Nghiên cứu mô hình hóa quá trình tạo nhiên liệu giàu hydro để giảm phát thải độc hại của động cơ đốt trong

Nhờ đặc tính cháy nhanh, hydro sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu chính tốt hơn nên giảm được thành phần độc hại khí thải.. Sự phát thải của động cơ đốt trong và phương pháp giảm phát t

LỜI CAM ĐOAN

quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác!

Hà nội , tháng 11 năm 2009

Tác giả

Phạm Ngọc Anh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CNG : Nhiên liệu khí thiên nhiên nén

LNG : Khí thiên nhiên hoá lỏng

LPG : Khí dầu mỏ hoá lỏng

H2 : Nhiên liệu khí hydrô

T0 : Nhiệt độ đầu vào

Tc : Nhiệt độ cuối quá trình nén

Vo/Vc : Tỷ số nén

A/F : Tỷ số không khí trrên nhiên liệu

η : Hiệu suất nhiệt lý thuyết

pa : Áp suất cuối quá trình nạp

po : Áp suất dầu quá trình nạp

pr : Áp suất khí thải

Tr : Nhiệt độ khí sót

Q : Lượng nhiệt cần truyền cho két

G : Lưu lượng hỗn hợp khí giàu hydrô

DANH MỤC BẢNG Các bảng Trang

Bảng 3-1: Các hằng số động học phản ứng kj = RT

E j

j

e k

−

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Các hình vẽ và đồ thị Trang

Hình 2-2: Khí thải của động cơ xăng

Hình 2-3: So sánh thể tích buồng cháy và hàm lượng năng lượng

giữa động cơ xăng và động cơ sử dụng nhiên liệu hydro

41

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC BẢNG 3

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 3

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.1 Sự phát thải của động cơ đốt trong và phương pháp giảm phát thải 3

1.1.1 Sự phát thải độc hại của động cơ đốt trong 3

1.1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại của động cơ đốt trong 3

1.1.1.2 Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ gây ra ở Việt Nam 6

1.1.1.3 Các nguồn phát thải của động cơ đốt trong 7

1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải các thành phần độc hại 10

1.1.2.1 Giảm thành phần độc hại khí thải nhờ tối ưu hoá thiết kế động cơ 10

1.1.2.2 Giảm thành phần độc hại bằng biện pháp xử lý khí thải 14

1.1.2.3 Thay đổi cách sử dụng nhiên liệu và dùng nhiên liệu thay thế 21

1.2.3 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài 24

1.2.3.1 Mục đích của đề tài 24

1.2.3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 24

1.2.3.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài 24

CHƯƠNG 2: LỢI ÍCH CỦA NHIÊN LIỆU GIÀU HYDRO VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP TẠO RA TỪ NHIÊN LIỆU TRUYỀN THỐNG 26

2.1 Vấn đề chung về sử dụng hydro và nhiên liệu giàu H 2 trên thế giới. 26

2.1.1 Một số đặc điểm liên quan đến nhiên liệu hydro sử dụng trên động cơ 31

2.1.1.1 Phạm vi cháy rộng 31

2.1.1.2 Khoảng dập tắt nhỏ 31

2.1.1.3 Nhiệt độ tự cháy cao 32

2.1.1.4 Tốc độ cháy cao 32

2.1.1.5 Độ khuêch tán cao 32

2.1.1.6 Mật độ thấp 33

2.2 Phương pháp sản xuất hydro và nhiên liệu giàu hydro 38

2.2.1 Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hydrocacbon với hơi nước (phản ứng thu nhiệt ) 39

2.2.2 Phản ứng oxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn (phản ứng tỏa nhiệt): 40

2.2.3 Phản ứng nhiệt hóa hydrocacbon với khí cacbonic (phản ứng thu nhiệt) 41

2.2.4 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu hydrocacbon với đồng thời hơi nước, oxy và cacbonic (quá trình phản ứng trung tính về nhiệt ) 41

CHƯƠNG 3 44

NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI ĐỂ TẠO NHIÊN LIỆU GIÀU HYDRÔ 44

3.1 Nhiệt khí thải và khả năng tận dụng 44

3.1.1 Nhiệt khí thải ra ngoài 44

3.1.2 Tính toán các quá trình công tác: 45

3.2 Mô hình toán quá trình tạo nhiên liệu giàu hydro từ nhiên liệu

truyền thống 49

3.2.1 Giới thiệu chung 49

3.2.2 Các phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa của diesel 50

3.2.3 Tốc độ các phản ứng biến đổi nhiệt hóa của diesel 53

3.2.4 Các phương trình cơ bản 55

3.2.4.1 Tính chất của khí 59

3.2.4.2 Hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất 59

3.3 Kết quả nghiên cứu 61

3.4 Thiết kế chế tạo hệ thống xúc tác 68

3.4.1 Các thông số của động cơ D243 68

3.4.2 Thiết kế hệ thống xúc tác cho động cơ diesel D243 69

3.4.2.1 Yêu cầu đối với bộ xúc tác 69

3.4.2.2 Thiết kế hệ thống xúc tác 69

3.4.2.3 Tính toán, thiết kế két làm mát hỗn hợp khí giàu hydrô 75

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 80 4.1 Kết luận 80

4.2 Hướng phát triển của đề tài 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời kỳ công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước cùng với sự đi lên của các ngành kinh tế, động cơ đốt trong ngày càng giữ một vai trò quan trọng và được ứng dụng nhiều trên các lĩnh vực khác nhau như trong nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải cũng như nhiều ngành có kinh tế khác

Sự gia tăng nhanh về số lượng động cơ đốt trong sử dụng đã và đang gây ô nhiễm môi trường trầm trọng do khí thải độc hại Chính vì vậy vấn đề đặt ra cho các nhà nghiên cứu là làm thế nào để giảm được ô nhiễm khí thải Một trong những hướng nghiên cứu hiện nay là dùng nhiên liệu thay thế gây phát thải độc hại ít, ví dụ nhiên liệu hydrô và nhiên liệu giàu hydô

Nhiên liệu hyđrô là loại nhiên liệu từ lâu đã được các nhà nghiên cứu cân nhắc sử dụng cho 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 thải của động cơ hydro 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 hydro có 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 hydro thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel 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 hydro như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu xăng hoặc diesel Với phương pháp này, chỉ cần cấp một tỷ lệ nhỏ hydrô vào trong động cơ để hòa trộn với

nhiên liệu chính là xăng hoặc diesel Nhờ đặc tính cháy nhanh, hydro 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 hydro ổn định và tiện lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên Trong đề tài tốt nghiệp này Em đưa ra hướng nghiên cứu giảm thành phần độc hại khí thải động cơ diesel bằng cách tạo ra và cung cấp nhiên liệu giàu hydro cho động cơ bằng phương pháp phản ứng xúc tác một phần nhiên liệu diesel nhờ chính khí thải động cơ Đối tượng nghiên cứu là động cơ D243 do (Nga) Brarut sản xuất với mục đích là nghiên cứu mô hình hoá quá trình phản ứng xúc tác nhiên liệu với khí thải tạo nhiên liệu giàu hydrô và từ

đó thiết kế tối ưu bộ xúc tác

Nội dung tốt nghiệp gồm hai phần, thứ nhất là nghiên cứu lợi ích của nhiên liệu giàu hydro và các phương pháp tạo ra nhiên liệu này từ nhiên liệu truyền thống Thứ hai là nghiên cứu thiết kế bộ xúc tác tận dụng nhiệt khí thải

để tạo nhiên liệu giàu hydro Em xin chân thành cám ơn TS Hoàng Đình

Long đã giúp đỡ và chỉ bảo cho em rất nhiều Cám ơn các thầy cô bộ môn

động cơ đốt trong, phòng thí nghiệm động cơ đốt trong đã tạo mọi điều kiện

về thời gian cũng như trang thiết bị thí nghiệm để em có thể hoàn thành bản luận văn này

Học viên cao học

KS Phạm Ngọc Anh

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Sự phát thải của động cơ đốt trong và phương pháp giảm phát thải

1.1.1 Sự phát thải độc hại của động cơ đốt trong

1.1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại của động cơ đốt trong

Trong quá trình hoạt động các phương tiện giao thông phát thải vào không khí một khối lượng lớn các loại khí độc như CO, CO2, hydrocacbon,

NOx, SO2, khói đen, và bồ hóng Tùy theo loại động cơ và loại nhiên liệu mà khối lượng các chất thải độc hại chiếm tỷ lệ khác nhau trong khí xả Ở động

cơ Diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ tệ không đáng kể; nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai loại động cơ có giá trị tương đương nhau Trái lại, bồ hóng là chất gây ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ Diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong khí xả động cơ xăng Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu cụ thể từng thành phần độc hại trong khí xả của động cơ

- CO: monoxit cacbon là sản phẩm cháy của C trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy Monoxit cacbon ở dạng khí không màu, không mùi Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ oxy của hemoglobin trong máu, làm giảm khả năng cung cấp oxy cho các tế bào trong cơ thể Monoxit cacbon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây cho con người tử vong Hàm lượng cực đại cho phép

[CO] = 33 mg/m3

- Cacbon dioxit (CO2): là sản phẩm cháy hoàn toàn của các bon với ôxy Trong những năm gần đây người ta chú ý nhiều đến các phương tiện giao thông vận tải vì nó góp phần thải ra CO2 – khí nhà kính quan trọng nhất Trên toàn thế giới khoảng 15% CO2 trong không khí là do các phương tiện giao thông vận tải thải ra CO2 là một chất gây ngạt Bình thường tỷ lệ CO2 trong

không khí từ 0,3 – 0,4% Ở nồng độ thấp CO2 kích thích trung tâm hô hấp Những nghiên cứu gần đây cho thấy nồng độ CO2 5% đã gây trở ngại cho hô hấp Tiếp xúc với CO2 ở nồng độ 15% người ta không thể làm việc được Ở nồng độ 30 – 60 % có thể gây nguy hiểm tính mạng cho con người

- HC: (hydrocacbon, đôi khi còn được ký hiệu là CmHn) là các loại hydrocarbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải Hydrocarbon có rất nhiều loại Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau nên không thể đánh giá chung một cách trực tiếp Ví dụ, parafin và naphtalin có thể coi là vô hại Trái lại, các loại hydrocarbon thơm thường rất độc, ví dụ như hydrocarbon có nhân benzene có thể gây ung thư Để đơn giản khi đưa ra các tiêu chuẩn về môi trường, người ta chỉ đưa ra thành phần hydrocarbon tổng cộng trong khí thải ( viết tắt là TH ) Hydrocarbon tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mạc đường hô hấp

- Andehyt: có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một công thức tổng

quát là CHO Andehyt có tác dụng gây tê và có mùi gắt Một số loại andehyt

có thể gây ung thư Đối với formandehyt, hàm lượng cực đại cho phép là 0,6 mg/m3

- Chì: chì rất độc đối với tế bào sống, làm giảm khả năng hấp thụ oxy trong

máu, gây ung thư, làm giảm chỉ số thông minh [Pb] = 0,1 mg/m3

- Các oxit nitơ (NOx): Là sản phẩm ôxy hoá nitơ trong không khí trong điều kiện nhiệt độ cao Do nitơ có nhiều hoá trị nên oxit nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx Ở các khu đô thị, các phương tiện giao thông thải ra khoảng 50% lượng NOx trong không khí NOx được dùng để chỉ hỗn hợp NO và NO2 trong không khí đồng thời cũng có mặt NO và NO2

đóng vai trò qua trọng trong ô nhiễm không khí NOx kết hợp vớ Hemoglobin (Hb) tạo thành Methemoglobin (Met Hb), làm Hb không vận chuyển được

oxy, gây ngạt cho cơ thể Sau một thời gian tiềm tàng dẫn tới phù phổi cấp, tím tái biểu hiện co giật và hôn mê Khi tiếp xúc với NOx ở các nồng độ thấp (nhiễm độc mãn tính) có các biểu hiện sau: kích ứng mắt, rối lọan tiêu hóa, viêm phế quản, tổn thương răng

- Sunfua dioxit (SO2): Trong lĩnh vực ô nhiễm không khí, SO2 là chất ô nhiễm hàng đầu thường được quy kết là một trong những nguyên nhân quan trọng gây tác hại cho sức khỏe của người dân đô thị SO2 kích ứng niêm mạc mắt và các đường hô hấp trên Ở nồng độ rất cao, SO2 gây viêm kết mạc, bỏng và đục giác mạc Trường hợp tiếp xúc ào ạt với SO2 có thể làm chết người do nguyên nhân ngưng hô hấp Tác hại của SO2 đối với chức năng phổi nói chung rất mạnh khi có mặt của các hạt bụi trong không khí hô hấp Ngoài ra, SO2 còn gây tác hại cho cơ quan tạo máu (tủy, lách), gây nhiễm độc da, gây rối loạn chuyển hóa protein – đường, gây thiếu các vitamin B và C, ức chế enzym oxydaza

- Khói đen và các chất thải dạng hạt: Động cơ diesel thải khói đen gấp 7,5 lần

so với động cơ xăng Khói (bụi cácbon) là nguyên nhân gây ra 90% hiện tượng hấp thụ ánh sáng và 30% hiện tượng giảm tầm nhìn của người đi đường, gây nguy hiểm, không an toàn giao thông Ngoài ra quá trình cháy không hết nhiên liệu cũng thải ra bụi cacbon Bụi xâm nhập vào cơ thể chủ yếu qua đường hô hấp Các hạt bụi có đường kính lớn hơn 10 µm sẽ luẩn quẩn ở đường hô hấp trên, sau đó chúng đi xuống đường hô hấp dưới Phần lớn các hạt bụi có kích thước từ 5 – 10 µm lưu ở đường hô hấp trên và khi tới phổi sẽ lắng đọng ô nhiễm do tác dụng của trọng lực Nguy hiểm nhất là các hạt bụi có kích thước 5µm còn gọi là bụi hô hấp, đọng lại hầu hết ở phế nang Một số hạt được làm sạch bởi các màng nhầy, một số hạt lọt vào máu và một

số nữa trở thành dị vật trong phổi Bụi kích thích cơ học gây khó khăn cho các hoạt động của phổi Chúng có thể gây nên các bệnh đường hô hấp, bệnh hen

suyễn, viêm cuống phổi, bệnh viêm cơ phổi, trước hết là các dạng bệnh bụi phổi Tiếng ồn là dạng ô nhiễm phổ biến ở các đô thị Trong các nguồn sinh ra tiếng ồn ở đô thị thì các phương tiện giao thông vận tải đóng vai trò chủ yếu:

60 – 80 % nguồn sinh ra ồn đô thị là phương tiện giao thông bởi các nguyên nhân sau: - Tiếng ồn do động cơ, do ống xả - Tiếng ồn do rung động các bộ phận xe Độ ồn này phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật xe Nếu xe được bảo dưỡng tốt, tình trạng máy hoàn hảo, tình trạng thùng xe và khung xe chắc chắn, độ giảm xóc tốt thì tiếng ồn sẽ giảm - Tiếng ồn do đóng cửa xe, do còi

xe, do phanh xe, do sự tương tác giữa lốp xe và mặt đường, nhiều lúc cả tiếng

la hét của phụ xe đã gây giật mình hốt hoảng cho người đi đường v.v… Tiếng

ồn gây tác hại rất lớn đến toàn bộ cơ thể nói chung và cơ quan thính giác nói riêng Tiếng ồn mạnh, thường xuyên gây nên bệnh đau đầu, chóng mặt, cảm giác sợ hãi, bực tức vô cớ, trạng thái tâm thần bất ổn, mệt mỏi Tiếng ồn gây

ra những thay đổi trong hệ thống tim – mạch, kèm theo sự rối loạn trương lực mạch máu, rối loạn nhịp tim Tiếng ồn còn làm rối loạn chức năng bình thường của dạ dày, làm giảm bớt sự tiết dịch vị, ảnh hưởng đến sự co bóp bình thường của dạ dày

1.1.1.2 Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ gây ra ở Việt Nam

Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ mặc

dù chưa nghiêm trọng như các nước phát triển vì số lượng phương tiện giao thông vận tải cơ giới còn chưa nhiều so với họ nhưng cũng đã đến mức đáng

lo ngại Với một nước đang phát triển như Việt Nam thì việc kiểm soát lượng khí thải chưa thực sự nghiêm ngặt trong khi tình trạng số lượng phương tiện giao thông ngày càng tăng, hiện cả nước có khoảng hơn 1 triệu ôtô và đặc biệt

là có hàng chục triệu xe máy Trong quy hoạch phát triển ngành công nghiệp

xe máy của Bộ Công Thương, sức tăng bình quân hiện nay của xe máy ở mức

2-2,2 triệu xe/năm Nhưng thực tế, năm 2006 mức tăng lượng xe máy là 2,5 triệu xe/năm, thậm chí tới năm 2007 còn vọt lên tới 3,1 triệu xe/năm Cũng theo quy hoạch, lượng xe máy dự kiến tới năm 2020 sẽ là 33 triệu xe/100 triệu dân và ô tô là 3 triệu/100 triệu dân Song với tỷ lệ tăng như hiện nay, con số

sẽ không chỉ dừng lại ở mức 33 triệu như nhà quản lý đã dự báo Có thể nói nếu không hạn chế được sự gia tăng ồ ạt của xe máy cũng như kiểm định chặt chẽ khí thải, tương lai ô nhiễm không khí trầm trọng tại các thành phố lớn của Việt Nam là điều không thể tránh khỏi Thêm vào đó, hình ảnh các xe cũ nát,

xả khói đen xì, mù mịt không phải là cảnh khó gặp tại các đô thị hiện nay Trong khi đó, lượng khí thải này chưa được kiểm soát chặt chẽ và cũng chưa

có lộ trình loại bỏ xe cũ

1.1.1.3 Các nguồn phát thải của động cơ đốt trong

Các thành phần độc hại phát ra từ động cơ có thể từ 3 nguồn:

- Khí thải trên đường ống xả: kể đến những khí được phát sinh trong quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ và thải ra ngoài thông qua đường ống xả Khí thải bao gồm những thành phần chính là Ni tơ (N2) và hơi nước chiếm khoảng 83%, các khí còn lại là ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2), carbuahydro (HC), và các loại ô xít ni tơ (NOx) Chì có thể được kể đến, thành phần này phụ thuộc vào loại nhiên liệu xăng được sử dụng

- Các khí rò lọt: bao gồm những khí rò lọt qua khe hở giữa pít tông và xi lanh, chủ yếu là N2 và O2 chiếm tới 90% phần còn lại là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng rất nhỏ CO và NOx

- Các khí bay hơi: Hơi xăng HC bay hơi từ thùng nhiên liệu và bộ chế hoà khí

Trong các thành phần khí thải ôtô thì như đã nói ở trên, CO, HC, NOx

và muội than là những chất nguy hại Sự hình thành các chất độc hại này liên quan đến quá trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình

cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và quá trình này diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như thành phần giữa không khí và nhiên liệu, điều kiện cháy v.v ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn toàn của nhiên liệu Hydrocacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh

ra sản phẩm cháy không độc hại như là CO2, H2O thể hiện trong phương trình phản ứng cháy dưới đây:

CnH2n+2 +

2

1

3n+ O2 ⇒ nCO2 + (n+1)H2O + Nhiệt (Q) (2-1)

Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với

sự cháy hoàn toàn có thể nói là không bao giờ xảy ra, bởi vì thời gian cho quá trình ôxy hoá bị giới hạn Thêm vào đó là sự thiếu đồng nhất ở trạng thái hơi của nhiên liệu trong không khí và sự thay đổi nhiệt độ rất nhanh của quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu sinh ra các chất độc hại CO, HC, NOxtrong khí thải cùng với những sản phẩm thông thường của quá trình cháy hoàn toàn Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại động cơ, và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ

Sự tạo thành CO là sự đốt cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong xylanh do thiếu không khí Hàm lượng CO tăng khi hệ số dư lượng không khí

α giảm <1 Nồng độ CO cao hơn với hỗn hợp giàu nhiên liệu hơn Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa nhiên liệu và không khí hoặc nhiên liệu không hoàn toàn ở trạng thái hơi Do vậy, mặc dù α chung có thể >1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO

Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra Nguồn chính của khí thải HC

là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình

chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở khi áp suất giảm Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá trình giãn nở Một phần Hydrocacbon này được ôxyhoá khi được trộn với khí đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải

ra ngoài cùng với khí thải nên gây ra sự phát thải HC Mức độ ôxyhóa HC phụ thuộc vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa Sự đánh lửa muộn hơn thích hợp để ôxy hoá HC sau quá trình cháy Nguồn phát sinh khác của

HC là sự cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động

cơ (hoặc là đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng đốt cháy kém Hàm lượng HC chưa cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên liệu Nồng độ của chúng tăng khi hỗn hợp đậm hơn, đặc biệt là với α<1 Đối với hỗn hợp quá nghèo khí xả HC cũng tăng do đốt cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ lửa trong một phần của các chu kỳ vận hành động cơ

Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O được gọi chung dưới cái tên NOx trong đó NO chiếm đa phần, có thể tới 90÷98% Khí thải NOx được hình thành ở nhiệt độ cháy cao Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ phận NOx hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt

độ, ôxy và thời gian Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOx sẽ cao, tức là khi động cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp và α=1,05÷1,1 thì NOx lớn

1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải các thành phần độc hại

Nhìn chung các biện pháp kiểm soát lượng khí thải độc hại có thể chia thành ba nhóm chính:

- Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm tối thiểu nồng độ độc hại bằng cách tối ưu hoá chất lượng đốt cháy thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động

cơ

- Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý xúc tác

- 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

1.1.2.1 Giảm thành phần độc hại khí thải nhờ tối ưu hoá thiết kế động cơ

Điều chỉnh để hạn chế lượng nhiên liệu chu trình:

Khi động cơ làm việc ở chế độ tải cực đại tức là với λ rất nhỏ thì các thành phần độc hại như CO, NOx, và P-M rất cao, đặc biệt là P-M với biểu hiện khói đen rõ rệt Trên mỗi bơm cao áp đều có cơ cấu hạn chế lượng nhiên liệu cung cấp chu trình Để tránh không cho động cơ làm việc tại chế độ tải cực đại thì có thể điều chỉnh cơ cấu hạn chế về phía giảm lượng nhiên liệu, do

đó làm giảm các thành phần độc hại nêu trên

Lựa chọn phương pháp tạo thành hỗn hợp thích hợp:

Trong động cơ diesel có hai phương pháp tạo thành hỗn hợp, đó là hình thành hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất và hình thành hỗn hợp trong buồng cháy ngăn cách Như chúng ta đã biết, do tính kinh tế kém nên buồng cháy ngăn cách ngày nay hầu như chỉ được dùng trong động cơ diesel ôtô con Trong khi đó, buồng cháy thống nhất với tính kinh tế cao được dùng ngày càng rộng rãi cho cả động cơ cỡ lớn, cỡ trung bình và cỡ nhỏ

Trong buồng cháy ngăn cách, do cường độ xoáy lốc mãnh liệt trong quá trình hình thành hỗn hợp và cháy nên nhiên liệu và không khí được hòa trộn tốt hơn dẫn tới thành phần CO ít hơn Mặt khác, cháy trong buồng cháy phụ rất thiếu oxy và cháy trong buồng cháy chính thì nhiệt độ cháy không cao nên NOx thấp hơn Ngoài ra, do hỗn hợp được hòa trộn tốt hơn nên hiệu ứng sát vách giảm và hệ số dư lượng không khí λ nhỏ hơn nên thành phần HC cũng thấp hơn

Tuy nhiên, trong buồng cháy ngăn cách, thành phần P-M cao hơn, thể hiện rất rõ ở chế độ tải cục bộ Như chúng ta đã biết, trong buồng cháy phụ có nhiều vùng thiếu không khí một cách trầm trọng nên một phần nhiên liệu bị phân hủy thành muội than Trong quá trình lưu động từ buồng cháy phụ sang buồng cháy chính, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, muội than sẽ bị oxi hóa tiếp tục Ở chế độ tải nhỏ, nhiệt độ trong buồng cháy thấp hơn làm cho cường

độ oxy hóa muội than giảm dẫn tới muội than còn lại trong khí thải cao hơn rõ rệt

Ngoài ra các yếu tố khác như áp suất phun, quy luật phun, hướng tia phun… và kết cấu vòi phun là những thông số quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hình thành hỗn hợp, do đó ảnh hưởng tới chất lượng khí thải Trong vòi phun nhiên liệu thông thường, sau khi kim phun đóng kết thúc phun luôn tồn tại một thể tích đáng kể phía sau bề mặt làm việc và chứa đầy nhiên liệu Thể tích này gọi là thể tích chết Trong quá trình giãn nở, nhiên liệu tử thể tích chết sẽ bay hơi vào buồng cháy góp phần làm cho thành phần HC trong khí thải có giá trị lớn Vì vậy, sử dụng vòi phun có thể tích nhỏ sẽ giảm được thành phần HC

Lựa chọn góc phun sớm thích hợp:

Góc phun sớm càng giảm tức là phun càng bị muộn đi thì nhiệt độ quá trình cháy càng giảm, do đó NOx giảm và đồng thời cường độ oxy hóa muội

than giảm nên P-M tăng Đối với thành phần HC, ảnh hưởng của góc phun sớm rất nhỏ Nói chung, giảm góc phun sớm là một biện pháp chỉ dùng để giảm NOx

Luân hồi khí thải

Luân hồi khí thải nhằm mục đích giảm thành phần NOx do hàm lượng oxy trong hỗn hợp công tác giảm so với không luân hồi Tỷ lệ khí luân hồi ở động cơ diesel đối vơi buồng cháy thống nhất có thể lên tới 60%, còn đối với buồng cháy ngăn cách thì con số này là 30% Ngoài ra, NOx có thể giảm hơn nữa nếu làm mát khí luân hồi

Dùng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử:

Hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử được dùng khá phổ biến hiện nay trên động cơ diesel hiện đại So với hệ thống phun nhiên liệu cơ khí thông thường, hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử có khả năng liên kết và xử lý nhiều tín hiệu trong miền đặc tính làm việc của động cơ để đạt được các thông số công tác tối ưu Nhờ hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử có thể giảm được các thành phần độc hại trong khí thải tới mức thấp nhất có thể

Phương hướng phát triển động cơ diesel tiêu thụ ít nhiên liệu, khí thải ít độc hại

Động cơ diesel, bao gồm cả buồng cháy thống nhất và buồng cháy ngăn cách, đều có thể sử dụng những biện pháp sau đây trong tương lai nhằm giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm các thành phần độc hại trong khí thải

• Dùng nhiều xupap có thể thiết kế vị trí vòi phun cũng như đường khí nạp thích hợp hơn nhằm cải thiện được quá trình hình thành hỗn hợp

• Hoàn thiện hệ thống phun nhiên liệu:

- Tăng áp suất phun đối với động cơ buồng cháy thống nhất: dùng bơm vòi phun hay hệ thống Common Rail (CR)

- Điều chỉnh quy luật phun đối với hệ thống phun điện tử CR Ví dụ có thể tổ chức phun làm nhiều giai đoạn như phun mồi (để giảm tốc độ tăng áp suất, động cơ làm việc êm hơn), phun chính, phun sau (để tăng nhiệt độ khí thải trong quá trình tái sinh bộ xử lý khí thải)

cơ khí hoặc điện…

• Cải thiện chất lượng nhiên liệu như tăng số xêtan, giảm hàm lượng hydro cacbon thơm và đặc biệt là giảm hàm lượng tạp chất lưu huỳnh để giảm P-M

- Luân hồi khí xả

Thực chất của phương pháp này là đưa một phần sản vật cháy quay trở

lại buồng đốt với tỷ lệ từ 5÷20% so với hỗn hợp nạp mới Do hoà trộn với lượng khí đã cháy có nhiệt độ cao này nên nhiệt độ môi chất trong quá trình nén tăng, đảm bảo hỗn hợp có thể cháy dễ dàng Mặt khác nồng độ ô xy khi

đó giảm và nhiệt độ trong quá trình cháy nhỏ nên sự tạo thành khí NOx giảm

đi rõ rệt Tuy nhiên, phương thức này phù hợp hơn trong động cơ Diesel, trong động cơ xăng thường chỉ áp dụng với dạng đốt cháy hỗn hợp phân lớp,

ở chế độ tải cục bộ Sử dụng luân hồi khí xả trong động cơ với hỗn hợp phân lớp không chỉ cải thiện mức độ khí xả độc hại mà cải thiện được cả tính kinh

tế nhiên liệu Người ta chia phương pháp luân hồi khí xả thành hai loại là luân hồi nội tại và luân hồi bên ngoài

Luân hồi nội tại dựa trên cơ sở góc trùng điệp của xúp páp nạp và xúp páp thải Trong giai đoạn trùng điệp, do chênh lệch áp suất, một phần sản vật

cháy đi vào đường nạp sau đó trong quá trình nạp quay trở lại xy lanh Biện pháp này không những giảm NOx mà còn giảm được cả HC vì các sản vật luân hồi sẽ chiếm các vị trí sát vách trước tiên, do đó giảm lượng khí nạp mới

ở sát vách

Luân hồi bên ngoài là phương pháp trích một phần khí thải từ đường thải quay trở lại đường nạp vào động cơ và điều chỉnh lượng khí thải luân hồi bằng van tiết lưu có cơ cấu điều khiển

- Xử lý xúc tác trong xi lanh

Một phương pháp khác làm giảm hàm lượng khí xả độc hại là phủ một lớp chất xúc tác lên bề mặt buồng cháy nhằm mục đích tăng nhiệt độ thành buồng cháy đặc biệt là nhiệt độ thành tại các khe hẹp để giảm hiện tượng dập tắt màng lửa và do vậy cải thiện mức độ ô xy hoá HC trong các khe hẹp Tuy nhiên, với phương pháp này lượng khí thải độc hại giảm không nhiều, với những vật liệu quý làm chất xúc tác (23 gam với tỷ lệ 9:1 Pt-Rh) có thể giảm được 20 % lượng HC [5]

Tóm lại, ngày nay với công nghệ tiên tiến được ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo ôtô, nhiều tiến bộ khoa học đã được đưa vào ứng dụng trong động cơ, đặc biệt với việc tối ưu hoá buồng cháy, điều khiển chính xác thời điểm đánh lửa và tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu khi sử dụng hệ thống điều khiển điện tử đã giảm được đáng kể thành phần độc hại Công nghệ chế tạo động cơ đã đạt tới đỉnh cao, tuy nhiên, nồng độ khí thải độc hại vẫn không giảm được đến mức qui định Do đó cần phải sử dụng biện pháp xử lý khí thải

để giảm hơn nữa hàm lượng độc hại của chúng

1.1.2.2 Giảm thành phần độc hại bằng biện pháp xử lý khí thải

Xử lý bằng bộ xử lý xúc tác ba tác dụng (hình 1-1)

Mục đích là chuyển khí thải CO, HC, NOx thành các khí không độc hại bằng cách ô xy hoá CO, HC, và khử khí NOx trong hệ thống xử lý dùng chất

1- Vỏ, 2- Lớp đệm, 3- Lõi, 4- Lớp vật liệu trung gian, 5- Lớp xúc tác

Hình 1-1 Bộ xử lý xúc tác ba đường

xỳc tỏc Trong đú CO, HC chỉ cú thể được ụ xy hoỏ ở nhiệt độ tương đối cao với thời gian đủ để cỏc phản ứng ụ xy hoỏ xảy ra hoàn toàn Người ta cú thể đưa thờm một lượng khụng khớ vào để ụ xy hoỏ triệt để CO, HC sau khi đó khử NOx

Trong hệ thống thải thụng thường, nhiệt độ khớ xả khụng đủ cao để chuyển đổi phần lớn CO, HC, NOx Để thực hiện sự chuyển đổi này, hệ thống thải được trang bị cỏc thiết bị đặc biệt được gọi là bộ xử lý xỳc tỏc cú tỏc dụng tăng cường cỏc quỏ trỡnh ụ xy húa và khử cỏc thành phần độc hại [5] Quỏ trỡnh ụxy húa gồm cú cỏc phản ứng sau:

CmHn + (m + n/4)O2 = m CO2 + n/2 H2O (1-2) Cũn quỏ trỡnh khử NO được thực hiện nhờ phản ứng với CO:

Bộ xử lý xỳc tỏc đó được sử dụng trong hệ thống thải của động cơ trong hơn ba thập kỷ qua, chỳng làm giảm đỏng kể hàm lượng độc hại trong khớ xả động cơ Cỏc bộ xử lý xỳc tỏc ba tỏc dụng được sử dụng trờn cỏc phương tiện giao thụng ngày nay cú khả năng giảm tới 90% lượng khớ thải độc hại phỏt ra

từ động cơ khi nó được sấy nóng hoàn toàn đạt nhiệt độ >350oC Các chất xúc tác Platium(Pt), Rhodiun(Rb) là những vật liệu xúc tác hoạt tính cao cùng với Ceria (CeO2) có khả năng chứa ô xy nên bộ xúc tác có thể ô xy hoá liên tục đối với CO, HC ngay cả khi khí xả có hàm lượng lớn CO, HC và thiếu không khí Sự chuyển đổi của CO, HC đòi hỏi một môi trường ô xy hoá, trong khi

đó sự chuyển đổi NOx đòi hỏi môi trường khử Do vậy bộ xử lý xúc tác ba tác dụng hoạt động có hiệu quả khi thành phần hỗn hợp gần điều kiện lý tưởng (α = 1) để có cả môi trường ô xy hoá và môi trường khử Với hỗn hợp giàu nhiên liệu thì sự ô xy hoá CO, HC giảm, trong khi với hỗn hợp nghèo sự khử

NOx giảm

Do đòi hỏi ngặt nghèo và chính xác về hệ số dư lượng không khí α để

bộ xử lý xúc tác làm việc có hiệu quả cho nên bộ xử lý này thường được trang

bị trên động cơ có hệ thống điều khiển điện tử (ECU) Bộ xử lý này làm giảm đáng kể lượng khí xả độc hại Tuy nhiên, vấn đề tồn tại của bộ xử lý xúc tác

là nó làm việc không hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn 250 ÷ 340oC, do vậy trong giai đoạn khởi động và chạy ám máy các khí xả độc hại thoát ra khỏi động cơ thải trực tiếp ra ngoài gây ô nhiễm môi trường

Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng khoảng 60÷70% tổng lượng khí thải CO và HC của động cơ trang bị bộ xử lý xúc tác được thải ra trong vài phút đầu sau khi khởi động (theo chu trình thử nghiệm FTP 75) Khi nhiệt độ

bộ xử lý đạt tới 350 oC thì tỷ lệ chuyển đổi các thành phần độc hại có thể đạt tới 90 % Tuy nhiên nhiều phương tiện đi trong thành phố với quãng đường quá ngắn để động cơ và bộ xử lý có thể ấm hoàn toàn Điều này có nghĩa là việc giảm nồng độ độc hại trong khí thải từ các phương tiện trong thời gian chạy ấm máy sẽ là cơ sở để giảm lượng độc hại chung của khí thải ra môi trường

- 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 Một số kỹ thuật để thực hiện phương pháp này như sau:

xy tương đối thấp Tận dụng nhiệt độ cao tại cửa xả, sự ô xy hoá HC tại đây

có thể được xúc tiến bằng cách cung cấp thêm một lượng không khí vào Điều này sẽ làm giảm CO và HC và tiếp đó là sự sinh nhiệt để rút ngắn thời gian sấy nóng bộ xử lý xúc tác

Phương pháp này giảm đáng kể CO và HC trong giai đoạn khởi động

và có thể rút ngắn thời gian sấy nóng bộ xử lý xúc tác, nhưng hiệu quả giảm lượng khí xả độc hại là không lớn, sự phát nhiệt từ quá trình ô xy hoá của CO

và HC không cao Nếu lượng không khí được phun vào quá lớn có thể dẫn tới giảm nhiệt độ khí xả và gây phản tác dụng Để điều chỉnh chính xác lượng khí

bổ sung, yêu cầu thiết bị điều khiển khá phức tạp vì vậy việc áp dụng trên xe

gặp nhiều khó khăn

Đốt cháy cưỡng bức khí thải

Mục đích của phương pháp này là sinh nhiệt để tăng nhiệt cho bộ xúc tác bằng cách cho động cơ khởi động và chạy ám máy với hỗn hợp giàu, sau

đó đốt tiếp khí thải với một hàm lượng khí bổ xung thêm vào phía trước bộ xử

lý xúc tác

Hệ thống đốt khí thải được thiết lập bao gồm buồng cháy được bố trí ngay trước bộ xử lý xúc tác cùng với thiết bị đánh lửa Hệ thống hoạt động liên quan đến sự khởi động động cơ với một hỗn hợp rất giầu (α<1) Sau đó

HC trong khí thải được đốt cháy tiếp trong buồng đốt với sự cấp thêm không khí

Sau khi bị đốt cháy cưỡng bức, khí cháy trên đường ống xả được đưa tới bộ xử lý xúc tác Phương pháp này có thể cung cấp nguồn nhiệt có công suất tới 15 kW để sấy nóng bộ xử lý xúc tác và rút ngắn thời gian khởi động

bộ xử lý Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải một số vấn đề như là tính phức tạp của hệ thống, sự tạo muội do hỗn hợp giầu dẫn tới tắc ngẽn trong bộ

xử lý và trong buồng đốt Hơn nữa, bộ xử lý xúc tác có thể được hâm nóng chậm khi động cơ chạy không tải vì lúc đó dòng khí thải có lưu lượng thấp, sự

bỏ lửa (không cháy) trong khoảng thời gian ngắn cũng gây ra sự phát thải CO

và HC cao nghiêm trọng

- 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

Sử dụng bộ ống góp hấp thụ nhiệt thấp là một trong những cách giảm mất nhiệt Kỹ thuật này gồm giảm khối lượng hệ thống thải, giảm diện tích tiếp xúc của ống thải với khí xả và sử dụng những vật liệu cách nhiệt tốt Phương pháp này rất đơn giản nhưng sự truyền nhiệt từ đường ống xả ra môi trường vẫn tương đối cao

Một biện pháp khác để ngăn ngừa sự mất nhiệt khí xả là sử dụng bộống góp hai vách, một lớp không khí và một lớp cách nhiệt Biên pháp này làm

tăng đáng kể nhiệt độ khí thải tại cửa vào của bộ xử lý xúc tác, và rút ngắn thời gian khởi động bộ xúc tác tới khoảng 35 giây và cho phép bộ xử lý có thể

bố trí xa cửa thải Tuy nhiên, nếu hệ thống đảm bảo được nhiệt độ khí thải tại cửa vào của bộ xử lý cao để rút ngắn thời gian đạt đến chế độ làm việc hiệu quả của bộ xử lý trong giai đoạn chạy ấm máy thì sẽ làm cho bộ xử lý tiếp xúc với trường nhiệt độ rất cao tại chế độ vận hành toàn tải của động cơ, điều này làm sẽ giảm tuổi thọ của thiết bị xử lý xúc tác

Gắn bộ xử lý xúc tác ngay sau cửa xả cũng là một cách rất tốt để tận dụng năng lượng khí xả cho mục đích trên Các nghiên cứu cho thấy phương pháp này có thể rút ngắn thời gian để bộ xử lý xúc tác đạt đến chế độ làm việc hiệu quả đến khoảng 20 giây và khí xả độc hại trong giai đoạn khởi động lạnh giảm đáng kể Tuy nhiên, dưới chế độ vận hành toàn tải khi đó nhiệt độ khí thải lớn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi bền của bộ xử lý Khi đó chúng ta phải sử dụng bộ xử lý có vật liệu xúc tác có tuổi bền cao, chịu được nhiệt độ cao Điều này có thể không đáp ứng được yêu cầu về tính kinh tế

Một cách nữa là lưu giữ khí thải lâu ở trạng thái nhiệt độ cao để kéo dài thời gian ô xy hoá các thành phần độc hại như HC và CO Trong trường hợp này, buồng phản ứng phải đủ lớn, được cách nhiệt, và phải bố trí ngay sau cửa

xả nhằm đảm bảo nhiệt độ T≥1000 K cho quá trình ô xy hoá

- Xử lý muội than trong động cơ diesel

Đối với động cơ diesel, việc điều chỉnh tải trọng được thực hiện bằng điều chỉnh chất, tức hệ số dư lượng không khi λ thay đổi trong một phạm vi rất rộng nên không thể dùng bộ xừ lý ba thành phần (đòi hỏi λ = 1) Bộ xử lý dùng trong động cơ diesel chỉ ngăn và giữ lại ở lõi bộ xử lý các tạp chất rắn chủ yếu là muội than nên còn gọi là bộ lọc Một bộ lọc như vậy được thể hiện trên hình 1-2 Bộ lọc trên hình 1-2a có lõi lọc bằng gốm xốp đặt trong vỏ thép Khi khí thải đi qua các lỗ xốp của lõi lọc, các phần tử muội than sẽ được

giữ lại Lõi của bộ lọc trên hình 1-2b gồm các ống thép mỏng đục lỗ được quấn quanh bằng sợi gốm

Một phương pháp lọc thông dụng trong kỹ thuật nói chung là phương pháp lọc tĩnh điện Nguyên lý của phương pháp này có thể tóm tắt như sau: dòng khí thải được dẫn qua một từ trường tĩnh điện nên các phần tử muội than

sẽ bị nhiễm từ do đó sẽ bị giữ lại

Vấn đề đạt ra đối với lọc muội than là sức cản của bầu lọc càng ngày càng tăng lên theo thời gian làm việc của động cơ nên phải giải quyết việc xử

lý các chất thải tích luỹ trong bộ lọc Thông thường, người ta tiêu hủy muội than tích lũy bằng phương pháp đốt để tạo thành CO2

Bình thường muội than chỉ có thể cháy ở nhiệt độ 600 đến 7000C Nhiệt

độ này chỉ đạt được tại bộ lọc khi động cơ làm việc ở chế độ tải trọng và tốc

độ vòng quay cực đại Vì vậy người ta nghiên cứu các biện pháp để giảm

nhiệt độ cháy của muội than bầng các chất xúc tác tăng cường quá trình ôxy

hóa theo phương pháp pha vào dầu diesel, ví dụ như pha măng gan, hoặc trộn lẫn với dòng khí thải, ví dụ như trộn lẫn clorua đồng Những phương pháp

vừa nêu có thể giảm nhiệt độ cháy của muội than trong khí thải xuống đến

về môi trường mà không phải dùng lọc, vì bố trí lọc trên đường thải làm tăng sức cản dẫn đến giảm tính kinh tế của động cơ

1.1.2.3 Thay đổi cách sử dụng nhiên liệu và dùng nhiên liệu thay thế

- Khái quát chung về nhiên liệu thay thế

Việc gia tăng một cách nhanh chóng số lượng phương tiện giao thông

sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diesel theo cách truyền thống đã tác động ngày càng xấu tới môi trường; cấm hoặc hạn chế số lượng các phương tiện là biện pháp không khả thi Nhiều phương pháp giảm hàm lượng khí xả độc hại

đã được nghiên cứu và áp dụng như đã giới thiệu ở trên Tuy nhiên các phương pháp này chỉ hiệu quả ở chế độ ấm máy hoàn toàn, ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy hàm lượng độc hại còn rất cao làm cho hàm lượng độc hại chung không thể giảm đến mức yêu cầu Chính vì vậy phương pháp thay đổi cách thức sử dụng nhiên liệu và dùng nguồn nhiên liệu mới thay thế, sạch, rẻ hơn cho các phương tiện có sử dụng động cơ đốt trong sẽ là phương

án hữu hiệu trong tương lai Nhiên liệu thay thế được chia thành các nhóm sau:

Nhiên liệu cồn Methanol và cồn Ethanol

Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) và khí thiên nhiên hoá lỏng (LNG)

Khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG)

Nhiên liệu khí Hyđrô (H2)

Nhiên liệu giàu Hyđrô: hỗn hợp của nhiên liệu hóa thạch với hyđrô Nhiên liệu khí có nguồn gốc hoá thạch có giá thành rẻ hơn xăng và có

tỷ lệ H/C lớn hơn nên khi cháy thải ra ít CO và CO2 hơn Thêm nữa, nhiên liệu này không chứa benzene và các thành phần các bua hyđrô khác nên sạch hơn xăng Nhiên liệu này có khả năng tạo hoà khí tốt, có tính chống kích nổ cao, khả năng cháy với hỗn hợp nghèo hơn hẳn nhiên liệu xăng cho nên lượng khí thải độc hại thấp hơn nhiều, có thể giảm 20% lượng CO2 so với dùng nhiên liệu xăng

Hiện nay trên thế giới đang có hơn 1,2 triệu xe sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) và gần 1,4 triệu phương tiện sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) chủ yếu ở Achentina, Italy, Canada, Mỹ, Nhật bản và không chỉ ở các nước phát triển mà các nước đang phát triển cũng rất quan tâm tới nguồn nhiên liệu sạch này ở Việt Nam, sử dụng nguồn nhiên liệu sạch cũng là một vấn đề được đảng và chính phủ quan tâm và nhất là khi ngành khí công nghiệp ở nước ta rất phát triển và đến nay đã có nhiều chương trình chạy thử

xe dùng nhiên liệu khí Tuy nhiên do nhiệt trị mole thấp hơn xăng nên công suất động cơ sẽ thấp hơn nếu cùng kích thước

Nhiên liệu cồn Methanol và cồn Ethanol cũng đã được sử dụng làm nhiên liệu thay thế và phụ gia nhiên liệu với mục đích giảm chi phí, giảm thành phần độc hại khí xả và tăng trị số ốc tan nhiên liệu trong động cơ xăng [6, 7] Tuy nhiên khi chuyển động cơ xăng sang dùng loại nhiên liệu này thì công suất giảm [8] Thêm nữa, loại nhiên liệu này thường chỉ sẵn có với mức

giá chấp nhận được ở các nước nông nghiệp và công nghiệp mía đường phát triển

- Nhiên liệu hyđrô (Nhiên liệu thay thế)

Bên cạnh các loại nhiên liệu thay thế nói trên, hyđrô từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn cho động cơ đốt trong [9] 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 [10, 11] và động cơ diesel [12] Hyđrô 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 [13], 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 Lợi dụng đặc điểm này, hãng BMW đã sản suất nhiều ô tô chạy nhiên liệu hyđrô lỏng, đặc biệt là đã lắp động cơ hyđrô công suất cao lên xe series 7, phiên bản xe đua 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, λ=1÷4,

Do đó động cơ có thể chạy hỗn hợp nghèo để giảm phát thải và góp phần làm tăng tính kinh tế nhiên liệu của động cơ Mặc dù vậy, nhiên liệu hydro 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 hydro thì công suất động

cơ sẽ bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel khá khó khăn

và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp

- Nhiên liệu giàu hyđrô

Chính vì một số nhược điểm của nhiên liệu hyđrô nói trên nên nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hydro như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống Với phương pháp này, hydro 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 [14, 15] để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hyđrô (có hyđrô ở trạng thái tự do trong hỗn hợp) Nhờ đặc tính cháy nhanh, hydro 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

1.2.3 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.2.3.1 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu mô hình hoá quá trình tạo nhiên liệu giàu hydrô từ nhiên

liệu diesel bằng phản ứng nhiệt hoá nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải

1.2.3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu bằng phương pháp mô hình toán để xác định tỷ lệ tối ưu giữa nhiên liệu với các chất tham gia phản ứng, ví dụ như hơi nước, điều kiện nhiệt độ và tải trọng của bộ xúc tác để cho sản lượng hyđrô cao nhất

- Dựa trên kết quả mô hình hóa nói trên, tính toán, thiết kế hợp lý bộ phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải dùng trên động cơ đốt trong

1.2.3.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Thành phần phát thải nguy hại nhất của động cơ đốt trong là CO, HC + NOx

và PM được phát ra chủ yếu từ động cơ Diesel Do vậy, đề tài này chọn đối tượng động cơ nghiên cứu là động cơ diesel và nghiên cứu thí điểm trên động

cơ diesel D243 Đề tài sẽ góp phần nghiên cứu giảm phát thải khói của các phương tiện vận tải sử dụng động cơ diesel trong các thành phố lớn

CHƯƠNG 2: LỢI ÍCH CỦA NHIÊN LIỆU GIÀU HYDRO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO RA TỪ NHIÊN LIỆU TRUYỀN THỐNG

2.1 Vấn đề chung về sử dụng hydro và nhiên liệu giàu H 2 trên thế giới

Sự tìm kiếm nguồn năng lượng mới để kịp thời thay thế năng lượng hóa thạch khi nguồn năng lượng này bắt đầu suy giảm và cạn kiệt đến nay đã có được lời giải: đó là năng lượng từ hyđrô và hyđrô sẽ là xương sống của nền kinh tế hyđrô bắt đầu từ nửa cuối của thế kỷ 21 trở về sau

Hyđrô (Hydrogen, công thức hóa học H2) là một loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu khí trong thiên nhiên Đặc điểm quan trọng của hyđrô là trong phân tử không chứa cacbon (C), nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước (H2O), không có khí thải độc hại, không CO2 , CO,

SOx, NOx, không bụi cacbon, vì vậy rất sạch, thân thiện và hòa đồng với môi trường, không làm ô nhiễm bầu không khí chúng ta đang sống, không tạo ra hiệu ứng nhà kính gây biến đổi khí hậu toàn cầu

Hyđrô là nhiên liệu trong mơ của những nhà bảo vệ môi trường hiện nay Sử dụng nhiên liệu hyđrô sẽ không còn những hiểm họa cho loài người

và hành tinh như những gì mà chúng ta phải trả giá từ nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hóa thạch của nhiều thế kỷ qua Hyđrô là nguồn nhiên liệu an toàn tuyệt đối cho con người, là mặt ưu thế tuyệt đối so với nguồn năng lượng hạt nhân

Nguồn nguyên liệu để sản xuất hyđrô là nước, nguồn năng lượng để sản xuất hyđrô là bức xạ của ánh nắng mặt trời Như vậy, để sản xuất hyđrô, chỉ cần có nước và ánh nắng mặt trời

Quá trình hóa học xảy ra thật đơn giản: một phân tử nước (H2O) có thể phân rã thành một phân tử hyđrô (H2) và 0,5 phân tử ôxy (O2) với điều kiện phải cung cấp năng lượng, đó chính là năng lượng bức xạ của ánh nắng mặt trời Nước có vô tận và khắp nơi trên hành tinh, ánh nắng mặt trời được thiên

nhiên ban cho hào phóng và vĩnh hằng, mỗi ngày cung cấp cho trái đất một năng lượng khoảng 3x1024 J, tức khoảng 104 lần năng lượng toàn thế giới tiêu thụ hàng năm hiện nay Vì vậy, hyđrô là nguồn nhiên liệu vô tận, sử dụng

từ thế kỷ này qua thế kỷ khác mà không sợ cạn kiệt, không thể có khủng hoảng năng lượng và không một quốc gia nào độc quyền sở hữu hoặc tranh giành nguồn năng lượng hyđrô như đã từng xảy ra với năng lượng hóa thạch Hyđrô được sử dụng như một nhiên liệu khí trong các động cơ đốt trong, tạo ra các phương tiện giao thông, vận tải “hoàn toàn không có khí xả” (Zero Emission Vehicle – ZEV) Hiện nay đã xuất hiện trong nhiều cuộc triển lãm quốc tế về xe ô tô nhiều mẫu xe ZEV chạy bằng nhiên liệu hyđrô hoặc xe ghép giữa động cơ đốt trong chạy bằng hyđrô và động cơ điện được cung cấp điện từ các pin tái nạp điện, được gọi xe ghép lai (hybrid car)

Hyđrô còn được sử dụng để sản xuất điện, thực hiện trong các pin nhiên liệu Pin nhiên liệu hoạt động theo nguyên lý ngược với quá trình sản xuất hyđrô, nghĩa là nếu với nguyên liệu là nước, khi được cung cấp một năng lượng cần thiết sẽ xảy ra quá trình tạo ra hyđrô và ôxy, thì ngược lại, nếu cho hyđrô và ôxy kết hợp lại trong điều kiện nhất định sẽ thu được nước và một năng lượng tương ứng, đó là điện năng Pin nhiên liệu là một hệ mở, khi hyđrô và ôxy được cấp vào liên tục thì nước và điện sẽ sinh ra liên tục với cường độ không đổi, kéo dài bao lâu cũng được tuỳ theo sự cung cấp hyđrô và ôxy vào hệ Điều này đã làm cho pin nhiên liệu đóng vai trò như một nhà máy sản xuất điện thực thụ với nguyên liệu đầu vào là hyđrô và ôxy không khí, chất thải ra chỉ là nước

Sản xuất điện bằng pin nhiên liệu hyđrô sẽ không cần máy phát điện, không cần những tuốc bin đồ sộ, không có cả những cơ cấu chuyển động, không dầu nhớt bôi trơn, không có tiếng ồn, không khói xả Điện từ các pin nhiên liệu hyđrô có thể sản xuất mọi nơi, mọi công suất từ vài watt cho đến

hàng trăm kilowatt hoặc hàng trăm megawatt cho mọi nhu cầu Vì vậy, rất thích hợp để xây dựng các trạm phát điện cho các vùng sâu, vùng xa, hoặc trạm điện độc lập tự cung cấp cho các thành phố, các cao ốc mà không cần đến nguồn điện lưới từ trung tâm cung cấp phân phối điện quốc gia Người tiêu thụ cũng có thể là người tự sản xuất được điện mà không cần những nhà máy điện đồ sộ, công suất lớn như các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch Sản xuất điện bằng pin nhiên liệu hyđrô đã phá thế độc quyền cũng như phá chế độ tập trung trong việc sản xuất và phân phối điện do nền kinh tế hóa thạch đã tạo ra

Điện bằng pin nhiên liệu hyđrô được sử dụng cung cấp trực tiếp cho động cơ điện của mọi phương tiện giao thông vận tải, từ xe con, xe ca, xe bus,

xe tải đến máy bay, tàu hỏa, tàu thủy, tạo ra một thế hệ phương tiện giao thông hoàn toàn không có khí xả

Rất nhiều mẫu xe chạy bằng pin nhiên liệu hyđrô đã ra đời từ năm 1990 đến nay được trưng bày giới thiệu trong các hội chợ quốc tế và đang được hoàn thiện về tính năng và giá cả để có thể thương mại hóa ngay từ năm 2008 như công bố của các nhiều hãng như Honda, Toyota, Mercedes-Benz, Ford, General Motor, Daimler Chrysler,

Từ năm 1960, Công ty General Electric đã sản xuất hệ thống cung cấp điện bằng pin nhiên liệu hyđrô cho tàu Apollo của NASA, sau đó sử dụng cho tàu Apollo-Soyuz, Skylab và các tàu con thoi (Space Shuttle)

Ngày nay, điện năng trong các tàu con thoi và trạm nghiên cứu không gian của NASA đều được các pin nhiên liệu cung cấp, vì trên tàu không gian, hyđrô và ôxy được mang theo sẵn Song điều lý thú là bản thân pin nhiên liệu không chỉ cung cấp điện mà còn cung cấp nước uống siêu sạch cho các phi hành gia , vì nước là chất thải của pin nhiên liệu hyđrô

Nếu thế kỷ 20 là thế kỷ của nền kinh tế hóa thạch, chủ yếu dựa vào khí, thì thế kỷ 21 là thế kỷ mở đầu của thời đại kinh tế dựa vào hyđrô nhờ năng lượng mặt trời Nền kinh tế hyđrô chắc chắn sẽ thay thế cho nền kinh tế hóa thạch ngay trong thế kỷ 21 này

Lộ trình chuyển đổi sang nền kinh tế hyđrô được chia làm bốn pha, dự tính như sau:

Pha I (từ nay đến 2015-2020 ) tiếp tục tiến hành nghiên cứu R&D để hạ

giá thành hyđrô sản xuất từ năng lượng mặt trời, hạ giá thành pin nhiên liệu hyđrô so với hiện nay và nghiên cứu ứng dụng tập trung vào lĩnh vực giao thông vận tải và cung cấp điện năng, trong pha này vai trò của nhà nước có tính chất quyết định

Ở Mỹ, năm 2003 Tổng thống G Bush đã công bố một chương trình được gọi là “Sáng kiến nhiên liệu hyđrô” vói quyết định giành 1,2 tỷ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hyđrô phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế ở Mỹ

Pha II (từ 2010 đến 2030) tiến hành thương mại hóa và từng bước xâm

nhập vào thị trường xe không khí thải (ZEV) và trạm cung cấp điện bằng pin nhiên liệu, trong pha này vai trò của các ngành công nghiệp là rất quan trọng Hãng Daimler Chrysler đã công bố chương trình chi 1,4 tỷ USD để phát triển thương mại hóa công nghệ pin nhiên liệu hyđrô cho công nghiệp ô tô

Pha III (từ 2015 đến 2035 ) tiến hành đầu tư xây dựng hạ tầng cơ sở

phục vụ cho nền kinh tế hyđrô và mở rộng thị trường hai loại hàng hóa trên

Pha IV (từ 2035-2040 trở đi ), cơ sở hạ tầng của nền kinh tế hyđrô đã

hoàn chỉnh, sẵn sàng phục vụ cho thị trường phát triển mở rộng ra mọi vùng lãnh thổ, các phương tiện giao thông vận tải bằng pin nhiên liệu hyđrô và các trạm phát điện bằng pin nhiên liệu hyđrô sẽ thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch, vào thời điểm này theo dự báo, nhiên liệu hóa thạch đã qua giai đoạn

đỉnh điểm, cạn kiệt, giá xăng dầu tăng rất cao, vượt quá sức chịu đựng của nền kinh tế buộc phải chuyển hẳn sang nền kinh tế hyđrô

Sự xuất hiện nền kinh tế hyđrô trong đời sống loài người buộc phải có

sự thay đổi tận gốc những hạ tầng cơ sở của nền kinh tế hóa thạch và các hoạt động của con người Phương thức sản xuất nguồn năng lượng mới không còn

là tìm kiếm, thăm dò, khai thác như tài nguyên hóa thạch vì ở đâu có nước và ánh nắng mặt trời, ở đó đều có thể sản xuất ra hyđrô để tạo ra nguồn năng lượng cho mọi nhu cầu

Phương thức tồn chứa, vận chuyển, cung ứng hyđrô cho các nhu cầu tiêu thụ, nghĩa là hạ tầng cơ sở đã tồn tại hàng thế kỷ của nền kinh tế hoá thạch sẽ không còn thích hợp, buộc phải cấu trúc xây dựng mới, phá bỏ hạ tầng cơ sở

cũ Các phương tiện giao thông, vận tải phải được thay thế bằng động cơ chế tạo theo nguyên lý mới phù hợp nguồn năng lượng hyđrô, tất nhiên sẽ khác hẳn các động cơ xăng, dầu Các tiêu chuẩn kỹ thuật, các quy định an toàn, luật

lệ pháp lý khi sử dụng nguồn năng lượng mới sẽ phải xây dựng lại; việc giáo dục, đào tạo, nghiên cứu khoa học phục vụ cho nền kinh tế hyđrô hoàn thiện

và phát triển sẽ phải có những nội dung mới, cơ sở vật chất mới, hoàn toàn khác so với nền kinh tế hóa thạch hiện nay

Những vấn đề về môi trường ô nhiễm do sử dụng năng lượng hyđrô gây

ra sẽ không còn là đề tài nghiên cứu tiêu hao tiền của và sức lao động của các nhà khoa học, không còn là đầu đề của các hội nghị quốc tế triền miên về biến đổi khí hậu toàn cầu như khi sử dụng năng lượng hóa thạch

Đây thực sự là một cuộc cách mạng sâu sắc trong tiến trình phát triển của xã hội loài người và được đánh giá có ý nghĩa như cuộc cách mạng công nghiệp trước đây, khi phát minh ra đầu máy hơi nước với việc sử dụng nhiên liệu than đá

Để tìm hiểu cụ thể hơn về nhiên liệu hydro khi sử dụng trên động cơ đốt trong ta sẽ xem xét một số đặc điểm của loại nhiên liệu này trong phần tiếp theo

2.1.1 Một số đặc điểm liên quan đến nhiên liệu hydro sử dụng trên động

Hydro có một phạm vi cháy rộng so với các loại nhiên liệu khác.Kết quả

là, hydro có thể được đốt cháy trong động cơ trên phạm vi rộng của hỗn hợp nhiên liệu khí Một lợi thế đáng kể đó là hydro có thể cháy với một hỗn hợp nghèo Một hỗn hợp nghèo là một hỗn hợp mà trong đó số lượng nhiên liệu sẽ thấp hơn so với lý thuyết lý thuyết, hệ số tỷ lượng lý tưởng cần cho quá trình cháy với một số lượng không khí Đây là lý do tại sao nó khá dễ dàng để có được động cơ chạy với nhiên liệu hydro

Thông thường tính kinh tế nhiên liệu sẽ được đảm bảo và phản ứng cháy của nhiên liệu sẽ tốt hơn khi các phương tiện chạy với một hỗn hợp nghèo Thêm vào đó nhiệt độ cuối quá trình cháy thông thường sẽ thấp hơn giảm bớt

số lượng ô nhiễm trong khí thải Có một giới hạn cho hỗn hợp nghèo mà động

cơ có thể chạy được, quá trình hoạt động với hỗn hợp nghèo có thể làm giảm công suất do giảm giá trị nhiệt thể tích của hỗn hợp không khí nhiên liệu

2.1.1.2 Khoảng dập tắt nhỏ

Hydro có một khoảng dập tắt nhỏ, nhỏ hơn xăng Do vậy ngọn lửa hydro tiến sát gần với thành xilanh hơn so với ngọn lửa của các loại nhiên liệu khác trước khi bị dập tắt Do đó thật khó hơn khi dập tắt một ngọn lửa hydro so với ngọn lửa của xăng hoặc dầu

2.1.1.3 Nhiệt độ tự cháy cao

Hydro có nhiệt độ tự cháy tương đối cao Điều này có tác động quan trọng khi một hỗn hợp không khí- hydro bị nén Trong thực tế, nhiệt độ tự cháy là một yếu tố quan trọng trong xác định tỷ số nén mà động cơ có thể sử dụng, từ khi nhiệt độ tăng trong áp suất liên quan đến tỷ số nén Nhiệt độ tăng thể hiện bởi phương trình :

1 0 0

- T0 là nhiệt độ đầu vào

- Tc là nhiệt độ cuối quá trình nén

- k là chỉ số đoạn nhiệt

Nhiệt độ có thể không vượt quá nhiệt độ tự cháy của hydro mà không gây nên đánh lửa sớm Do đó nhiệt độ cuối quá trình nén giới hạn tỷ số nén Nhiệt độ tự cháy cao của hydro cho phép tỷ số nén cao hơn so với tỷ số nén khi sử dụng nhiên liệu khác trong động cơ

Tỷ số nén cao có ý nghĩa quan trọng bởi vì nó liên quan tới hiệu quả nhiệt của động cơ

2.1.1.4 Tốc độ cháy cao

Hydro có tốc độ tự cháy cao, tốc độ ngọn lửa của hydro cao hơn so với xăng Điều này có nghĩa là động cơ hydro gần với chu trình nhiệt lý tưởng Ở hỗn hợp nghèo, tuy nhiên tốc độ ngọn lửa giảm đáng kể

2.1.1.5 Độ khuêch tán cao