Nghiên cứu ảnh hưởng cuả khí giàu hydro đến đặc tính phát thải của động cơ xăng

ESA : Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng máy tính BMEP : áp suất có ích trung bình Brake Mean Effective Pressure EW : Điện phân nước SR : Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài 10

2 Mục đích,đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 12

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ CÁC BIỆN PHÁP KIỂM SOÁT PHÁT THẢI 13

1.1 Đặc điểm phát thải của động cơ xăng 13

1.1.1 Giới thiệu chung 13

1.1.2 Đặc điểm các thành phần phát thải độc hại 14

1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng 16

1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu 17

1.2.2 Sử dụng các biện pháp xử lý khí thải 18

1.2.3 Dùng nhiên liệu thay thế có nồng độ phát thải độc hại thấp 20

Chương 2 NHIÊN LIỆU HYDRO VÀ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT 23

2.1 Đặc điểm của nhiên liệu hy-đrô 23

2.1.1 Tính chất vật lý của nhiên liệu hy-đrô 23

2.1.2 Tính chất cháy của nhiên liệu hy-đrô 24

2.2 Các phương pháp tạo ra nhiên liệu hy-đrô 28

2.2.1 Điện phân nước (EW) 28

2.2.2 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với hơi nước (SR) 29

2.2.3 Ô-xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu các- bua- hy-đrô (PO) 29

2.2.4 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hy-đrô với CO2 (CR) 30

2.2.5 Kết hợp ô-xy-hóa không hoàn toàn và phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên

liệu các-bua-hy-đrô với hơi nước (ATR) 30

2.3 Phương pháp cung cấp và đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hy-đrô 32

2.3.1 Hy-đrô được cung cấp từ ngoài động cơ 32

2.3.2 Khí giàu hydrô được tạo ra và cung cấp ngay trên động cơ 43

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRÊN ĐỘNG CƠ NHỜ BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA XĂNG VÀ NƯỚC 45

3.1 Giới thiệu chung 45

3.2 Thiết kế bố trí chung hệ thống 46

3.3 Tính toán lượng nhiên liệu cấp vào bộ xúc tác 47

3.3.1 Tính toán tỷ lệ hydro/xăng cấp vào động cơ 48

3.3.2 Tính toán tỷ lệ xăng cấp vào bộ xúc tác 51

3.4 Thiết kế hệ thống cấp nhiên liệu và nước cho bộ xúc tác 52

3.4.1 Yêu cầu của việc cấp nhiên liệu và nước vào bô xúc tác 52

3.4.2 Hệ thống cấp khí giàu hydro vào động cơ 53

3.5 Thiết kế BXT 53

3.5.1 Cơ sở thiết kế 53

3.5.2 Lựa chọn kích thước 55

3.5.3 Bản vẽ thiết kế 55

Chương 4: THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ VỚI KHÍ GIÀU HYDRO ĐƯỢC TẠO RA TRÊN ĐỘNG CƠ 57

4.1 Mục đích, nội dung và phương pháp thử nghiệm 57

4.1.1 Mục đích 57

4.1.2 Nội dung 57

4.1.3 phương pháp thử nghiệm 57

4.2 Trang thiết bị thử nghiệm 57

4.2.1 Động cơ thử nghiệm 57

4.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm 58

4.2.3 Băng thử xe máy CD20 58

4.2.4 Băng thử Didacta 60

4.2.5 Thiết bị đo 62

4.2.6 Thiết bị phân tích khí thải: 63

4.3 Quy trình thử nghiệm 64

4.3.1 Chạy ở các chế độ trên đường đặc tính tốc độ 65

4.3.2 Chạy theo chu trình thử ECE-R40 65

4.4 Kết quả thử nghiệm 67

4.4.1 Kết quả thử nghiệm theo đặc tính tốc độ 67

4.4.2 Kết quả thử nghiệm theo chu trình ECE R40 69

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 73

1 Kết luận 73

2 Hướng nghiên cứu tiếp 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

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 tháng 0 năm 2014 Tác giả

Lê Công Vũ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CO : Khí mô-nô-xít – các- bon

CO2 : Khí các-bô-níc

CH4 : Khí mê-tan

HC : Hy- đrô- các-bon

NOx : Các loại ô-xít ni-tơ

H2 : Khí hy-đrô

N2 : Khí Ni- tơ

O2 : Khí ô-xy

CH : Gốc nhiên liệu hóa thạch hy-đrô-các-bua

CNG : Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas)

LNG : Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas)

LPG : Khí dầu mỏ hoá lỏng (Liquefied Petroleum Gas)

EGR : Bộ luân hồi khí thải (Exhaust Gas Recirculation)

NTP : Điều kiện nhiệt độ 20 oC, 1at (Normal Temperature and Pressure)

SFC : Suất tiêu hao nhiên liệu (Specific Fuel Consumption)

ESA : Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng máy tính

BMEP : áp suất có ích trung bình (Brake Mean Effective Pressure)

EW : Điện phân nước

SR : Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với hơi nước

PO : Ô xy-hóa không hoàn toàn nhiên liệu các- bua- hy-đrô

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

ATR : Kết hợp oxyhoas không hoàn toàn và phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu bua-hydro với hơi nước

các-BXT : Bộ xúc tác

ĐCT : Điểm chết trên

Rpm : Vòng/phút

BCN : Chỉ số đo độ khói

H-e : Động cơ sử dụng nhiên liệu hy-đrô

G-e : Động cơ sử dụng nhiên liệu xăng

D-e : Động cơ sử dụng nhiên liệu diesel

GH-e : Động cơ sử dụng nhiên liệu xăng và hyđrô

DH-e : Động cơ sử dụng nhiên liệu diesel và hydro

BĐNH: Biến đổi nhiệt hóa

GHSV: Tốc độ không gian (gas-hourly-space velocity)

TPSP : Thành phần sản phẩm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của hy-đrô, mê-tan, xăng[3] 23

Bảng 2.2 Tính chất cháy của của hy-đrô, mê-tan, xăng[3] 24

Bảng 2.3 Ưu nhược điểm của các phương pháp sản xuất hy-đrô 31

Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật của động cơ thí nghiệm 58

Bảng 4.2 Các giai đoạn của quá trình thử 66

Bảng 4.3 Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 70

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 Các nguồn phát thải trên động cơ xăng[1] 15

Hình 2.1 Phạm vi cháy của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [3] 24

Hình 2.2 Nhiệt độ tự cháy của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [3] 25

Hình 2.3 Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [3] 26

Hình 2.4 Năng lượng đánh lửa của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [3] 27

Hình 2.5 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô [21] 28

Hình 2.6 Các phương án cung cấp hy-đrô cho ĐCĐT [21] 32

Hình 2.7 BTE theo tốc độ động cơ của H-e và G-e [24] 34

Hình 2.8 Mô men theo tốc độ động cơ của H-e và G-e[24] 34

Hình 2.9 Công suất theo tốc độ động cơ của H-e và G-e[24] 35

Hình 2.10 BSFC của H-e và G-e ở chế độ toàn tải [24] 35

Hình 2.11 IMEP của H-e khi thay đổi phương pháp phun nhiên liệu [21] 36

Hình 2.12 Mô-men và công suất của H-e khi sử dụng CHK và vòi phun [21] 37

Hình 2.13 Kết cấu cụm ống hút của động cơ GH-e 37

Hình 2.14 BMEP của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp[16] 38

Hình 2.15 BTE của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp 38

Hình 2.16 Mô-men theo tốc độ của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp 39

Hình 2.17 SFC theo tốc độ của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp [21] 40

Hình 2.18 Phát thải của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp[21] 40

Hình 2.19 BMEP của DH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp 41

Hình 2.20 BTE và phát thải trên D-e và DH-e[41] 42

Hình 2.21 Mô-men theo tốc độ động cơ của D-e và DH-e [21] 42

Hình 2.22 SFC theo tốc độ động cơ của D-e và DH-e [25] 43

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống tạo và cấp khí giàu hydro trên động cơ 46

Hình 3.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi tỷ lệ cấp H2 đến tổng nhiệt cấp vào của động cơ với điều kiện hệ số dư lượng không khí chung không đổi, =1 49

Hình 3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ H2 cấp vào động cơ đến tỷ lệ xăng cần giảm và tổng

nhiệt cấp vào của động cơ 51

Hình 3.4 Tỷ lệ xăng cần cấp vào BXT ứng với các tỷ lệ khối lượng H2 thay thế khác nhau 52

Hình 3.5 Bản vẽ cấu tạo BXT 55

Hình 3.6 Bản vẽ kích thước BXT 56

Hình 4 1 Băng thử CD 20” 59

Hình 4.2 Phanh thuỷ lực Didacta T101D 61

Hình 4.3 Bộ chuyển đổi tín hiệu và máy tính hiển thị 61

Hình 4.4.Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của hệ thống cảm biến tốc độ động cơ 62

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống 733S 63

Hình 4.6 Tủ phân tích khí thải CEBII 64

Hình 4.7 Sự tăng hiêu suất động cơ khi cấp khí giàu hydro vào động cơ từ BXT 68

Hình 4.8 Tỷ lệ giảm phát thải CO và HC của động cơ khi cấp khí giàu hydro vào động cơ từ BXT 69

Hình 4.9 Động cơ và bộ xúc tác khí giàu hyđrô trên xe máy 69

Hình 4.10 Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 đối với HC, NOx, và tiêu hao nhiên liệu (FC) 70 Hình 4.11 Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 đối với CO, và CO2 71

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Động cơ đốt trong ra đời đã mở ra một kỷ nguyên mới cho sự phát triển kinh

tế, khoa học kỹ thuật của loài người, tuy nhiên nó cũng gây ra không ít tác động xấu đến sức khoẻ con người và môi trường sinh thái bởi khí thải độc hại

Theo Trung tâm Hóa học Công nghệ và Môi trường ( ECHEMTECH ) nhận định thế kỷ 21 là thế kỷ mở đầu của thời đại kinh tế dựa vào hydro vì đây là nguồn năng lượng sạch, an toàn và có trữ lượng vô tận Nguồn nguyên liệu để sản xuất hydro là nước, còn nguồn năng lượng để sản xuất hydro là bức xạ của ánh nắng mặt trời Như vậy để sản xuất hydro chỉ cần nước và ánh nắng mặt trời Quá trình hóa học xảy ra đơn giản: một phân tử nước (H2O) có thể phân rã thành một phân tử hydro(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 Đó là nguồn nhiên liệu và năng lượng có vô tận, vĩnh hằng và tồn tại khắp nơi trên trái đất này Vì vậy hydro 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 sở hữu hoặc tranh dành nguồn năng lượng này như đã từng xảy ra với năng lượng hóa thạch Sự xuất hiện nền kinh tế hydro 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 hydro để tạo ra nguồn năng lượng cho mọi nhu cầu

Phương thức tồn chứa, vận chuyển, cung ứng năng lượng cho các nhu cầu tiêu thụ, nghĩa là hạ tầng cơ sở, đã tồn tại hàng thế kỷ của nền kinh tế hóa thạch sẽ không còn thích hợp cho nền kinh tế hydro, 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

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 hydro 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 hydro 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 tối ưu hoá quá trình làm việc của động cơ thì việc sử dụng nhiên liệu đrô là một hướng đang rất được quan tâm Nhiên liệu hy-đrô có ưu điểm so với nhiên liệu truyền thống 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 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

hy-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

Vì vậy em chọn đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của khí giàu hy-đrô đến đặc tính phát thải của động cơ xăng ” với nguồn khí giàu hydro được tạo ra ngay trên động cơ và cung cấp cho động cơ, làm cơ sở cho việc phát triển công nghệ mới này

về giảm phát thải của động cơ

2 Mục đích,đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Mục đích nghiên cứu

- Đưa ra phương pháp tạo hydro và phát triển một hệ thống thiết bị tạo và cung cấp khí giàu hydro trên động cơ bằng phương pháp biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu xăng với hơi nước nhờ tận dụng nhiệt khí thải của động cơ

- Đánh giá ảnh hưởng của khí giàu hydro đến công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ xăng

b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: động cơ xe máy và áp dụng cho xe máy Wave-α 97cc của hãng Honda

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm trên một xe máy

3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ CÁC

BIỆN PHÁP KIỂM SOÁT PHÁT THẢI

1.1 Đặc điểm phát thải của động cơ xăng

1.1.1 Giới thiệu chung

Trong sự phát triển của bất kỳ quốc gia nào trên thế giới, động cơ đốt trong (ĐCĐT) giữ một vai trò vô cùng quan trọng và có mặt ở mọi các lĩnh vực khác nhau như trong nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải cũng như nhiều ngành kinh

tế khác Không một nước phát triển lại không có nghành ĐCĐT phát triển Các trang thiết bị động lực nói chung hầu hết đều trang bị động cơ đốt trong, đó chính là trái tim là nguồn động lực của các loại phương tiện giao thông cơ giới Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt mà trong đó các chất tham gia phản ứng cháy (môi chất công tác) thực hiện biến đổi nhiệt năng thành công cơ năng Năng lượng do động cơ đốt trong cung cấp chiếm khoảng 80% tổng số năng lượng động lực trên trái đất Tuy nhiên, vì động cơ đốt trong đốt nhiên liệu hóa thạch đẻ sinh công nên bên cạnh việc cung cấp nguồn động lực lớn, động cơ đốt trong cũng là một trong những thủ phạm

là nguồn gốc gây ô nhiễm môi trường do sự phát thải các chất khí độc hại từ quá trình cháy chưa được hoàn hảo [1]

Tại Việt Nam nói riêng và tại các quốc gia trên thế giới nó chung, sự gia tăng nhanh về số lượng ĐCĐT sử dụng đã khiến cho môi trường ngày càng ô nhiễm do khí thải độc hại, nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt [1] Chính vì vậy vấn đề đặt ra cho các nhà nghiên cứu là xác định nguyên nhân gia tăng ô nhiễm và làm thế nào để giảm được ô nhiễm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu trong quá trình sử dụng động cơ 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 và hiệu quả 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 ĐCĐT

1.1.2 Đặc điểm các thành phần phát thải độc hại

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ôxy hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số Trong quá trình cháy đã sinh ra các hợp chất trung gian rất phức tạp

Ở điều kiện lý tưởng sự đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Hydrocacbon với ôxy trong không khí sẽ sinh ra các sản phẩm cháy không độc hại như CO2, H2O được chỉ ra ở phương trình phản ứng cháy sau đây:

CnH2n+2 + O2 → n CO2 + ( n+1 ) H2O + Q (1.1)

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

là khó có thể thảiy ra bởi vì thời gian cho quá trình oxi hoá rất ngắn Hơn nữa, sự thiếu đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu, sự thay đổi rất nhanh của nhiệt độ và ảnh hưởng của các yếu tố khác cũng dẫn đến sinh ra quá trình ôxy hoá không hoàn toàn

Do đó, trong sản phẩm cuối cùng của khí thải sẽ chứa các chất sau: CO2, H2O, H2,

CO, O2 (dư), C-H-O (an-đê -hít), CmHn (nhiên liệu không cháy hết), NOx, các chất thải dạng hạt (Particulale Matter viết tắt là P-M), và các hợp chất chứa chì Pb (đối với động cơ dùng xăng pha chì), các hợp chất chứa lưu huỳnh (đối với động cơ diesel) Trong số các chất này, có một số chất có tính độc hại đối với môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe của con người nên được gọi là thành phần độc hại

Hiện nay không chỉ ở nước ta mà trên thế giới đã cấm sử dụng các loại xăng

có pha chì (Pb) – một chất phụ gia làm tăng chỉ số octan có tính độc tố cao Ngoài việc gây ô nhiễm trực tiếp, các chất thải này khi phát tán vào không khí sẽ bị phân tích hoặc tổng hợp tạo ra các hợp chất khác nhau có thể gây ung thư cho con người

và làm thay đổi môi trường sinh thái, khí hậu

Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thành phần khí thải, người ta chia làm 2 nhóm:

2

n

Các chất ô nhiễm thông thường: Bao gồm HC, CO, NOx, chất thải dạng

hạt-PM (Particulates Matter) Trong một số trường hợp thì CO2 cũng được đưa vào nhóm này do nó là khí hình thành dưới tác động của hiệu ứng nhà kính

Các chất ô nhiễm đặc trưng: Mặc dù các chất này chiếm tỷ lệ khá nhỏ trong khí thải nhưng chúng có thể là các tiền chất gây ung thư hoặc biến đổi gen Tại các nước phát triển, người ta còn quan tâm chi tiết đến các thành phần khác có trong khí thải như andehit, hydrocarbon thơm nhiều nhân - PAH (polynuclear aromatic hydrocarbon) và một số hợp chất độc hại khác (buta-l,3-diene; formaldehyde, ) Các thành phần độc hại chính trong khí thải trên động cơ xăng không trang bị

hệ thống kiểm soát khí thải gồm có NOx, CO và HC được phát sinh từ ba nguồn phát thải với tỉ lệ phần trăm là:

100% NOx, CO và 60% HC được phát sinh ở khí thải động cơ do quá trình đốt cháy sinh công của nhiên liệu

Khoảng 20% HC được phát sinh bởi hiện tượng lọt khí cháy từ buồng đốt xuống các-te động cơ

Khoảng 20% HC còn lại được phát sinh do bốc hơi từ hệ thống nhiên liệu như: thùng chứa xăng, đường ống nhiên liệu,

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Khí thải động cơ Lọt khí ở các-te Bốc hơi trong HTNL

Hình 1 Các nguồn phát thải trên động cơ xăng[1]

* NOx: oxit nitơ là sản phẩm oxy hóa nito có trong không khí (một thành phần

của khí nạp mới vào động cơ) trong điều kiện nhiệt độ cao Do nito có nhiều hóa trị

nên oxit nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx Trong khí thải của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO

*CO: monoxit cacbon là sản phầm 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 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

*HC: (hydrocacbon, đôi khi còn được ký hiệu là CmHm) là các loại

hydrocacbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải Hydrocacbon có rất nhiều loại Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau, ví dụ parafin và naphtalin có thể coi là vô hại Trái lại, các loại hydrocacbon thơm thường rất độc như hydrocacbon có nhân benzen có thể gây ung thư ( Total Hydrocacbon viết tắt là TH ) Hydrocacbon tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mạc đường hô hấp

*Thành phần phát thải

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 nhỏ, khi tăng tốc và giảm tốc, NOx phát thải lớn nhất khi động cơ chạy đầy tải

1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng

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

Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm tối thiểu nồng độ độc hại bằng cách tối ưu hoá chất lượng đốt cháy nhiên liệu 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

1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu

* Điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí-nhiên liệu

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 nhận biết 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

*Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp

Để đảm bảo cho động cơ giảm phát thải thì nhiên liệu phải được đốt cháy hoàn toàn, muốn vậy thì thời điểm đánh lửa phải luôn thay đổi theo tốc độ của động cơ và năng lượng đánh lửa tại đầu bugi phải lớn Ngoài ra để tăng năng lượng đánh lửa thì

sử dụng bugi có kết cấu mới cũng được áp dụng

* Tối ưu kết cấu buồng cháy, vị trí bugi, xu-páp

Thí nghiệm của Bosch trên G-e cho kết quả rằng: nếu vị trí bugi đặt ở trung tâm của buồng đốt 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 xu-páp thì lượng HC sẽ giảm mạnh

so với 2 xu-páp, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm hơn khi λ <1,25

* 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 giảm nhiệt độ quá trình cháy, ngoài ra trên động cơ cũng có thể thiết kế góc trùng điệp lớn để tạo luân hồi nội tại Khi tỉ lệ EGR càng lớn thì NOx giảm nhưng HC sẽ tăng lên

1.2.2 Sử dụng các biện pháp xử lý khí thải

Xu hướng chung trên thế giới là các tiêu chuẩn kiểm soát khí thải ngày càng ngặt nghèo hơn để bảo vệ môi trường Để thỏa mãn các tiêu chuẩn hiện hành và tiêu chuẩn tương lai của châu Âu, Mỹ và Nhật gần như bắt buộc phải sử dụng các biện pháp xử lý khí thải Dưới đây là một số biện pháp thông dụng

a) Hỗ trợ phản ứng trên đường thải

Thực chất của phương pháp này là cung cấp thêm oxy để oxy hóa tiếp tục các thành phần độc hại như CO, HC Không khí được đưa vào ngay sau xupap thải, nơi đây khí thải có nhiệt độ cao nhất tạo điều kiện cho phản ứng oxy hóa tiếp Không khí có thể đưa vào bằng hai cách Cách thứ nhất bằng máy nén cưỡng bức Một số động cơ ít xylanh có thể bố trí van một chiều trên đường ống thải Nhờ áp suất thấp trong chu kỳ dao động áp suất trong đường ống, van một chiều mở ra bổ sung không khí vào đường thải Phương pháp này không giảm được NOx

b) Xử lý nhiệt

Nguyên tắc của phương pháp này là lưu giữ khí thải khá lâu ở trạng thái nhiệt

độ cao để kéo dài thơi gian phản ứng oxy hóa các thành phần độc hại như CO và

HC Để đạt được hiệu quả, buồng phản ứng phải đủ lớn, được cách nhiệt và bố trí ngay sau xupap thải nhằm bảo đảm nhiệt độ cao

phân biệt các loại bộ xử lý khác nhau để xử lý đồng thời ba thành phần độc hại chính của động cơ xăng là CO, HC và NOx, cụ thể như sau:

Bộ xử lý xúc tác hai đường ( Two- Ways Catalytic Converter): Thực chất của

bộ xử lý hai đường gồm hai bộ xử lý xúc tác nối tiếp nhau, hình 4-12 Khí thải đến

từ động cơ trước hết vào bộ xử lý khử NOx Sau đó, khí thải với thành phần NOx đã được giảm thiểu đi tiếp vào bộ xử lý oxy hóa để giảm CO và HC

Bộ xử lý xúc tác ba đường: Bộ xử lý ba đường ( Three – Ways Ctalytic Converter) có tính chất rất ưu việt là có thể đồng thời xử lý tới 90% các chất độc hại chính là CO, HC và NOx nên được dùng rộng rãi

Cấu tạo bộ xúc tác gồm vỏ làm bằng thép Giữa vỏ và lõi có một lớp đệm bằng sợi vô cơ hoặc phoi théo để bù trừ giãn nở vì nhiệt Lõi thường bằng gốm rỗng với chiều dày vách khoảng 0,2 mm và mật độ khoảng 80 lỗ/ cm2 hoặc bằng thép lá cuộn lại để tạo ra các rãnh lưu thông cho khí thải lưu động qua Người ta phủ trên

bề mặt của rãnh một lớp vật liệu trung gian (wash – coast) bằng γ-Al2O3 có tác dụng làm tăng độ lồi lõm của bề mặt do đó tăng diện tích tham gia phản ứng (diện tích tiếp xúc đạt tới 15-25 m2

/ cm3) Bên trên lớp trung gian là lớp vật liệu xúc tác bằng kim loại hiếm là platin và rodium với mật độ khoảng 1,5 đến 2 gam cho 1 dm3

thể tích lõi Platin có tác dụng xúc tác tăng cường quá trình oxy hóa con rodium tăng cường quá trình khử

Quá trình oxy hóa gồm có các phản ứng sau:

9000C Nếu trong sản phẩm cháy có phức tạp chất hoặc các chất phụ gia trong xăng hoặc dầu bôi trơn bám trên bề mặt hấp thụ của bộ xử lý thì hiệu quả xử lý sẽ giảm rất nhiều Cụ thể, động cơ có bộ xử lý ba đường không được dùng xăng pha chì Như đã trình bày, bộ xử lý ba đường có hiệu quả xử lý rất cao nên được coi là phương pháp xử lý hoàn hảo nhất hiện nay đối với động cơ xăng Từ lâu, Mỹ đã bắt buộc các xe đời mới phải trang bị bộ xử lý ba đường Châu Âu cũng quy định bắt buộc đối với những động cơ xăng cho ô tô từ đời xe 2000 trở đi Còn Trung Quốc cũng quy định tương tự cho ô tô sản xuất tính từ năm 2001

1.2.3 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

do 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;

Giới hạn bắt lửa rộng, tốc độ lan truyền nhanh

Vì thế, khí thải ít độc hại Mặt khác, hàm lượng phát thải CO2 cũng thấp hơn nếu so với xăng dầu truyền thống, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính Các loại nhiên liệu thay thế thường dùng trên động cơ xăng gồm:

* Cồn:

Các loại cồn thường được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho xăng là:

Ethanol (C2H5OH), Methanol (CH3OH) Phethanol vào xăng với tỷ lệ 5% (E5) hoặc 10% (E10) sẽ được xăng có phẩm chất cao không ảnh hưởng tới đặc tính làm việc và tuổi thọ của động cơ mà nồng độ khí thải còn giảm so với động cơ xăng thông thường

* Khí hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas)

Đây là loại nhiên liệu thu được từ hóa lỏng các khí đồng hành 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%

* 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, khí thiên nhiên đã được ứng dụng nhiều trong động cơ chạy

nhiên liệu kép như xăng/CNG trên Ta-xi Dầu khí

* 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 CH4 (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 ĐCĐT 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

* 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 ĐCĐT [2, 3, 21] 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 G-e và D-e 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 [27]

* Khí giàu hy-đrô

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 [13, 17, 23, 26] 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 hy-đrô ổn định và tiện lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp

nhiên liệu nói trên

Chương 2 NHIÊN LIỆU HYDRO VÀ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT

2.1 Đặc điểm của nhiên liệu hy-đrô

2.1.1 Tính chất vật lý của nhiên liệu 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 20,30K hy-đrô có nhiệt trị 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 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 2.1 dưới đây:

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của hy-đrô, mê-tan, xăng[3]

Tính chất Hy-đrô Mê-tan Xăng

Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 300 K (kg/m3

) 0,082 0,717 5,11

Hệ số khuyếch tán trong không khí (cm2

/s) 29,53 9,48 1,65 Giá trị nhiệt trị thấp (kJ/kg) 119,7 46,72 44,79

Nội năng (kJ/kg) 2648.3

2.1.2 Tính chất cháy của nhiên liệu hy-đrô

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 đƣợc liệt

kê trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Tính chất cháy của của hy-đrô, mê-tan, xăng[3]

Tính chất Hy-đrô Mê-tan Xăng

Phạm vi cháy rộng (% thể tích) 4-75 5,3-15,0 1,2-6,0

Năng lƣợng đánh lửa thấp nhất (MJ) 0,02 0,28 0,25

Tốc độ màng lửa (m/s) 1,90 0,83 0,37-0,43 Nhiệt độ tự cháy (K) 858 813 500-700

* Phạm vi cháy rộng

Phạm vi cháy đặc trƣng cho khả năng có thể cháy ở của nhiên liệu với không khí ở những tỉ lệ nhất định, hy-đrô có phạm vi cháy nằm giữa 4% đến 75% lƣợng hy-đrô có trong hỗn hợp (tỉ lệ cháy tối ƣu là 29%), tức là có thể làm việc đƣợc với hoà khí nghèo Trong khi đó một số loại nhiên liệu khác thì có phạm vi cháy thấp

hơn nhƣ khí tự nhiên là 5.3%-15%, propane là 2.1%-10% và xăng là 2%-6%

Hình 2.1 Phạm vi cháy của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [3]

Thông thường, khi hỗn hợp nghèo thì phản ứng cháy của nhiên liệu sẽ tốt hơn làm nhiên liệu được đốt kiệt hơn vì thế nâng cao tính kinh tế, thêm vào đó nó sẽ làm nhiệt độ cuối quá trình cháy thấp hơn làm giảm bớt hàm lượng ô nhiễm 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

* Nhiệt độ tự cháy cao

Hình 2.2 Nhiệt độ tự cháy của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [3]

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 BTE 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 (858 oC) cao gấp đôi của xăng nên đây là một ưu điểm lớn của nhiên liệu hy-đrô

* 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) như chỉ ra trên hình

2.3 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

Hình 2.3 Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [3]

Tốc độ cháy nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ cháy cao trong suốt quá trình cháy của động cơ khi động cơ làm việc ở gần tỉ lệ hoà khí tối ưu dẫn tới 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

Do năng lượng đánh lửa cần để đốt cháy thấp (hình 2.4) nên ưu điểm đối với H-e là hệ thống đánh lửa đơn giản, tuy nhiên lại 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 hút hoặc tạo ra sự tăng áp đột ngột trong xi lanh tạo nên tiếng gõ gây hư hỏng cho động cơ

Hình 2.4 Năng lượng đánh lửa của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [3]

* Khoảng dập tắt ngọn lửa nhỏ

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 xi-lanh 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 G-e 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

* 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 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 với áp suất cao thì tốc độ của nhiên liệu khi bị rò rỉ có thể đạt tới tốc độ 1308 m/s lớn hơn

ba lần so với 449 m/s của khí tự nhiên Nếu sử dụng làm nhiên liệu cho ĐCĐT thì

sẽ giúp cho quá trình hình thành hoà khí một cách dễ dàng và 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

* 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 Một vấn

đề khác là công suất của động cơ bị ảnh hưởng do mật độ năng lượng của hoà khí thấp, đây khó khăn để có thể sử dụng hoàn toàn nhiên liệu hy-đrô cho ĐCĐT

2.2 Các phương pháp tạo ra nhiên liệu hy-đrô

Có rất nhiều phương pháp tạo ra hy-đrô như (hình 2.5): tổng hợp từ tảo, ô-xy hóa không hoàn toàn khí tự nhiên hoặc bi-ô-ga, 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 Một số phương pháp điển hình được phân

tích dưới đây:

Hình 2.5 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô [ 21 ]

2.2.1 Điện phân nước (EW)

Các thiết bị điện phân nước công nghiệp đã đạt hiệu suất điện phân 70-80% với mật độ dòng điện dưới 1A/cm2, hiệu suất (về điện) trên 90% khi mật độ dòng điện 3A/cm2

[4] Quá trình điện phân nước là quá trình phân giải nước thành hai chất khí là khí ô-xy 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

2.2.2 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 [9]:

CnHm + nH2O → nCO + (m/2+n)H2

CO +H2O → CO2 + H2

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

để duy trì nhiệt độ chung tối thiểu trên 4000C 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 >1 (tỉ số của năng lượng của hy-đrô tạo ra và năng lượng của nhiên liệu các-bua-hy-đrô) Điều này cho phép không những tạo nhiên liệu hy-đrô cho động cơ mà còn tăng hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng phương pháp tạo

và cấp hy-đrô này cho động cơ

2.2.3 Ô-xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu các- bua- hy-đrô (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 phương trình tổng hợp dưới đây [5, 9] :

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

CnHm+(n+0,25m)O2 → nCO2 + 0,5mH2O

Sau đó, hơi nước sẽ phản ứng với phần nhiên liệu còn lại theo các phương trình trên 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

2.2.4 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hy-đrô với CO2 (CR)

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 H2 theo phương trình sau [7]:

các-CnHm + nCO2 → 2nCO + 0,5mH2 -Q Tương tự như phản ứng BĐNH với hơi nước, quá trình phản ứng này cũng cần được cung cấp một nguồn nhiệt Tuy nhiên phản ứng này cho hàm 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 hy-đrô trên các phương tiện vận tải

2.2.5 Kết hợp ô-xy-hóa không hoàn toàn và phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên

liệu các-bua-hy-đrô với hơi nước (ATR)

Có thể cấp đồng thời hơi nước, nhiên liệu và không khí với các tỷ lệ thích hợp vào lò phản ứng có chất xúc tác ni-ken để thực hiện các phản ứng như sau [6, 27]

CnHm + (n+0,25m)O2 → nCO2 + 0,5mH2O

CnHm + nH2O → nCO + (m/2+n)H2

CO +H2O → CO2 + H2

CnHm + 2nH2O → nCO2 + (m/2+2n)H2

CnHm + nCO2 → 2nCO + 0,5mH2

Sản phẩm cuối cùng của quá trình phản ứng ATR sẽ bao gồm H2, CO, CO2 và

có thể có nước và nhiên liệu thừa Tỷ lệ của các thành phần này trong sản phẩm phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, tỷ lệ thành phần nhiên liệu với hơi nước (W/F) 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 và nhiệt cấp vào lò phản ứng mà quá trình BĐNH trong lò có thể gần với quá trình SR hay PO

Đối với ĐCĐT, 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 Do đó có thể tận dụng một phần nhiệt thải này

để BĐNH nhiên liệu với hơi nước, tạo nhiên liệu giàu hy-đrô cho động cơ Bằng phương pháp này, có thể tạo được bộ phản ứng xúc tác nhỏ gọn mà lại có năng suất biến đổi cao, hàm lượng hy-đrô 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 2.3

Bảng 2.3 Ưu nhược điểm của các phương pháp sản xuất hy-đrô

Phương

EW Năng suất tạo H2 cao Cần nhiều nước và dòng điện lớn, khó lắp

PO -Hàm lượng H2 tạo ra không cao, hàm

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

CR Cho sản lượng H2 nhỏ hơn

so với phản ứng SR

-Sản phẩm CO thì lại cao hơn nhiều

ATR - Tạo ra sản lượng H2 cao,

không cần thiết bị cấp

-Tuy nhiên sản lượng hydro thấp hơn so với phương pháp SR, thiết bị cồng kềnh

2.3 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 Thứ hai là trên các động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống có hệ thống tạo ra và cung cấp ngay hy-đrô cho động cơ như là một loại phụ gia nhiên liệu Khi đánh giá các đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hy-đrô ta cần phải đánh giá một vài đặc tính quan trọng sau: áp suất có ích trung bình (BMEP), Hiệu suất nhiệt có ích trung bình (BMTE), mô men và công suất, phát thải, suất tiêu hao nhiên liệu có ích (BSFC)

2.3.1 Hy-đrô được cung cấp từ ngoài động cơ

a) Động cơ chỉ sử dụng nhiên liệu hy-đrô

* Phương pháp cung cấp hy-đrô vào động cơ

Các phương pháp cấp hy-đrôcó ảnh hưởng lớn đến đặc tính công suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ Có 3 phương pháp cung cấp hy-đrô phổ biến là cấp hy-đrô vào đường nạp ở dạng khí (dùng bộ CHK hoặc phun), phun vào đường nạp ở

dạng lỏng hoặc phun trực tiếp vào xylanh (ở dạng lỏng hoặc khí)

1 G-e thông thường, 2 Hy-đrô dạng khí được phun và đường ống nạp,3.H2 lỏng được phun vào đường ống nạp,4.H2 dạng khí áp cao phun vào buồng đốt

Cấp hy-đrô ở dạng khí vào đường nạp (phương án 2 hình 2.6), phương án này làm giảm lượng không khí vào xi-lanh do bị hy-đrô 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 hy-đrô lỏng vào đường nạp (phương án 3 hình 2.6), vì một lượng nhỏ hy-đrô 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 hy-đrô ở dạng khí vào đường nạp làm công suất bị giảm ít hơn

Phun trực tiếp hy-đrô (lỏng hoặc khí) vào xi lanh (phương án 4 trong hình 2.6) Phương án này hoàn toàn không làm giảm lượng không khí nạp so với G-e trong khi lại sử dụng nhiên liệu hy-đrô có nhiệt trị cao hơn xăng nên công suất động

cơ hydro (H-e) hơn công suất động cơ xăng (G-e) có cùng kích thước và hiệu suất cũng cao hơn Tuy nhiên phương pháp phun hy-đrô trực tiếp lại phức tạp hơn nhiều

so với phun vào đường nạp

* Hiệu suất nhiệt có ích(BTE)

Động cơ hydro có hiệu suất nhiệt có ích BTE cao hơn động cơ xăng, G-e đạt hiệu suất nhiệt cao khi tải lớn trong khi H-e có thể hoạt động ngang bằng ở tải cục

bộ với hiệu suất nhiệt cao hơn

Hình 2.7 BTE theo tốc độ động cơ của H-e và G-e [24]

* Mô men

Hình 2.8 Mô men theo tốc độ động cơ của H-e và G-e[24]

Tại tốc độ 3100 rpm H-e có mô-men bằng với G-e và lớn hơn hẳn khi ở dải tốc độ lớn Bởi vì đặc tính cháy nhanh của hy-đrô nên nó có kết quả tốt khi hoạt động ở tốc độ cao

* Công suất

Ở tốc độ thấp thì công suất của G-e thấp hơn hẳn và ngang bằng H-e 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 của H-e thấp hơn G-e 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

Hình 2.9 Công suất theo tốc độ động cơ của H-e và G-e[24]

* Suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 2.10 BSFC của H-e và G-e ở chế độ toàn tải [24]

BSFC của G-e lớn hơn so với của H-e và tiêu hao thấp nhất tại tốc độ 3500 v/p khi bướm ga mở hoàn toàn Nói chung, đặc tính BSFC của hai loại động cơ có biên dạng giống nhau và đều có một vị trí tối ưu để đốt cháy nhiên liệu sao cho BSFC là

nhỏ nhất

* Phát thải

Theo lý thuyết thì H-e 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 O2 trong ống thải gia tăng

Ngoài những ưu nhược điểm phân tích ở trên thì khi sử dụng nhiên liệu hy-đrô cho ĐCĐT thì cần phải chú ý thêm các vấn đề như vật liệu chế tạo, tuổi thọ của dầu bôi trơn….Còn tùy theo phương pháp hình thành hoà khí thì động cơ có thể có mô men và công suất khác nhau

Hình 2.11 IMEP của H-e khi thay đổi phương pháp phun nhiên liệu [21]

Ở tốc độ dưới 3000 v/p, IMEP của G-e (phun xăng trên đường ống nạp) cao hơn H-e(phun hy-đrô trên đường ống nạp) IMEP của H-e thấp hơn chút ít khi hoạt

động trên 3200 rpm còn G-e thì giảm mạnh khi tăng tốc độ của động cơ Còn nếu

thay đổi phương pháp cung cấp hy-đrô trên H-e ta thấy IMEP của phương pháp phun trực tiếp tăng thêm 15% đối với phương pháp phun trên đường ống nạp Theo đồ thị 2.12 thì động cơ sử dụng vòi phun có mô-men lớn hơn động cơ sử dụng CHK kể cả ở dải tốc độ thấp, điều này là do khi sử dụng vòi phun thì nhiên liệu hy-đrô sẽ được nén làm cho mật độ các chất cháy lớn và như vậy thì áp suất buồng cháy sẽ lớn, còn khi sử dụng CHK thì hàm lượng hy-đrô cung cấp cho quá trình cháy hoàn toàn phụ thuộc vào độ chênh áp trong họng khuyếch tán của bộ CHK Điều này cũng làm cho công suất của H-esử dụng vòi phun cao hơn công suất của khi sử dụng CHK ở tốc độ cao

λ

Hình 2.12 Mô-men và công suất của H-e khi sử dụng CHK và vòi phun [21]

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

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 ĐCĐT 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 là bổ xung một lượng hy-đrô vào xăng thì các chỉ tiêu về công suất, phát thải đều giảm hơn so với khi chạy nhiên liệu xăng thông thường

* Phương pháp cung cấp hy-đrô

Hình 2.13 Kết cấu cụm ống hút của động cơ GH-e

1 Vòi phun xăng, 2 Vòi phun hy-đrô, 3 Đường ống nạp

Để động cơ sử dụng nhiên liệu kép GH-e thì vòi phun xăng và vòi phun đrô thường được bố trí ngay trên đường ống nạp (hy-đrô được cung cấp đến ống

hy-phân phối với một áp suất cưỡng bức nhất định) để cấp thêm hy-đrô vào đường nạp của động cơ

* Áp suất có ích trung bình(BMEP)

BMEP của G-e và H-e đều có xu hướng giảm khi tăng λ Tuy nhiên BMEP của H-e vẫn lớn hơn G-e khi λ đạt giá trị 1,2 trở lên Và λ càng tăng thì sự chênh lệch BMEP càng lớn

Hình 2.14 BMEP của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp[16]

* Hiệu suất nhiệt có ích(BTE)

Hình 2.15 BTE của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp

Một nghiên cứu trên G-e khi thí nghiệm ở hai chế độ là cho phun 3% và 6% hy-đrô vào đường ống nạp với tốc độ trục khủy là 1400 v/p và áp suất đường ống