Báo cáo chuyên đề Kỹ thuật ô tô máy kéo và động cơ đốt trong

KHÁC VỚI BÁO CÁO TỔNG QUANBÁO CÁO TỔNG QUAN: VẤN ĐỀ CHƯA BIẾT, SẼ NGHIÊN CỨU BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: VẤN ĐỀ ĐÃ BIẾT VÀ NẮM RẤT VỮNG, BÁO CÁO CHO MỌI NGƯỜI BIẾT ĐỂ ỨNG DỤNG Có thể là nghiên

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ (SEMINAR)

KỸ THUẬT ÔTÔ MÁY KÉO VÀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

KHÁC VỚI BÁO CÁO TỔNG QUAN

BÁO CÁO TỔNG QUAN: VẤN ĐỀ CHƯA

BIẾT, SẼ NGHIÊN CỨU

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: VẤN ĐỀ ĐÃ BIẾT VÀ NẮM RẤT VỮNG, BÁO CÁO CHO MỌI NGƯỜI BIẾT ĐỂ ỨNG DỤNG

Có thể là nghiên cứu của người báo cáo, hoặc của người khác hoặc các thông tin chuyên đề tổng hợp

CẤU TRÚC BÁO CÁO

GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ

CÁC TÍNH CHẤT QUAN TRỌNG

CỦA VẤN ĐỀ

NỘI DUNG CỦA VẤN ĐỀ

KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

CỦA VẤN ĐỀ

NHỮNG TỒN TẠI VÀ KHẢ NĂNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN

CỦA VẤN ĐỀ

quyết được

BỘ XÚC TÁC CATALYST xử lý khí thải

 Trước 1966: không kiểm soát khí thải

 1966 - 1968 California và US Federal Government: quy định HC và CO

 1970: Clean Air Act (USA) limits levels of CO, HC and NOx

 1973: Japan

 1984: Europe – Euro 0

BỘ XÚC TÁC CATALYST (Động cơ xăng)

Bộ xúc tác oxy hóa (Oxidation converter): Pt, Pd, kiểm soát CO và HC

Bộ xúc tác 3way (3 chất): kiểm soát CO, HC và NOx cho động cơ dùng xăng không chì

Độ phát ô nhiễm và hiệu quả xúc tác

3 WAY CATALYST

Làm việc trong một window với “lamda” ~ 1: cho phép xử lý đồng thời CO, HC

và NOx Cần có cảm biến lamda để kiểm soát Các loại Catalysts 3W:

 Hạt catalyst (pellets)

 Tổ ong nguyên khối (honeycomb monolith)

 Các bản catalyst song song (parallel plates)

 Gạc, lưới sợi (fibres pad and gauze)

 Kim loại nung kết (sintered metals)

Lựa chọn vật liệu nền phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng Hiện nay thường dùng

loại catalyst honeycomb monolith với các ưu điểm sau:

 Tỉ số diện tích bề mặt-thể tích lớn với sự giảm áp suất nhỏ

 Mạng tổ ong đảm bảo phân bố dòng khí đi qua đồng đều với hiệu ứng channelling” nhỏ

“kênh- Các hạt trong dòng khí (nếu có) đi qua catalyst sẽ dễ dàng hơn miễn là kích thước lỗ lớn hơn kích thước hạt

CẤU TẠO CATALYST

Một vài thông số CATALYST

Conversion: XA = (CAo _ CA)/CAo

Space Velocity: SV = QV/V

Q: Volumetric flowrate, V: Reactor volume (porous)

Space time: VReactor/Vfeed flowrate

Residence time: length of time molecules spend in reactor

Cells density: number of cells per square inch (cpsi) of

Open frontal area (porosity): % free cross-sectional area

available for flow, e.g calculate the % open frontal area for a 400 cpsi monolith with square shaped cells, 1.1x1.1mm: 400 x

Tính chất của các loại vật liệu khác nhau dùng cho loại ceramic

Cordierite 2MgO.2Al 2 O 3 .5SiO 2 1350 1.1 x 10 -6

Các tính chất đặc trưng của vật liệu Cordierite Honeycomb

(Alexander và Umehara “Introduction to Catalitic combustion _ R E Hayes)

1 Crystal structure Cordierite, 2MgO.2Al 2 O 3 .5SiO 2

2 Coefficient of thermal expansion

8 Mean pore diameter 4m

9 Compressive strength, kg/cm 2 A>85

B>11 C>1

A B C

Tính chất của catalyst có 400 cpsi (62 cells/cm 2 ),

với độ dày khác nhau cordierite ceramic substrate (NGK Locke Inc)

Geometric surface area,

m 2 /m 3

Các tính chất đặc trưng của vật liệu Cordierite Honeycomb

Hình dạng các kênh của catalyst Cordierite Honeycomb

Hình dạng các kênh của catalyst Cordierite Honeycomb

CATALYST dùng cho động cơ xăng

Bề mặt nền được phủ một lớp vật liệu washcoat (high surface area material) mà trên đó có sự phân bố của

các chất xúc tác (catalysts).

Bề dày của washcoat khoảng 10 -150m, độ dày này có thể không đồng đều.

Kích thước lỗ xốp (pore size) khoảng từ 2nm – 20nm

hoặc lớn hơn

 Các chất catalysts: Pt, Pd, (dùng cho phản ứng oxy hóa) Rh dùng cho phản ứng khử NOx Các vật liệu này ít bị mất hoạt hoá bởi lưu huỳnh ở nhiệt độ dưới 5000C Tính oxy hóa cao đối với HC

 Ngoài ra: có các vật liệu tăng hoạt tính và làm ổn định, chống lão hóa: Cerium, Lanthanum, Barium, Zirconium, Nickel, Fe, Si, Sn…

 Tỉ lệ hoạt hóa:

@ không có cerium: Pd>Rh>Pt, @ có cerium: Rh>Pd ~ Pt

 Thường dùng:

@ Pt, Pd/Al2O3

@ (Pt-Rh)/Al2O3 hoặc (Pd-Rh)/Al2O3

 Lượng các chất xúc tác:

@- Pd, Pt khoảng 40g/ft 3 – 120g/ft 3

@- Rh khoảng 4.5g/ft 3 – 8.5g/ft 3 (Pt hoặc Pd/Rh = 5/1)

Ví dụ: một xe hơi có dung tích động cơ 1.2 lít, sử dụng catalyst

nhóm PGM với 1.4g/l chứa 1.75g Pt và Rd với tỉ lệ Pt/Rd = 5/1

CATALYST dùng cho động cơ xăng

CATALYST dùng cho động cơ xăng:

sự giảm áp suất trong catalist

Các hiện tượng xảy ra trong 3way catalyst

Các phản ứng Catalytic và động hoá học

Conversion as a function

of temperature : rate

controlling regimes

Truyền chất và các phản ứng trong catalist

Các bước phản ứng trong một lỡ rỗng catalyst

BULK GAS Reactants

Products

Catalyst pore

1- Truyền chất phản ứng từ pha khí qua lớp biên vào bề mặt ngoài catalyst Dòng khuếch tán và dòng khí tạo

nên Đối lưu

2- Khuếch tán chất phản ứng vào các lỗ rỗng catalyst (đa số catalyst hoạt tính nằm trong các lỗ rỗng)

3- Hấp thụ các chất phản ứng vào bề mặt catalyst Bắt

đầu phản ứng

4- Phản ứng xúc tác

5- Tách các sản phẩm ra khỏi phản ứng

6- Khuếch tán các sản phẩm ra khỏi bề mặt catalyst

7- Truyền các sản phẩm vào dòng khí

Các bước phản ứng trong một lỡ rỗng catalyst

Khởi động bộ catalyst

 Nhiệt độ khởi động: khi hiệu quả chuyển đổi đạt 50% (light off temperature)

 CO: 220 o C, HC: 270 o C

Khởi động bộ catalyst

 Nhiệt độ này phụ thuộc: nhiên liệu, thời gian sử dụng…

 Tăng T 0 KĐ: bộ xúc tác khởi động (close-loop catalyst - CC), sấy điện, hydrocarbon traps or fuel burners and afterburners

Ảnh hưởng của bộ xúc tác khởi động đến hiệu quả bộ xúc tác chính

Các phương án chất xúc tác cho các bộ catalysts CC và UC

Các vấn đề của bộ xúc tác catalyst động cơ xăng

Sự lão hóa (aging) và poisoning (bội nhiễm) bộ xúc tác:

 Do tác động đồng thời của các tác nhân hóa, lý,

nhiệt và cơ học, tác nhân hoá học - nhiệt là quan

trọng nhất

 Tác động của chì có trong nhiên liệu: một lớp kim loại trơ ở nhiệt độ cao, chèn kín các lỗ xốp ở nhiệt độ thấp do đó làm giảm diện tích xúc tác

 Tác động của phosphorous (P) có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn

 Tác động của lưu huỳnh (S) trong nhiên liệu làm trơ hóa dần bộ xúc tác và có khả năng gây ra các khí H 2 S (khi hỗn hợo nghèo)

 Lớp bám carbon (C) Sẽ được trình bày ở phần sau

BỘ XÚC TÁC cho động cơ diesel

Bộ xúc tác oxy hóa (Diesel Oxydation Catalyst – DOC)

 Động cơ Diesel có hỗn hợp nghèo, nhiệt độ khí thải thấp

 Khả năng oxy hóa cao với HC và CO, một phần nhỏ với PM (SOF) và

ít có khả năng giảm NOx (lean)

 Yêu cầu: Độ bền poisoning và ổn định nhiệt cao

Poisoning resistance DOC

Thermal ageing DOC

Nhiệt độ Light-Off phụ thuộc vào hàm lượng Pt

Nhiệt độ Light-Off phụ thuộc vào hàm lượng Pt

Xử lý NOx và muội than

LNC: Lean NOx Catalyst (DeNOx) LNT: Lean NOx Trap

SCR: Selective Catalytic Reduction DPF: Diesel Particulate Trap

Bộ lọc muội than

FBC: Fuel-Borne Catalyst CSF: Catlyzed Soot Filter

Thành phần hạt muội than

Bộ lọc muội than Diesel Particulate Filters (DPF)

Các lớp muội than trên vách bộ lọc

Hệ thống tích hợp Catalist - DPF

Sự tái sinh cho bộ lọc

Sự tái sinh cho bộ lọc

- Trong quá trình sử dụng, lọc bị tắc rất nhanh nên phải tái sinh lọc để tránh tổn thất áp suất trên đường xả

- Các giải pháp thơng thường là đốt, rung, rửa hay dùng

dịng khí thổi ngược

- Đốt bồ hĩng là phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất Thực nghiệm cho thấy sự oxy hố bồ hĩng bắt đầu với tốc

độ thấp ở 300°C và gia tốc ở 400°C trong khơng khí hay

dịng khí cĩ chứa 10% oxy Bồ hĩng bám trên lọc cĩ thể bị đốt cháy hồn tồn ở nhiệt độ 540°C với điều kiện cĩ đủ

Khí thiên nhiên (Natural Gas)

0-20% Propane C 3 H 8

Butane C 4 H 10 Carbon dioxide CO

Rare Gases A, He, Ne, Xe trace

 Các dạng tồn trữ:

CNG (Compressed Natural Gas)

LNG (Liquefied Natural Gas)

Có chỉ số octane cao: >120

Chỉ số methane 60 – 105

Tính dễ bốc cháy: 5% - 15%

Nhiệt độ tự đánh lửa cao: 540 °C

Air-Fuel Ratio

Carbon Composition (% Weight)

Higher Heating Value (Btu/lb)

Energy Density

Ứng dụng nhiên liệu khí CNG (NGV) Comprssed Natural Gas – Natural Gas Vehicle

NGV

Ứng dụng nhiên liệu khí CNG (NGV)

Xe BUS CNG

Ứng dụng nhiên liệu khí CNG (NGV) Hệ thống nhiên liệu Xe BUS CNG

Ưu nhược điểm của động cơ CNG

Ưu điểm:

 Giảm tiêu thụ nhiên liệu

 Giảm độ phát CO2

 Giảm độ phát khí CO khi khởi động lạnh

Nhược điểm:

 Khí thải có nhiệt độ thấp và giàu oxygen

 Khí sót CH4 khó oxyhóa

lớn đến nhiệt độ khí hậu (global warming) 17% so với 50% của CO2

Các trở ngại đối với việc xử lý CO và HC

khi dùng động cơ CNG

dư oxy:

 Để oxy hóa CO và HC cần hỗn hợp cháy nghèo, dư oxy:

2CO + O 2  2CO 2 2HC + O 2  H 2 O + 2CO 2

 Khử NOx đòi hỏi hỗn hợp cháy đậm

2NO + 2H 2  H 2 O + N 2

2NO + 2CO  2CO 2 + N 2

Các trở ngại đối với việc xử lý NOx khi

dùng động cơ CNG

Các phương pháp giảm NOx

1 Đánh lửa muộn

Reduces peak temperature

Reduces power output and

 Lean NOx Trap

 Lean NOx Catalyst Equivalence Ratio 

Các phương pháp nghiên cứu Catalyst

1.Nghiên cứu Catalyst trên băng thử ôtô (chasis dyno) theo các chu trình chạy xe tiêu chuẩn: FTP 75, Euro, JP 10 bước….

2.Nghiên cứu catalyst lắp trên các băng thử

động cơ đốt trong

3.Nghiên cứu catalyst trên các lò phản ứng mô phỏng trong phòng thí nghiệm

Băng thử nghiệm (Bench Flow Reactor)

Băng thử nghiệm Bench Flow Reator (BFR) dùng đề

nghiên cứu các tác dụng của các thông số sau lên công năng của LNT và Bộ xúc tác oxy hóa:

 Lưu tốc (SV): trong khoảng từ 20,000 – 100,000/h,

 Nhiệt độ khí thải ở đầu vào: 200 – 700 0C,

 Thành phần khí thải: được mô phỏng theo thành phần khí thải của động cơ đốt trong với các loại nhiên liệu khác nhau, thành phần khác nhau…

 Thời gian tác động của khí thải lên bộ xúc tác

 Khối lượng các kim loại quý nạp vào bộ xúc tác,

 Các loại bộ xúc tác khác nhau

Schematic of the Bench-Flow Reactor System

Lò phản ứng LNT

Catalyst

Quartz beads Thermo

couples

Lò phản ứng RFC

Catalyst

Quartz beads Thermo

couples

Các thông số của catalyst

& 3.53 kg-Pd/m 3

Thiết bị hấp thụ NOx (LNT)

thải đi qua cho đến khi bão hòa

trường khử:

Thieát bò haáp thuï NOx (LNT)

Cơ chế hoạt động của LNT Catalyst

LNT catalyst thu nhận NOx ở chế độ nghèo và khử NOx ở chế độ giàu

 Phân ly NO3 với CO:

Ba(NO3)2 + CO BaO + 2NO2 + CO2

 Phân ly NO3 với H2 Ba(NO3)2 + H2 BaO + 2NO2 + H2O

 Khử NO2 NO2 + CO (or H2) NO + CO2 (or H2O)

NO + CO (or H2) (1/2)N2 + CO2 (or H2O)

 Tương tự với HC

Cơ chế hoạt động của LNT Catalyst

LNT catalyst

thu nhận

NOx ở chế

độ nghèo và

khử NOx ở

chế độ giàu

Các chế độ thử nghiệm

(Isotherm) temperatures (250-500C°) at

nhiệt độ, theo lưu tốc

Một vài kết quả của LNT

1- Biến thiên nồng độ NOx theo thời gian ở các nhiệt

Một vài kết quả của LNT

3- Tỷ lệ nồng độ NO2/NO ở các nhiệt độ 250 – 500 0 C ở SV=75K h-1

Các thách thức của LNT

năng khử NOx với tiêu hao nhiên liệu nhỏ

nhất,

ngăn cản sự hấp thụ NOx và làm giảm tính năng catalyst Cần có phương thức khử lưu huỳnh.

nhiệt độ

Ảnh hưởng của S trong nhiên liệu

(Karl-Heinz Glück, micore AG & Co KG)

Lò phản ứng bộ xúc tác oxy hóa kiểu thuận nghịch

Reverse-Flow Oxydation Converter (RFOC)

 RFOC dùng để giảm lượng THC (total hydrocarbon) trong dòng khí thải

 Lượng sụt giảm THC được nghiên cứu theo: thời gian, lưu tốc, nồng độ các chất trong hỗn hợp và nhiệt độ

 Sử dụng catalyst Paladium, phản ứng tỏa nhiệt (exotermic reation)

 Dùng cơ chế dòng chảy thuận – nghịch để tăng nhiệt độ phản ứng:

 Đóng mở hướng đi của dòng phản ứng sẽ “bẫy” sự tăng nhiệt độ này trong catalyst

 Sự tăng nhiệt độ trong catalyst sẽ làm tăng nhiệt độ của dòng khí đi qua

 Các chế độ nghiên cứu:

 Lưu tốc dòng khí: SV = 20,000 – 40,000 – 60,000 - 80,000 hr-1

 Nhiệt độ: 400 – 450 – 500 - 550 – 600 0 C

 Thời gian đóng ngắt dòng (Switching Time-ST): 10, 15, 20, 30, 45 s

 Phun nhiên liệu (CO, H 2 ) phụ trên đầu vào của dòng khí

RFOC với hệ thống phun nhiên liệu

Fuel Injection

Inlet

Fuel Injection Exhaust Fuel Injection

Mass Flow Controllers

RFOCR

Inlet

Fuel Injection Solenoid Valve

Cơ chế vận hành của RFOC

Thành phần hỗn hợp khí thải mô phỏng động cơ

Temperature:600C Effects of Switching Time on CH4 Conversion

Ảnh hưởng của ST đến độ chuyển đổi THC

ở các SV khác nhau T = 600 0 C

Switching Time:10s Effects of Temperature on CH4 Conversion

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển đổi THC

ở các SV khác nhau, ST = 10s

Switching Time:20s Effects of Temperature on CH4 Conversion

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển đổi THC

ở các SV khác nhau, ST = 20s

Diễn biến nhiệt độ theo thời gian ở các vị trí khác nhau

trong catalyst, T = 550 0 C, SV = 60K, ST = 10s

15 3 4 5 6 7 16

Forward-flowReverse-flow

Nhiệt độ ở các vị trí khác nhau trong catalyst, T = 550 0 C,

SV = 60K ST = 10s t = 157.1s THCcv = 21.1858%

Nghiên cứu sự lão hóa (Aging)

của catalyst trong LNT

Cớ chế mất tính hoạt hóa (Deactivation) của catalyst

hóa học một chiều các chất trên bề mặt, ngăn chặn các phản ứng xúc tác trên bề mặt

Sự tạo than cốc trên bề mặt và trong các lỗ xốp của catalyst

Chấn động nhiệt

tranh thuận nghịch của việc hấp thụ các hạt bội nhiễm

Sự cọ mòn làm mất vật liệu catalyst (Attrition)

nhiễm (Poisoning-induced) trên bề mặt catalyst

Nứt gãy vật lý (Physical Breakage)

Tác động qua lại giữa kim loại

quý và kim loại nền

Hiện tượng mắc kẹt lý-hóa của kết cấu xốp trong vật liệu nền

Tác động qua lại giữa các

oxýt kim loại/kim loại của vật

liệu nền

Sự oxy hóa

Sự định hướng lại kim loại quý

trên bề mặt

Sự bay hơi kim loại

Cớ chế mất tính hoạt

hóa (Deactivation)

của catalyst

A- Sự tạo coke,

B- Bội nhiễm,

C- Sintering của các

kim loại hoạt tính,

D- Sintering và sự

chuyển pha rắn-rắn

của washcoat và thu

gọn của kim loại

hoạt tính

Cớ chế mất tính hoạt

hóa (Deactivation)

của catalyst

Sự chuyển pha và

thay đổi diện tích bề

mặt của washcoat

theo nhiệt độ

Sơ đồ điển hình của chu trình lão hóa LNT

1000 0 C, Lean: 130s, Rich: 30s

SURFACE CHARACTERIZATION

XRD PEAK PROFILE OF A FRESH LNT CATALYST

TEM PICTURE OF 1000C BENCH AGED LNT CATALYST-

AFTER 50 CYCLES (Pt PARTICLE SIZES)

SIZE – 20 nm

SIZE – 5 nm