Nghiên cứu quá trình cháy và khí thải của động cơ phun xăng xe máy sử dụng hỗn hợp giàu hydro

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CH :Gốc nhiên liệu hoá thạch hydro-các-bua CNG :Nhiên liệu khí thiên nhiên nén LNG :Khí thiên nhiên hoá lỏng LPG :Khí dầu mỏ hoá lỏng EGR :Bộ luân hồ

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 chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên

Lê Anh Chiến

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc

đến TS Trần Anh Trung, người thầy đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và khoa học

trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn

Chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện về thời gian, vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể hoàn thành luận văn đúng tiến độ và chất lượng

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên và chia sẻ với tôi trong suốt thời gian tôi tham gia học tập và làm luận văn

Học viên

Lê Anh Chiến

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

LỜI NÓI ĐẦU 10

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 12

1 Lý do chọn đề tài 12

2 Lịch sử nghiên cứu 13

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 14

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới trong luận văn 15

5 Phương pháp nghiên cứu 16

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG XE MÁY 17

1.1 Tổng quan về quá trình cháy của động cơ xăng 17

1.1.1 Quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức 17

1.1.2 Diễn biến bình thường của quá trình cháy trong động cơ châm cháy cưỡng bức 17

1.2 Thành phần phát thải của động cơ xăng 22

1.3 Một số giải pháp giảm thiểu phát thải độc hại cho động cơ xăng 23

1.3.1 Nhóm phương pháp tối ưu hóa kết cấu động cơ 23

1.3.2 Nhóm phương pháp xử lý khí thải 25

1.3.3 Nhóm sử dụng nhiên liệu thay thế 26

1.4 Giảm phát thải của động cơ bằng cách sử dụng nhiên liệu hydro 28

Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU GIÀU HYDRO

CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 30

2.1 Tổng quan về nhiên liệu hydro 30

2.1.1 Đặc điểm, tính chất của nhiên liệu hydro 30

2.1.2 Các phương pháp tạo ra nhiên liệu hydro 34

2.2 Các phương pháp cung cấp nhiên liệu hydro cho động cơ xăng 38

2.2.1 Động cơ sử dụng nhiên liệu hydro 38

2.2.2 Động cơ sử dụng nhiên liệu giàu hydro 41

Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3 TRANG THIẾT BỊ VÀ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG XE MÁY SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU GIÀU HYDRO 46

3.1 Xây dựng hệ thống cung cấp hỗn hợp giàu hydro cho động cơ phun xăng xe máy 46

3.1.1 Bộ điều áp khí giàu hydro 47

3.1.2 Cảm biến đo lưu lượng hỗn hợp giàu hydro 48

3.1.3 Bình ổn áp khí giàu hydro 49

3.1.4 Van chống cháy ngược 49

3.1.5 Vòi khun khí giàu hydro 50

3.2 Trang thiết bị thử nghiệm 50

3.2.1 Động cơ thử nghiệm 50

3.2.2 Thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ 51

3.2.3 Tủ phân tích khí thải AVL CEB II 53

3.2.4 Hệ thống đo AVL 620 Indiset 57

3.2.5 Mô đun điều khiển động cơ (MotoHawk Control Solutions) 59

3.2.6 Băng thử động cơ DW-16 60

3.3 Chế độ thử nghiệm 61

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ SỐ LIỆU, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 62

4.1 Xử lý số liệu áp suất, xác định các thông số quá trình cháy 62

4.1.1 Xác định các thông số của quá trình cháy 62

4.1.2 Trường hợp nhiệt dung riêng không đổi 63

4.1.3 Trường hợp nhiệt dung riêng biến thiên 66

4.2 Đánh giá chất lượng quá trình cháy của động cơ phun xăng xe máy sử dụng nhiên liệu giàu hydro 71

4.3 Đánh giá phát thải của động cơ phun xăng xe máy sử dụng nhiên liệu giàu hydro 74

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78

KẾT LUẬN CHUNG 78

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CH :Gốc nhiên liệu hoá thạch hydro-các-bua

CNG :Nhiên liệu khí thiên nhiên nén

LNG :Khí thiên nhiên hoá lỏng

LPG :Khí dầu mỏ hoá lỏng

EGR :Bộ luân hồi khí thải

IMEP :Áp suất chỉ thị trung bình có ích

BTE :Hiệu suất nhiệt có ích

BSFC :Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

ppm :Một phần triệu

λ :Lambda - Hệ số dư lượng không khí

SFC :Suất tiêu hao nhiên liệu

BMEP :Áp suất có ích trung bình

BXT :Bộ xúc tác

ĐCĐT :Động cơ đốt trong

ESA :Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng máy tính

BTDC :Trước điểm chết trên

ABDC :Sau điểm chết dưới

BBDC :Trước điểm chết dưới

ATDC :Sau điểm chết trên

ERG :Van luân hồi

SCU :Khối lấy mẫu

AFR :Tỷ số không khí và nhiên liệu

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của hydro, mê tan, xăng 30

Bảng 2.2 Tính chất cháy của của hydro, mê tan, xăng 31

Bảng 2.3 So sánh tính chất của hydro và xăng 41

Bảng 3.1 Những thông số cơ bản của động cơ M738M 3V i.e 51

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình cháy của động cơ xăng châm cháy cưỡng bức 18

Hình 1.2 Sơ đồ lan tràn màng lửa 20

Hình 1.3 Sơ đồ phân bố màng và tốc độ màng lửa 21

Hình 1.4 Đặc tính phát thải của động cơ xăng 22

Hình 1.5 Ảnh hưởng của EGR tới sự phát thải của động cơ xăng 24

Hình 1.6 Đặc điểm phát thải trên động cơ xăng trang bị bộ xúc tác 25

Hình 1.7 Phát thải NOX động GDI hãng Mitsubishi 26

Hình 2.1 Phạm vi cháy của hydro và một số loại nhiên liệu 31

Hình 2.2 Nhiệt độ tự cháy của hydro và một số loại nhiên liệu 32

Hình 2.3 Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí 32

Hình 2.4 Năng lượng đánh lửa của hydro và một số loại nhiên liệu 33

Hình 2.5 Một số nguyên liệu tạo ra hydro 35

Hình 2.6 Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT 39

Hình 2.7 So sánh hiệu suất nhiệt, mô men, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa động cơ xăng và động cơ hydro cùng kích thước 40

Hình 2.8 Sơ đồ của hệ thống thí nghiệm của GS Changwei Ji 42

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp hỗn hợp giàu hydro cho động cơ 46

Hình 3.2 Vị trí vào ra bộ giảm áp 47

Hình 3.3 Cảm biến đo lưu lượng 48

Hình 3.4 Bình ổn áp hỗn hợp khí giàu hydro 49

Hình 3.5 Van chống cháy ngược 49

Hình 3.6 Sơ đồ kết cấu vòi phun khí giàu hydro 50

Hình 3.7 Động cơ Piaggio Liberty dùng trong thí nghiệm 51

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S 52

Hình 3.9 Giao diện trên máy tính hệ thống cân nhiên liệu AVL 733S 53

Hình 3.10 Sơ đồ của tủ AVL CEB II 54

Hình 3.11 Sơ đồ cấu tạo của bộ đo CO 54

Hình 3.12 Sơ đồ cấu tạo bộ phân tích NO và NOX 55

Hình 3.13 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC 56

Hình 3.14 Hệ thống đo AVL 620 Indiset 57

Hình 3.15 Cấu tạo cảm biến đo áp suất QC33C 59

Hình 3.16 ECU MotoHawk ECM-0565-128-0704 60

Hình 3.17 Băng thử động cơ DW-16 60

Hình 4.1 Các thông số quá trình cháy được xác định từ áp suất xylanh 63

Hình 4.2 Hệ thống kín sử dụng trong mô hình nhiệt động học đảo 64

Hình 4.3 Biến thiên tỷ nhiệt = cp / cv theo nhiệt độ cháy (K), thành phần hòa khí và phần trăm hỗn hợp đã cháy xb 66

Hình 4.4 So sánh tỷ lệ với trường hợp tỷ nhiệt không đổi và tỷ nhiệt biến thiên 67 Hình 4.4 Tốc độ tỏa nhiệt tại hai trường hợp không phun (W/O) và phun (W) hydro tại tốc độ 5000 vg/ph 71

Hình 4.5 Góc cháy trễ tương ứng 10% hòa khí đã cháy theo lambda tại hai trường hợp phun (W) và không phun hydro (W/O) 72

Hình 4.6 Góc cháy chính tương ứng 90% hòa khí đã cháy theo lambda tại hai trường hợp phun (W) và không phun hydro (W/O) 73

Hình 4.7 Suất tiêu thụ năng lượng (MJ/kW.h) tại hai trường hợp phun (W) và không phun hydro (W/O) 74

Hình 4.8 So sánh hàm lượng phát thải HC theo lambda 75

Hình 4.9 So sánh hàm lượng phát thải NOX theo lambda 76

Hình 4.10 So sánh hàm lượng phát thải CO theo lambda 77

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp và phương tiện giao thông vận tải đã khiến cho nhu cầu năng lượng tăng cao Bầu không khí càng ngày bị ô nhiễm một cách trầm trọng do khói bụi, chất độc và phóng xạ thải ra từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, Trong khi đó nguồn nhiên liệu hoá thạch bao gồm xăng, dầu diesel, than đá, khí thiên nhiên đang ngày càng cạn kiệt Nhiều phương án giảm thành phần độc hại trong khí thải của động cơ đã được nghiên cứu và áp dụ

–

quan tâm

Đối với động cơ xăng tốc độ cháy kém, đồng thời phụ thuộc nhiều vào tình trạng xoáy lốc sẽ làm tăng thành phần HC (hydrocarbon), CO (monoxit carbon) trong khí thải và giảm tính kinh tế nhiên liệu Để giải quyết vấn đề kể trên, trong thực tế có rất nhiều phương án thực hiện như tăng xoáy lốc làm tăng khả năng hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu, sử dụng phụ gia nhiên liệu để cải thiện chất lượng quá trình cháy, hoặc sử dụng nhiên liệu hydro

Hydro có nhiều ưu điểm như khi phản ứng với ôxy tạo ra sản phẩm sạch, cháy nhanh, trị số ốc tan cao, chống kích nổ tốt, cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ Tuy nhiên vấn đề sản xuất, vận chuyển, tích trữ và bảo quản nhiên liệu hydro khó khăn và tốn kém do hydro có tỷ trọng rất thấp Các nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng hydro như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống để nâng cao hiệu suất và khí thải của động cơ và hiện đang được nhiều khoa học quan tâm Tuy nhiên các nghiên cứu mới chỉ thực hiện trên động cơ nhiều xy lanh và chưa

có nghiên cứu nào dành cho động cơ xăng xe máy cỡ nhỏ 1 xy lanh, là loại động

cơ rất phổ biến tại các nước đang phát triển

Từ những lý do trên việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp giàu hydro cho động cơ xe máy là một việc làm quan trọng nhằm giảm thiểu khí thải ô nhiễm và

tiêu hao nhiên liệu cho dòng động cơ này ở Việt Nam Đề tài “Nghiên cứu quá trình cháy và khí thải của động cơ phun xăng xe máy sử dụng hỗn hợp giàu hydro” sẽ nhằm đánh giá chất lượng quá trình cháy và khí thải tại các chế độ làm

việc của động cơ đồng thời là cơ sở để thiết lập kế hoạch thực nghiệm trong các bước tiếp theo

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1 Lý do chọn đề tài

Khí thải của các phương tiện giao thông có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người và làm tăng nhiệt độ trái đất, do đó vấn đề nâng cao hiệu suất và giảm phát thải của động cơ đốt trong vẫn đang được các nhà khoa học hết sức quan tâm đặc biệt là động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, đây là động cơ có được nhiều ưu điểm như khả năng tăng tốc và khí thải tốt, tuy nhiên nhược điểm của động cơ xăng là

có hiệu suất thấp, nhất là ở vùng tải nhỏ và tải trung bình do tổn thất công hút qua bướm ga Có nhiều biện pháp có thể nâng cao hiệu suất động cơ xăng ở vùng này như động cơ phun xăng trực tiếp GDI, động cơ nạp đồng nhất cháy do nén HCCI Điểm chung của các biện pháp này là nâng cao khả năng cháy nghèo ở vùng tải thấp và trung bình, nhờ đó bướm ga có thể mở lớn hơn giúp làm giảm công hút nâng cao hiệu suất của động cơ, tuy nhiên các biện pháp trên khá phức tạp, nâng cao giá thành động cơ Một biện pháp khác là sử dụng nhiên liệu thay thế hoặc ở dạng phụ gia giúp nâng cao giới hạn cháy nghèo của động cơ, đây là hướng mà hiện nay đang được các nhà khoa học quan tâm

Hydro là nhiên liệu có giới hạn cháy nghèo cao, có thể sử dụng như là một dạng phụ gia cho nhiên liệu truyền thống để nâng cao giới hạn cháy nghèo, hơn nữa hydro có thể dễ dàng tạo ra nhờ biện pháp sử dụng chất xúc tác tạo thành hỗn hợp giàu hydro từ nhiên liệu gốc với giá thành phù hợp Các kết quả nghiên cứu cho thấy động cơ bằng biện pháp sử dụng hỗn hợp giàu hydro giới hạn cháy nghèo có thể lên tới lambda = 1.8 trong khi động cơ nguyên bản giá trị lambda chỉ nằm trong khoảng 1,3-1,4, hiệu suất động cơ tăng lên từ 3-5% đồng thời lượng khí xả HC và CO giảm mạnh Khi so sánh về quá trình cháy cho thấy nhờ

ưu điểm cháy nhanh của hydro đã làm giảm thời gian cháy trễ và thời gian cháy chính giúp nâng cao hiệu suất của động cơ

Từ các nghiên cứu trên cho thấy sử dụng hỗn hợp giàu hydro cho động cơ xăng giúp nâng cao chất lượng quá trình cháy từ đó giảm tiêu thụ nhiên liệu và

các chất độc hại trong khí thải, tuy nhiên các nghiên cứu này mới chỉ thực hiện trên động cơ nhiều xy lanh và chưa có nghiên cứu nào dành cho động cơ xăng xe máy cỡ nhỏ 1 xy lanh, là loại động cơ rất phổ biến tại các nước đang phát triển có mức tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm khí thải lớn

Từ những phân tích trên, em đã chọn đề tài “Nghiên cứu quá trình cháy và khí thải của động cơ phun xăng xe máy sử dụng hỗn hợp giàu hydro” Đề tài

nghiên cứu là thực nghiệm quá trình cháy trên động cơ xe máy 1 xy lanh Kết quả thực nghiệm sẽ cho ra kết quả ảnh hưởng của nhiên liệu khí giàu hyđro đến đặc tính làm việc và đặc tính phát thải của động cơ góp phần xác định vùng làm việc tối ưu khi động cơ chạy với nhiên liệu giàu hyđro

Một số đơn vị khác cũng tiến hành nghiên cứu bổ sung khí hydro trên động

cơ xăng như tập thể các nhà khoa học tại trường đại học Windsor, Canada; Viện công nghệ liên bang Thuỵ Sĩ tại Zurich (ETHZ); đại học Atatürk, đại học Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ

Theo kết quả của TS Enrico Conte và GS Konstantinos Boulouchos tại trường ETH Zurich, khi bổ sung 1 lượng nhỏ hydro vào đường nạp sẽ giúp hỗn hợp trở nên đồng nhất hơn cho động cơ phun xăng trực tiếp (GDI) hình thành hỗn hợp kiểu phân lớp Động cơ thí nghiệm là động cơ một xylanh nhãn hiệu Mercedes Benz M111, có đường kính xy lanh 86,6 mm và hành trình piston 89,9

mm, tỷ số nén 10:1 Xăng được phun vào xy lanh với áp suất cao (khoảng 80 bar) thông qua hệ thống nhiên liệu kiểu tích áp, vòi phun hydro trên đường nạp có thể phun 17 và 27% hydro (tỷ lệ cân bằng năng lượng) Khi tỷ lệ hydro càng lớn,

phát thải NOX tăng và HC giảm ở mọi thời điểm đánh lửa do nhiệt độ cháy và tốc

độ cháy lớn hơn khi phun hydro vào đường nạp

Theo kết quả nghiên cứu trên động cơ Ford 4 xy lanh của F Yüksel và M.A Ceviz tại khoa kỹ thuật cơ khí, trường ĐH Atatürk cho thấy: Khi sử dụng hydro như một nhiên liệu bổ sung, hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện Cụ thể, khi sử dụng xăng, hiệu suất là 38,1%; hiệu suất tăng lên 41,9; 44 và 43,8% khi lưu lượng khí hydro là 0,129; 0,168 và 0,208 (kg/h) Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm, từ 215,78 (g/kW.h) khi sử dụng xăng xuống 200,11; 190,58 và 194,58 (g/kW.h) ứng với ba giá trị của lưu lượng khí hydro Tính kinh tế của động cơ được cải thiện rõ rệt, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm khoảng 11,5%

Tập thể các nhà khoa học của trường ĐH Kocaeli và công ty ứng dụng hydro

ở Thổ Nhĩ Kỳ đã sử dụng khí hydro được sản xuất trực tiếp trên phương tiện thông qua quá trình điện phân cung cấp thẳng vào đường nạp động cơ Kết quả thử nghiệm trên 4 mẫu xe Volvo 940 (đời 1993), Mercedes 280 (đời 1996); Fiat Kartal (đời 1992) và Fiat Dogan (đời 1992) trong điều kiện giao thông ở thành phố cho thấy, lượng xăng tiêu thụ trong quãng đường 100 km giảm Cụ thể, để đi hết 100 km, lượng xăng của Volvo 940 giảm xuống còn 6 lít so với nguyên bản

là 10,5 lít, tức giảm 43%; Mercedes 280 giảm từ 11 lít xuống 7 lít (giảm 36%); Fiat Kartal giảm đi 2,5 lít từ 9,5 lít khi có hydro bổ sung (giảm 26%) và Fiat Dogan giảm từ 9 lít xuống 6 lít, tương ứng 33% Cùng với đó ba thành phần phát thải CO, CO2 và HC giảm khoảng từ 40-50% tuỳ thuộc vào loại động cơ

3 Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm động cơ xe máy 1 xy lanh 3 xu páp sử dụng nhiên liệu xăng và hỗn hợp giàu hydro nhằm đánh giá chất lượng quá trình cháy và khí thải tại các chế độ làm việc của động cơ

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ xăng 3 xu páp, phun xăng trên đường ống nạp, 4 kỳ, 1 xy lanh lắp trên xe máy Liberty 150cc của hãng Piaggio Động cơ được đặt trên băng thử động cơ DW-16 và được điều khiển thông qua MotoHawk ECM-0565-128-0704 của hãng Woodward, đây là bộ điều khiển chuyên dụng có khả năng giao tiếp trực tiếp với máy tính trong quá trình thí nghiệm

Phạm vi nghiên cứu đề tài là thực nghiệm trên động cơ hoạt động ở chế độ chế độ cháy nghèo tại các vùng tải nhỏ và trung bình tương ứng với tốc độ 4500

và 5300 v/p

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

Có thể thấy, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu đã được các nhà nghiên cứu và chế tạo động cơ luôn quan tâm và hiện nay công nghệ chế tạo động cơ đã có những bước tiến mới về công nghệ như động cơ GDI Do đó, khả năng còn lại để nâng cao hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu của động cơ với chi phí thấp chỉ có thể tập trung vào nghiên cứu cải tiến công nghệ sử dụng nhiên liệu truyền thống trong khi các nguồn nhiên liệu mới hiệu quả hơn chưa đủ điều kiện để phát triển

ở qui mô lớn thay thế nhiên liệu hiện hành

Như đã biết, tốc độ động cơ đốt trong ngày càng được nâng lên để tăng công suất động cơ nên thời gian của quá trình cháy của nhiên liệu trong xi lanh động

cơ rất ngắn, do đó nhiên liệu hóa thạch thường cháy không hoàn toàn Bằng biện pháp cải thiện quá trình cháy để nhiên liệu cháy đúng thời điểm, cháy kiệt hơn sẽ giúp tăng hiệu suất của động cơ, giảm phát thải các chất độc hại và khí nhà kính

CO2 của động cơ

Một trong các công nghệ hiệu quả theo cơ chế nói trên đã được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước thừa nhận đó là bổ sung nhiên liệu hydro vào làm giàu hỗn hợp cháy Đặc tính khuếch tán đều, hòa trộn tốt, dễ bắt lửa và cháy nhanh của hydro sẽ giúp đốt cháy kiệt hỗn hợp nhiên liệu truyền thống

Việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp giàu hydro cho động cơ xăng sẽ tạo ra một cách nhìn toàn diện, với công nghệ này sẽ góp phần tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch ít ỏi còn lại đồng thời giảm phát thải độc hại và tăng hiệu suất của động cơ

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện các nội dung trên, đề tài đã sử dụng phương pháp nghiên cứu sau:

Nghiên cứu các kết quả thử nghiệm với động cơ xăng Từ đó đưa ra phương pháp thực nghiệm trên động cơ xăng xe máy Từ các kết quả thực nghiệm đưa ra nhận xét đánh giá chất lượng quá trình cháy và khí thải tại chế độ làm việc của động cơ được thử nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ KHÍ THẢI CỦA

ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG XE MÁY

1.1 Tổng quan về quá trình cháy của động cơ xăng

1.1.1 Quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức

Trong động cơ châm cháy cưỡng bức, quá trình cháy được bắt đầu từ

nguồn lửa xuất hiện ở bugi trong môi trường hòa khí đều được trộn trước, sau đó xuất hiện màng lửa lan truyền theo mọi hướng tới khắp không gian buồng cháy Trong quá trình cháy hóa năng của nhiên liệu được truyền thành nhiệt năng làm tăng áp suất và nhiệt độ môi chất Nếu nhiên liệu được cháy càng kiệt, kịp thời thì năng lượng nhiệt nhả ra chuyển thành công càng tốt, làm tăng năng suất và hiệu suất động cơ

1.1.2 Diễn biến bình thường của quá trình cháy trong động cơ châm cháy cưỡng bức

Diễn biến bình thường của quá trình cháy động cơ châm cháy cưỡng bức đều bắt đầu từ cực bugi, tạo nên màng lửa rồi lan truyền với tốc độ tăng dần theo

mọi hướng tới khi đốt hết hòa khí

Có nhiều phương pháp nghiên cứu quá trình cháy trong buồng cháy động

cơ, thường dùng nhất là vẽ đồ thị công P – φ, tức là đồ thị thể hiện biến thiên của

áp suất P trong xilanh theo góc quay φ của trục khuỷu Trên nắp xy lanh có lắp

một bộ cảm biến áp suất, cảm biến góc quay trục khuỷu đặt trên trục khuỷu, dao

động ký ghi lại sự biến thiên của áp suất trong xilanh P theo góc quay trục khuỷu

φ Dựa vào biến thiên của P = f(φ) có thể biết diễn biến của quá trình cháy

Phương pháp này tuy không cho biết rõ cơ lý của quá trình cháy cũng như tình hình lan truyền màng lửa, nhưng cho biết rõ hiệu quả thực tế của quá trinh Về mặt kỹ thuật thì đây là một phương pháp hữu hiệu đơn giản

Ngoài phương pháp xác định đồ thị công P = f(φ), người ta còn dùng

phương pháp chụp ảnh nhanh quá trình cháy: dựa vào một dãy các bức ảnh liên tiếp chụp được sẽ biết diễn biến của quá trình cháy trong xy lanh

Hình 1.1 Quá trình cháy của động cơ xăng châm cháy cưỡng bức[41]

I-Cháy trễ, II-Cháy nhanh,III-Cháy rớt 1-Đánh lửa sớm, 2-Hình thành màng lửa, 3-Áp suất cực đại

Đồ thị P – φ điển hình của quá trình cháy bình thường thể hiện trên hình

1.1; điểm 1 – bắt đầu đánh lửa, cách ĐCT một góc θ được gọi là góc đánh lửa

sớm; điểm 2 – là thời điểm đường áp suất tách khỏi đường nén; điểm 3 – là thời điểm đạt áp suất cực đại Điểm áp suất cực đại và điểm nhiệt độ cực đại không trùng nhau Điểm nhiệt độ cực đại thường xuất hiện muộn hơn so với áp suất cực

đại Dựa vào đặc trưng biến thiên áp suất trên đồ thị P – φ, người ta chia quá

trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức thành ba thời kỳ

1.1.2.1, Thời kỳ cháy trễ I (từ điểm 1 đến điểm 2)

Tính từ lúc đánh lửa đến khi áp suất p tăng đột ngột Trong quá trình này, áp suất trong xilanh thay đổi tương tự như trường hợp không đánh lửa, phân tích các

bức ảnh chụp được cho thấy thời kỳ này được tính từ lúc bắt đầu đánh lửa, qua một thời gian ngắn đến lúc xuất hiện nguồn lửa được gọi là màng lửa trung tâm Thời điểm xuất hiện màng lửa trung tâm không nhất thiết xuất hiện trước một chút so với thời điểm tăng đột ngột của P Nhưng nhiều khi để đơn giản người ta không cần phân biệt rõ hai thời điểm này

Phân tích thời kỳ cháy trễ thấy rằng, sau khi bugi đã bật tia lửa điện, hòa khí trong xilanh không cháy ngay mà phải thực hiện một loạt phản ứng sơ bộ tạo nên sản vật trung gian v.v… Trong thời kỳ này nhiệt lượng nhả ra của các phản ứng rất nhỏ, vì vậy không thấy rõ sự khác biệt của nhiệt độ và áp suất so với trường hợp không đánh lửa

1.1.2.2 Thời kỳ cháy nhanh II

Được tính từ điểm 2 đến điểm 3 (điểm có áp suất cực đại) Thời kỳ này cũng tương ứng với thời kỳ lan truyền của màng lửa tính từ lúc xuất hiện màng lửa trung tâm tới khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy Màng lửa của động cơ châm cháy cưỡng bức hầu hết là màng lửa chảy rối Trong quá trình lan truyền, màng lửa có dạng hình cầu nhấp nhô lồi lõm Trong thời kỳ này màng lửa được được lan truyền với tốc độ tăng dần, hòa khí trong xilanh có phản ứng ôxy hóa ngày một mãnh liệt và nhả ra một số lượng nhiệt lớn, trong khi dung tích xilanh thay đổi ít làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất tăng nhanh Thời kỳ cháy nhanh

là giai đoạn chính trong quá trình cháy hòa khí của động cơ xăng, phần lớn nhiệt lượng được nhả ra trong giai đoạn này; quy luật nhả nhiệt sẽ quyết định việc tăng

áp suất, tức là quyết định khả năng đẩy pittông sinh công, vì vậy thời kỳ này có ảnh hưởng quyết định tới tính năng của động cơ xăng

Nhìn từ khía cạnh nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, thì thời gian cháy càng nhanh càng tốt Muốn rút ngắn thời gian cháy phải nâng cao tốc độ cháy, làm cho áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại xuất hiện tại vị trí gần sát ĐCT, khiến

số nhiệt lượng nhả ra được lợi dụng đầy đủ, làm tăng công suất và hiệu suất động

cơ

Khi phân tích quá trình cháy cần phân biệt rõ hai khái niệm: tốc độ lan truyền màng lửa Sr (m/s) và tốc độ cháy U (kg/m2s)Sr thể hiện tốc độ chuyển dịch của màng lửa theo theo hướng pháp tuyến, còn U thể hiện khối lượng hòa khí được một đơn vị diện tích màng lửa đốt cháy trong một đơn vị thời gian Mối quan hệ giữa Sr và U như sau:

Trong đó: FT – diện tích màng lửa (m2);

Hm – nhiệt trị của hòa khí (kJ/kg).nguyễn

Từ đó thấy rằng quy luật nhả nhiệt của thời kỳ cháy nhanh, tức quy luật biến thiên của Q phụ thuộc tốc độ lan truyền màng lửa Sr, diện tích màng lửa FT

và mật độ môi chất Màng lửa lan càng rộng, càng lớn vì lúc ấy số hòa khí chưa cháy phải chịu sự chèn ép của phần đã cháy gây ra Số hòa khí cháy cuối cùng bị chèn ép tới 7÷ 8 lần

Hình 1.2 Sơ đồ lan tràn màng lửa[41]

Trường hợp cháy bình thường, tốc độ lan màng lửa vào khoảng 10 ÷ 30 m/s; diện tích màng lửa thay đổi theo quy luật phân bố dung tích của buồng cháy; đặc điểm lưu động của môi chất, vị trí đặt bugi v.v…

Hình 1.3 Sơ đồ phân bố màng và tốc độ màng lửa[41]

a) Chuyển động dòng khí rất yếu b) Chuyển động xoáy mạnh của dòng khí

Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ phân bố này và tốc độ lan màng lửa Sơ đồ a với Sr ≤ 16 m/s, sơ đồ b với Sr tới 45 m/s

Tốc độ lan truyền và sẽ làm cho tốc độ cháy, tốc độ nhả nhiệt, áp suất và nhiệt độ môi chất trong xilanh tăng lên càng nhiều làm cho công suất và hiệu suất động cơ đều được cải thiện tốt hơn Tốc độ tăng áp suất trung bình của thời kỳ cháy nhanh được thể hiện qua ( = ), còn giá trị tức thời là Thông

thường phải hạn chế trong giới hạn (1,75 ÷ 2,5) x 105Pa/độ góc quay trục khuỷu, mặt khác phải điều khiển để áp suất cực đại (điểm 3, hình 1.1) được xuất hiện sau ĐCT khoảng 100 ÷ 150 góc quay trục khuỷu, lúc ấy động cơ sẽ chạy

êm, nhẹ nhàng và có tính năng động lực tốt

1.1.2.3 Thời kỳ cháy rớt III

Được tính từ điểm 3 (điểm áp suất cực đại) trở đi Mặc dù cuối thời kỳ II màng lửa đã lan khắp buồng cháy, nhưng do hòa khí phân bố không thật đều, điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vực trong buồng cháy không hoàn toàn giống nhau, nên ta có những khu vực nhiên liệu chưa cháy hết Trong quá trình

cháy giãn nở, do điều kiện hòa trộn thay đổi sẽ làm cho số nhiên liệu chưa cháy được hòa trộn và bốc cháy tiếp tạo nên thời kì cháy rớt Trong thời kì này, nhiệt lượng nhả ra tương đối ít, dung tích động cơ lại tăng nhanh nên áp suất trong xilanh sẽ giảm dần theo góc quay trục khuỷu Thời kì cháy rớt dài hay ngắn là tùy thuộc vào số hòa khí cháy rớt, nhìn chung đều mong muốn rút ngắn thời kì cháy rớt Nhưng cũng có trường hợp cháy rớt còn kéo dài sang cả quá trình thải, thậm chí đến khi bắt đầu cháy hòa khí tại đây, đó là hiện tường hồi hỏa của động

cơ xăng (nổ trên đường nạp) Nói chung thời kỳ cháy rớt của động cơ xăng thường ngắn

1.2 Thành phần phát thải của động cơ xăng

Các thành phần độc hại 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 [2]:

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

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

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

Hình 1.4 Đặc tính phát thải của động cơ xăng [2]

Nếu không trang bị bộ xử lý khí thải thì các thành phần độc hại lần lượt có tỉ lệ như sau:

- CO: 0,2 đến 5% thể tích nhiên liệu tiêu thụ,

- HC: 300 đến 6000 ppmc1 (một phần triệu theo phương pháp ion hóa FIA hoặc FID)

- NOX: từ 50 đến 2000 ppm

Phát thải CO cao ở chế độ không tải và toàn tải, khi động cơ làm việc với hòa khí giàu, HC phát thải cao ở chế độ không tải, trong quá trình hâm nóng động cơ, tải nhỏ, khi tăng tốc và giảm tốc, NOX phát thải lớn nhất khi động cơ chạy đầy tải [2]

1.3 Một số giải pháp giảm thiểu 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 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 [3]

1.3.1 Nhóm phương pháp tối ưu hóa kết cấu động cơ

1.3.1.1 Điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí nhiên liệu (λ)

Sự tiêu thụ nhiên liệu đồng nghĩa với sự phát thải, lượng tiêu thụ nhiên liệu càng nhiều thì sự phát thải càng lớn Để giảm phát thải thì trên động cơ ôtô hiện đại có lắp thêm cảm biến lambda kết hợp với bộ xúc tác ba thành phần 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[2]

1.3.1.2 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 Vì vậy hầu hết các động

cơ ngày nay đều trang bị hệ thống đánh lửa theo chương trình ESA nhằm kiểm soát góc đánh lửa tối ưu cùng với sự kiểm soát dòng sơ cấp để tăng năng lượng đánh lửa Ngoài ra để tăng năng lượng đánh lửa thì sử dụng bugi có kết cấu mới cũng được áp dụng[3]

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

Thí nghiệm của Bosch trên động cơ xăng thấy rằng vị trí bugi đặt ở trung tâm thì lượng tiêu hao nhiên liệu và phát sinh HC nhỏ hơn so với bugi đặt không ở vị trí trung tâm Động cơ có 4 xupáp thì lượng HC sẽ giảm mạnh so với 2 xupáp, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm hơn khi λ 1,25[3]

1.3.1.4 Luân hồi khí thải

Để giảm quá trình hình thành NOX trong khí thải khi nhiệt độ buồng đốt cao, van EGR cho hồi lưu một phần khí thải với mục đích làm bẩn khí nạp để giảm nhiệt độ quá trình cháy, ngoài ra trên động cơ cũng có thể thiết kế góc trùng điệp lớn cũng nhằm mục đích giảm NOX gọi là luân hồi nội tại Khi EGR mở càng lớn thì NOX giảm nhưng đồng nghĩa với việc HC sẽ tăng lên[2]

Hình 1.5 Ảnh hưởng của EGR tới sự phát thải của động cơ xăng [2]

Hình 1.6 Đặc điểm phát thải trên động cơ xăng trang bị bộ xúc tác

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 [3]

Ngoài ra, giữ nhiệt trên đường thải sẽ giảm sự mất mát nhiệt của khí thải trước khi đưa vào bộ xử lý xúc tác giúp cải thiện quá trình hâm nóng bộ xúc tác

để nó nhanh đạt đến nhiệt độ làm việc hiệu quả[3]

1.3.2.2 Xử lý khí thải của động cơ phun xăng trực tiếp GDI

Đối với động cơ GDI có khả năng đốt cháy hỗn hợp nghèo và siêu nghèo nhờ chế độ phân lớp hỗn hợp kết hợp bướm ga điện tử với EGR nhờ vậy NOX có thể giảm tới 97%

Hình 1.7 Phát thải NO X động GDI hãng Mitsubishi

1.3.3 Nhóm sử dụng nhiên liệu thay thế

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 khí xả, các nhiên liệu thay thế còn được đánh giá thân thiện hơn với môi trường Có được điều này là do:

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

- Không có ni-tơ , lưu huỳnh, chì,

- Chỉ số ốc -tan, xê -tan cao

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

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

mà nồng độ khí thải còn giảm so với động cơ xăng thông thường [5]

1.3.3.2 Khí hóa lỏng, LPG (Liquefied Petroleum Gas)

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

C4H10 (40%) [6] 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%, NOxgiảm 20-30% [6]

1.3.3.3 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 [6], khí thiên nhiên đã được ứng dụng nhiều trong động cơ chạy nhiên liệu kép như xăng/CNG trên Ta-xi Dầu khí

1.3.3.4 Khí sinh học (biogas)

Biogas thu được từ quá trình lên men yếm khí của các chất hữu cơ như: xác động, thực vật, rác thải, chất thải chăn nuôi, chất thải sinh hoạt… Có thành phần chủ yếu là mê-tan (60-68%), CO2 (20-32%), còn lại là các chất khí khác như H2S, hơi nước, Biogas đang được nghiên cứu mạnh mẽ để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong do phát thải ít CO2 Mặt khác, sử dụng biogas 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 biogas trước khi dùng [6]

1.4 Giảm phát thải của động cơ bằng cách sử dụng nhiên liệu hydro

Bên cạnh các loại nhiên liệu thay thế nói trên, hy-đrô từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn cho động cơ đốt trong Khác với các loại nhiên liệu truyền thống, đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và có thể được sản xuất từ nguồn nước vô tận và có khả năng sử dụng cho cả động cơ xăng [7, 8] và động cơ diesel [9] 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 [10], 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 [11]

Kết luận chương 1

Vậy sử dụng nhiên liệu hydro là rất tốt nhưng chính vì một số nhược điểm của nhiên liệu hydro 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 Do vậy đề tài này sẽ nghiên cứu phương pháp cung cấp nhiên liệu giàu hydro cho động cơ xăng và thực nghiệm quá trình cháy và khí thải để tìm ra được ưu điểm của việc dùng hỗn nhiên liệu giàu hydro 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 để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hydro (có hydro 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

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU GIÀU HYDRO

CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1 Tổng quan về nhiên liệu hydro

2.1.1 Đặc điểm, tính chất của nhiên liệu hydro

2.1.1.1 Tính chất vật lý của nhiên liệu hydro

Hydro là chất khí không màu, không mùi, không vị với khối lượng phân tử

là 2,016 và là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn hoá học Tỉ trọng của

hydro nhỏ hơn 14 lần so với không khí (0,08367 kg/m 3 ở điều kiện và áp suất tiêu chuẩn) Hydro ở dạng lỏng tại nhiệt độ dưới 20,30K Hydro có nhiệt trị cao nhất

trên một đơn vị khối lượng so với các loại nhiên liệu khác Nhiệt trị của hydro là 141,9 MJ/kg gấp gần ba lần so với xăng Một số tính chất vật lý quan trọng của hydro được thể thiện ở bảng (2.1) dưới đây:

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của hydro, mê tan, xăng [12]

Tính chất Hydro 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 (MJ/kg) 119,7 46,72 44,79 Năng lượng cháy khi đốt 1kg nhiên liệu ở tỉ

2.1.1.2 Tính chất cháy của nhiên liệu hydro

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

Bảng 2.2 Tính chất cháy của của hydro, mê tan, xăng [12]

Tính chất Hydro Mê tan Xăng

Phạm vi cháy rộng (% thể tích) 4-75 5,3-15,0 1,2-6,0 Năng lượng đánh lửa thấp nhất (MJ) 0,02 0,28 0,25

* Phạm vi cháy:

Hình 2.1 Phạm vi cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [14]

Từ hình 2.1 ta thấy hydro có phạm vi cháy nằm giữa 4% đến 75% lượng hydro

có trong hỗn hợp, tức là có khả năng cháy được với hoà khí nghèo Trong khi đó một số loại nhiên liệu khác thì có phạm vi cháy thấp hơn như khí tự nhiên là 5.3%-15%, propane là 2.1%-10% và xăng là 2%-6% [12] Thông thường, khi hỗn hợp càng 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 [13].

* Nhiệt độ tự cháy:

Hình 2.2 Nhiệt độ tự cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [13]

Hình 2.2 là một thông số vô cùng quan trọng, nó quyết định đến tỉ số nén của động cơ tức là quyết định đến hiệu suất nhiệt của động cơ Khi nhiệt độ tự cháy cao có thể nâng cao tỉ số nén mà không sợ nhiên liệu tự cháy gây ra các hiện tượng cháy không bình thường Tỉ số nén càng cao thì động cơ có thể làm việc với hoà khí nghèo mà vẫn cho phép hiệu suất và công suất ra của động cơ cao Nhiệt độ tự cháy của hydro cao (858 oC) cao gấp đôi của xăng nên đây là một ưu điểm lớn của nhiên liệu hydro

* Tốc độ cháy:

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

Hình 2.3 hydro có tốc độ cháy cao, tốc độ ngọn lửa của hydro nhanh hơn so với xăng Khi λ=1 thì tốc độ cháy của hỗn hợp (không khí và hydro ) gấp 6 lần tốc độ cháy của hỗn hợp không khí-mê tan và hỗn hợp không khí-xăng [12] Nhưng với

λ càng lớn (hỗn hợp nghèo) thì tốc độ ngọn lửa giảm đáng kể do lúc này mật độ chất cháy giảm, khoảng cách giữa các chất cháy tăng làm cản trở đến tốc độ lan tràn màng lửa

Ngoài ra, tốc độ cháy nhanh làm cho đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hydro ít nhạy cảm với sự thay đổi hình dạng của buồng cháy và sự chảy rối, 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

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:

Hình 2.4 Năng lượng đánh lửa của hydro và một số loại nhiên liệu

Hình 2.4 thể hiện mức năng lượng cần cho quá trình đánh lửa của một số hỗn hợp Đây là một ưu điểm đối với động cơ hydro vì hệ thống đánh lửa đơn giản, tuy nhiên lại khó kiểm soát được vấn đề tự cháy của nhiên liệu Những đốm lửa tại thời điểm trùng điệp giữa xu pap xả và nạp hoặc tia lửa thừa trong hệ thống đánh lửa sẽ dễ dàng đốt cháy nhiên liệu hydro 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

* Khoảng dập tắt ngọn lửa nhỏ: Hydro có một khoảng dập tắt ngọn lửa nhỏ,

nhỏ hơn xăng (của hydro là 0.6 mm của xăng là 2.0 mm) Do vậy ngọn lửa hydro tiến sát gần với vách buồng cháy hơn so với ngọn lửa của các loại nhiên liệu khác trước khi bị dập tắt nên nhiên liệu sẽ được đốt kiệt hơn tạo ra công suất lớn hơn, nâng cao tính kinh tế và đặc biệt khi sử dụng ở dạng phụ gia cùng với nhiên liệu khác sẽ giúp cho hàm lượng HC trong khí thải sẽ giảm xuống [13]

* Độ khuyếch tán cao: Khả năng khuyếch tán trong không khí của nhiên

liệu hydro là vô cùng lớn Khí hydro luôn có xu hướng rò rỉ tại những những lỗ

và các mối ghép trên đường ống nhiên liệu Nó gấp 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 hydro 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 Khi

sử dụng hydro làm nhiên liệu cho ĐCĐT thì sẽ giúp cho quá trình hình thành hoà khí một cách dễ dàng Nếu có tai nạn vì một nguyên nhân nào đó hydro rò rỉ sẽ thoát rất nhanh nhờ khả năng khuyếch tán cao của nó sẽ làm giảm nguy cơ cháy

nổ, nâng cao tính an toàn khi sử dụng nhiên liệu hydro [13]

* Mật độ rất thấp: Hydro có mật độ thấp, nên vấn đề tích trữ để cung cấp

cho động cơ là vấn đề khó khăn Để lưu trữ được hydro phải mất năng lượng để nén (200 at) hoặc hóa lỏng hydro 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 hydro cho ĐCĐT

2.1.2 Các phương pháp tạo ra nhiên liệu hydro

Hydro là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo trọng lượng) và hydro dạng nguyên chất gần như không tồn tại trong

tự nhiên Trên Trái Đất, hydro phần lớn ở dạng kết hợp với oxy trong nước, hay

với carbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động thực vật Hydro là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là chúng không thể được khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu Điều này là một điểm bất lợi, nhưng đồng thời lại là điểm mạnh của hydro do người ta có thể sản xuất hydro từ nhiều nguồn khác nhau, một số phương pháp điển hình như:

+ Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforming)

+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis)

+ Phương pháp sinh học (Biological method)

Hình 2.5 Một số nguyên liệu tạo ra hydro [15]

2.1.2.1 Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon

a) Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)

Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách C

và chuyển hóa thành H2 nhờ hơi nước, quá trình này thường xảy ra ở nhiệt độ

700-850°C và áp suất từ 3 đến 25 bar với xúc tác thích hợp Các sản phẩm khí có chứa khoảng 12% CO được tiếp tục biến đổi thành CO2 và H2 qua các phản ứng: [15]

CH4 + H2O + nhiệt độ => CO + 3 H2 (2.1)

CO + H2O => CO2 + H2 + nhiệt độ (2.2)

CH4 + 1/2O2 => CO + 2H2 + nhiệt độ (2.3) Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất H2 Tuy nhiên phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v

b) Khí hóa hydrocarbon nặng (gasification heavy hydrocarbon)

- Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hydro các bon với hơi nước (phản ứng thu nhiệt): Các phản ứng hóa học chính trong quá trình biến đổi nhiệt hóa của nhiên

liệu HC với hơi nước được biểu diễn bởi các phương trình sau:[16]

CnHm + nH2O = nCO + (m/2+n)H2 (2.4)

CO + H2O = CO2 + H2 (2.5)

CnHm + 2nH2O = nCO2 + (m/2+2n)H2 (2.6)

- Phản ứng oxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn (phản ứng tỏa nhiệt): Nhiên

liệu HC nếu phản ứng cháy với O2 trong điều kiện thiếu O2 sẽ tạo ra sản phẩm là khí H2 và CO, đồng thời giải phóng một nhiệt lượng lớn Có thể coi quá trình phản ứng được thực hiện theo một số phương trình tổng hợp dưới đây:

CnHm + 0,5nO2 = nCO +0,5mH2 (2.7)

CnHm + (n+0,25m)O2 = nCO2 + 0,5mH2O (2.8)

- Phản ứng nhiệt hóa hydro các bon với khí CO 2 (phản ứng thu nhiệt):

Trong điều kiện nhiệt độ cao và môi trường có chất xúc tác, nhiên liệu hydro các bon có thể phản ứng với CO2 tạo ra khí ô xit các bon và hydro [17] theo phương trình sau:

CnHm + nCO2 = 2nCO + 0,5mH2 (2.9)

c) Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis)

Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydro Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước Hơi nước chứa hydro được ngưng tụ trong dầu nhiệt phân từ sinh khối và sau đó

có thể được hóa nhiệt để sinh ra hydro Quá trình này thường tạo ra sản lượng hydro khoảng từ 12%-17% trọng lượng hydro của sinh khối Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v

2.1.2.2 Phương pháp điện phân nước (Electrolysis)

Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydro và oxy Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực Hydro sinh ra ở điện cực âm và oxy ở điện cực dương:

Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2 OH- (2.10) Phản ứng trên anode: 2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e- (2.11) Tổng quát: 2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2 (2.12) Phương pháp này có ưu điểm là năng suất tạo H2 cao nhưng đồng thời có nhược điểm là rất tốn điện, hiệu suất biến đổi năng lượng thấp, không kinh tế và thiết bị cồng kềnh nến khó áp dụng trên phương tiện giao thông vận tải

2.1.2.3 Phương pháp sinh học (Biological method)

Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydro như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng Đây là một cách để sản xuất hydro từ ánh sáng mặt trời là sử dụng quá trình quang hợp của vi sinh vật để phân tách nước thành các ion hydro (H+) và electron (điện tử) Các ion hydro sau

đó kết hợp thành khí hydro (H2) và các vi sinh vật được sử dụng gọi là hydrogenases Tảo xanh có khả năng sử dụng năng lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp để sản xuất hydro Điều này đã được biết đến khoảng 15 năm về

trước nhưng hiệu quả thấp là một vấn đề cần giải quyết Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu

Như vậy, từ những vấn đề đã nghiên cứu ở trên về hydro cho thấy khả năng

sử dụng hydro làm giàu hỗn hợp cho động cơ xăng sẽ giải quyết được một số vấn

đề về an ninh năng lượng, chống biến đổi khí hậu…

2.2 Các phương pháp cung cấp nhiên liệu hydro cho động cơ xăng

Tuỳ thuộc vào đặc điểm, mục đích sử dụng nhiên liệu hydro cung cấp cho động cơ (dùng hydro chạy động cơ hay dùng hydro làm phụ gia nhiên liệu) mà người ta có thể lựa chọn được phương án cũng như nguồn hydro cấp cho động cơ sao cho thuận lợi nhất Mặt khác nó còn phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng động cơ cho mục đính gì, lĩnh vực nào, động cơ tĩnh tại hay động cơ lắp trên phương tiện giao thông Đối với động cơ tĩnh tại thì việc sử dụng nguồn nhiên liệu hydro được sản xuất sẵn trong công nghiệp cung cấp cho động cơ thuận lợi hơn các động cơ lắp trên phương tiện giao thông Chính vì vậy trên các phương tiện giao thông người ta có thể sử dụng ngay nhiên liệu truyền thống làm nguyên liệu để tạo ra và cung cấp hydro cho động cơ

Khi đánh giá các đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hydro ta cần phải đánh giá một vài đặc tính quan trọng như: 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 năng lượng có ích (BSEC)

2.2.1 Động cơ sử dụng nhiên liệu hydro

Ở đây, hydro sản xuất bởi các nhà máy quy mô công nghiệp được tích trữ trong các bình chứa ở dạng lỏng hoặc khí được sử dụng để cung cấp cho động cơ Đặc tính cũng như các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ phụ thuộc rất lớn vào phương pháp cấp hydro cho động cơ Hiện nay thường dùng một số cách cung cấp hydro cho động cơ như sử dụng hydro dạng khí hay lỏng phun vào đường nạp động cơ hoặc phun trực tiếp vào buồng cháy của động cơ.[14]

Hình 2.6 Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT

a) Cấp hydro ở dạng khí vào đường nạp động cơ:

Do bị hydro chiếm chỗ nên lượng không khí đi vào xylanh giảm tức là lượng không khí và nhiên liệu vào xylanh giảm theo dẫn đến công suất động cơ giảm Tuy nhiên phương pháp này tạo hỗn hợp tốt

b) Phun hydro lỏng vào đường nạp:

Do một lượng nhỏ hydro dạng lỏng chưa bay hơi kịp trên đường nạp đi vào xylanh nên nhiên liệu hydro chiếm ít thể tích của không khí hơn so với việc cấp hydro ở dạng khí vào đường nạp động cơ

c) Phun trực tiếp hydro lỏng hoặc khí trực tiếp vào buồng cháy:

Phương án này hoàn toàn không làm giảm lượng không khí nạp so với hai phương án trên Trong khi đó, sử dụng nhiên liệu hydro có nhiệt trị cao hơn xăng nên hiệu suất nhiệt; công suất và mô men của động cơ hydro cùng kích thước cũng cao hơn động cơ xăng (Hình 2.7) [12] Tuy nhiên phương pháp này thực hiện phức tạp hơn nhiều so với việc phun hydro vào đường ống nạp động cơ

a)

c)

b)

d) Hình 2.7 So sánh hiệu suất nhiệt, mô men, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu

giữa động cơ xăng và động cơ hydro cùng kích thước [12,18]

a) Hiệu suất nhiệt theo tốc độ động cơ b) Mô men theo tốc độ động cơ c) Công suất theo tốc độ động cơ d) Suất tiêu hao nhiên liệu

Về phát thải thì động cơ sử dụng hydro chỉ phát thải NOx mà không phát

thải HC, CO Tuy nhiên 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 xylanh, khi tăng tốc

độ động cơ cũng làm gia tăng hàm lượng CO trong khí thải, CO2 hầu như không

xuất hiện nhưng lượng O2 trong ống thải gia tăng [12]

Ngoài những ưu nhược điểm phân tích ở trên thì khi sử dụng nhiên liệu

hydro 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