Nghiên cứu tận dụng nhiệt khí thải tạo nhiên liệu giàu hydro để giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng

Ở chế độ này thì lượng xăng chuyển đổi lên tới 80% và thu được 70% hy-đrô khô và 1g xăng có thể sản xuất 0.206 mol hy-đrô - Nhiệt lượng của khí thải cấp cho bộ xúc tác có thể chuyển đổi

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 9

1 Lý do chọn đề tài 9

2 Lịch sử nghiên cứu 9

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 10

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới trong luận văn 11

5 Phương pháp nghiên cứu 11

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HY-ĐRÔ 12

1.1 Đặc điểm phát thải của động cơ xăng và các thành phần phát thải 12

1.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát thải độc hại 13

1 Ảnh hưởng của thiết kế động cơ 13

2 Ảnh hưởng của các chế độ hoạt động của động cơ 14

1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại 14

1 Tối ưu hóa kết cấu 15

2 Các biện pháp xử lý khí thải 16

3 Dùng nhiên liệu thay thế có nồng độ phát thải độc hại thấp 17

1.2 Nhiên liệu hy-đrô và các phương pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô 20

1.2.1 Đặc điểm của nhiên liệu hy-đrô 20

1 Tính chất vật lý của hy-đrô 20

2 Tính chất cháy của hyđro 21

1.2.2 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô 25

1 Điện phân nước (EW) 25

2 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với hơi nước (SR) 26

3 Ô xy-hóa không hoàn toàn nhiên liệu các bua hyđro (PO) 26

4 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hy-đrô với CO2 27

5 Kết hợp ô xy hóa không hoàn toàn và phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đro với hơi nước (ATR) 27

1.3 Phương pháp cung cấp và đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hy-đrô 29 1.3.1 Hy-đrô được cung cấp từ ngoài động cơ 30

1 Động cơ chạy chỉ sử dụng hyđro 30

2 Động cơ sử dụng nhiên liệu kép hyđro – xăng 34

3 Động cơ sử dụng nhiên liệu kép hyđro – diesel 38

1.3.2 Hy-đrô được cung cấp ngay trên động cơ 41

Chương 2 MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT HY-ĐRÔ NHỜ BIẾN ĐỔI NHIỆT HOÁ XĂNG VỚI HƠI NƯỚC TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI 43

2.1 Giới thiệu chung 43

2.2 Nhiệt khí thải và khả năng tận dụng 43

2

2.3 Sơ đồ hệ thống tạo và cung cấp hy-đrô trên động cơ 44

2.3.1 Sơ đồ cấu tạo 44

2.3.2 Nguyên lý làm việc 44

2.4 Các mô hình tính toán 45

2.4.1 Giới thiệu chung 45

2.4.2 Các phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước 45

2.4.3 Tốc độ phản ứng 46

2.4.4 Mô hình truyền nhiệt sấy nóng bộ xúc tác 48

2.4.5 Mô hình phản ứng xúc tác tạo nhiên liệu giàu hy-đrô 50

2.4.6 Các điều kiện đầu và điều kiện biên 52

2.3 Kết quả tính toán 53

2.3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/nhiên liệu đến năng suất tạo hy-đrô 54

2.3.3 Ảnh hưởng của tốc độ không gian đến năng suất tạo hy-đrô 57

2.3.3 Ảnh hưởng của chiều dài bộ xúc tác đến năng suất tạo hy-đrô 59

2.4 Kết luận chương 2 60

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ XÚC TÁC 61

3.1 Cơ sở thiết kế 61

3.2 Lựa chọn kích thước 62

3.3 Bản vẽ thiết kế 63

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong các công trình nào khác!

Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2013 Tác giả

Trịnh Xuân Phong

CH : gốc nhiên liệu hoá thạch hy-đrô-các-bua

CNG : Nhiên liệu khí thiên nhiên nén

LNG : Khí thiên nhiên hoá lỏng

LPG : Khí dầu mỏ hoá lỏng

EGR : Bộ luân hồi khí thải

αz : Góc đánh lửa sớm

IMEP :Áp suất chỉ thị trung bình có ích

BTE :Hiệu suất nhiệt có ích

BSF :Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

ppm :Một phần triệu

λ : Hệ số dư lượng không khí

W/F : Tỉ lệ nước-nhiên liệu

NTP :Điều kiện nhiệt độ 20 oC, 1at

FSC :Suất tiêu hao nhiên liệu

BFS :Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

ESA : Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng máy tính

5

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của hy-đrô 21

Bảng 1.2 Tính chất cháy của một số loại nhiên liệu 21

Bảng 1.3 Ưu nhược điểm của các phương pháp sản xuất hy-đrô 29

Bảng 2.1 Dữ liệu động học của các phản ứng 47

Bảng 2.2 Hằng số cân bằng của các phản ứng 47

Bảng 2.3 Hằng số hấp thụ của các thành phần khí 48

Bảng 2.4 Đặc điểm của bộ xúc tác 50

6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển lượng phun nhờ cảm biến ô-xy [15] 15

Hình 1.2 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô 25

Hình 1.3 Các phương án cung cấp H2 cho động cơ 30

Hình 1.4 Kết cấu của cụm ống hút của động cơ nhiên liệu kép 35

Hình 2.1 Các thành phần cân bằng nhiệt 43

Hình 2.2 Mô hình phản ứng nhiệt hóa của nhiên liệu với hơi nước 44

Hình 2.3 Mô hình truyền nhiệt sấy nóng bộ xúc tác 49

Hình 2.4 Mặt cắt bộ xúc tác 49

Hình 3.1 Cấu tạo bộ xúc tác 63

Hình 3.2 Cấu tạo bộ luân hồi khí thải 63

Hình 3.3 Cấu tạo bộ xúc tác 64

Hình 3.4 Cấu tạo vỏ bộ xúc tác 64

7

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ

Đồ thị 1.1 Đặc tính phát thải của động cơ xăng 12

Đồ thị 1.2 Ảnh hưởng của λ và (αz) tới FSC và phát thải 13

Đồ thị 1.3 Ảnh hưởng của EGR tới sự phát thải của động cơ xăng 16

Đồ thị 1.4 Đặc điểm phát thải trên động cơ xăng trang bị bộ xác tác 17

Đồ thị 1.5 Phạm vi cháy của một số loại nhiên liệu 22

Đồ thị 1.6 Nhiệt độ tự cháy của một số loại nhiên liệu [37] 22

Đồ thị 1.7 Tốc độ của ngọn lửa của một số hỗn hợp khí 23

Đồ thị 1.8 Năng lượng đánh lửa của một số loại nhiên liệu 24

Đồ thị 1.9 So sánh IMEP khi thay đổi nhiên liệu và phương pháp phun [26] 31

Đồ thị 1.10 So sánh BTE của động cơ hy-đrô và động cơ xăng 32

Đồ thị 1.11 So sánh mô men giữa động cơ hy-đrô và động cơ xăng 32

Đồ thị 1.12 So sánh công suất giữa động cơ hy-đrô và động cơ xăng 33

Đồ thị 1.13 So sánh BSFC của động cơ H2 ở chế độ toàn tải [29] 33

Đồ thị 1.14 So sánh mô-men và công suất của động cơ hy-đrô khi thay đổi phương pháp cung cấp nhiên liệu 34

Đồ thị 1.15 Sự thay đổi BMEP khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp 35

Đồ thị 1.16 Sự thay đổi BTE khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp 36

Đồ thị 1.17 Đặc tính mô-men theo tốc độ khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp 36

Đồ thị 1.18 SFC của động cơ khi thay đổi hy-đrô cung cấp [42] 37

Đồ thị 1.19 Phát thải của động cơ khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp [28] 38

Đồ thị 1.20 áp suất xi-lanh của động cơ lưỡng nhiên liệu khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp 39

Đồ thị 1.21 Hiệu suất nhiệt và phát thải trên động cơ hy-đrô/diesel 39

Đồ thị 1.22 Đặc tính mô men theo tốc độ khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp 40

Đồ thị 1.23 SFC khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp 40

Đồ thị 2.1 Hàm lượng CO, H2 và H2O trong sản phẩm ở các W/F khác nhau 54

Đồ thị 2.2 Hiệu quả biến đổi của BXT với W/F khác nhau khi V=5000/h 55

Đồ thị 2.3 Lưu lượng xăng tiêu thụ và lưu lượng hy-đrô tạo ra trên 1 kg xăng tiêu thụ với W/F thay đổi khi V=5000/h 56

Đồ thị 2.4 Năng suất tạo hy -đrô ở các tỷ lệ nước khác nhau với V=5000/h 56

Đồ thị 2.5 Nhiệt lượng tiêu thụ để biến đổi 1 kg xăng và nhiệt lượng BXT hấp thụ với W/F thay đổi khiV=5000/h 57

8

Đồ thị 2.6 Hàm lƣợng CO, H2 và xăng khi W/F=3,16, tốc độ không gian thay đổi 58

Đồ thị 2.7 Hiệu quả biến đổi nhiệt hóa xăng của BXT khi W/F=3,16, tốc độ không gian thay đổi 58

Đồ thị 2.9 Hàm lƣợng CO, H2 và H2O trong sản phẩm khi W/F=3,16 V= 5000/h 59

Đồ thị 2.10 Hiệu quả biến đổi nhiệt hoá xăng dọc theo chiều dài bộ xúc tác khi W/F=3.16, V=5000/h 60

Sự gia tăng nhanh về số lượng động cơ đốt trong sử dụng đã khiến cho nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt môi trường ngày càng ô nhiễm do khí thải độc hại Chính vì vậy vấn đề đặt ra cho các nhà nghiên cứu là làm thế nào để tiết kiệm nhiên liệu và giảm được ô nhiễm khí thải trong quá trình sử dụng động cơ Các hướng nghiên cứu gần đây là sử dụng nhiên liệu thay thế hoàn toàn hoặc là thay thế một phần nhiên liệu truyền thống Ví dụ như: nhiên liệu LPG, CNG, Hy-đrô, E5, E10 Đây là một một vấn đề có tầm ảnh hưởng toàn cầu, nó liên quan tới an ninh năng lượng của các quốc gia và đảm bảo sự phát triển bền vững cho nhân loại Trong khi vẫn chưa tìm ra được nguồn nhiên liệu thay thế mới cho động cơ truyền thống thì tối ưu hoá quá trình làm việc của động cơ nhằm tiết kiệm nhiên liệu và chống ô nhiễm môi trường vẫn là một trong những đề tài mang tính cấp thiết hàng đầu đối với ngành động cơ đốt trong

2 Lịch sử nghiên cứu

Có rất nhiều các nhà khoa học đã nghiên cứu về vấn đề này tiêu biểu như Jonathan Nieminen, Faculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology Changwei Ji, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China Alberto Boretti, University of Ballarat, PO Box 663, Ballarat, 3353 VIC, Australia Hoang Dinh Long, Ha Noi University Sicence and Technology… Các nhà khoa học này đã nghiên cứu cả lý thuyết và thực nghiệm để tìm ra hiệu quả của hy-đrô trong vấn đề cải thiện quá trình cháy của động cơ đốt trong Nhiên liệu này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốc-tan cao nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ Thêm nữa, khí

10

thải của động cơ hy-đrô rất sạch, giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, góp phần làm tăng tính kinh tế sử dụng động cơ Tuy nhiên, nhiên liệu hy-đrô có nhược điểm so với nhiên liệu truyền thống là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động

cơ chạy hoàn toàn bằng hy-đrô thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hy-đrô đủ để thay thế hoàn toàn nhiên liệu truyền thống khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp

Chính vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hy-đrô như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống Với phương pháp này, chỉ cần cấp một tỷ lệ nhỏ hy-đrô vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu Nhờ đặc tính cháy nhanh, hy-đrô sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu chính tốt hơn nên giảm được thành phần độc hại khí thải Vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hy-đrô

ổn định và tiện lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đề tại này hướng tới nghiên cứu tạo ra và cung cấp nhiên liệu hy-đrô cho động

cơ bằng phương pháp phản ứng xúc tác một phần nhiên liệu xăng với hơi nước nhờ nhiệt khí thải của động cơ Mục đích của đề tài là nghiên cứu khả năng tạo hy-đrô bằng phương pháp biến đổi nhiệt hoá nhiên liệu xăng với hơi nước nhờ tận dụng nhiệt khí thải của động cơ và từ đó xác định các thông số làm việc tối ưu của

bộ xúc tác biến đổi nhiệt hoá nhiên liệu phục vụ tính toán thiết kế bộ xúc tác Nội dung luận văn gồm ba phần:

Thứ nhất là nghiên cứu các tính chất của nhiên liệu hy-đrô, phương pháp tạo ra hy-đrô, ảnh hưởng của nhiên liệu hy-đrô tới đặc tính làm việc của động cơ đã được

đã được nghiên cứu lý thuyết hoặc chứng minh bằng thực nghiệm Thứ hai là nghiên cứu mô hình hoá quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới trong luận văn

Sử dụng mô hình 2 chiều để tính toán các quá trình truyền nhiệt và biến đổi khối lượng trong bộ xúc tác ứng dụng trên động cơ của xe Dream II dung tích buồng đốt là 110 cc Kết quả cho thấy:

- Sự làm việc của bộ xúc tác phụ thuộc vào tỉ lệ nước/nhiên liệu (W/F)và vận tốc không gian trong quá trình cấp nhiên liệu hoà trộn

-Chế độ tối ưu cho kết quả chuyển đổi cao và lượng hy-đrô là cao nhất khi nhiệt độ khí thải khoảng 600oC, tỉ lệ W/F là 3,16:1 về khối lượng với tốc độ không gian nhỏ hơn 5000/h Ở chế độ này thì lượng xăng chuyển đổi lên tới 80% và thu được 70% hy-đrô khô và 1g xăng có thể sản xuất 0.206 mol hy-đrô

- Nhiệt lượng của khí thải cấp cho bộ xúc tác có thể chuyển đổi ít nhất 10% khối lượng nhiên liệu của động cơ tiêu thụ

Quá trình nghiên cứu xác định rằng: nhiệt hoá xăng và hơi nước là phương pháp thuận lợi hiệu quả để sản xuất khí giàu hy-đrô cung cấp cho động cơ xăng

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng với hơi nước nhờ tận dụng nhiệt khí thải bằng phương pháp mô hình hoá để xác định

tỷ lệ tối ưu W/F, điều kiện nhiệt độ và tải trọng của bộ xúc tác để cho sản lượng hy-đrô lớn nhất

Phương pháp tính toán là phương pháp sai phân hữu hạn kết hợp với Raphsan được áp dụng trong đề tài này để giải hệ phương trình phi tuyến của mô hình toán Việc giải được lập trình trên ngôn ngữ FORTRAN

- 100% NOx, CO và 60% HC được phát ra ở khí thải động cơ

- Khoảng 20% HC được phát sinh bởi hiện tượng lọt khí trong hộp trục khủy

- Khoảng 20% HC còn lại được phát sinh do bốc hơi từ thùng chứa xăng, hệ thống nhiên liệu, chế hòa khí…

Đồ thị 1.1 Đặc tính phát thải của động cơ xăng Nếu không trang bị bộ xử lý khí thải thì các thành phần độc hại lần lượt có tỉ lệ như sau:

CO: 0,2 đến 5% thể tích nhiên liệu tiêu thụ, HC: 300 đến 6000 ppmc1 (một phần triệu theo phương pháp ion hóa FIA hoặc FID), NOx: từ 50 đến 2000 ppm Phát thải CO cao ở chế độ không tải và toàn tải, khi động cơ làm việc với hòa khí giàu, HC phát thải cao ở chế độ không tải, trong quá trình hâm nóng động cơ, tải non, khi tăng tốc và giảm tốc, NOx phát thải lớn nhất khi động cơ chạy đầy tải.[15]

13

1.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát thải độc hại

1 Ảnh hưởng của thiết kế động cơ

*Tỉ số nén

Tỉ số nén càng cao thì áp suất có ích trung bình càng lớn, hiệu suất nhiệt càng cao sẽ làm cho ngọn lửa cháy ở nhiệt độ cao khiến cho NOx dễ dàng hình thành

*Thời điểm đánh lửa

Sự tăng giảm góc đánh lửa sớm (αz) sẽ làm ảnh hưởng đến sự hình thành CO trong khí xả Khi (αz) giảm, quá trình cháy sẽ kéo dài trên đường giãn nở, áp suất giảm tại đây Điều đó làm cho điều kiện cháy lên xấu đi, cháy không hoàn toàn sẽ

dễ dàng diễn ra, do đó sẽ làm tăng nồng độ CO trong khí xả

Đồ thị 1.2 Ảnh hưởng của λ và (αz) tới FSC và phát thải Riêng đối với HC, (αz) tăng, áp suất hỗn hợp tăng đột biến nên xuất hiện sự chảy rối tức thì của hỗn hợp và hiện tượng dập tắt màng lửa xảy ra sớm hơn nên

HC tăng Việc giảm (αz) có thể giảm NOx và HC song tính kinh tế nhiên liệu và công suất động cơ sẽ yếu đi

14

(αz) có ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO Khi tăng (αz), điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện gần ĐCT hơn do đó giá trị của nó cao hơn Vì vậy, tăng (αz) cũng làm tăng nhiệt độ cực đại Mặt khác, vì thời điểm cháy bắt đầu sớm hơn nên thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO

Tóm lại, tăng (αz) làm tăng nồng độ NO trong khí xả Trong điều kiện vận hành bình thường của động cơ, giảm (αz) 10 độ có thể làm giảm nồng độ NO từ 20

÷ 30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ.[17]

*Thời điểm đóng mở xúpáp và góc trùng điệp

Để tăng công suất động cơ thì thời điểm mở xupáp quyết định đến lượng hòa khí đưa vào buồng đốt, nhưng thời gian mở quá lâu sẽ xảy ra hiện tượng khí xả lẫn vào khí nạp trong thời kỳ trục điệp làm tăng lượng HC

Ngoài ra thì hình dạng buồng cháy, sự chuyển động rối của dòng khí cũng ảnh hưởng đến đặc tính phát thải của động cơ xăng.[15]

2 Ảnh hưởng của các chế độ hoạt động của động cơ

* Tỉ lệ không khí/nhiên liệu (λ)

Tỉ lệ không khí/nhiên liệu ảnh hưởng vô cùng lớn tới sự phát thải của động cơ, nếu nhiên liệu càng giàu (λ<1) thì sự phát thải CO, HC và tiêu hao nhiên liệu là rất lớn, trong khi đó (λ=1) thì CO, HC và suất tiêu hào nhiên liệu gần như thấp nhất nhưng nồng độ NOx lại cao

*Nhiệt độ nước làm mát

Khi nhiệt độ nước làm mát còn thấp, động cơ chưa vào trạng thái làm việc thì quá trình cháy diễn ra không hoàn hảo làm phát sinh CO và HC……

* Các chế độ hoạt động ngắn của động cơ như tăng tốc, giảm tốc

Khi tăng tốc, hoặc giảm tốc đều làm cho cho hòa khí đậm đặc vì không khí cấp vào không kịp so với nhiên liệu làm đều làm tăng hàm lượng HC và CO

1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại

Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải độc hại được chia thành ba nhóm:

- Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu truyền thống và sử dụng nhiên liệu thay thế

1 Tối ưu hóa kết cấu

* Điều chỉnh chính xác λ

Sự tiêu thụ nhiên liệu đồng nghĩa với sự phát thải, lượng tiêu thụ nhiên liệu càng nhiều thì sự phát thải càng lớn Để giảm phát thải thì trên ôtô hiện đại có lắp thêm cảm biến ô-xy để cảm nhận nồng độ khí thải và giúp cho máy tính điều chỉnh lượng phun hợp lý nhằm đảm bảo sao cho tỉ lệ hòa khí gần với lý tưởng nhất

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển lượng phun nhờ cảm biến ô-xy [15]

áp dụng.[17]

16

* Tối ưu kết cấu buồng cháy, vị trí bugi, xupáp

Thí nghiệm của Bosch trên động cơ xăng thấy rằng vị trí bugi đặt ở trung tâm thì lượng tiêu hao nhiên liệu và phát sinh HC nhỏ hơn so với bugi đặt không ở vị trí trung tâm Động cơ có 4 xupáp thì lượng HC sẽ giảm mạnh so với 2 xupáp, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm hơn khi λ <1,25 [16]

*Luân hồi khí thải

Để giảm quá trình hình thành NOx trong khí thải khi nhiệt độ buồng đốt cao, van EGR cho hồi lưu một phần khí thải với mục đích làm bẩn khí nạp để giảm nhiệt độ quá trình cháy, ngoài ra trên động cơ cũng có thể thiết kế góc trùng điệp lớn cũng nhằm mục đích giảm NOx gọi là luân hồi nội tại [16]

Khi EGR mở càng lớn thì NOx giảm nhưng đồng nghĩa với việc HC sẽ tăng lên [ 15]

Đồ thị 1.3 Ảnh hưởng của EGR tới sự phát thải của động cơ xăng

2 Các biện pháp xử lý khí thải

Khí thải trên động cơ xăng được xử lý bằng các phương pháp sau đây

*Xử lý bằng bộ xúc tác ba tác dụng

Trên động cơ có trang bị bộ xúc tác khí thải và có lắp thêm cảm biến oxy thì sẽ

xử lý hầu hết khí thải độc hại trên động cơ xăng

17

Đồ thị 1.4 Đặc điểm phát thải trên động cơ xăng trang bị bộ xác tác

Hình trên thể hiện sự phát thải của động cơ xăng khi không trang bị bộ xúc tác (nét gạch) và trang bị bộ xúc tác (nét liền), dễ dàng nhận thầy khi chạy với λ bằng một thì nồng độ của các chất phát thải từ khí thải động cơ gần bằng không [16]

*Hỗ trợ phản ứng trên đường thải

Phương pháp này là đốt cháy tiếp khí xả CO và HC trong hệ thống thải bằng cách nào đó để giảm trực tiếp lượng khí xả độc hại và đốt nóng nhanh bộ xử lý xúc tác nhờ nhiệt phát sinh trong quá trình ô xy hoá HC và CO để bộ xúc tác nhanh đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả [17 ]

* Giữ nhiệt trên đường thải

Kỹ thuật này bao gồm các biện pháp để giảm sự mất mát nhiệt của khí thải trước khi đưa vào bộ xử lý xúc tác để cải thiện quá trình hâm nóng bộ xúc tác để

nó nhanh đạt đến nhiệt độ làm việc hiệu quả [17 ]

3 Dùng nhiên liệu thay thế có nồng độ phát thải độc hại thấp

Hiện nay, với sự khan hiếm của dầu mỏ, các nước bắt đầu quan tâm mạnh mẽ đến các loại nhiên liệu thay thế xăng truyền thống Tuy nhiên, ở khía cạnh ô nhiễm

18

khí xả, các nhiên liệu thay thế còn được đánh giá thân thiện hơn với môi trường

Có được điều này là do:

- Thành phần của chúng có tỉ lệ C/H trong cấu trúc phân tử thấp

- Không có Ni-tơ , lưu huỳnh, chì,

- Chỉ số ốc -tan, xê -tan cao

- Giới hạn bắt lửa rộng, tốc độ lan truyền nhanh

Vì thế, có thể loại trừ được nhiều chất nguy hại trong khí xả Mặt khác, hàm lượng phát thải CO2 cũng thấp hơn nếu so với xăng dầu truyền thống, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính

độ khí thải còn giảm so với động cơ xăng thông thường [18]

*Khí hóa lỏng, LPG (Liquefied Petroleum Gas)

Đây là loại nhiên liệu thu được từ hóa lỏng các khí đồng hành thu được của các túi dầu mỏ Thành phần của LPG chủ yếu là propane C3H8 (60%) và bu-tan C4H10(40%)

Trên một số thử nghiệm động cơ chạy bằng LPG, cho thấy các chất thải độc hại được giảm như sau: HC giảm 30-50%, CO giảm 70-90%, NOx giảm 20-30%.[19]

*Khí thiên nhiên hóa lỏng (CNG, LNG)

CNG và LNG có thành phần chính là khí mê-tan (81-98%), chỉ khác nhau ở công nghệ để tồn trữ Do tỉ lệ C/H có trong nhiên liệu thấp, vì thế khi cháy phát thải ít CO2, lượng nhiên liệu cháy thừa thải trong khí xả ra môi trường chủ yếu là

CH4, ít độc hại đến con người [19] , khí thiên nhiên đã được ứng dụng nhiều trong động cơ chạy nhiên liệu kép như xăng/CNG trên Ta-xi Dầu khí

19

*Khí sinh học (biogas)

Bi-ô-ga thu được từ quá trình lên men yếm khí của các chất hữu cơ như: xác động, thực vật, rác thải, chất thải chăn nuôi, chất thải sinh hoạt… Có thành phần chủ yếu là mê-tan (60-68%), CO2 (20-32%), còn lại là các chất khí khác như H2S, hơi nước, Bi-ô-ga đang được nghiên cứu mạnh mẽ để làm nhiên liệu cho động

cơ đốt trong do phát thải ít CO2 Mặt khác, sử dụng bi-ô-ga còn gián tiếp bảo vệ môi trường từ việc sản xuất bi-ô-ga bằng chất thải hữu cơ trong sinh hoạt, trong chăn nuôi, giảm lượng thải CH4 vào khí quyển gây hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên, cần phải áp dụng nhiều biện pháp tinh lọc các tạp chất có trong bi-ô-ga trước khi dùng. [19]

*Nhiên liệu Hy-đrô

Bên cạnh các loại nhiên liệu thay thế nói trên, hy-đrô từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn cho động cơ đốt trong Khác với các loại nhiên liệu truyền thống, đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và có thể được sản xuất từ nguồn nước vô tận và có khả năng sử dụng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel Hy-đrô khi phản ứng với ô-xy tạo ra sản phẩm sạch, chỉ có nước và không có thành phần ô nhiễm nào, kể cả CO2 nên không gây ô nhiễm môi trường và không gây hiệu ứng nhà kính như khi sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch Thêm nữa, nhiên liệu này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốc tan cao, chống kích nổ tốt, nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ Giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, =14, Do đó động cơ có thể chạy hỗn hợp nghèo để giảm NOx và góp phần làm tăng tính kinh

tế sử dụng động cơ Mặc dù vậy, nhiên liệu hy-đrô cũng có một số nhược điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hy-đrô thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hy-đrô đủ để thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp [20]

20

*Nhiên liệu giàu hydro

Chính vì một số nhược điểm của nhiên liệu hy-đrô nói trên nên nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hy-đrô như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống Với phương pháp này, hy-đrô chỉ được cấp một tỷ lệ nào

đó vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là xăng, Diesel, hoặc khí thiên nhiên để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hy-đrô (có hy-đrô ở trạng thái tự do trong hỗn hợp) Nhờ đặc tính cháy nhanh, hy-đrô sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu chính tốt hơn nên giảm được thành phần độc hại khí thải, mở rộng giới hạn cháy và tăng tính chống kích nổ cho động cơ trong khi không thay đổi kết cấu động cơ so với khi dùng xăng hoặc diesel Vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hydro ổn định và tiện lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên. [20]

1.2 Nhiên liệu hy-đrô và các phương pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô

1.2.1 Đặc điểm của nhiên liệu hy-đrô

1 Tính chất vật lý của hy-đrô

Hy-đrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử Tuy vậy, trên Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích) Hy-đrô là chất khí không màu, không mùi, khối lượng phân tử là 2,016 Hy-đrô là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn hoá học Tỉ trọng của nó nhỏ hơn 14 lần so với không khí (0,08367 kg/m3 ở điều kiện và áp suất tiêu chuẩn) Hy-đrô ở dạng lỏng tại nhiệt độ dưới 20,30

K Hy-đrô có năng lượng cao nhất trên một đơn vị khối lượng trong tất

cả các loại nhiên liệu Nhiệt trị của hy-đrô là 141,9 MJ/kg gấp gần ba lần so với xăng

Tính chất vật lý đặc trưng của hy-đrô thì hầu hết có sự khác biệt so với các loại nhiên liệu thông dụng là chúng không độc hại và nguy hiểm, chỉ có một số tính chất về mặt lý thuyết thì có thể gây ra sự nguy hiểm trong quá trình bảo quản và

sử dụng Một số tính chất vật lý quan trọng của hy-đrô được thể thiện ở bảng 1.1 dưới đây

21

Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 300

Thành phần hợp thức trong không

Giá trị nhiệt trị thấp 119,7 46,72 44,79 Năng lƣợng khi đốt cháy một kg

nhiên liệu ở tỉ lệ tối ƣu 3,37 2,56 2,79

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của hy-đrô

2 Tính chất cháy của hyđro

Khi nghiên cứu hy-đrô là một loại phụ gia nhiên liệu để cải thiện quá trình cháy của động cơ thì nhiên liệu hy-đrô có một số tính chất cháy quan trọng sau:

sẽ làm nhiệt độ cuối quá trình cháy thấp hơn làm giảm bớt hàm lƣợng ô nhiễm

22

trong khí thải.Nhưng khi động cơ làm việc ở giới hạn hỗn hợp nghèo cho phép, có thể làm giảm công suất do giảm mật độ của chất cháy có trong của hỗn hợp không khí nhiên liệu [37]

Đồ thị 1.5 Phạm vi cháy của một số loại nhiên liệu

*Nhiệt độ tự cháy cao

Nhiệt độ tự cháy là một thông số vô cùng quan trọng, nó quyết định đến tỉ số nén của động cơ tức là quyết định đến hiệu suất nhiệt của động cơ Khi nhiệt độ tự cháy cao có thể nâng cao tỉ số nén mà không sợ nhiên liệu tự cháy gây ra các hiện tượng cháy không bình thường Tỉ số nén càng cao thì động cơ có thể làm việc với hoà khí nghèo mà vẫn cho phép hiệu suất và công suất ra của động cơ cao Nhiệt

độ tự cháy của hy-đrô cao (585 o

C) cao gấp đôi của xăng nên đây là một ưu điểm lớn của nhiên liệu hy-đrô

Đồ thị 1.6 Nhiệt độ tự cháy của một số loại nhiên liệu [37]

23

*Tốc độ cháy nhanh

Hy-đrô có tốc độ cháy cao, tốc độ ngọn lửa của hy-đrô nhanh hơn so với xăng Khi λ=1 thì tốc độ cháy của hỗn hợp (không khí và hy-đrô ) gấp 6 lần tốc độ cháy của hỗn hợp (không khí-mê tan) và hỗn hợp (không khí –xăng) [27] Nhưng với λ càng lớn (hỗn hợp nghèo) thì tốc độ ngọn lửa giảm đáng kể vì lúc này mật độ chất cháy giảm nên khoảng cách giữa các chất cháy ra tăng sẽ làm cản trở đến tốc độ lan tràn màng lửa trong buồng đốt Ngoài ra tốc độ cháy nhanh còn làm cho đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hy-đrô ít nhạy với sự thay đổi hình dạng của buồng cháy, sự chảy rối và xoáy của đường ống nạp Tốc độ cháy cao và khả năng

dễ cháy lớn còn giúp cho động cơ có khả năng khởi động động cơ tốt hơn

Đồ thị 1.7 Tốc độ của ngọn lửa của một số hỗn hợp khí Tốc độ cháy nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ cháy cao trong suốt quá trình cháy của động co khi động cơ làm việc ở gần tỉ lệ hoà khí tối ưu làm cho nhiệt độ khí thải cao và dễ dàng hình thành NOx Ngoài ra nó có thể gây ra tiếng ồn và rung vì sự gia tăng áp suất quá nhanh trong buồng đốt

*Năng lượng đánh lửa thấp

Năng lượng đánh lửa thấp nên ưu điểm đối với động cơ sử dụng nhiên liệu đrô là hệ thống đánh lửa đơn giản lại làm cho khó kiểm soát được vấn đề tự cháy của nhiên liệu Những đốm lửa trong thành xy lanh sẽ dễ dàng đốt cháy nhiên liệu ngay cả khi van nạp chưa kịp đóng sẽ gây ra hiện tượng tự cháy, cháy ngược lại cổ

Hy-đrô có một khoảng dập tắt ngọn lửa nhỏ, nhỏ hơn xăng (của hy-đrô là 0.6

mm của xăng là 2.0 mm) Do vậy ngọn lửa hy-đrô tiến sát gần với thành xilanh hơn so với ngọn lửa của các loại nhiên liệu khác trước khi bị dập tắt vì thế có thể đốt cháy các thành phần nhiên liệu tại các vị trí mà ngọn lửa trong động cơ xăng không thể đốt cháy được, như vậy nhiên liệu sẽ được đốt kiệt hơn tạo ra công suất lớn hơn nâng cao tính kinh tế và đặc biệt là ít ô nhiễm môi trường hơn vì hàm lượng HC trong khí thải sẽ giảm xuống [37]

*Độ khuyếch tán cao

Khả năng khuyếch tán trong không khí của nhiên liệu hy-đrô là vô cùng lớn Khí hy-đrô luôn có xu hướng rò rỉ tại những những lỗ và các mối ghép trên đường ống nhiên liệu áp thấp Nó bằng 1,26 (dòng chảy tầng) tới 2.8 (dòng chảy rối) lần

so với sự rò rỉ của khí tự nhiên khi cùng diện tích rò rỉ Khi nhiên liệu hy-đrô được nén trong thùng với áp suất cao thì tốc độ của nhiên liệu khi bị rò rỉ có thể đạt tới tốc độ 1308 m/s sẽ lớn hơn ba lần so với 449 m/s của khí tự nhiên Nhưng nếu được trang bị làm nhiên liệu cho động cơ thì sẽ giúp cho quá trình hình thành hoà khí một cách dễ dàng hoặc nếu có tai nạn do một nguyên nhân nào đó thì hy-đrô

sẽ thoát rất nhanh làm giảm nguy cơ cháy nổ, nâng cao tính an toàn khi sử dụng nhiên liệu hy-đrô [37]

25

*Mật độ rất thấp

Hy-đrô có mật độ thấp, nên vấn đề tích trữ để cung cấp cho động cơ là vấn đề khó khăn Để lưu trữ được hy-đrô phải mất năng lượng để nén (200 at) hoặc hóa lỏng hy-đrô và thùng chứa nhiên liệu phải là thùng chịu được áp suất cao Năng lượng để nén hoặc hoá lỏng hy-đrô là vô cùng lớn, mất nhiều năng lượng và phải đầu tư lớn trang thiết bị để đảm bảo an toàn lao động Một vấn đề khác là công suất của động cơ bị ảnh hưởng do mật độ năng lượng của hoà khí thấp, đây là nhược điểm lớn để có thể sử dụng nhiên liệu hy-đrô cho động cơ đốt trong

1.2.2 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô

Có rất nhiều phương pháp sản xuất ra hy-đrô như: tổng hợp từ tảo, oxy hóa không hoàn toàn khí tự nhiên hoặc bi-ô-ga, nhiên liệu hóa thạch, nhiệt phân từ sinh khối, khí hoá từ than đá, điện phân nước, phản ứng biến đổi nhiệt hoá nhiên liệu các-bua-hy-đrô và cồn với hơi nước hoặc với khí CO2 [32] Một số phương pháp điển hình được phân tích dưới đây:

Hình 1.2 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô

1 Điện phân nước (EW)

Trong các thiết bị điện phân nước công nghiệp đã đạt hiệu suất điện phân 80% với mật độ dòng điện dưới 1A/cm2, hiệu suất (về điện) trên 90% khi mật độ

70-26

dòng điện 3A/cm2 Quá trình điện phân nước là quá trình phân giải nước thành hai chất khí là khí O2 và khí hy-đrô khi cho dòng điện một chiều chạy qua nước Phương pháp này rất tốn điện, hiệu suất biến đổi năng lượng thấp, không kinh tế

và thiết bị cồng kềnh nến khó áp dụng trên phương tiện giao thông vận

2 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với hơi nước (SR)

Các phản ứng hóa học chính trong quá trình SR được biểu diễn bởi các phương trình sau:

CnHm + nH2O → nCO + (m/2+n)H2 (1-1 )

CnHm + 2nH2O → nCO2 + (m/2+2n)H2 (1-3) Quá trình SR cho hàm lượng hy-đrô khá cao trong sản phẩm (đến 70% thể tích) Quá trình xảy ra trong bộ xúc tác khi các chất tham gia phản ứng được cấp

đủ nhiệt để duy trì nhiệt độ chung tối thiểu trên 4000

C Để thực hiện được quá trình SR đòi hỏi một nguồn nhiệt lớn Do đó, nếu tận dụng nhiệt khí thải trên động

cơ để thực hiện quá trình biến đổi nhiệt hoá này (không tốn năng lượng đốt nóng) thì hiệu suất biến đổi năng lượng=(năng lượng của hy-đrô tạo ra/năng lượng của nhiên liệu các-bua-hy-đrô )>1 Điều này cho phép không những tạo nhiên liệu hy-đrô cho động cưo mà còn tăng hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng phương pháp tạo và cấp hy-đrô này cho động cơ

3 Ô xy-hóa không hoàn toàn nhiên liệu các bua hyđro (PO)

Nhiên liệu các-bua-hy-đrô(CH) nếu phản ứng cháy với O2 trong điều kiện thiếu

O2 sẽ tạo ra sản phẩm là hy-đrô và CO2, đồng thời giải phóng một lượng nhiệt lớn

Có thể coi quá trình phản ứng được thực hiện theo một phương trình tổng hợp dưới đây:

CnH1,88n + 0,5nO2 → nCO + 0,94nH2+Q (1-4) Đây là quá trình phản ứng phức tạp xảy ra với nhiều phản ứng [33], trước tiên một phần nhiên liệu được cháy hoàn toàn tạo ra hơi nước, CO2 và tỏa nhiệt theo phương trình:

CnHm+(n+0,25m)O2 → nCO2 + 0,5mH2O (1-5)

27

Sau đó, hơi nước sẽ phản ứng với phần nhiên liệu còn lại theo các phương trình (1-1) đến (1-3) nhờ nhiệt sinh ra từ phản ứng cháy trước đó của nhiên liệu với oxy Quá trình nhiệt hóa trên không cần cấp nhiệt cho các chất tham gia phản ứng nhưng hàm lượng hy-đrô tạo ra không cao trong khi hàm lượng khí không mong muốn như CO thì lại quá cao, đồng thời nhiệt lượng thải ra ngoài lớn gây lãng phí

và làm tăng tải nhiệt đối với thiết bị do đó cần phải làm mát để duy trì sự làm việc bình thường của hệ thống Do vậy hiệu suất sử dụng nhiên liệu thấp, không kinh tế khi sử dụng phương pháp này cho động cơ

4 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hy-đrô với CO2

Trong điều kiện nhiệt độ cao và môi trường có chất xúc tác, nhiên liệu bua-hy-đrô có thể phản ứng với CO2 tạo ra khí CO và hy-đrô theo phương trình :

các-CnHm + nCO2 → 2nCO + 0,5mH2 -Q (1-6) Tương tự như phản ứng nhiệt hóa với hơi nước, quá trình phản ứng này cũng cần được cung cấp một nguồn nhiệt Tuy nhiên phản ứng này cho sản lượng hy-đrô nhỏ hơn so với phản ứng SR trong khi sản phẩm CO thì lại cao hơn nhiều Do vậy phương pháp này không thích hợp cho việc cung cấp khí hydro trên các phương tiện vận tải

5 Kết hợp ô xy hóa không hoàn toàn và phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hy-đro với hơi nước (ATR)

các-bua-Có thể cấp đồng thời hơi nước, nhiên liệu và không khí với các tỷ lệ thích hợp vào trong lò phản ứng có chất xúc tác ni-ken để thực hiện các phản ứng xúc tác như sau

28

CO, CO2 và có thể có nước và CnHm thừa Tỷ lệ của các thành phần này trong sản phẩm phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, tỷ lệ thành phần giữa nhiên liệu với hơi nước và không khí và đồng thời phụ thuộc vào nhiệt độ của lò phản ứng xúc tác nếu được cấp thêm nhiệt

Như vậy tùy theo tỷ lệ thành phần giữa nhiên liệu, hơi nước, không khí và nhiệt cấp vào lò phản ứng mà quá trình biến đổi nhiệt hóa trong lò có thể gần với quá trình SR hay PO

Đối với động hơn cơ đốt trong, một phần nhiệt lượng đáng kể sinh ra do đốt cháy nhiên liệu bị thải ra ngoài theo khí thải Phần nhiệt này thông thường chiếm

từ 15 - 25% nhiệt lượng do đốt cháy nhiên liệu [5]. Do đó có thể tận dụng một phần nhiệt thải này để biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước, tạo nhiên liệu giàu H2 cho động cơ Bằng phương pháp này, có thể tạo được bộ phản ứng xúc tác nhỏ gọn mà lại có hiệu suất và năng suất biến đổi cao, hàm lượng H2 lớn vì có thể

sử dụng phương pháp SR trong khi không cần phải có thiết bị cung cấp nhiệt từ ngoài Các phương pháp trên có thể tóm tắt lại trong bảng 1.3

29

1 EW Năng suất tạo H2

cao

Cần nhiều nước và dòng điện lớn, khó lắp đặt trên động

cơ

2 SR Năng suất tạo H2 khá

cao trong sản phẩm (đến 70% thể tích)

Nhiệt cần cho phản ứng có thể tận dụng từ nhiệt khí thải nên hiệu suất biến đổi nhiên liệu >1

không cao, hàm lượng CO lớn -Tạo ra lượng nhiệt lớn gây lãng phí và tăng tải nhiệt cho động cơ

4 Nhiệt hoá

nhiên liệu với

CO2

Cho sản lượng H2nhỏ hơn so với phản ứng SR

-Sản phẩm CO thì lại cao hơn nhiều

5 ATR - Tạo ra sản lượng

H2 cao, không cần thiết

bị cấp nhiệt hay làm mát,

-Có thể chế tạo được trên động cơ

-Tuy nhiên sản lượng hydro thấp hơn so với phương pháp

SR, thiết bị cồng kềnh hơn SR

vì thêm đường cung cấp không khí

Bảng 1.3 Ưu nhược điểm của các phương pháp sản xuất hy-đrô

1.3 Phương pháp cung cấp và đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hy-đrô

Hiện nay có hai phương pháp chủ yếu để cung cấp hy-đrô cho động cơ, thứ nhất là sử dụng nhiên liệu hy-đrô được sản xuất sẵn và cung cấp cho động cơ như các loại nhiên liệu truyền thống là xăng và diesel.Thứ hai là trên các động cơ sử

- Hiệu suất nhiệt có ích trung bình

- Mô men và công suất

-Phát thải

-Suất tiêu hao nhiên liệu

1.3.1 Hy-đrô được cung cấp từ ngoài động cơ

1 Động cơ chạy chỉ sử dụng hyđro

*Phương pháp cung cấp H 2 vào động cơ

Nhiên liệu H2 được cung cấp vào động cơ có thể là nhờ áp suất chênh áp của

bộ chế hòa khí hoặc nhờ áp suất cưỡng bức của bơm phun vào đường ống nạp hoặc trực tiếp vào buồng đốt Các phương pháp cấp H2 có ảnh hưởng lớn đến đặc tính công suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ Có 3 phương pháp cấp H2 phổ biến là cấp H2 vào đường nạp ở dạng khí (dùng bộ chế hoà khí hoặc phun), phun vào đường nạp ở dạng lỏng, phun trực tiếp vào xylanh (ở dạng lỏng hoặc khí) [23]

1 Động cơ xăng thông thường, 2 Khí H2 được phun và đường ống nạp,

3 H2 được phun và đường ống nạp, 4 H2 dạng khí áp cao phun trực tiếp vào buồng đốt

Hình 1.3 Các phương án cung cấp H2 cho động cơ

31

Cấp H2 ở dạng khí vào đường nạp (phương án 2 trong hình 1.5), phương án này làm giảm lượng không khí vào xi-lanh do bị H2 chiếm chỗ tức là lượng không khí và nhiên liệu vào xi-lanh giảm dẫn đến công suất động cơ giảm Tuy nhiên phương pháp tạo hỗn hợp tốt

Phun H2 lỏng vào đường nạp (phương án 3 trong hình 1.5), vì một lượng nhỏ

H2 chưa bay hơi kịp trong đường nạp đi vào xi-lanh ở dạng lỏng, chiếm ít thể tích của không khí trong xi-lanh làm lượng không khí nạp vào xi-lanh bị giảm ít hơn

so với lượng cấp H2 ở dạng khí vào đường nạp làm công suất bị giảm ít hơn

Phun trực tiếp H2 (lỏng hoặc khí) vào xi lanh (phương án 4) Phương án này hoàn toàn không làm giảm lượng không khí nạp so với động cơ xăng trong khi lại

sử dụng nhiên liệu H2 có nhiệt trị cao hơn xăng nên công suất động cơ lớn hơn công suất động cơ xăng có cùng kích thước và hiệu suất cũng cao hơn Tuy nhiên phương pháp phun H2 trực tiếp lại phức tạp hơn nhiều so với phun vào đường nạp

* áp suất chỉ thị trung bình

Ở tốc độ dưới 3000 rpm, áp suất có ích trung bình của động cơ xăng cao hơn động cơ sử dụng nhiên liệu H2 IMEP của động cơ hy-đrô thấp hơn chút ít khi hoạt động trên 3200 rpm còn động cơ xăng thì giảm mạnh khi tăng tốc độ của động cơ

[27] Còn nếu thay đổi phương phương pháp cung cấp H2 ta thấy áp suất chỉ thị của phun trực tiếp tăng thêm 15% đối với phương pháp phun xăng trên đường ống nạp

Đồ thị 1.9 So sánh IMEP khi thay đổi nhiên liệu và phương pháp phun [26]

λ

32

* Hiệu suất nhiệt có ích

Động cơ hy-đrô có hiệu suất nhiệt có ích cao hơn động cơ xăng, động cơ xăng đạt hiệu suất nhiệt cao khi tải lớn trong khi động cơ sử dụng hy-đrô có thể hoạt động ngang bằng ở tải cục bộ với hiệu suất nhiệt cao hơn [27]

Đồ thị 1.10 So sánh BTE của động cơ hy-đrô và động cơ xăng

*Mô men

Tại tốc độ 3100 rpm động cơ hy-đrô có mô-men bằng với động cơ xăng và lớn hơn hẳn khi ở dải tốc độ lớn Bởi vì đặc tính cháy nhanh của H2 nên nó có kết quả tốt khi hoạt động ở tốc độ cao [27]

Đồ thị 1.11 So sánh mô men giữa động cơ hy-đrô và động cơ xăng

*Công suất

ở tốc độ thấp thì công suất của động cơ xăng thấp hơn hẳn và ngang bằng ở dải tốc độ 3000 v/p – 4000 v/p Bởi vì mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích thấp nên công suất thấp hơn động cơ xăng thông thường Hạn chế này có thể khắc phục bằng tăng áp Với phương pháp này khí được nạp nhiều hơn vào xy lanh làm hòa khí tốt hơn, nó cũng giúp làm mát xy-lanh và tránh hiện tượng cháy sớm [27]

33

Đồ thị 1.12 So sánh công suất giữa động cơ hy-đrô và động cơ xăng

*Suất tiêu hao nhiên liệu

Đồ thị 1.13 So sánh BSFC của động cơ H2 ở chế độ toàn tải [29]

BSFC động cơ xăng lớn hơn so với của động cơ hy-đrô và tiêu hao thấp nhất tại tốc độ 3500 rpm khi bướm ga mở hoàn toàn Nói chung đặc tính BSFC của hai động cơ có biên dạng giống nhau và đều có một vị trí tối ưu để đốt cháy nhiên liệu hoàn toàn để BSFC là nhỏ nhất

*Phát thải

Theo lý thuyết thì động cơ sử dụng nhiên liệu H2 chỉ có phát thải NOx mà không phát thải HC, CO Nhưng trong thực tế khi động cơ chạy ở tốc độ cao thì vẫn phát sinh HC, CO vì quá trình đốt cháy màng dầu bôi trơn trong xi-lanh, khi tăng tốc độ động cơ cũng làm gia tăng hàm lượng CO trong khí thải, CO bắt đầu xuất hiện khi chạy trên 2700 v/p, CO2 hầu như không xuất hiện nhưng lượng O2trong ống thải thì cũng gia tăng [27]

Ngoài những ưu nhược điểm phân tích ở trên thì khi sử dụng nhiên liệu H2 cho động cơ đốt trong thì cần phải chú ý thêm các vấn đề như vật liệu chế tạo, tuổi thọ

34

của dầu bôi trơn….Còn tuỳ theo phương pháp hình thành hoà khí thì động cơ có thể có mô men và công suất khác nhau

1.Động cơ sử dụng vòi phun, 2 Động cơ sử dụng chế hoà khí

Đồ thị 1.14 So sánh mô-men và công suất của động cơ hy-đrô khi thay đổi phương

pháp cung cấp nhiên liệu Theo hình 1.14 thì động cơ sử dụng vòi phun có mô-men lớn hơn động cơ sử dụng chế hoà khí kể cả ở dải tốc độ thấp, điều này là do khi sử dụng vòi phun thì nhiên liệu H2 sẽ được nén làm cho mật độ các chất cháy lớn và giúp quá trình cháy xảy ra dễ dàng hơn, còn khi sử dụng chế hoà khí thì hàm lượng H2 cung cấp cho quá trình cháy hoàn toàn phụ thuộc vào độ chênh áp trong họng khuyếch tán của

bộ chế hoà khí của động cơ Điều này cũng làm cho công suất của động cơ H2 sử dụng vòi phun cao hơn công suất của động cơ H2 sử dụng chế hoà khí ở tốc độ cao

2 Động cơ sử dụng nhiên liệu kép hyđro – xăng

Có một số khó khăn khi muốn chuyển đổi động cơ đang chạy nhiên liệu xăng sang nhiên liệu hy-đrô như là: cải tạo hệ thống nhiên liệu, điều khiển thời điểm đánh lửa… vì vậy bổ sung hy-đrô để cải thiện quá trình cháy của động cơ đốt trong là một vấn đề đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu bằng tính toán hoặc bằng thực nghiệm Hầu hết các công trình khoa học đều cho kết quả: Khi bổ xung một lượng hy-đrô vào hòa khí thì các chỉ tiêu về công suất, phát thải đểu giảm hơn

so với khi chạy nhiên liệu xăng thông thường

35

*Phương pháp cung cấp H 2 vào động cơ

Để động cơ sử dụng nhiên liệu kép hy-đrô và xăng thì vòi phun xăng và vòi phun hy-đrô thường được bố trí ngay trên đường ống nạp (hy-đrô được cung cấp đến ống phân phối với một áp suất cưỡng bức nhất định) để cấp thêm H2 vào đường nạp của động cơ

Hình 1.4 Kết cấu của cụm ống hút của động cơ nhiên liệu kép

*Áp suất có ích trung bình

BMEP của động cơ xăng và động cơ hy-đrô đều có xu hướng giảm khi tăng λ Tuy nhiên BMEP của động cơ hy-đrô vẫn lớn hơn động cơ xăng khi tăng λ đạt giá trị 1,2 trở lên Và λ càng tăng thì sự chênh lệch BMEP càng lớn [28]

Đồ thị 1.15 Sự thay đổi BMEP khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp