CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA BỘ XÚC TÁC CẢI TIẾN
4.3.1. Tại chế độ ổn định
4.3.1.1. Phát thải và hiệu suất chuyển đổi của BXT với các thành phần phát thải
Hàm lượng phát thải trước (TBXT) và sau BXT (SBXT) cũng như hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải (HS) được thể hiện trong Bảng 4.7-4.9.
Bảng 4.7. Hàm lượng phát thải trước, sau và hiệu suất chuyển đổi của BXTct đối với các thành phần phát thải khi sử dụng nhiên liệu RON 95
RON95Tải Tải (%) (km/h)v CO HC NOx TBXT (ppm) (ppm)SBXT (%)HS (ppm)TBXT (ppm)SBXT (%)HS (ppm)TBXT (ppm)SBXT (%)HS 25 20 16.382 4.079 75,10 2.977 1.088 63,45 5.506 935 83,02 30 14.697 3.522 76,04 2.678 961 64,12 4.710 765 83,76 40 17.448 4.398 74,79 3.002 1.088 63,76 4.288 756 82,37 50 15.723 4.097 73,94 2.673 1.021 61,80 3.895 712 81,72 60 15.538 4.005 74,22 2.465 951 61,42 3.217 708 77,99 50 30 15.993 4.106 74,33 1.377 515 62,60 8.467 1.501 82,27 40 13.938 3.815 72,63 1.302 481 63,06 8.976 1.643 81,70 50 15.358 4.064 73,54 1.214 465 61,70 9.211 1.745 81,06 60 14.211 4.091 71,21 1.068 405 62,08 9.142 1.754 80,81 70 13.278 4.019 69,73 980 375 61,73 8.644 1.774 79,48 75 30 14.401 5.091 64,65 1.196 481 59,78 8.214 2.014 75,48
40 13.383 4.468 66,61 1.182 461 61,00 8.633 2.309 73,2550 12.644 4.017 68,23 1.121 432 61,46 8.789 2.376 72,97 50 12.644 4.017 68,23 1.121 432 61,46 8.789 2.376 72,97 60 13.322 4.592 65,53 1.028 404 60,70 8.992 2.593 71,16 70 13.066 4.766 63,52 911 372 59,17 8.474 2.631 68,95 100 40 75.420 43.753 41,99 1.588 941 40,74 2.636 1.102 58,19 50 71.024 40.560 42,89 1.514 936 38,18 4.052 1.758 56,61 60 66.837 39.938 40,25 1.620 1.043 35,62 4.461 1.893 57,57 70 80.940 49.393 38,98 1.580 1.051 33,48 4.534 2.095 53,79 80 90.158 62.940 30,19 1.854 1.261 31,98 1.246 704 43,50
Bảng 4.8. Hàm lượng phát thải trước, sau và hiệu suất chuyển đổi của BXTct đối với các thành phần phát thải khi sử dụng nhiên liệu E10
E10Tải Tải (%) (km/h)v CO HC NOx TBXT (ppm) (ppm)SBXT (%)HS (ppm)TBXT (ppm)SBXT (%)HS (ppm)TBXT (ppm)SBXT (%)HS 25 20 14.695 3.504 76,16 2.887 982 65,99 6.243 1.196 80,84 30 13.559 3.160 76,69 2.552 931 63,52 5.709 1.104 80,66 40 15.392 3.528 77,08 2.801 1.012 63,87 4.907 1.005 79,52 50 14.122 3.315 76,53 2.486 914 63,23 4.507 1.017 77,44 60 13.668 3.395 75,16 2.329 862 62,99 3.906 919 76,47 50 30 13.878 3.476 74,95 1.329 481 63,81 8.805 1.801 79,55 40 13.339 3.319 75,12 1.231 442 64,09 9.463 2.058 78,25 50 13.735 3.280 76,12 1.130 407 63,98 9.677 2.125 78,04 60 13.121 3.181 75,76 1.005 378 62,39 9.536 2.386 74,98 70 12.540 3.502 72,07 914 349 61,82 9.222 2.503 72,86 75 30 13.501 4.149 69,27 1.173 438 62,66 8.721 2.766 68,28 40 11.775 3.584 69,56 1.131 427 62,25 9.028 2.919 67,67 50 11.544 3.622 68,62 1.064 414 61,09 9.461 3.095 67,29 60 11.996 3.931 67,23 987 388 60,69 9.542 3.078 67,74 70 11.838 4.153 64,92 822 331 59,73 8.841 3.009 65,97 100 40 60.226 31.004 48,52 1.299 728 43,96 3.775 1.690 55,23 50 53.417 29.221 45,30 1.205 722 40,08 5.328 2.455 53,92 60 52.712 28.802 45,36 1.244 762 38,75 4.811 2.239 53,46 70 61.498 35.712 41,93 1.417 919 35,14 5.042 2.607 48,29 80 84.992 54.736 35,60 1.585 1.057 33,31 1.351 772 42,86
Bảng 4.9. Hàm lượng phát thải trước, sau và hiệu suất chuyển đổi của BXTct đối với các thành phần phát thải khi sử dụng nhiên liệu E20
E20Tải Tải (%) v (km/h ) CO HC NOx TBXT (ppm) (ppm)SBXT (%)HS (ppm)TBXT (ppm)SBXT (%)HS (ppm)TBXT (ppm)SBXT (%)HS 25 20 13.672 3.118 77,19 2.628 831 68,38 6.758 1.359 79,89
30 12.238 2.606 78,71 2.472 814 67,07 6.235 1.278 79,5040 13.259 2.881 78,27 2.511 882 64,87 5.509 1.191 78,38 40 13.259 2.881 78,27 2.511 882 64,87 5.509 1.191 78,38 50 13.298 3.007 77,39 2.259 829 63,30 4.802 1.155 75,95 60 12.747 2.906 77,20 2.149 819 61,89 4.266 1.076 74,78 50 30 13.396 3.225 75,93 1.249 420 66,37 9.068 2.118 76,64 40 12.672 2.985 76,44 1.137 390 65,70 9.611 2.324 75,82 50 13.319 3.099 76,73 1.019 353 65,36 9.727 2.412 75,20 60 12.242 2.901 76,30 951 336 64,67 9.810 2.487 74,65 70 11.808 3.152 73,31 817 302 63,04 9.471 2.508 73,52 75 30 12.128 3.347 72,40 1.132 387 65,81 9.288 2.977 67,95 40 11.435 3.196 72,05 1.007 355 64,75 9.535 3.167 66,79 50 10.835 3.154 70,89 1.054 388 63,19 9.661 3.321 65,62 60 10.557 3.121 70,44 949 345 63,65 9.934 3.460 65,17 70 11.329 3.828 66,21 788 320 59,39 9.376 3.614 61,45 100 40 46.268 22.777 50,77 1.127 599 46,85 4.167 1.910 54,16 50 41.629 21.008 49,54 1.098 616 43,90 5.678 2.675 52,89 60 40.183 21.882 45,54 1.085 614 43,41 5.333 2.629 50,70 70 52.349 29.508 43,63 1.168 701 39,98 5.437 2.957 45,61 80 68.122 39.366 42,21 1.296 799 38,35 1.521 916 39,78
Từ các kết quả tổng hợp trên các Bảng 4.7-4.9 có thể thấy:
- Phát thải CO
Hàm lượng phát thải và hiệu suất chuyển đổi CO của BXT được thể hiện trên Hình 4.23. Kết quả cho thấy tại tất cả các điểm đo trên ba đường đặc tính 25%, 50% và 75% tải, hiệu suất chuyển đổi của BXT đạt khá cao với cả ba mẫu nhiên liệu (dao động trong khoảng 63 -79%). Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi tại đặc tính 100% tải thấp hơn rất nhiều (dao động từ 30 - 50%). Nguyên nhân do tại chế độ tồn tải hịa khí của động cơ có xu hướng đậm (λ<1) kết hợp với lưu lượng khí thải quá lớn dẫn tới vận tốc không gian vượt quá vùng làm việc hiệu quả của BXT. Xét trung bình trên cả bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi của BXT lần lượt là 62,92% (RON95), 65,78% (E10) và 67,56% (E20).
Hình 4.23. Phát thải và hiệu suất chuyển đổi thành phần CO của BXTct khi sử dụng các mẫu nhiên liệu RON95, E10 và E20
- Phát thải HC
Các kết quả cho thấy xu thế khá tương đồng như với phát thải CO (Hình 4.24). Hiệu suất chuyển đổi có xu hướng giảm khi tải trọng động cơ tăng, hiệu suất chuyển đổi khi sử dụng nhiên liệu sinh học E10, E20 cao hơn so với khi sử dụng nhiên liệu RON95. Xét trung bình trên cả bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi HC khi xe sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20 lần lượt là 55,39%; 56,76% và 59,00%.
Hình 4.24. Phát thải và hiệu suất chuyển đổi thành phần HC của BXTct khi sử dụng các mẫu nhiên liệu
- Phát thải NOx
Phát thải và hiệu suất chuyển đổi NOx của BXT được thể hiện trên Hình 4.25. Kết quả cho thấy xu thế thay đổi hiệu suất chuyển đổi NOx trên bốn đường đặc tính đối với cả ba mẫu nhiên liệu là khá tương đồng, có xu hướng giảm khi tăng tốc độ, tải trọng của xe và tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu. Có thể nhận thấy hiệu suất chuyển đổi NOx tại 100% tải vẫn đạt giá trị khá tốt, hiệu suất trung bình là 53,93% (RON95), 50,75% (E10) và 48,63% (E20). Trung bình trên cả bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi NOx ứng với các nhiên liệu RON95, E10, E20 lần lượt là 72,28% (RON95), 71,26% (E10) và 70,19% (E20).
Hình 4.25. Phát thải và hiệu suất chuyển đổi thành phần NOx của BXTct khi sử dụng các mẫu nhiên liệu
Hình 4.26. Mức độ thay đổi hiệu suất của BXTct khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng RON95 theo chế độ làm việc
Hình 4.26 thể hiện thay đổi hiệu suất (∆hs) chuyển đổi của BXT khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng nhiên liệu RON95. Kết quả cho thấy, thay đổi hiệu suất của BXT với phát thải CO, HC có xu hướng tăng, mức tăng tỷ lệ với tải trọng của xe. Đặc biệt tại 100% tải có sự thay đổi đáng kể so với các mức tải khác. Nguyên nhân của hiện tượng này là do tại 100% tải động cơ được thiết lập với hịa khí đậm và khơng sử dụng chế độ điều khiển vịng kín theo λ. Vì vậy, khi tăng tỷ lệ ethanol, hệ số dư lượng khơng khí λ được tăng lên đáng kể hay nói cách khác mơi trường ơ xy hóa trong BXT được cải thiện do đó hiệu suất ơ xy hóa của BXT được nâng lên rõ rệt. Hiệu suất khử ít phụ thuộc vào tải trọng mà chỉ phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng với mức giảm khi sử dụng nhiên liệu E20 cao hơn so với khi sử dụng nhiên liệu E10.
4.3.1.2. So sánh hiệu quả chuyển đổi của BXTct giữa mô phỏng và thực nghiệm
Trên cơ sở các kết quả mô phỏng thể hiện trong mục 3.4.2.2 (Phụ lục 2.3) và kết quả thực nghiệm (Bảng 4.7 – 4.9), Bảng 4.10 thể hiện sai lệch hiệu suất chuyển đổi giữa mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) đối với các thành phần phát thải của BXTct tại 50% tải, khi thử nghiệm với nhiên liệu RON95, E10, E20. Kết quả cho thấy, tại tất cả các chế độ với cả ba thành phần phát thải sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm chỉ dao động trong khoảng -4,15% đến 4,09%.
Bảng 4.10. So sánh hiệu suất chuyển đổi giữa mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) của BXTct tại 50% tải khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20
v (km/h)
CO HC NOx
RON95 E10 E20 RON95 E10 E20 RON95 E10 E20
30 -4,15 -2,84 -4,02 -4,15 -2,84 -4,02 -1,20 2,85 1,3840 -1,68 0,64 1,98 -1,68 0,64 1,98 -1,21 4,05 3,49 40 -1,68 0,64 1,98 -1,68 0,64 1,98 -1,21 4,05 3,49 50 2,11 1,59 4,04 2,11 1,59 4,04 -0,37 2,65 3,18 60 -0,13 2,58 2,06 -0,13 2,58 2,06 2,54 2,58 4,09 70 -3,37 -2,42 -3,24 -3,37 -2,42 -3,24 2,58 4,16 3,88 TB -1,45 -0,09 0,16 -1,45 -0,09 0,16 0,47 3,26 3,21
Hình 4.27. Sai lệch hiệu suất trung bình tại 50% tải giữa mô phỏng và thực nghiệm của BXTct khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20
Hình 4.27 thể hiện sai lệch hiệu suất trung bình tại 50% tải giữa mơ phỏng và thực nghiệm của BXTct khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20. Kết quả cho thấy, với thành phần CO và HC sai lệch lớn nhất ứng với khi sử dụng nhiên liệu RON95 với mức sai lệch trung bình đều là -1,45%. Với thành phần NOx sai lớn nhất ứng với khi sử dụng nhiên liệu E10 với giá trị trung bình là 3,26%. Như vậy, có thể khẳng định mơ hình BXTct được xây dựng trong Chương 3 đảm bảo độ tin cậy và phản ánh chính xác xu hướng thay đổi hiệu suất của BXT đối với các thành phần phát thải khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn.
4.3.1.3. So sánh hiệu suất chuyển đổi của BXTct với BXTEMT
Bảng 4.11. Hiệu suất chuyển đổi trung bình trên bốn đặc tính của BXTEMT và BXTct khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20.
Thành phần
RON95 E10 E20
BXTEMT (%) BXTct (%) BXTEMT (%) BXTct (%) BXTEMT (%) BXTct (%) CO 56,53 62,92 61,2 65,79 63,96 67,56 HC 48,05 55,39 50,69 56,76 54,6 58,99 NOx 60,15 72,28 58,1 71,26 55,18 69,93
Bảng 4.11 tổng hợp hiệu suất chuyển đổi trung bình trên bốn đường đặc tính 25%, 50%, 75% và 100% tải của BXTEMT và BXTct. Kết quả cho thấy hiệu suất của BXTct được cải thiện rõ rệt với cả ba thành phần phát thải, đặc biệt là thành phần NOx (Hình 4.28). Xét trung bình đối với cả ba loại nhiên liệu mức độ cải thiện của ba thành phần phát thải CO, HC, và NOx giữa BXTct và BXTEMT lần lượt là 4,86%, 5,93% và 13,35%.
Hình 4.28. So sánh hiệu suất chuyển đổi trung bình trên bốn đặc tính của BXT cơ sở (BXTEMT) và BXT cải tiến (BXTct)
Hình 4.29 So sánh thay đổi hiệu suất (∆hs) của BXTct và BXTEMT khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 so với khi sử dụng RON95. Có thể thấy thay đổi hiệu suất của BXTct thấp hơn rõ rệt so với BXTEMT. Có thể giải thích kết quả này là do các nguyên nhân sau:
- Việc bổ sung thành phần CeO2 có tác dụng giải phóng ơ xy khi hịa khí động cơ đậm và hấp thụ ô xy khi hịa khí động cơ nhạt. Điều này cho phép giảm dao động hệ số dư lượng khơng khí trong lõi xúc tác, giúp cải thiện hiệu suất chuyển đổi của BXT.
- Sự hình thành cấu trúc spinel của hỗn hợp CuO/MnO2 giúp cải thiện hiệu quả chuyển đổi của BXT, đặc biệt là với NOx ngay cả với vùng hịa khí nhạt [76].
- So với BXTEMT, tỷ lệ Pt/Rh trong BXTct được nâng lên từ 5:1 sang 4:2, giúp BXT nâng cao khả năng khử NOx.
Hình 4.29. So sánh sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi trung bình trên bốn đặc tính của BXTEMT và BXTct khi sử dụng E10, E20 so với khi sử dụng RON95
Hình 4.30. So sánh hiệu suất chuyển đổi trung bình trên bốn đặc tính theo kỳ vọng (BXTct-kv) và thực tế đạt được (BXTct-tt) của BXTct
Trong mục 3.1 khi lấy phát thải của xe trang bị BXTEMT với nhiên liệu RON95 làm gốc, hiệu suất mục tiêu của BXTct cần đạt được với ba thành phần phát thải lần lượt là CO (50,88%), HC (44,42%) và NOx (65,11%) để phát thải của xe khi sử dụng nhiên liệu sinh học E10, E20 trang bị BXTct tối thiểu ngang bằng hoặc tốt hơn so với xe khi trang bị BXTEMT và sử dụng nhiên liệu RON95. Hình 4.30 cho thấy so với kỳ vọng (BXTct-kv), hiệu suất thực tế (BXTct-tt) của BXTct tốt hơn với mức tăng hiệu suất chuyển đổi với các thành phần CO, HC và NOx lần lượt là 14,87%, 12,28% và 11,8%. Như vậy có thể thấy hiệu suất chuyển đổi của BXTct hoàn toàn đáp ứng được hiệu suất mục tiêu đề ra.