 0,14 g 18 Tỷ lệ khối lượng Pt/Rh 5,0:1,0
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 mơ hình mơ phỏng có phản ánh đúng xu hướng diễn ra trong mơ hình thực hay khơng. Tính chính xác của các kết quả mơ
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... Ngồi ra cơng 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 Thông số Đơn vị Giá trị Đơn vị 1 Mật độ lớp washcoat 1000 kg/m3
2 Mật độ kim loại Pt 1.30E-05 mol/m2
3 Mật độ kim loại Rh 2.60E-06 mol/m2
4 2Rh + O2 = 2RhO K 100000 kmol.m2.s E 16000 J/mol 5 2Rh + 2NO = 2RhO + N2 K 400000 kmol.m2.s
E 15900 J/mol 6 RhO + CO = Rh + CO2 K 240000 kmol.m2.s
E 15940 J/mol 7 2Pt + O2 = 2PtO K 130000 kmol.m2.s
E 15970 J/mol 8 PtO + CO = Pt + CO2 K 150000 kmol.m2.s
E 15950 J/mol 9 9PtO + C3H6 = 9Pt + 3CO2 + 3H2O K 650000 kmol.m2.s
E 15890 J/mol
Dựa vào các tính tốn 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 mơ hình
Trên cơ sở hồn thiện việc xây dựng mơ hình và nhập dữ liệu, mơ hình khơng xảy ra các lỗi liên quan đến dữ liệu và logic, bước tiếp theo tiến hành chạy thử nghiệm mơ 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 mơ hình đã xây dựng, làm cơ sở cho việc hiệu chuẩn tính chính xác của mơ hình và tiến hành mơ 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 thơng số đầu vào của BXT
Thành phần khí, lưu lượng, hệ số dư lượng khơng 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 mơ hình mơ 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 Giá trị
1 Mẫu xe Piaggio Liberty 150
2 Kiểu động cơ 1 xylanh, 4 kỳ 3 Dung tích xylanh 154,8 cm3
4 Đường kính x Hành trình 58 mm x 58,6 mm
5 Tỉ số nén 10,5: 1
6 Công suất tối đa 9.7 kW/ 7750 v/ph 7 Mô – men cực đại 13 Nm/6500 v/ph
8 Hệ thống làm mát Kết hợp gió và dung dịch 9 Hệ thống nhiên liệu Phun xăng điện tử
10 Góc đánh lửa sớm Điều khiển bởi ECU 11 Cơ cấu phân phối khí Xupap treo, 2 nạp, 1 thải
12 Khởi động Điện, chân đạp
13 Hộp số Vô cấp CVT
Nhiên liệu thử nghiệm bao gồm xăng RON95 của cơng 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]
RON95 E10 E20 1 Trọng lượng riêng (kg/l ở 15,5oC) 0,7575 0,7608 0,7641
2 Chỉ số Octan 95,4 98,1 100,7
3 Hàm lượng lưu huỳnh (wt %) 0,0061 0,0055 0,0049 4 Hàm lượng chất keo rửa trôi (mg/100ml) 0,2 0,35 0,6 5 Hàm lượng chất keo không rửa trôi
(mg/100ml) 18,8 17,4 15,0 6 Hàm lượng chì (g/l) < 0,0025 < 0,0025 < 0,0025 7 Nhiệt trị (cal/g) 10176 9511 9316 8 Cacbon (wt%) 86,6 83,02 79,48 9 Hydro (wt%) 13,3 13,27 13,25 10 Màu sắc Vàng Vàng Vàng 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 nghiệmSTT Thông số Giá trị STT Thông số Giá trị 1 Tải (% tay ga) 25% 50% 75% 100% 2 Tốc độ xe(km/h) 20 30 30 40 30 40 40 50 40 50 50 60 50 60 60 70 60 70 70 80
Hình 2.10. Sơ đồ bố trí vị trí lấy mẫu khí thải và các cảm biến
Q 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 khơng 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 mơ 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 khơng 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 khơng 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 thơng 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. Thơng số kỹ thuật các thiết bị đo
Thiết bị Dải đo Độ phân giải Độ chính xác AVL 733S 0-2000 g 1 mg – 0,5s ±1% CEBII CO 0 - 100.000 ppm (4 dải) 1 ppm ±2% CO2 0 - 160.000 ppm (4 dải) 1 ppm ±2% HC 0 - 20.000 ppm (4 dải) 1 ppm ±2% NOx 0 - 10.000 ppm (4 dải) 1 ppm ±2% Băng thử xe máy CD 20” Tốc độ 0-200 km/h 0,1 km/h 0,01% Lực kéo 0-1000 N 0.1 N ±1%
Cảm biến nhiệt độ loại K 0-800oC 0,01oC - Cảm biến lamda Bosch
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 (%) (km/h)v (ppm)CO (ppm)HC (ppm)NOx (ppm)CO2 λ tkt (oC) Gnl (kg/h)
25 20 16.220 2.952 5.561 121.234 0,995 335 0,689 30 14.661 2.662 4.791 120.629 0,996 341 0,727 40 17.429 2.968 4.325 119.234 0,999 345 0,755 50 15.693 2.638 3.916 121.563 1.000 349 0,794 60 15.433 2.441 3.266 120.537 0,995 350 0,799 50 30 15.943 1.323 8.494 123.098 0,9986 511 1,339 40 13.915 1.296 9.134 121.700 0,998 514 1,405 50 15.328 1.199 9.313 120.889 0,9989 517 1,435 60 13.911 1.065 9.166 122.100 0,9989 520 1,465 70 13.241 979 8.782 122.420 0,9993 525 1,505 75 30 14.508 1.180 8.402 123.405 0,993 538 1,696 40 13.184 1.141 8.831 124.051 0,994 545 1,816 50 12.545 1.095 8.962 124.149 0,995 551 1,798 60 13.200 1.021 9.061 124.160 0,995 553 1,841 70 12.986 869 8.571 124.544 0,996 558 1,958 100 40 73.420 2.774 2.837 76.068 0,869 568 1,934 50 67.024 2.826 4.155 79.158 0,874 576 1,979 60 64.837 3.042 4.566 81.403 0,871 581 1,961 70 78.949 3.160 4.694 79.591 0,844 591 2,155 80 83.158 3.528 1.336 66.634 0,817 602 2,539
Bảng 2.11. Kết quả thử nghiệm khí thải khi sử dụng nhiên liệu E10
Tải (%) (km/h)v (ppm)CO (ppm)HC (ppm)NOx (ppm)CO2 λ tkt (oC) Gnl (kg/h)
25 20 14.554 2.857 6.293 123.326 1,035 342 0,716 30 13.645 2.513 5.769 123.414 1,036 352 0,756 40 15.291 2.800 4.991 123.457 1,037 368 0,785 50 14.143 2.478 4.577 123.773 1,037 372 0,818 60 13.565 2.321 3.966 124.055 1,035 375 0,832 50 30 13.872 1.318 8.775 123.326 1,038 521 1,398 40 13.336 1.217 9.322 124.314 1,039 523 1,465 50 13.729 1.118 9.425 125.257 1,038 525 1,505 60 13.101 996 9.487 126.473 1,039 529 1,521 70 12.531 905 9.095 126.755 1,039 531 1,557 75 40 13.510 1.164 8.772 127.500 1,033 544 1,752 50 11.770 1.110 9.066 127.640 1,035 554 1,879 60 11.540 1.058 9.464 127.796 1,036 557 1,878 70 11.996 982 9.562 127.871 1,034 565 1,907 80 11.834 815 8.841 128.631 0,95 578 2,027 100 40 59.266 2.582 3.783 82.533 0,905 577 2,006 50 53.327 2.395 5.337 84.605 0,91 588 2,051 60 52.660 2.478 4.822 87.727 0,907 592 2,050 70 61.445 2.821 5.053 83.949 0,879 604 2,284 80 74.987 3.162 1.360 73.940 0,851 614 2,663
Bảng 2.12. Kết quả thử nghiệm khí thải khi sử dụng nhiên liệu E20
Tải (%) (km/h)v (ppm)CO (ppm)HC (ppm)NOx (ppm)CO2 λ tkt (oC) Gnl (kg/h)
25 20 13.666 2.620 6.780 126.195 1,078 348 0,739 30 12.236 2.466 6.245 126.401 1,08 359 0,779 40 13.255 2.492 5.494 126.585 1,082 375 0,812 50 13.291 2.252 4.826 126.875 1,082 388 0,852 60 12.745 2.149 4.291 126.997 1,083 392 0,861 50 30 13.381 1.248 8.978 127.095 1,079 530 1,435 40 12.659 1.131 9.420 127.301 1,082 536 1,508 50 13.304 1.013 9.534 127.485 1,082 538 1,546 60 12.233 945 9.317 127.775 1,081 540 1,571 70 11.799 811 9.380 127.897 1,083 542 1,619 75 40 12.124 1.132 9.192 124.369 1,078 553 1,818 50 11.430 1.006 9.346 125.557 1,078 562 1,945 60 10.837 1.052 9.472 125.573 1,079 566 1,948 70 10.552 948 9.846 125.832 1,079 575 2,004 80 11.323 787 9.083 126.451 1,08 592 2,115 100 40 46.266 2.244 4.173 90.091 0,941 585 2,103 50 41.627 2.187 5.688 92.084 0,947 602 2,124 60 40.180 2.166 5.342 93.806 0,943 608 2,112
70 52.346 2.327 5.443 83.281 0,914 615 2,338 80 60.088 2.590 1.529 79.656 0,885 624 2,788
2.4.5. Tính tốn lưu lượng khí thải
Ngồi các thơng số đầu vào trong mơ hình mơ phỏng BXT được thể hiện trong Bảng 2.10-2.12, thơng số lưu lượng khí thải (Gkt) được tính tốn dựa trên lưu lượng khí nạp (Gkn) và lượng nhiên liệu tiêu thụ (Gnl) theo công thức:
Gkt = Gkn+Gnl (2.36)
Lưu lượng khí nạp có thể được tính tốn gián tiếp theo lưu lượng nhiên liệu và hệ số dư lượng khơng khí (λ) theo công thức:
Gkn = λ.Gnl.(A/F) (2.37)
Gkt được xác định bằng cách thay Gkn từ công thức (2.37) vào (2.36):
Gkt = Gnl(1+ λ. (A/F)) (2.38)
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 RON95 E10 E20 E100
A/F 14,49 13,89 13,31 8,87
Gkt được tính tốn trên cơ sở kết hợp các kết quả đo Gnl trong Bảng 2.10-2.12, công 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)
RON95 E10 E20
λ (kg/h)Gnl (kg/h)Gkt λ (kg/h)Gnl (kg/h)Gkt λ (kg/h)Gnl (kg/h)Gkt 25 20 0,995 0,69 10,62 1,035 0,72 11,01 1,078 0,74 11,34 30 0,996 0,73 11,22 1,036 0,76 11,63 1,08 0,78 11,98 40 0,999 0,75 11,68 1,037 0,79 12,09 1,082 0,81 12,51 50 1 0,79 12,30 1,037 0,82 12,60 1,082 0,85 13,12 60 0,995 0,80 12,32 1,035 0,83 12,79 1,083 0,86 13,27 50 30 0,9986 1,34 20,72 1,038 1,40 21,55 1,079 1,44 22,04 40 0,998 1,41 21,73 1,039 1,47 22,61 1,082 1,51 23,23 50 0,9989 1,44 22,21 1,038 1,51 23,20 1,082 1,55 23,81 60 0,9989 1,47 22,67 1,039 1,52 23,47 1,081 1,57 24,17 70 0,9993 1,50 23,29 1,039 1,56 24,03 1,083 1,62 24,96 75 40 0,993 1,70 26,09 1,033 1,75 26,89 1,078 1,82 27,90 50 0,994 1,82 27,98 1,035 1,88 28,89 1,078 1,95 29,85 60 0,995 1,80 27,72 1,036 1,88 28,90 1,079 1,95 29,92
70 0,995 1,84 28,38 1,034 1,91 29,30 1,079 2,00 30,78 80 0,996 1,96 30,21 0,95 2,03 28,77 1,08 2,12 32,52 100 40 0,869 1,93 26,29 0,905 2,01 27,22 0,941 2,10 28,44 50 0,874 1,98 27,04 0,91 2,05 27,98 0,947 2,12 28,90 60 0,871 1,96 26,71 0,907 2,05 27,88 0,943 2,11 28,62 70 0,844 2,16 28,51 0,879 2,28 30,17 0,914 2,34 30,78 80 0,817 2,54 32,60 0,851 2,66 34,14 0,885 2,79 35,63