Tiểu luận động cơ đốt trong nâng cao bộ xúc tác CATALYSTS

- Những vật liệu xúc tác đđ c sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay đổi, và vật liệu mới phải ổn định nhiệt d i những điều kiện khí thải hay

TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG NÂNG CAO

Đề tài:

GVHD: PGS.TS PHẠM XUÂN MAI HVTH: HUỲNH TRUNG ĐỨC – 01307721

Nhóm: V

Tp.HCM, tháng 05 năm 2008

Trang 2

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 2 BỘ XÚC TÁC BA CHẤT CATALYSTS

CHƯƠNG 3 SỰ KHỬ HOẠT CHẤT XÚC – SỰ HÓA GIÀ

CH ƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM NG 4 THÍ NGHIỆM

Trang 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Kiến thức cơ bản:

- Những bộ xúc tác ba ch t có yêu cầu hoạt động ít nhất 100000 km hoặc ất có yêu cầu hoạt động ít nhất 100000 km hoặc năm năm (Chỉ thị 98/69/EC).

- Những vật liệu xúc tác đđ c sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay đổi, và vật liệu mới phải ổn định nhiệt d i những điều kiện khí thải hay thay ưới những điều kiện khí thải hay thay đổi Những giới hạn phát xạ mới (mức Euro IV cho năm 2005) đang trở nên chặt chẽ hơn.

1.2 Mục tiêu công việc:

- Đánh giá sự khử.

- Những cơ chế khử

- Chu trình hóa già quy mô phòng thí nghiệm.

1.3 Phạm vi và phác thảo công việc:

- Hiện tượng khử đá nguyên khối Pd/Rh

- Cấu trúc của những bộ xúc tác

- Sự Nhiễu xạ tia X quang (XRD)

- Phép đo Quang phổ điện học tia X (XPS)

Trang 4

CHƯƠNG 2 BỘ XÚC TÁC BA CHẤT CATALYSTS

2.1 Khái quát bộ xúc tác động cơ xăng:

Trang 6

Phương trình phản ứng của bộ xúc tác:

Hình Hệ thống làm sạch khí xả của động cơ xăng Hệ thống gồm một hệ thống

quản lý không khí – nhiên liệu được kiểm soát bằng điện (Cf Holmgren 1998)

Trang 7

Hình Hiệu suất biến đổi (%) của bộ xúc tác ba chất như hàm tỷ lệ A/F.

Thông số lamđa  = 1, tương ứng tỷ lệ A/F là 14.6, (cf Holmgren 1998).

Trang 8

Trang 9

Washcoat, bao gồm:

- 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 20 – 60 µm, độ dày này có thể không

đồng đều.

- Vật liệu washcoat: -Al2O3

- Diện tích bề mặt cao từ 10m2/g – 1000m2/g Thông thường trong

khoảng: 50m2/g - 200m2/g

- Kích thước lỗ xốp (pore size) khoảng từ 2nm – 20nm hoặc lớn hơn

Trang 10

 Kích thước lỗ: 1mm,

 Chiều dày: từ 0.10 – 0.15mm

 Dạng lỗ: vuông, tam giác, tròn, hexagonal, hình sinus…

Thép hợp kim Fecracloy:

Trang 11

Hình dạng các kênh của catalyst Cordierite Honeycomb

Trang 12

Hình Cấu trúc của một chất xúc tác khí xả nguyên khối.

Trang 13

Hình Nhìn gần của một kim loại nguyên khối hỗ trợ

(Cf Rahkamaa - Tolonen 2001).

Trang 14

2.3 Hiện tượng hoạt động trong bộ xúc tác ba chất:

phụ thuộc vào nhiều nhân tố bao gồm

- Hóa học và vật lý

- Những điều kiện động học và dao động

- Những điều kiện truyền động

2.3.1 Những động học phản ứng và hóa học chất xúc tác

Trang 15

2.3.1 Những động học phản ứng và hóa học chất xúc tác

B ng 3 Những phản ứng toàn bộ trong thiết bị chuyển tiếp dùng xúc tác

(Lox & Engler 1997).

2 CO + O2 → 2 CO2

4 CXHy + (4x + y)O2 → 4x CO2 + 2y H2O

2 NO + 2 CO → N2 + CO2

Trang 16 Các bước phản ứng trong một lỡ rỗng catalyst

Trang 17

Trang 18

Hình Sự Chuyển đổi như một hàm nhiệt độ: nhịp độ điều

khiển những chế độ.

Trang 19

2.3.2 Hiện tượng truyền nhiệt và khối:

Trang 20

2.3.3 Dung l ng tích trữ Oxi ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay

CeO2 cung cấp một cách tăng thêm hiệu quả bởi việc mở rộng từ

không khí tới nhiên liệu tác dụng cửa sổ của TWC

CeO2 đóng vai như một bộ đệm oxi bởi việc cất giữ những oxi thừa d i những điều kiện ôxy hóa và tách ra trong điều kiện giàu (sự ưới những điều kiện khí thải hay thay khử) để ôxy hóa CO và HC theo phản ứng:

Phương trình 1

Dung l ng tích trữ Oxi trong thiết bị chuyển tiếp dùng xúc tác OSC ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay cao đđ c đạt đến nhiệt độ 3000 – 4000ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay 0C hoặc 60000C cho những chất xúc tác mới và hóa già t ng ứng ương ứng

Trang 21

2.3.4 Khởi động lạnh và chất xúc tác light-off nhanh

- Nhiệt độ khởi động: khi hiệu quả chuyển đổi đạt 50%

(light off temperature)

- CO: 220oC, HC: 270oC

Trang 22

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

- Tăng nhiệt độ khởi động bộ xúc tác (close-loop catalyst - CC), sấy điện,

bẫy hydrocarbon hoặc những phụ gia và lò đốt nhiên liệu

Trang 23

Thiết bị chuyển tiếp xúc tác CC th ng sử dụng gồm có một tiền ường sử dụng gồm có một tiền chất xúc tác và một chất xúc tác chính, như đ c thấy trong hình 6 Vị ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay trí của tiền chất xúc tác kín tới nhiều lần của động cơ cho phép giảm bớt sự tập trung ô nhiễm trong thời gian làm nóng, những phút đầu hoạt động của động cơ

Hình Hệ thống điều khiển phát xạ tự động cho thấy bộ xúc tác

phía trước và bộ xúc tác chính

Trang 24

2.4 Bộ xúc tác động cơ Diesel – DOC

(Diesel Oxydation Catalyst):

- 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

Trang 25

* Bộ xúc tác ba chất Động cơ diesel (DTWC)

Các phản ứng hóa học:

HC+O2 H2O+CO2 (UP TO 95%)

CO+O2 CO2 (UP TO 95%)

NOx N2+O2 (UP TO 30%)

PM+O2 CO2 (UP TO 30%)

SOx S+O2 (N.A.)

Trang 26

* Hóa già nhiệt của động cơ Diesel DOC:

- Những phần tử platinum được tán xạ với nhiệt độ thiêu kết cao

- Giảm hoạt tính xúc tác trên bề mặt của platinum

- Hóa già nhiệt là quá trình không thuận nghịch

Trang 27

Nhiệt độ Light-Off phụ thuộc vào hàm lượng Pt

Trang 28

Nhiệt độ Light-Off phụ thuộc vào hàm lượng Pt

Trang 29

Xử lý NOx và mụi than

Trang 30

Bộ lọc mụi than

Trang 31

Bộ lọc muội than Diesel Particulate Filters (DPF)

Trang 32

Các lớp muội than trên vách bộ lọc

Trang 33

- LNT hấp thụ hoặc “bẫy” NOx vào catalyst khi có dòng khí thải đi qua cho đến khi bão hòa

- Trước khi bão hòa, cần phải tái sinh lại catalyst trong môi trường khử:

- Động cơ vận hành theo chế độ hỗn hợp giàu

- Phun các tác nhân khử vào dòng khí thải

* Các thông số nghiên cứu:

- Độ hấp thu NOx, NO, NO2 ở các nhiệt độ, lưu tốc khác nhau

- Sự bão hòa NOx, NO, NO2,

- Thời gian chọc thủng (breakthrough),

- Tác động của các tác nhân khử (CO, H2)

- Thời gian chọc thủng: thời gian khi có sự bắt đầu tăng NOx ở cửa ra của LNT

- Thời gian bão hòa: khi độ chuyển đổi NOx bắt đầu ngưng

- Có thể điều khiển chế độ hỗn hợp nghèo, giàu đề gia tăng giá trị thu giữ NOx max

- Ở chế độ giàu, một lượng nhiên liệu có thể phun vào để tái sinh LNT

Trang 34

*Các thách thức của LNT:

- Kiểm soát sự tái sinh catalyst để tăng khả năng khử NOx với tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất,

- Phương thức tái sinh: thời gian và tần suất

- Lượng lưu huỳnh nhiều trong nhiên liệu sẽ ngăn cản sự hấp thụ NOx và làm giảm tính năng catalyst Cần có phương thức khử lưu huỳnh

- Công năng của catalyst phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ

Trang 35

3.1 Tổng quan:

B ng 4 Tóm l c những cơ chế khử hoạt của những chất xúc tác ba đ ng ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay ường sử dụng gồm có một tiền (Carol et al 1989, Koltsakis & Stamatelos 1997, Sideris 1998).

Trang 36

3.2.1 Sự Khử hoạt bởi sự giảm nhiệt và sự nung

kết

Trang 37pha và thay đổi diện tích bề mặt của washcoat Al2O3 (Bohemite) theo nhiệt độ

Trang 38

Bảng 5 Hiệu ứng khí quyển lão hóa trên hành vi nung kết (kích thưới những điều kiện khí thải hay thay c hạt) Pt, Pd và Rh (washcoat La2O3 - Đã thêm Al2O3, lượng Kim loại quý bằng 0.14 wt-%) (Shinjoh et al 1991).

Trang 39Động học sự khử hoạt chất xúc tác là một hàm nhiệt độ, thời gian,

sức ép và những sự tập trung những chất khác nhau

Trang 40

3.2.2 Sự Khử hoạt bởi sự ô nhiễm:

Hoạt động của chất xúc tác ba đ ng giảm bớt dần dần khi những ường sử dụng gồm có một tiền thành phần không cần đến, có hại những nhiên liệu và những chất bôi trơn, hoặc những sự không trong sạch khác, đ c tích lũy trên bề mặt chất ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay xúc tác và chậm làm bẩn chất xúc tác

Những chất ô nhiễm chất xúc tác cũng có thể đ c phân loại như có ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay chọn lọc hoặc không có chọn lọc

Bộ xúc tác bị nhiễm độc có thể đ c tái sinh và hoạt động của nó có ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay thể ít nhất đ c khôi phụcược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay

Trang 41

Trang 42

3.2.3 Những cơ chế thích hợp khác của sự khử

Ở nhiệt độ cao, những chất xúc tác có thể bị mất pha tích cực thông qua sự bay hơi

Trong khi đ c xem trong bảng 6, thứ tự áp suất hơi của những ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay kim loại tích cực và những ôxit như sau (Shinjoh et al 1991):

- Những kim loại : Pd > > Pt > Rh

- Những ôxit : Pt > Rh >> Pd

B ng 6 Những áp suất hơi (torr) của Pt, Pd và Rh ở 8000C

trong không khí (Shinjoh et al 1991)

Trang 43

Hình Những tính toán cân bằng nhiệt động bay hơi của A) Pd và B)

Rh trong 5% O2/N2 (nghèo) (Turpeinen & Maunula 1993).

Trang 44

3.3 Tăng tốc sự lão hóa chất xúc tác

Những thủ tục hóa già phòng thí nghiệm nhiệt độ cao đóng vai sự ôxi hóa và sự nung kết của washcoat và những kim loại quý trong khí quyển nhân tạo, những điều kiện nhiệt độ và dòng khí Thứ tự mô phỏng những điều kiện hóa già trong thời gian tối thiểu, sự hóa già lò quy mô phòng thí nghiệm thông th ng đ c thực hiện ở nhiệt độ rất cao và ở ường sử dụng gồm có một tiền ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay

d i khí khí quyển (tiêu biểu trong không khí) là những điều kiện đ c ưới những điều kiện khí thải hay thay ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay chuyển dịch từ điều khiển thực tế Sự hóa già quy mô phòng thí nghiệm những thủ tục có thể cũng kéo theo chu trình Feedstreams hoặc những xung

Trang 45

3.4 Những chu trình kiểm tra xe:

Hình Chu trình điều khiển Châu Âu (EC2000): tốc độ xe như

hàm thời gian.

Trang 46Hình FTP - 75 chu trình điều khiển kiểm tra được thiết lập bởi EPA.

Trang 47

4.1 Những chất xúc tác:

- Cấu trúc đ c thiết kế như Euro IV sự giới hạn phát xạ ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay

- Mô hình những chất xúc tác gồm có một lá mỏng Fe - Cr - Al phủ lên washcoat đ c sắp thành từng lớp ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay

Hình A) Một đá nguyên khối kim loại và B) Chất xúc tác tơi mới trên trái

và chất xúc tác hóa già động cơ trên phải.

Trang 48

Hình 13 Một hình ảnh SEM của chất xúc tác hóa già động cơ

Trang 49

4.2 Những thủ tục hóa già:

Những chất xúc tác hóa già mô phỏng theo điều kiện nhiệt độ cao trong những dòng khí xả Những chất xúc tác hóa gìa đ c chuẩn bị từ chất xúc tác mới bởi ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay việc sử dụng những thủ tục hóa già nhiệt khác nhau, như đ c mô tả bên trong ược sử dụng trong TWC ứng dụng cũng đã thay

b ng 7

Trang 50

Trang 51

Hình Những mẫu thử từ những khu vực khác nhau của pre-catalyst.

Trang 52

4.3 Kỹ thuật đặc trưng Chất xúc tác:

Những ph ng pháp đặc trưng bề mặt thí nghiệm sử dụng để ương ứng

nghiên cứu sự hóa già thay đổi trong kim loại tích cực và những ôxit

washcoat Kỹ thuật đặc trưng bao gồm cả những ph ng pháp bằng ương ứng

kính quang phổ và hiển vi, như kính hiển vi quét Điện tử (SEM) và

sự nhiễu xạ của tia X (XRD)

Vài kỹ thuật đặc trưng sẵn sàng nghiên cứu những bề mặt rắn

và những thuộc tính của những chất xúc tác, và không có ph ng ương ứng

pháp đặc trưng đơn nào có thể sử dụng để giải thích cho hiện t ng ương ứng

khử chất xúc tác của những chất xúc tác ba đ ng (Wachs 1992, ường sử dụng gồm có một tiền

Niemantsverdriet 2000)

Trang 53

- Sự phân tích Physisorption

- Sự phân tích Chemisorption

Trang 54

Trang 55

Trang 56

- Sự nhiễu xạ của tia X

- Quang phổ quang điện tử tia X

- Những phép đo Hoạt động

Trang 57

Hình Hệ thống phép đo hoạt động trang bị với máy phân tích khí

GASMETTM (Tr ng đại học Oulu) ường đại học Oulu).