Ảnh hưởng của chiến lược sấy nóng đến nhiệt độ làm việc hiệu quả của bộ xúc tác chuyển đổi khí thải trên xe máy

 BXT có đường kính D = 35mm, dài LBXT = 60mm, thể tích 
hiệu quả của BXT. V = 51,3cm3, nặng 95g. Tỉ lệ chất xúc tác trong BXT là 
 3 2
 Chính vì vậy bài báo đề cập đến việc nghiên cứu ảnh 2119g/m , diện tích xúc tác 15m /g chất xúc tác. BXT được 
hưởng của việc sấy nóng BXT khí thải xe máy trong giai đặt cách cửa thải 400mm. 
đoạn khởi động lạnh bằng dòng điện cao tần đến nhiệt độ Động cơ nghiên cứu là động cơ xe Honda Lead 110, có 
làm việc hiệu quả của BXT, từ đó đưa ra được chiến lược sấy tốc độ chạy ấm máy ở không tải chuẩn đo được với xe Lead 
nóng phù hợp. 110 nguyên bản không có BXT là 1500v/p. Tốc độ chạy ấm 
 Việc nghiên cứu được thực hiện bằng mô phỏng trên xe máy không tải nhanh khi lắp BXT có thể chọn là 2500v/p [5]. 
máy Honda Lead 110 có trang bị BXT và hệ thống sấy cao 2.2. Chế độ tính toán 
tần. Dòng điện cao tần được tạo ra từ nguồn điện acquy Việc sấy nóng bổ sung BXT được thực hiện ở chế độ 
bằng mạch biến tần công suất cực đại 1000W có thể điều khởi động lạnh và chạy ấm máy động cơ Honda Lead 110. 
chỉnh được công suất theo yêu cầu trong phạm vi công Xe nguyên bản không được trang bị BXT và chế độ chạy 
suất cực đại. chậm không tải của xe là không tải chuẩn ở 1500v/p. Khi 
2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG được trang bị BXT, các xe thường có thêm chế độ không tải 
2.1. Mô hình BXT với cuộn dây đốt nóng bằng điện cao tần nhanh sau khởi động lạnh để tăng nhiệt khí thải sấy nóng 
 Hình 1 thể hiện sơ đồ BXT và cuộn dây sấy nóng bằng nhanh BXT. Tốc độ không tải nhanh thường là 2000v/p đối 
năng lượng điện cao tần. Dòng điện 1 chiều từ acquy được với ô tô [4] và 2500v/p đối với xe máy [5]. Do đó, việc 
mạch biến tần biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số nghiên cứu sấy nóng bổ sung BXT trong bài báo này được 
cao (trên 5000Hz) cấp cho cuộn dây 3 quấn quanh lõi BXT thực hiện ở cả chế độ không tải chuẩn 1500v/p và không 
làm bằng lá thép phủ chất xúc tác. Từ trường cao tần của tải nhanh 2500v/p sau khởi động lạnh để từ đó đề xuất 
cuộn dây sẽ tạo ra trên các lá thép dòng điện cảm ứng nhờ chọn chế độ sấy phù hợp. 
tác dụng của từ trường biến thiên cao tần. Dòng điện này Mục tiêu của việc sấy nóng bổ sung là trong thời gian 
sẽ đốt nóng trực tiếp các lá thép nên quá trình đốt nóng rất ngắn (30s - 50s) sau khởi động lạnh, nhiệt độ BXT phải đạt 
nhanh do nhiệt sinh ra trực tiếp trên các lá thép mà không đến nhiệt độ làm việc 523K (250oC) và duy trì ở trên giá trị 
phải do truyền nhiệt từ ngoài vào. Công suất nhiệt đốt nhiệt độ này. Do đó, thời gian sấy không nên dài quá 50s. 
nóng BXT được điều chỉnh theo các chiến lược sấy nóng Dựa vào yêu cầu này và khối lượng cùng nhiệt dung riêng 
đặt ra. của vật liệu lõi BXT, có thể tính sơ bộ được công suất đốt 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 103
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 
 nóng tối thiểu là 340W và công suất điện của bộ đốt nóng 2.3. Mô hình truyền nhiệt sấy nóng BXT 
 cao tần khoảng 400W. Với bộ acquy 12 vôn, thì dòng điện Trạng thái nhiệt của lõi BXT phụ thuộc vào 3 yếu tố, 
 cấp vào để đạt công suất này vào khoảng 33A, hoàn toàn gồm trao đổi nhiệt giữa BXT và khí thải, nhiệt sinh ra do 
 có thể được vì acquy khởi động có dòng cực đại đến 50A. được đốt nóng từ dòng điện cao tần, nhiệt sinh ra do phản 
 Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sấy nóng đến ứng ô xi hóa CO và HC. Tuy nhiên, như đã nói ở trên, trong 
 nhiệt độ lõi BXT, các chiến lược sấy được thực hiện ở cả chế quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy nhiệt độ BXT còn 
 độ khởi động lạnh chạy ấm máy không tải chuẩn và khởi thấp nên tốc độ phản ứng xúc tác chuyển đổi CO và HC rất 
 động lạnh chạy ấm máy không tải nhanh, gồm: Với công thấp nên nhiệt sinh ra không đáng kể. Do đó, trong mô 
 suất sấy 400W, thời gian sấy được thực hiện ở 3 mức 10s, hình chỉ tính đến trao đổi nhiệt giữa BXT và khí thải và sự 
 20s và 30s. Với công suất sấy 200W, thời gian sấy được thực đốt nóng BXT từ dòng cao tần. Thêm nữa, lõi BXT được 
 hiện ở 3 mức 30s, 40s và 50s. cách nhiệt tốt với môi trường bên ngoài và từ trường trong 
 Thông số khí thải vào BXT được đo bằng thực nghiệm ở lõi BXT được giả thiết phân bố đều nên mô hình toán biểu 
 chế độ không tải chuẩn và không tải nhanh được thể hiện diễn các quá trình trong BXT được xây dựng trên cơ sở mô 
 trên các đồ thị hình 3 và 4. hình một chiều không ổn định (tính đến yếu tố thời gian). 
 Phương trình cân bằng năng lượng của khí và lõi BXT được 
 viết như sau: 
 TT 
 δρ cg ρ uc g hS() T T (1) 
 g pgt g pg  x s g
 TT  2
 ()().()1 δ ρ cs 1 δ k s ηP hS T T (2) 
 s ps t s x2 heat g s
 Trong đó: ρg, ρs, Cpg, Cps là khối lượng riêng và nhiệt 
 dung riêng của khí và của vật liệu BXT, được xác đinh theo 
 [13]; T , T là nhiệt độ của khí và của lõi BXT; P là công 
 g s heat
 suất điện đốt nóng 1 đơn vị thể tích lõi BXT;  là hiệu suất 
 Hình 3. Số liệu đo nhiệt độ khí thải T tại cửa vào BXT ở chế độ không tải 
 đốt nóng của dòng cao tần, xác định theo [14]; k là hệ số 
 chuẩn và không tải nhanh s
 dẫn nhiệt của lõi BXT; u là tốc độ dòng khí; S là diện tích bề 
 mặt truyền nhiệt trên mỗi đơn vị thể tích BXT; h là hệ số 
 trao đổi nhiệt;  là hệ số rỗng của lõi BXT. 
 Hệ hai phương trình trên biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ 
 khí và nhiệt độ BXT dọc theo chiều dài và theo thời gian từ 
 in
 khi khởi động với các điều kiện đầu và biên: Tg(,) 0 t T g ; 
 dTs dT s
 TS(,) x 0 T a ; (,)(,)0 t L t 0 ; x - tọa độ theo chiều 
 dx dx
 dòng chảy; t - thời gian từ khi khởi động. Hệ số h được xác 
 in
 định theo [13]; Tg - nhiệt độ khí thải tại cửa vào bộ xúc tác. 
 Hình 4. Số liệu đo lưu lượng khí thải vào BXT ở chế độ không tải chuẩn và 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 
 không tải nhanh 
 Các phương trình (1) và (2) ở trên kết hợp các điều kiện 
 Các số liệu ở các đồ thị hình 3 và cho thấy, ngay sau khi đầu và điều kiện biên đã giới thiệu được giải bằng phương 
 khởi động lạnh, nhiệt độ và lưu lượng khí thải tăng rất pháp sai phân hữu hạn, thực hiện trên máy tính với ngôn 
 nhanh trong khoảng 15s đầu. Sự tăng nhanh này là do ngữ lập trình FORTRAN cho BXT lắp trên động cơ xe Honda 
 động cơ từ trạng thái nhiệt độ môi trường chuyển sang Lead 110 ở các chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy 
 trạng thái nhiệt độ làm việc, tốc độ cũng tăng từ tốc độ 
 không tải chuẩn và không tải nhanh. Lưu lượng Gg và nhiệt 
 khởi động lên tốc độ chạy không tải, quá trình cháy được độ khí thải vào BXT ở các chế độ chạy ấm máy sau khởi 
 cải thiện dần khi động cơ ấm lên theo thời gian. Nhiệt độ động lạnh dựa trên các số liệu thực nghiệm nêu ở trên. 
 khí thải sau đó tiếp tục tăng trong quá trình chạy ấm máy 
 cho đến khi trạng thái nhiệt của động cơ đạt ổn định. Lưu Kết quả tính toán mô phỏng nhiệt độ trung bình của lõi 
 BXT ở các chế độ chạy chậm không tải sau khởi động lạnh 
 lượng khí thải sau khi đạt đỉnh ở khoảng 15s thì hơi giàm 
 với các chiến lược sấy nóng khác nhau được trình bày trên 
 dần một chút do nhiên liệu và khí nạp giảm khi nhiệt độ 
 các đồ thị hình 5 ÷ 8. 
 động cơ tăng đến nhiệt độ ổn định. Số liệu nhiệt độ và lưu 
 lượng khí thải được hàm số hóa dưới dạng công thức giải Hình 5 thể hiện nhiệt độ trung bình của lõi BXT được sấy 
 tích biểu diễn nhiệt độ và lưu lượng phụ thuộc thời gian từ ở chế độ không tải chuẩn với công suất điện cao tần 200W 
 lúc khởi động lạnh để thuận tiện cho việc nhập liệu làm trong thời gian 30s, 40s và 50s so với trường hợp không 
 thông số vào cho mô hình tính toán. sấy. Đồ thị cho thấy, ở trường hợp không được sấy nóng bổ 
104 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
sung, BXT sẽ không đạt được nhiệt độ làm việc hiệu quả sấy 200W, thời gian sấy 30s, 40s và 50s (hình 7), có thể thấy 
(523K) trong ít nhất 300s từ lúc khởi động lạnh. Với cùng ở trường hợp thời gian sấy 50s, nhiệt bộ lõi BXT cuối giai 
công suất sấy, thời gian sấy càng dài thì nhiệt độ BXT cuối đoạn sấy đã đạt đến nhiệt độ yêu cầu để BXT làm việc hiệu 
quá trình sấy càng cao. Với công suất sấy 200W, nhiệt độ quả. Sau đó, do nhiệt độ khí thải cao hơn nên BXT được sấy 
BXT sau khi sấy ở cả ba trường hợp sấy này đều cao hơn tiếp và nhiệt độ của nó tiếp tục tăng, tiệm cận dần với nhiệt 
khá nhiều so với không sấy nhưng đều nhỏ hơn nhiệt độ độ khí thải. Như vậy, chiến lược sấy 200W trong 50s giúp 
yêu cầu 523K ít nhất trong 300s sau khi khởi động lạnh nên BXT đạt trạng thái nhiệt làm việc hiệu quả sau 50s từ lúc 
có thể nói các chiến lược sấy này không hiệu quả ở chế độ khởi động lạnh. 
chạy không tải chuẩn sau khởi động lạnh. 
 523K 
 523K 
 Hình 7. Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 
 200W 
 Hình 5. Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 
200W Hình 8 thể hiện nhiệt độ trung bình của lõi BXT ở chế độ 
 không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 400W với thời 
 Hình 6 thể hiện nhiệt độ trung bình của lõi BXT ở chế độ gian sấy 10s, 20s và 30s. Có thể thấy, với thời gian sấy 30 
không tải chuẩn với các chiến lược sấy nóng 400W. Có thể giây, ở gần cuối giai đoạn sấy (25s) nhiệt độ lõi BXT đã vượt 
thấy, với khoảng thời gian sấy 30s, nhiệt độ BXT cuối giai nhiệt độ yêu cầu và lớn hơn nhiệt độ khí thải, sau đó BXT 
đoạn sấy có cao hơn nhiệt độ yêu cầu để BXT làm việc hiệu mất nhiệt cho khí thải làm cho nhiệt độ của nó giảm chút ít 
quả nhưng do nhiệt độ khí thải rất thấp nên ngay sau khi nhưng vẫn lớn hơn nhiệt độ yêu cầu để BXT làm biệc hiệu 
kết thúc sấy nóng bổ sung, BXT mất nhiệt cho khí thải làm quả. Sau đó nhiệt độ BXT lại tăng dần, tiệm cận nhiệt độ khí 
cho nhiệt độ của lõi BXT giảm xuống thấp hơn nhiệt độ yêu thải. Như vậy với chiến lược sấy 400W trong 30s, nhiệt độ 
cầu 523K trong suốt ít nhất 300s đầu của quá trình chạy ấm BXT vượt nhiệt độ yêu cầu để làm việc hiệu quả sau 25s từ 
máy tương tự các trường hợp hình 5. Kết quả sác chiến lược lúc khởi động lạnh. So với trường hợp không sấy bổ sung 
sấy 20s và 10s còn kém hơn. Như vậy, các chiến lược sấy BXT thì chiến lược sấy này đã rút ngắn thời gian BXT làm 
400W ở chế độ không tải chuẩn cũng không hiệu quả. việc không hiệu quả từ 220s xuống 25s, tương ứng rút 
 ngắn được 88% thời gian BXT không làm việc hoặc làm việc 
 523K không hiệu quả. 
 523K 
 Hình 6. Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 
400W 
 Hình 7 và 8 thể hiện nhiệt độ trung bình của lõi BXT ở 
chế độ không tải nhanh với các chiến lược sấy nóng khác Hình 8. Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 
nhau. Có thể thấy, ở chế độ không tải này nhiệt độ khí thải 400W 
cao hơn so với chế độ không tải chuẩn nên khi không sấy 4. KẾT LUẬN 
bổ sung, BXT vẫn đạt nhiệt độ làm việc hiệu quả trong 300s 
 Qua kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chiến lược sấy 
đầu của quá trình chạy ấm máy, cụ thể đạt được sau 220s 
 nóng bổ sung BXT lắp trên xe Honda Lead bằng năng 
từ lúc khởi động lạnh. Ở các trường hợp sấy với công suất 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 105
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 
 lượng điện cao tần đến trạng thái nhiệt của lõi BXT, có thể [11]. Nickolas Leahey, et al., 2018. Induction Heating of Catalytic Converter 
 rút ra một số kết luận như sau: Systems and its Effect on Diesel Exhaust Emissions during Cold Start. SAE 2018-01-
 - Ở chế độ chạy không tải chuẩn của xe, nhiệt độ BXT 0327. 
 không thể đạt được nhiệt độ làm việc hiệu quả (523K) [12]. Robin Crawford C., John Douglas B., 2015. Catalytic converter structures 
 trong ít nhất 300s từ lúc khởi động lạnh kể cả khi được sấy with induction heating. US patent: US 20150075137A1. 
 nóng bổ sung theo các chiến lược đã chọn. [13]. Hausen H., 1983. Heat Transfer in Counter, Parallel and Cross Flow. 
 - Ở chế độ không tải nhanh, nếu không được sấy nóng McGraw-Hill, NY. 
 bổ sung, BXT chỉ có thể đạt được nhiệt độ làm việc hiệu [15]. Le Van Doanh, Nguyen The Cong, Tran Van Thinh, 2009. Dien tu cong 
 quả (523K) sau 220s từ lúc khởi động lạnh. Như vậy thời suat Ly thuyet - Thiet ke - Ung dung. Science and Technics Publising House, Hanoi. 
 gian BXT không hoạt động hoặc hoạt động không hiệu quả 
 quá dài, gây phát thải lớn. 
 - Sấy 400W trong 30s ở chế độ không tải nhanh giúp 
 BXT đạt nhiệt độ làm việc hiệu quả sau 25s từ lúc khởi động AUTHORS INFORMATION 
 lạnh, trong khi sấy trên 50s với công suất 200W thì BXT đạt Hoang Dinh Long1, Nguyen Kim Ky2, Dinh Xuan Thanh3 
 nhiệt độ làm việc hiệu quả sau 50s từ lúc khởi động lạnh. 1School of Transportation Engineering, Hanoi University of Science and 
 Với cùng năng lượng sấy nóng hợp lý cho BXT, sấy với công Technology 
 suất lớn trong thời gian ngắn sẽ hiệu quả hơn sấy trong 2College of Industry and Trade 
 thời gian dài hơn nhưng với công suất nhỏ hơn. 
 3Hanoi University of Industry 
 - Sấy nóng bổ sung BXT bằng năng lượng điện cao tần 
 ở chế độ không tải nhanh là biện pháp hữu hiệu để giúp 
 BXT nhanh đạt đến nhiệt độ làm việc hiệu quả. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 [1]. David Belton, Kathleen Taylor, 1999. Automobile exhaust emission 
 control by catalysts. Current Opinion in Solid State and Materials Science, Vol. 4, 
 p97-102. 
 [2]. Hu et al., 2008. Three-way catalyst meeting euro III emission standards 
 for motorcycles. Chinese Journal of Catalysis, Vol. 29, p677-679. 
 [3]. Burch S.D., T.F. Porter et al., 1995. Redungcing cold start emissions by 
 catalytic converter thermal management. SAE paper 950409. 
 [4]. Degobert P., 1995. Automobiles and Pollution. Paris: Society of 
 Automotive Engineers, Inc. 
 [5]. Zhao et al., 2009. Performance of Pd/CeO2-ZrO2-Al2O3 catalyst for 
 motorcycle. Journal of Rare Earths, Vol. 27, p728-732. 
 [6]. Manqun Lin et al., 2009. Influence factor analysis of light-off tests for 
 motorcycle catalytic converters. SAE Technical Paper No. 2009-32-0023. 
 [7]. MinSun et al., 2020. Effect of the loading sequence of CeO2 and Pd over 
 Al2O3 on the catalytic performance of Pd-only close-coupled catalysts. Molecular 
 Catalysis, Vol. 482, 100332. 
 [8]. Jianbing Gao et al., 2019. Review of thermal management of catalytic 
 converters to decrease engine emissions during cold start and warm up. Applied 
 Thermal Engineering, Vol.147, p. 177-187. 
 [9]. Hoang D.L., Chan S. H., 1999. Cold-Start Emissions Reduction from 
 Engines By Means of High Values of Ignition Retard Control. ICAT'99, Hanoi 21th- 
 24th, 1999. 
 [10]. Fatemeh Mianzarasvand, Alireza Shirneshan, Masoud Afrand, 2017. 
 Effect of electrically heated catalytic converter on emission characteristic of a 
 motorcycle engine in cold-start conditions: CFD simulation and kinetic study. 
 Applied Thermal Engineering, Vol. 27, p. 453-464. 
106 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn