Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hydro trên động cơ để cải thiện tính năng và phát thải

Trong các loại nhiên liệu thay thế, khí hydro H2 là loại khí có nhiệt trị khối lượng cao và khi cháy không gây phát thải các thành phần độc hại HC và CO như các loại nhiên liệu gốc hóa t

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

đề tài nghiên cứu nào khác

Hà Nội, tháng 09 năm 2017

Nghiên cứu sinh

ii

LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm các thành viên trong đề tài KC.05.TN05/11-15 đã cho tôi sử dụng kết quả nghiên cứu để làm luận án

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng nghề cơ khí nông nghiệp, Lãnh đạo khoa động lực và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận

án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Phạm Ngọc Anh

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

i Lý do chọn đề tài 1

ii Mục đích nghiên cứu 1

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

iv Phương pháp nghiên cứu 2

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 2

vi Điểm mới của luận án 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong 3

1.1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong 3

1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại 4

1.2 Nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong 6

1.2.1 Tính chất của khí hydro 6

1.2.2 Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hydro 9

1.2.3 Động cơ đốt trong bổ sung hydro 15

1.2.4 Động cơ đốt trong bổ sung khí giàu hydro 20

1.2.5 Kết luận về sử dụng hydro và khí giàu hydro trên động cơ 22

1.3 Các phương pháp sản xuất hydro và khí giàu hydro 23

1.3.1 Giới thiệu chung 23

1.3.2 Điện phân nước 23

1.3.3 Khí hóa sinh khối 24

1.3.4 Biến đổi nhiệt hóa cồn hoặc nhiên liệu hydrocarbons 24

-1.4 Tích trữ, vận chuyển và cung cấp hydro và khí giàu hydro cho động cơ đốt trong 28

-iv

1.4.1 Vấn đề tích trữ và vận chuyển hydro 28

1.4.2 Tạo hydro và khí giàu hydro ngay trên xe 29

1.5 Kết luận chương 1 29

-CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA NHIÊN LIỆU XĂNG 31

2.1 Giới thiệu chung 31

2.2 Các phản ứng hóa học của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 32

2.2.1 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước (SR) 32

2.2.2 Ô xi hóa không hoàn toàn xăng (PO) 35

-2.2.3 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước và ô xy ở trạng thái tự cân bằng về nhiệt (ATR) 37

2.3 Tốc độ của phản ứng xúc tác 40

2.3.1 Chất xúc tác 40

2.3.2 Trạng thái cân bằng hóa học của phản ứng biến đổi nhiệt hóa 43

2.3.3 Biểu thức tốc độ động học phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 46

2.4 Tốc độ thay đổi hàm lượng thành phần khí trong BXT 51

2.5 Kết luận chương 2 52

-CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN SỰ TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRONG BXT BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA XĂNG TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ HONDA WAVE- 53

3.1 Giới thiệu chung 53

3.1.1 Mục đích tính toán 53

3.1.2 Nhiệt khí thải của động cơ và khả năng tận dụng 53

3.1.3 Sơ đồ BXT biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải 54

3.2 Mô hình tính toán 58

3.2.1 Mô hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT 58

3.2.2 Mô hình tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu trong BXT 61

3.3 Kết quả tính toán và bàn luận 65

3.3.1 Các thông số vào 65

3.3.2 Kết quả tính toán quá trình SR tận dụng nhiệt khí thải 67

3.3.3 Kết quả tính toán quá trình PO 72

-v

3.3.4 Kết quả tính toán quá trình ATR 74

3.3.5 Kết hợp SR và PO tận dụng nhiệt khí thải 77

3.4 Kết luận chương 3 81

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 82

4.1 Giới thiệu chung 82

4.1.1 Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm 82

4.1.2 Đối tượng, chế độ và điều kiện thử nghiệm 83

4.1.3 Nhiên liệu thử nghiệm 83

4.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo và cấp khí giàu H2 trên động cơ 83

4.2.1 Thiết kế chế tạo BXT 83

4.2.2 Thiết kế lắp đặt hệ thống tạo và cung cấp khí giàu H2 trên động cơ 85

4.3 Trang thiết bị thử nghiệm 86

4.3.1 Phanh thuỷ lực 87

4.3.2 Cảm biến tốc độ động cơ 88

4.3.3 Thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ 88

4.3.4 Tủ phân tích khí thải AVL CEB II 89

4.3.5 Chương trình thử nghiệm 94

4.4 Kết quả thử nghiệm 96

4.4.1 Đánh giá độ tin cậy của mô hình tính toán biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu 96

4.4.2 Tính năng làm việc của động cơ ở 70% tải 98

4.4.3 Tính năng làm việc của động cơ ở toàn tải 101

4.5 Kết luận chương 4 103

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 104

Kết luận 104

Hướng phát triển 104

-TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 112

PHỤ LỤC 113

Phụ lục 1 Chương trình tính toán mô phỏng quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa xăng 113

vi

Phụ lục 2 Kết quả tính toán quá trình SR 120 Phụ lục 3 Một số hình ảnh thử nghiệm 121

ATR Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước và ô xi ở trạng thái tự cân bằng

về nhiệt

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số tính chất của hydro, mê-tan, xăng [39, 101] - 7 -

Bảng 2.1 Năng lượng tạo thành (enthalpy of formation) của một số chất ở 298K [33, 36] - 34 -

Bảng 2.2 Ưu nhược điểm của các phương pháp tạo ra hydro - 40 -

Bảng 2.3 Các hằng số động học phản ứng [87] - 50 -

Bảng 2.4 Các hằng số cân bằng [49, 75] - 50 -

Bảng 2.5 Các hằng số hấp thụ [49, 75] - 50 -

Bảng 3.1 Đặc tính kỹ thuật của chất xúc tác Ni-0309S - 55 -

Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm Honda Wave-  - 57 -

Bảng 3.3 Các thông số vào của BXT (xác định từ thực nghiệm) - 66 -

Bảng 3.4 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro - 69 -

Bảng 3.5 Nhiệt độ BXT và tỷ suất tạo H2 ở các chế độ tải (Số liệu đồ thị Hình 3.11) - 72 -

Bảng 3.6 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro của quá trình PO - 73 -

Bảng 3.7 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro - 75 -

Bảng 3.8 Thông số khí thải vào BXT - 78 -

Bảng 3.9 Kết quả tính toán kết hợp SR vàPO có tận dụng nhiệt khí thải - 78 -

Bảng 4.1 Các thông số cấp nguyên liệu của BXT - 95 -

Bảng 4.2 Kết quả tính toán và thực nghiệm quá trình SR - 97 -

Bảng 4.3 Thành phần H2 và khí giàu H2 trong khí nạp của động cơ - 98 -

Bảng 4.4 Đặc tính động cơ chạy xăng nguyên bản và bổ sung khí giàu hydro ở 70% tải - 98 -

Bảng 4.5 Đặc tính động cơ chạy xăng nguyên bản và bổ sung khí giàu hydro ở 100% tải - 101 -

x

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Giới hạn cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [44] - 8 -

Hình 1.2 Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [12] - 9 -

Hình 1.3 Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT [46] - 10 -

Hình 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của động cơ hydro và động cơ xăng [98] - 11 -

Hình 1.5 So sánh hiệu suất có ích của động cơ H 2 với bướm ga (BG) mở 100% (thay đổi  ), động cơ H 2 và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (  =1) duy trì mô men 80 Nm ở tốc độ khác nhau [93] -

12 - Hình 1.6 So sánh hiệu suất có ích của động cơ H 2 với bướm ga (BG) mở 100% và 50% (thay đổi  ) và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (  =1) để duy trì mô men 20 Nm ở các tốc độ khác nhau [93] - 12 - Hình 1.7 Phát thải NOx của động cơ H 2 ở 1500v/p, bướm ga mở hoàn toàn [93] - 13 -

Hình 1.8 So sánh hiệu suất của động cơ khi bổ sung và không bổ sung hydro ở 1400 v/p) ở tải trọng (MAP) khác nhau [19] - 15 -

Hình 1.8 So sánh hiệu suất của động cơ khi bổ sung và không bổ sung hydro ở 1400 v/p) ở các điều kiện tải trọng (MAP) khác nhau [18] - 16 -

Hình 1.9 Hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ lệ năng lượng H 2 thay thế ở không tải [19] - 16 -

Hình 1.10 Diễn biến hàm lượng phát thải của động cơ theo  khi bổ sung hydro với các tỷ lệ khác nhau [18] - 17 -

Hình 1.11 Áp suất có ích trung bình của động cơ bổ sung H 2 ở 1400v/p) với hỗn hợp có  khác nhau [18] - 18 -

Hình 1.12 So sánh hiệu suất có ích và phát thải của động cơ khi chạy chỉ diesel và khi chạy hydro-diesel [78] - 19 -

Hình 1.13 Hiệu suất chỉ thị và áp suất có ích trung bình của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21] - 20 -

Hình 1.14 Phát thải HC và NOx của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21] - 21 -

Hình 1.15 Phát thải CO của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21] - 21 -

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý điện phân nước tạo hydro - 23 -

Hình 2.1 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước, SR - 32 -

Hình 2.2 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình ô xi hóa không hoàn toàn xăng, PO - 35 -

Hình 2.3 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu với ô xy và hơi nước tự cân bằng về nhiệt, ATR - 37 -

Hình 2.4 Các dạng lõi phần tử xúc tác - 42 -

xi

Hình 2.5 Sơ đồ quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu ở trạng thái cân bằng - 43 -

Hình 3.1 Các thành phần cân bằng nhiệt của đông cơ đốt trong (ĐCĐT) - 53 -

Hình 3.2 Sơ đồ BXT biến đổi nhiệt hóa xăng tận dụng nhiệt khí thải - 54 -

Hình 3.3 Mô hình truyền nhiệt sấy nóng BXT - 59 -

Hình 3.4 Mô hình 2 chiều của bộ xúc tác - 62 -

Hình 3.5 Diễn biến thay đổi nhiệt độ khí thải và nhiệt độ trung bình của hạt xúc tác dọc theo chiều dài BXT trong quá trình SR ở chế độ toàn tải của động cơ, tỷ lệ khối lượng N/X = 3 - 67 -

Hình 3.6 Diễn biến thay đổi hàm lượng thể tích các thành phần khí ẩm trong BXT dọc theo chiều dài của nó trong quá trình SR ở chế độ toàn tải của động cơ , tỷ lệ khối lượng N/X=3 - 68 -

Hình 3.7 Diễn biến thay đổi hàm lượng thể tích của các thành phần khí khô trong BXT dọc theo chiều dài của nó trong quá trình SR ở chế độ toàn tải của động cơ - 68 -

Hình 3.8 Quan hệ giữa hàm lượng sản phẩm khô của quá trình SR với tỷ lệ khối lượng N/X ở chế độ toàn tải của động cơ - 69 -

Hình 3.9 So sánh tỷ số biến đổi nhiên liệu của quá trình SR theo tỷ lệ khối lượng N/X khi có tận dụng và không tận dụng nhiệt khí thải ở chế độ toàn tải của động cơ - 70 -

Hình 3.10 So sánh tỷ suất tạo hydro của quá trình SR theo tỷ lệ nước/xăng ở các chế độ 100% tải, 70% tải và 50% tải của động cơ - 71 -

Hình 3.11 Ảnh hưởng của chế độ tải đến nhiệt độ BXT và tỷ suất tạo H2 (mol H2/1g xăng) của quá trình SR ở tỷ lệ N/X tối ưu - 71 -

Hình 3.12 Quan hệ giữa các hàm lượng thành phần sản phẩm khô và tỷ lệ K/X của quá trình PO -

73 - Hình 3.13 Quan hệ giữa tỷ suất tạo H2 và CO và nhiệt dư với tỷ lệ K/X của quá trình PO - 73 -

Hình 3.14 Sự thay đổi của hàm lượng thể tích khí khô CO, H2 theo tỷ lệ nước/xăng ở các tỷ lệ không khí/xăng (K/X) khác nhau của quá trình ATR - 76 -

Hình 3.15 Sự thay đổi của tỷ suất tạo CO, H2 theo tỷ lệ nước/xăng ở các tỷ lệ không khí/xăng (K/X) khác nhau của quá trình ATR - 76 -

Hình 3.16 Tỷ suất tạo H2 của BXT ở các chế độ tải của động cơ - 79 -

Hình 3.17 Tỷ suất tạo H2 của BXT ở các chế độ tải của ĐC với tỷ lệ cấp nguyên liệu tối ưu - 80 -

Hình 4.1 Cụm BXT và ống trao đổi nhiệt - 83 -

Hình 4.2 Bản vẽ chi tiết BXT - 84 -

Hình 4.3 Mô hình bố trí BXT reforming nhiên liệu xăng theo quá trình SR tận dụng nhiệt khí thải - 85 - Hình 4.4 Sơ đồ băng thử nghiệm các tính năng của động cơ - 86 -

Hình 4.5 Phanh thuỷ lực Didacta T101D - 87 -

xii

Hình 4.6 Bộ chuyển đổi tín hiệu và máy tính hiển thị - 87 -

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của hệ thống cảm biến tốc độ động cơ - 88 -

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S - 88 -

Hình 4.9 Giao diện trên máy tính hệ thống cân nhiên liệu AVL 733S - 89 -

Hình 4.10 Sơ đồ của tủ AVL CEBII - 90 -

Hình 4.11 Sơ đồ cấu tạo của bộ đo CO - 90 -

Hình 4.12 Sự ảnh hưởng của H 2 O đến CO - 91 -

Hình 4.13 Sơ đồ cấu tạo bộ phân tích NO và NO x - 92 -

Hình 4.14 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC - 93 -

Hình 4.15 So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm SR ở 70% tải - 97 -

Hình 4.16 So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm SR ở 100% tải - 97 -

Hình 4.17 Công suất động cơ tại 70% độ mở bướm ga - 99 -

Hình 4.18 Suất tiêu hao nhiên liệu tại 70% độ mở bướm ga - 99 -

Hình 4.19 Diễn biến các thành phần phát thải tại 70% bướm ga - 100 -

Hình 4.20 Công suất động cơ tại vị trí bướm ga mở hoàn toàn - 101 -

Hình 4.21 Suất tiêu hao nhiên liệu tại vị trí bướm ga mở hoàn toàn - 102 -

Hình 4.22 Diễn biến các thành phần phát thải tại 100% bướm ga - 103 -

Do đó, cần phải có các giải pháp cấp bách để khắc phục vấn đề này Việc nghiên cứu phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế có mức phát thải thấp và sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu sẵn có sẽ là giải pháp căn cơ có tầm ảnh hưởng toàn cầu, đảm bảo an ninh năng lượng của các quốc gia và sự phát triển bền vững cho nhân loại Tuy nhiên, hiện vẫn chưa phát triển được nguồn nhiên liệu mới sạch có tiềm năng đủ để thay thế hoàn toàn nhiên liệu truyền thống trên ĐCĐT nên trước mắt, việc nghiên cứu tối ưu hoá, nâng cao hiệu quả quá trình cháy của động cơ để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải độc hại vẫn luôn được quan tâm hàng đầu

Một trong những biện pháp hữu hiệu để nâng cao hiệu quả quá trình cháy trên các động cơ hiện hành mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu động cơ là bổ sung một lượng nhỏ khí hydro hoặc khí giàu hydro vào động cơ Hydro có đặc điểm khuếch tán nhanh, dễ bắt cháy và cháy nhanh nên khi được bắt cháy trong hỗn hợp với nhiên liệu hóa thạch truyền thống trong xi lanh động cơ nó sẽ làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu và giúp nhiên liệu cháy kiệt, nhờ đó làm tăng hiệu quả quá trình cháy và giảm phát thải độc hại của động cơ

Tuy nhiên, hydro có nhược điểm lớn so với nhiên liệu truyền thống là tồn tại ở dạng khí và có tỷ trọng rất thấp nên việc tích trữ, bảo quản và vận chuyển khí này để đủ cung cấp liên tục cho động cơ trên các phương tiện vận tải gặp khá nhiều khó khăn và tốn kém Chính vì vậy, việc nghiên cứu tạo ra và cung cấp khí hydro hoặc khí giàu hydro cho động

cơ ở ngay trên động cơ để cải thiện quá trình cháy, nâng cao hiệu suất và giảm phát thải cho động cơ sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao Công nghệ này sẽ khắc phục được các khó khăn về tích trữ, bảo quản và vận chuyển nói trên Đây cũng chính là lý do của

việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hyddro trên động cơ để cải thiện tính năng và phát thải”

ii Mục đích nghiên cứu

Đưa ra và phát triển được giải pháp công nghệ thích hợp để tạo khí giàu hydro trên động cơ xăng đảm bảo tỷ suất và hiệu suất tạo hydro cao nhất, phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

Đánh giá được tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ được bổ sung khí giàu hydro tạo ra trên động cơ

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng tạo khí giàu hydro

- 2 -

trong bộ xúc tác (BXT) và thiết kế chế tạo BXT tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hydro trên động cơ xe máy Honda Wave- và đánh giá tính năng của động cơ sử dụng khí giàu hydro này Việc nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực (CKĐL), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

iv Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết

và nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể là:

Phần nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các phương pháp tạo khí giàu hydro trên động cơ và mô hình hóa tính toán quá trình tạo khí giàu hydro trong BXT tận dụng nhiệt khí thải nhằm xác định được các phương pháp tạo khí giàu hydro phù hợp và các thông số làm việc tối ưu của BXT ở các chế độ làm việc của động cơ

Phần nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán lý thuyết quá trình tạo khí giàu hydro và đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ được bổ sung khí giàu hydro tạo ra trên động cơ

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Luận án đã phân tích và lựa chọn phương án tạo khí giàu hydro từ nhiên liệu xăng qua quá trình biến đổi nhiệt hóa với sự hỗ trợ của chất xúc tác Đã xây dựng được mô hình

mô phỏng và tính toán các thông số làm việc của bộ xúc tác làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo bộ xúc tác nhiệt hóa tận dụng nhiệt khí thải cho động cơ xe máy Wave – α Kết quả thử nghiệm bộ xúc tác cho thấy những cải thiện đáng kể về tính năng làm việc và phát thải của động cơ Đồng thời luận án đã giải quyết được khó khăn vè tích trữ và cung cấp khí giàu hydro cho động cơ bằng cách tạo ra hydro ngay trên phương tiện

vi Điểm mới của luận án

Luận án đã xây dựng thành công mô hình tính toán quá trình tạo khí giàu hydro từ nhiên liệu xăng bằng phương pháp biến đổi nhiệt hóa tận dụng nhiệt khí thải động cơ Từ

đó tính toán được tỷ lệ nước/nhiên liệu cấp vào bộ xúc tác cho hiệu suất tạo khí giàu hydro cao

Đã thiết kế, chế tạo lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống cung cấp khí giàu hydro sử dụng bộ xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước cho động cơ xe máy Wave – α Kết quả đã cải thiện đáng kể tính năng và phát thải của động cơ ở 70% tải và 100% tải

vii Nội dung của luận án

Mở đầu

Chương1 Tổng quan

Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng Chương 3 Tính toán sự tạo khí giàu hydro trong bộ xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng tận dụng nhiệt khí thải trên động cơ Honda Wave-

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chung và phương hướng phát triển

- 3 -

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong

1.1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong là nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường Các thành phần độc hại chính phát thải từ động cơ gồm ô xít các bon (CO), hydrocacbon (HC), ô xít ni tơ (NOx), ô xít lưu huỳnh (SO2), khói đen và các chất thải dạng hạt khác Các thành phần chất thải này không những gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe con người mà về lâu về dài còn phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống con người Theo số liệu thống kê ở Mỹ năm 1997, các chất ô nhiễm phát thải từ các phương tiện vận tải trang bị động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm 4050% tổng hàm lượng HC trong không khí, 50% tổng hàm lượng

NOX và 8090% tổng hàm lượng CO ở khu vực thành phố [40] Ở các nước phát triển khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng xảy ra vấn đề tương tự Trong những năm gần đây,

số lượng phương tiện vận tải ngày càng tăng cao, trung bình hàng năm thế giới sản xuất và đưa vào sửa dụng thêm trên 40 triệu chiếc động cơ, nên càng làm vấn đề ô nhiễm môi trường thêm trầm trọng

Các thành phần độc hại phát ra từ động cơ có thể từ 3 nguồn Thứ nhất là khí thải trên đường ống xả Đó là những khí độc hại phát sinh trong quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ và thải ra ngoài thông qua đường ống xả Khí thải bao gồm những thành phần chính là Ni tơ (N2) và hơi nước chiếm khoảng 83%, các khí còn lại là ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2), carbuahydro (HC), và các loại ô xít ni tơ (NOx) Thứ hai là các khí rò lọt bao gồm những khí rò lọt qua khe hở giữa pít tông và xi lanh, chủ yếu là N2 và O2

chiếm tới 90% phần còn lại là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng nhỏ CO và NOx Thứ

ba là các khí bay hơi gồm chủ yếu là hơi xăng (HC) bay hơi từ các thiết bị nhiên liệu Trong ba nguồn này thì khí thải từ đường ống thải là nguồn gây ô nhiễm chính của động cơ với các thành phần độc hại là CO, HC, NOx, khói và chất thải rắn Với động cơ xăng, các thành phần phát thải độc hại chủ yếu gồm CO, HC, NOx Đối với nguồn khí rò lọt và khí bay hơi, thành phần độc hại chủ yếu là HC chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng phát thải HC của động cơ nên thường không được quan tâm nhiều

Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ liên quan đến quá trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình

ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và quá trình này diễn ra trong buồng cháy động

cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như thành phần giữa không khí và nhiên liệu, điều kiện cháy v.v Ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn toàn của nhiên liệu Hydrocacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh ra sản phẩm cháy không độc hại như là CO2, H2O Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với sự cháy hoàn toàn có thể nói là không bao giờ xảy ra, bởi vì thời gian cho quá trình ôxy hoá bị giới hạn và sự thiếu đồng nhất ở trạng thái hơi của nhiên liệu trong không khí Kết quả là trong sản vật cháy, ngoài các sản phẩm cháy hoàn toàn còn có các thành phần độc hại CO và HC Thêm nữa, quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ cao trong môi trường có ô xy và ni tơ nên sẽ sinh ra chất độc hại NOx trong khí thải

- 4 -

Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại động cơ, và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ [5] Hàm lượng CO tăng khi hệ số dư lượng không khí  giảm Nồng độ CO cao hơn với hỗn hợp giàu nhiên liệu hơn Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa nhiên liệu và không khí hoặc nhiên liệu không hoàn toàn ở trạng thái hơi Do vậy, mặc dù  chung có thể >1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO

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

sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe

hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời

kỳ giãn nở khi áp suất giảm Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá trình giãn nở Một phần Hydrocacbon này được ôxy hoá khi được trộn với khí đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải ra ngoài cùng với khí thải nên gây

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

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

Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O được gọi chung dưới cái tên NOX trong đó NO chiếm đa phần trên 80% Khí thải NOx được hình thành ở nhiệt độ cháy cao Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ phận NOX hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt

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

1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại

Việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp hữu hiệu để giảm phát thải cho động cơ đã được quan tâm từ lâu Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng hiện nay có thể được chia thành ba nhóm [5]

Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm nồng độ độc hại khí thải từ xi lanh bằng cách tối ưu hoá chất lượng tạo hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động cơ Các biện pháp công nghệ của nhóm này bao gồm cải tiến hệ thống phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp, áp dụng hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ, điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí-nhiên liệu và thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp trong động cơ xăng, tối ưu kết cấu buồng cháy, luân hồi khí thải, và một số công nghệ khác Nhìn chung

Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi các thành phần độc hại của khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý xúc tác trung hòa khí thải Ở phương pháp này, các thành phần độc hại

CO, HC được ô xi hóa tiếp trong các bộ xử lý xúc tác ô xi hóa; còn NOx được chuyển thành N2 trong bộ xủa lý xúc tác giảm NOx hoặc việc ô xi hóa CO, HC, và giảm NOx được thực hiện đồng thời trong cùng một bộ xử lý xúc tác 3 chức năng trên động cơ xăng; khói bụi thì được xử lý trong các bộ xử lý xúc tác đặc biệt Việc xử lý xúc tác khí thải cho phép giảm đến trên 95% hàm lượng các thành phần độc hại [81] Tuy nhiên, hiệu quả xử lý xúc tác này chỉ đạt được ở chế độ làm việc ổn định của động cơ khi bộ xử lý xúc tác đã nóng hoàn toàn Ở chế độ khởi động lạnh, chạy ấm máy, chạy không tải và chế độ chuyển tiếp, hiệu quả của bộ xủa lý xúc tác rất thấp làm tăng lượng phát thải độc hại vào môi trường Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu (pha phụ gia cải thiện nhiên liệu) và sử dụng nhiên liệu thay thế Hiện nay, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trên các động cơ hiện hành ngày càng được quan tâm nhằm mục đích vừa để bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt do nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và vừa để giảm phát thải cho động cơ Do đó, yêu cầu đối với nhiên liệu thay thế là phải có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có khả năng cháy tốt, cháy kiệt và có nồng độ phát thải độc trong khí thải thấp

Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành hai nhóm, nhóm nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch và nhóm có nguồn gốc tái tạo Nhóm nhiên liệu thay thế có nguồn gốc hóa thạch

có thể gồm khí thiên nhiên (khí thiên nhiên nén CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), dimethyl ether (DME) và một số khí khác Các loại khí này có tỷ

lệ các bon (C/H) nhỏ nên sản vật cháy chứa ít thành phần độc hại CO, HC và CO2 hơn so với khí thải của xăng và diesel [6, 11] Nhóm nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo có thể gồm khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio-methanol), hydro, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME – Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa (HVO – Hydrotreating Vegetable Oil)

và sinh khối hóa lỏng (BTL – Bio-mass To Liquid) Các nhiên liệu tái tạo có ưu điểm nổi bật là có thể nuôi trồng chế biến được nên không bao giờ cạn, mặt khác các nhiên liệu này cũng có hàm lượng C nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng và diesel và đặc biệt là khí hydro không chứa C nên phát thải độc hại thấp hơn

Trong các loại nhiên liệu thay thế, khí hydro (H2) là loại khí có nhiệt trị khối lượng cao và khi cháy không gây phát thải các thành phần độc hại HC và CO như các loại nhiên liệu gốc hóa thạch, mặt khác, hydro có trữ lượng gần như vô tận trong thiên nhiên nên hiện nay được coi là nhiên liệu của tương lai và là nhiên liệu thay thế rất tiềm năng cho động cơ đốt trong [37]

và không có thành phần ô nhiễm CO và HC 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 (trên 130), chống kích nổ tốt, nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó có thể tăng công suất và hiệu suất của động cơ Giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng (=0,1410) nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, góp phần làm tăng tính kinh tế của động cơ Mặc dù vậy, nhiên liệu hydro cũng có một số nhược điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hydro cấp vào đường ống nạp thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều Các tính chất vật lý và tính chất cháy của khí hydro ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sử dụng khí này làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong đã được trình bày một cách chi tiết trong các tài liệu tham khảo [12,37,44, 98]

a) Tỷ trọng

Số liệu trong bảng cho thấy hydro có tỷ trọng nhỏ chỉ bằng khoảng 11% so với mê tan và 1,6% so với hơi xăng, tức là nhẹ hơn 8,7 lần so với mê tan và 63,2 lần so với hơi xăng ở cùng điều kiện áp suất Trong bảng tuần hoàn hoá học, hydro có khối lượng phân tử

là 2,016 và là nguyên tố nhẹ nhất; tỉ trọng của nó nhỏ hơn 14 lần so với không khí ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn Hydro tồn tại ở dạng lỏng tại nhiệt độ dưới 20,3K Tỷ trọng của hydro nhỏ sẽ làm giảm mật độ năng lượng của nhiên liệu này

b) Hệ số khuếch tán

Hydro có hệ số khuyếch tán cao gấp hơn 3 lần mê tan và hơn 12 lần xăng nên khả năng tạo hỗn hợp đồng nhất với không khí trong động cơ tốt hơn nhiều so với mê tan và xăng Thêm nữa, vì có hệ số khuếch tán cao cộng với tỷ trọng nhỏ nên hydro khi bị rò rỉ ra môi trường ngoài sẽ rất dễ dàng phát tán và bay lên chứ không tập trung gần mặt nền như khí mê tan và xăng nên nguy cơ xảy ra cháy nổ và hỏa hoạn thấp hơn rất nhiều so với hai nhiên liệu kia [44]

c) Nhiệt trị và năng lượng cháy trong động cơ

Hydro có nhiệt trị khối lượng cao nhất so với tất cả các loại nhiên liệu khác của động

cơ Nhiệt trị của hydro là 119,7 MJ/kg gấp gần ba lần so với xăng Tuy nhiên, do tỷ trọng

- 7 -

của hydro nhỏ nên mật độ năng lượng của nó nhỏ hơn so với mê tan và xăng và thành phần thể tích nhiên liệu trong hỗn hợp với không khí lại lớn hơn so với trường hợp hai nhiên liệu kia nên công suất động cơ hydro có thể sẽ thấp hơn động cơ chạy khí mê tan và xăng nếu động cơ có cùng dung tích xi lanh và cấp nhiên liệu vào đường ống nạp Vấn đề này cần phải được lưu lý khi thiết kế động cơ hydro để đảm bảo công suất yêu cầu của động cơ Trong động cơ phun nhiên liệu trực tiếp nếu cùng tốc độ và dung tích xi lanh thì động cơ hydro sẽ có công suất lớn hơn

Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 300 K (kg/m3) 0,082 0,717 5 , 1 1

32.560 6.860.000 20.920.400

228.495

- 31.150.000 Thành phần thể tích trong hỗn hợp

Tỷ lệ khối lượng không khí/nhiên liệu của

Nhiệt cháy của hỗn hợp nhiên liệu với 1 kg

- 8 -

nằm giữa 4% đến 75% thể tích hydro có trong hỗn hợp nhiên liệu-không khí (tương đương

=1,4  10), trong khi đó khí thiên nhiên có phạm vi cháy từ 5,3% - 15% (=0,6  2,5) và xăng 2% - 6% (=0,25  1,4), tức là hydro có thể làm việc được với hoà khí rất nghèo Giới hạn cháy của hydro một số nhiên liệu khác được thể hiện trên Hình 1.1

Thông thường, khi hỗn hợp có giới hạn cháy càng nghèo thì nhiên liệu sẽ cháy kiệt hơn vì thế nâng cao được tính kinh tế Thêm nữa, cháy nghèo sẽ làm nhiệt độ cuối quá trình cháy thấp hơn làm giảm bớt hàm lượng ô nhiễm NOx trong khí thải Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo thì công suất động cơ thấp do mật độ của nhiên liệu có trong của hỗn hợp không khí nhiên liệu thấp Do đó, trong động cơ hydro có thể điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo tải để có thể đảm bảo động cơ làm việc kinh tế ở tải nhỏ và công suất lớn ở tải lớn

e) Năng lượng tia lửa yêu cầu

Năng lượng đánh lửa yêu cầu để đốt cháy nhiên liệu hydro thấp hơn nhiều so với năng lượng đánh lửa yêu cầu để đốt cháy khí mê tan và xăng (Bảng 1.2) nên ưu điểm của động cơ hydro là hệ thống đánh lửa đơn giản và giá thành thấp Tuy nhiên, đặc điểm này

có thể gây khó kiểm soát vấn đề tự cháy của nhiên liệu Những đốm lửa trong thành lanh có thể dễ dàng đốt cháy nhiên liệu ngay cả khi van nạp chưa kịp đóng, dẫn đến hiện tượng cháy ngược lại cổ hút hoặc tạo ra sự tăng áp đột ngột trong xi lanh trong động cơ cấp hydro vào đường nạp tạo nên tiếng gõ gây hư hỏng cho động cơ Vấn đề này cần phải được quan tâm trong thiết kế động cơ chạy nhiên liệu hydro

- 9 -

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 tốt hơn Đồ thị Hình 1.2 thể hiện sự thay đổi của tốc độ cháy theo hệ số dư lượng không khí của một số loại nhiên liệu

Hình 1.2 Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [12]

Tốc độ cháy nhanh sẽ giúp dễ dàng cháy kiệt làm tăng hiệu quả quá trình cháy nhưng lại làm cho áp suất và nhiệt độ cháy cao trong suốt quá trình cháy của động cơ Do vậy, khi động cơ làm việc ở gần tỉ lệ hoà khí tối ưu dẫn tới nhiệt độ khí cháy 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

h) Nhiệt độ tự cháy

Nhiệt độ tự cháy là một thông số vô cùng quan trọng, nó quyết định đến tỉ số nén của động cơ tức là quyết định đến hiệu suất nhiệt có ích của động cơ Hydro có nhiệt độ tự cháy cao nên có thể nâng cao tỉ số nén mà không sợ bị cháy kích nổ, góp phần nâng cao hiệu suất của động cơ Tỉ số nén càng cao thì động cơ có thể làm việc với hoà khí nghèo

mà vẫn cho hiệu suất và công suất cao Nhiệt độ tự cháy của hydro cao (858oC) gấp đôi của xăng nên đây là một ưu điểm lớn của nhiên liệu hydro

i) Khoảng cách dập tắt màng lửa

Khoảng cách dập tắt màng lửa là khoảng cách từ màng lửa bị dập tắt đến bề mặt thành buồng cháy Nhiên liệu hydro có khoảng dập tắt màng lửa nhỏ hơn xăng (của hydro

là 0,6 mm của xăng là 2,0 mm) Do vậy ngọn lửa hydro 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 trong động cơ hydro, sự cháy có thể diễn ra với các phần nhiên liệu tại các vị trí mà ngọn lửa trong động

cơ xăng không thể đến 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 do thành phần nhiên liệu không cháy được từ khu vực màng lửa bị dập tắt thoát vào khí thải giảm xuống [44]

1.2.2 Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hydro

a) Các phương pháp cung cấp nhiên liệu trong động cơ hydro

Do hydro có trị số ốc tan cao và nhiệt độ tự cháy cao như chỉ ra trên Bảng 1.1 nên hydro rất thích hợp để làm nhiên liệu trong động cơ đốt cháy cưỡng bức Cũng như trong động cơ xăng hay động cơ chạy nhiên liệu khí, việc cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong

- 10 -

động cơ hydro cũng có thể được thực hiện bằng cách cấp hydro vào đường ống nạp hay phun trực tiếp vào trong xi lanh động cơ Tuy nhiên, trong động cơ xăng việc cấp nhiên liệu vào đường nạp hay phun trực tiếp vào trong xi lanh không ảnh hưởng nhiều đến lượng không khí nạp do nhiên liệu xăng khi cấp vào vẫn tồn tại ở thể lỏng và có tỷ trọng lớn hơn nhiên liệu khí Còn trong động cơ hydro thì khác hẳn, phương pháp cấp hydro vào động cơ ảnh hưởng rất lớn đến lượng khí nạp và do đó sẽ ảnh hưởng lớn đến công suất động cơ [46] Sơ đồ Hình 1.3 giới thiệu một số phương pháp cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ hydro và ảnh hưởng của chúng đến lượng khí nạp trong điều kiện hỗn hợp không khí-nhiên liệu có hệ số dư lượng không khí lambda bằng 1 so với động cơ xăng tạo hỗn hợp trong đường ống nạp

a) Động cơ xăng cấp xăng vào đường ống nạp, b) Phun hydro dạng khí vào đường ống nạp, c) Phun H 2 lỏng vào đường ống nạp, d) Phun H 2 dạng khí áp suất cao vào buồng đốt

Giả sử các trường hợp các sơ đồ động cơ (a), (b), (c) và (d) trên Hình 1.3 là cùng dung tích xi lanh (ví dụ 1 lít) và lần lượt ứng với động cơ xăng cấp nhiên liệu vào đường nạp, động cơ hydro cấp khí hydro vào đường nạp, động cơ hydro phun hydro lỏng vào đường nạp và động cơ hydro phun trực tiếp khí hydro áp suất cao vào trong xi lanh động

cơ Với hệ số dư lượng không khí lambda bằng 1 có thể dễ dàng tính toán được lượng hỗn hợp không khí và nhiên liệu nạp đầy vào xi lanh ở điều kiện lý tưởng và từ đó dựa vào số liệu Bảng 1.1 sẽ tính được lượng nhiệt đưa vào động cơ

Với động cơ xăng cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong đường ống nạp (Hình 1.3a), thể tích hỗn hợp khí nạp stoichiometric gồm 1,65% thể tích nhiên liệu và 98,35% thể tích không khí Nếu 1 lít thể tích hỗn hợp khí nạp nói trên ở nhiệt độ 25oC và áp suất khí trời 1 atm (khối lượng không khí khi đó vào khoảng 1,22g) thì sẽ sinh ra năng lượng nhiệt khi cháy hoàn toàn là khoảng 3,5 kJ

Động cơ hydro cấp khí hydro vào đường nạp (Hình 1.3b) có hệ thống cung cấp nhiên liệu rẻ Tuy nhiên, thể tích khí hydro trong hỗn hợp chiếm tỷ lệ tới 29,53% và thể tích không khí còn lại là 70,47% Với thể tích hỗn hợp khí nạp ở điều kiện nhiệt độ và áp suất như ở động cơ xăng nói trên thì năng lượng nhiệt sinh ra khi cháy hoàn toàn chỉ bằng khoảng 84% so với động cơ xăng

- 11 -

Với động cơ hydro phun hydro lỏng vào đường nạp (Hình 1.3c), hydro hầu hết vẫn ở dạng lỏng trong xi lanh trước khi xu páp nạp đóng nên thể tích khí nạp bị giảm không nhiều, chỉ khoảng 3,5%, tức là thể tích khí nạp chiếm khoảng 96,5% thể tích xi lanh Do đó trong trường hợp này với thành phần hỗn hợp stoichiometric thì khối lượng nhiên liệu hydro trong xi lanh nhiều hơn trường hợp (b) nên công suất lớn hơn Nếu so với động cơ xăng trường hợp (a) thì do hydro có nhiệt trị khối lượng cao hơn nên công suất động cơ hydro trong trường hợp này sẽ lớn hơn khoảng 15%

Với động cơ phun hydro trực tiếp vào xi lanh thì không ảnh hưởng gì đến lượng không khí nạp, tức thể tích không khí nạp bằng đúng thể tích xi lanh Khối lượng không khí nạp trong trường hợp này là 1,24g, từ đó tính được năng lượng đưa vào động cơ là 4,2kJ, lớn hơn của động cơ xăng 21%

Nói tóm lại, động cơ hydro với phương pháp cung cấp khí hydro vào đường nạp thường được sử dụng vì hệ thống cung cấp nhiên liệu đơn giản, giá thành rẻ Tuy nhiên, phải chấp nhận công suất động cơ giảm 15% so với chạy xăng

b) Hiệu suất nhiệt của động cơ hydro

Về mặt lý thuyết, hiệu suất nhiệt th của động cơ đốt trong được xác định theo công thức:

Trong đó, V1/V2 là tỷ số nén,  là

tỷ số tỷ nhiệt đẳng áp và tỷ nhiệt đẳng

tích của môi chất, =Cp/Cv

Do đó, có thể thấy chắc chắn hiệu

suất nhiệt của động cơ hydro lớn hơn

hiệu suất nhiệt của động cơ xăng vì

hydro có trị số ốc tan cao hơn nên cho

phép tăng tỷ số nén lên cao hơn của

động cơ xăng Mặt khác, tỷ số tỷ nhiệt 

của hydro là 1,4 trong khi tỷ số tỷ nhiệt

của xăng là 1,1

Theo nghiên cứu của White và các cộng sự [98], khi so sánh hiệu suất nhiệt của các động cơ hydro cùng dung tích với các tỷ số nén khác nhau và động cơ hydro với động cơ xăng cùng tỷ số nén cho thấy hiệu suất có ích của động cơ hydro cao hơn đáng kể so với hiệu suất của động cơ xăng ở cùng chế độ tải và khi tăng tỷ số nén thì hiệu suất tăng lên (đồ thị Hình 1.4) Theo các tác giả này, động cơ hydro có thể tăng được tỷ số nén tới 14,5:1 và đó có thể là tỷ số nén tối ưu để cho hiệu suất cao nhất Chính vì vậy, cùng với thực tế là nhiệt trị khối lượng của nhiên liệu hydro cao gấp hơn 2,7 lần nhiệt trị của xăng nên suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ hydro thấp hơn đến 63% so với động cơ xăng theo kết quả nghiên cứu của Pourkhesalian và cộng sự [11]

Tỷ lệ tải so với tải max của động cơ xăng

Hình 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của động cơ

hydro và động cơ xăng [98]

- 12 -

Nhiều công trình nghiên cứu khác

cũng đã chỉ ra rằng hiệu suất cực đại

của động cơ hydro trong dải chế độ làm

việc thường lớn hơn hiệu suất cực đại

của động cơ xăng Hiệu suất có ích của

động cơ xăng thường là 25-30% trong

khi hiệu suất có ích cực đại của động cơ

hydro phun trực tiếp có thể đến 45%

[97] Các động cơ cấp hydro vào đường

nạp cũng có hiệu suất khá cao Tang và

cộng sự [85] nghiên cứu thực nghiệm

đo công suất, tiêu hao nhiên liệu và diễn

biến áp suất trong xi lanh của một động

cơ nghiên cứu chạy hydro ở các tỷ số

nén và tốc độ khác nhau để tính toán hiệu suất của động cơ đã chỉ ra rằng hiệu suất chỉ thị cực đại của động cơ đạt đến 52% và hiệu suất có ích cực đại đạt đến 38% Natkin và cộng

sự [68] cũng có kết luận tương tự khi nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ hydro tăng áp Các tác giả còn chỉ ra rằng ở tải thấp, phương pháp điều chỉnh tải bằng cách thay đổi 

(bướm ga mở hoàn toàn) có thể giúp tăng hiệu suất có ích thêm đến 15% so với khi điều chỉnh tải bằng cách thay đổi độ mở bướm ga

Nghiên cứu của Verhelst và cộng

sự [93] trên động cơ Volvo 4 xi lanh,

1,8 lít, tỷ số nén 10,3:1 được trang bị

thêm hệ thống phun hydro đa điểm vào

đường nạp để có thể chạy chỉ với xăng

hoặc chỉ với hydro để so sánh hiệu suất

của động cơ khi chạy hai nhiên liệu

này Kết quả nghiên cứu khi duy trì

thành phần hỗn hợp =1 và mô men

không đổi (80Nm) trên toàn dải tốc độ

(thay đổi độ mở bướm ga và lực

phanh) cho thấy hiệu suất của động cơ

khi chạy H2 luôn luôn lớn hơn hiệu suất

của động cơ khi chạy xăng Ở tốc độ

thấp (1500v/p), mức chênh lệch đến 28%, còn ở tốc độ cao (3500v/p), mức chênh lệch gần 10% Ở chế độ mô men này khi động cơ hydro thay đổi công suất bằng cách thay đổi 

(=1,2 – 1,8) còn bướm ga luôn mở hoàn toàn thì hiệu suất cao hơn 24-36% so với hiệu suất của động cơ khi chạy xăng (Hình 1.5)

Kết quả nghiên cứu của Verhelst và cộng sự [93] cũng cho thấy động cơ H2 khi giảm tải thì hiệu suất động cơ giảm nhiều, khi tăng tốc độ thì hiệu suất động cơ cũng giảm Tuy nhiên, ở cùng chế độ mô men và tốc độ với động cơ xăng thì hiệu suất của động cơ H2 vẫn lớn hơn nhiều Ở mô men 20 Nm, hiệu suất của động cơ H2 cao hơn động cơ xăng đến

với bướm ga (BG) mở 100% (thay đổi ), động cơ

H 2 và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) duy trì mô men 80 Nm ở tốc độ khác nhau [93]

với bướm ga (BG) mở 100% và 50% (thay đổi )

và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) để duy trì mô men 20 Nm ở các tốc độ khác nhau [93]

- 13 -

67% (Hình 1.6) Ở độ mở bướm ga 50% thì cần thay đổi  từ 4 đến 2 để tăng tốc độ động

cơ từ 1050v/p lên 4500v/p; còn khi mở hoàn toàn bướm ga thì cần điều chỉnh  trong khoảng 4-5

c) Phát thải

Sự cháy của hydro với ô xi tạo ra sản phẩm chỉ có nước Tuy nhiên, trong động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hydro thì hydro cháy với không khí nên ngoài nước, sản phẩm cháy có thể còn có các loại ô xít ni tơ NOx:

Hàm lượng NOx tạo thành trong động

cơ hydro phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như

thành phần hỗn hợp (hệ số dư lượng không

khí lam đa), phương pháp cấp hydro và tạo

hỗn hợp, tỷ số nén, góc đánh lửa sớm, tốc độ

của động cơ, và tỷ lệ luân hồi khí thải nếu áp

dụng

Phương pháp phun trực tiếp khí hydro

áp suất thấp vào xi lanh sẽ làm giảm đáng kể

phát thải NOx ở tải nhỏ so với phương pháp

cấp hydro dạng khí vào đường ống nạp Còn

ở tải trung bình và tải lớn thì phương pháp phun trực tiếp khí hydro áp suất cao vào trong

xi lanh động cơ và phun hydro dạng lỏng vào đường ống nạp lần lượt có hàm lượng phát thải NOx thấp hơn [79,104]

Tuy nhiên tỷ lệ thành phần hỗn hợp (hệ số dư lượng không khí ) là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất Ở tỷ lệ không khí/nhiên liệu gần với tỷ lệ lý thuyết (1) thì quá trình cháy rất mãnh liệt, nhiệt độ cao nên hàm lượng NOx lớn, và còn lớn hơn cả trong động cơ xăng [11] Tuy nhiên, với hỗn hợp nhạt (lam đa >1) thì hàm lượng NOx thấp hơn, đặc biệt

là khi >2 thì hàm lượng NOx rất nhỏ [82, 90, 93, 98, 104] Đồ thị Hình 1.7 biểu diễn kết quả nghiên cứu của Verhelst và cộng sự [93] về sự thay đổi của hàm lượng phát thải NOx

của động cơ hydro theo  cho thấy khi  >1 và tăng dần, hàm lượng NOx giảm rất nhanh

và khi >2 thì hàm lượng phát thải NOx rất nhỏ, không đáng kể Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ Volkswagen Polo 1.4, Sopena và cộng sự [82] cũng chỉ ra kết luận tương tự rằng với >1,8 thì phát thải NOx<75ppm nhưng khi =1,6 thì phát thải NOx tăng lên trên 550ppm, còn nếu >1,3 thì NOx>10000ppm Do đó động cơ hydro thường được thiết kế hoạt động với hỗn hợp nhạt (>2) để giảm phát thải NOx

1500v/p, bướm ga mở hoàn toàn [93]

- 14 -

d) Công suất

Công suất của động cơ hydro phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ không khí/nhiên liệu và phương pháp cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ Như đã nói ở trên, về mặt tính toán lý thuyết, với hỗn hợp có hệ số dư lượng không khí lam đa bằng 1 thì trong trường hợp cấp khí hydro vào đường nạp, công suất động cơ sẽ giảm khoảng 16% so với động cơ chạy xăng nhưng nếu phun trực tiếp hydro vào trong xi lanh thì công suất động cơ có thể cao hơn tới 21% so với động cơ xăng

Tuy nhiên, khi động cơ hydro chạy với hỗn hợp có =1 thì nhiệt độ cháy rất cao nên gây phát thải NOx lớn [82, 93,] như đã nói ở trên và đồng thời dễ xảy ra hiện tượng cháy sớm Mặt khác, quá trình cháy xảy ra mãnh liệt sẽ làm cho tốc độ tăng áp suất cao gây rung động cơ Nhiệt độ cháy cao còn làm cho nhiệt độ thành buồng cháy cao nên rất dễ xảy ra cháy sớm dẫn đến cháy ngược ra ống nạp trong trường hợp động cơ cấp hydro vào đường ống nạp gây nguy hiểm Chính vì vậy, động cơ hydro thường được thiết kế vận hành với hỗn hợp nhạt để giảm phát thải NOx, tránh ồn và tránh cháy sớm nên công suất động cơ có thể thấp hơn nhiều so với công suất động cơ xăng cùng dung tích xi lanh [12, 98] Một nghiên cứu thực nghiệm khác được thực hiện trên động cơ Toyota Corolla 1.8 trang bị hệ thống phun hydro vào đường ống nạp để có thể so sánh tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chạy với nhiên liệu hydro và khi chạy với nhiên liệu xăng, tác giả Tien Ho và cộng sự [87] đã chỉ ra rằng công suất động cơ khi chạy hydro nói chung chỉ bằng 50% so với khi chạy xăng Còn công suất cực đại có thể đạt được của động cơ hydro cũng chỉ đạt đến 60,5% công suất cực đại của động cơ khi chạy xăng

Như vậy, khi chuyển động cơ xăng hiện hành sang chạy nhiên liệu hydro thì công suất bị giảm nhiều Tuy nhiên, vì các động cơ ô tô thường được thiết kế có công suất dự trữ lớn nên nếu chuyển sang chạy nhiên liệu hydro thì có thể vẫn đảm bảo công suất để vận hành được trong điều kiện đường phố và trên đường trường [82] Còn với các động cơ hydro cần công suất lớn tương tự của động cơ xăng thì dung tích của các động cơ hydro chế tạo mới thường được thiết kế lớn hơn dung tích động cơ xăng có cùng gam công suất

để bù đắp phần công suất giảm nói trên Một cách khác để tăng công suất động cơ hydro là người ta có thể sử dụng hydro thuần túy trên động cơ diesel đốt cháy do nén như thể hiện trong nghiên cứu của Gomes và cộng sự [38] Tác giả đã chỉ ra rằng công suất động cơ khi chạy hydro thuần túy bằng phương pháp phun trực tiếp và đốt cháy do nén tăng 14% và hiệu suất động cơ đạt đến 43% so với 28% khi chạy nhiên liệu diesel Tuy nhiên, do hydro

có nhiệt độ tự cháy cao nên phải sấy nóng khí nạp để đảm bảo động cơ làm việc bình thường nên làm phức tạp hết cấu động cơ Mặt khác, do nhiệt độ cháy cao làm áp suất cực đại trong xi lanh tăng cao nên động cơ rung Do đó, việc sử dụng thuần túy hydro trên động cơ diesel đốt cháy do nén ít được quan tâm

Nói tóm lại, động cơ đốt cháy cưỡng bức chạy thuần túy nhiên liệu hydro lợi dụng được các đặc tính cháy nhanh và phát thải ít của nhiên liệu này cho phép động cơ làm việc với hiệu suất cao, tiêu hao nhiên liệu ít, phát thải thấp Tuy nhiên, do hydro có mật độ năng lượng thấp, thêm nữa động cơ hydro thường phải chạy với hỗn hợp nhạt (>1,8) để tránh

- 15 -

các hiện tượng quá nóng, phát thải NOx cao, cháy sớm và cháy ngược nên công suất động

cơ sẽ thấp hơn nhiều so động cơ xăng cùng dung tích xi lanh

Với động cơ chạy hoàn toàn nhiên liệu hydro, do hydro có tỷ trọng nhẹ, mật độ năng lượng thấp nên việc tích trữ, vận chuyển và cung cấp đủ hydro để động cơ làm việc liên tục như động cơ xăng cũng còn nhiều khó khăn Chính vì vậy, việc sử dụng hỗn hợp hydro với các loại nhiên liệu khác đã trở thành một giải pháp tốt để nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật và giảm phát thải của động cơ và được các nhà nghiên cứu rất quan tâm Khi đó, hydro sẽ làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp, giúp cháy kiệt, từ đó nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải của động cơ chạy các loại nhiên liệu hóa thạch này 1.2.3 Động cơ đốt trong bổ sung hydro

Việc sử dụng khí hydro làm nhiên liệu bổ sung trong động cơ đốt trong là sử dụng một tỷ lệ nhỏ hydro kết hợp với nhiên liệu truyền thống để cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ Trong động cơ chạy nhiên liệu lỏng như xăng và dầu diesel, việc bổ sung hydro thường được thực hiện bằng cách cấp hydro vào đường ống nạp của động cơ để tạo hỗn hợp với không khí nạp đi vào xi lanh, trong khi nhiên liệu chính vẫn được cấp theo cách bình thường nhưng với lưu lượng được điều chỉnh giảm để không làm hỗn hợp cháy đậm lên [20, 88] Còn trong động cơ chạy nhiên liệu khí như khí thiên nhiên, biogas thì hydro có thể được cấp bằng hệ thống riêng hoặc được hỗn hợp với các khí này trong bình chứa trước khi cấp vào động cơ [29, 65]

Việc bổ sung khí hydro vào động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch sẽ tạo ra được hỗn hợp cháy là hỗn hợp của hydro, nhiên liệu hóa thạch và không khí Do hydro có đặc điểm dễ bắt cháy, cháy nhanh và nhiệt độ cháy cao [46, 98] nên khi cháy sẽ giúp đốt cháy kiệt nhiên liệu hóa thạch, góp phần tăng hiệu suất và giảm phát thải độc hại của động

cơ Mặt khác, do nhiên liệu hydro bổ sung chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng nhiên liệu sử dụng của động cơ nên mặc dù có mật độ năng lượng thấp nhưng hydro sẽ ảnh hưởng không nhiều đến sự giảm công suất của động cơ Thêm nữa, cũng do lượng hydro sử dụng nhỏ nên việc sản xuất, vận chuyển và cung cấp hydro để động cơ chạy liên tục sẽ không khó khăn như đối với động cơ chạy hoàn toàn nhiên liệu hydro Đã có khá nhiều công trình nghiên cứu đã công bố cho thấy tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ bổ sung hydro được cải thiện đáng kể so với động cơ chạy chỉ nhiên liệu truyền thống

1.2.3.1 Động cơ xăng bổ sung hydro

Với động cơ xăng khi bổ sung hydro, giới hạn cháy nghèo được mở rộng đáng kể [18, 92] và thời gian cháy hết nhiên liệu được rút ngắn một cách hiệu quả ở mọi chế độ làm việc của động cơ [17-20] Điều này tạo điều kiện cho hỗn hợp nhiên liệu cháy kiệt, giúp tăng hiệu suất nhiệt, nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải của động cơ so với khi không bổ sung hydro

a) Hiệu suất của động cơ

Hiệu suất nhiệt hoặc mức tiêu hao nhiên liệu thường được sử dụng để đánh giá tính năng kinh tế của động cơ Các công trình nghiên cứu về động cơ xăng bổ sung hydro đều cho thấy hiêu suất nhiệt của động cơ tăng đáng kể so với khi không bổ sung hydro Kết quả

có hệ số dư lượng không khí  khác nhau, diễn biến thay đổi hiệu suất có ích của động cơ được thể hiện trên đồ thị Hình 1.8 [18].

Đồ thị cho thấy hiệu suất có ích của động

cơ được cải thiện và giữ gần như không

đổi trong phạm vi thay đổi khá rộng của

hệ số dư lượng không khí  (từ  =1 đến

 =1,5) sau khi bổ sung hydro Hiệu suất

có ích của động cơ tăng khi tăng tỷ lệ

hydro bổ sung Cụ thể, hiệu suất tăng từ

26,37% khi động cơ chạy chỉ với xăng

lên 28% khi bổ sung 3% hydro và tăng

lên 31,56% khi bổ sung 6% hydro trong

thể tích khí nạp

Các công trình nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng khi bổ sung hydro vào động cơ, quá trình cháy được cải thiện nên cháy kiệt và hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng lên [17, 19] Với thành phần hỗn hợp có hệ số dư lượng không khí =1, hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng gần như tỷ lệ với hàm lượng hydro

bổ sung trong thể tích khí nạp [19] như

minh họa trên đồ thị Hình 1.9 Đồ thị thể

hiện diễn biến thay đổi hiệu suất chỉ thị

của động cơ Huyndai 1,6 lít ở chế độ

chạy chậm không tải với tốc độ 790v/p,

khi tăng tỷ lệ H2 bổ sung từ 0 đến 6,52%

trong thể tích khí nạp tương ứng với tỷ lệ

năng lượng H2 thay thế trong tổng năng

lượng của xăng và Hydro cấp vào là từ 0

đến 18%, hiệu xuất chỉ thị tăng 7% từ

18% lên 25%

b) Tiêu hao nhiên liệu của động cơ

Bổ sung H2 làm hiệu suất nhiệt của động cơ tăng nên mức tiêu thụ nhiên liệu được cải thiện tốt Nghiên cứu của Changwei và cộng sự ở chế độ chạy chậm không tải của động

cơ 4 xi lanh 1,6 lít cho thấy khi bổ sung 6,52% H2 trong thể tích khí nạp, tương ứng 18% tổng năng lượng cấp vào động cơ, thì mức tiêu thụ năng lượng giảm (tiết kiệm nhiên liệu) khoảng 25% so với khi không cấp H2 trong khi giữ =1 và tốc độ chạy chậm không tải không đổi [19] Cũng trên động cơ này khi hợp kết hợp bổ sung 2,87% H2 và ngắt cung cấp nhiên liệu của hai xi lanh (chỉ có 2/4 số xi lanh làm việc) có thể giảm tiêu hao năng lượng cấp vào cho động cơ đến 33,25% [17]

Tỷ lệ năng lượng hydro thay thế (%)

Chạy chậm không tải: n=790 v/p

-  =1

Hình 1.9 Hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ lệ

năng lượng H 2 thay thế ở không tải [19]

Hình 1.8 So sánh hiệu suất có ích của động cơ

khi bổ sung hydro ở các tỷ lệ khác nhau [18]

Hệ số dư lượng không khí 

- 17 -

Ở chế độ toàn tải, theo kết quả nghiên cứu của F Yüksel [33] trên động cơ Ford 4 xylanh cho thấy khi bổ sung H2 với lưu lượng lần lượt là 0 (chạy chỉ với xăng); 0,129; 0,168 và 0,208 (kg/h) thì suất tiêu hao nhiên liệu tổng quy đổi về xăng (khối lượng H2 quy

về xăng = khối lượng H2  nhiệt trị của H2/nhiệt trị của xăng) tương ứng là 215,78 (g/kW.h) khi sử dụng xăng; 200,11; 190,58 và 194,58 (g/kW.h) Như vậy càng tăng lưu lượng H2 bổ sung thì suất tiêu hao nhiên liệu càng giảm, nghĩa là bổ sung H2 giúp giảm tiêu hao nhiên liệu Ở nghiên cứu này, với lưu lượng H2 bổ sung 0,208kg/h suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm khoảng 11,5%

c) Phát thải của động cơ

Các công trình nghiên cứu về đặc tính làm việc của động cơ xăng bổ sung hydro đều chỉ ra rằng khi bổ sung hydro trong điều kiện hệ số dư lượng không khí  không đổi thì phát thải HC và CO đều giảm trong khi phát thải NOx tăng so với phát thải của động cơ khi không bổ sung hydro [18 - 20] Các nhận định này hoàn toàn phù hợp với tính chất cháy của hydro là dễ bắt cháy, cháy nhanh giúp cháy kiệt làm giảm phát chải HC và CO, nhưng

vì nhiệt độ cháy cao nên làm tăng phát thải NOx

Các đồ thị Hình 1.10 thể hiện kết quả nghiên cứu của Changwei và cộng sự [18] về phát thải của động cơ Huyndai 1.6 khi bổ sung hydro với các tỷ lệ khác nhau và hỗn hợp

có hệ số dư lượng không khí  khác nhau Có thể thấy trên đồ thị Hình 1.10 rằng khi tăng tỷ lệ

sung hydro với các tỷ lệ khác nhau [18]

- 18 -

hydro bổ sung đến 6%, phát thải HC giảm trên 50% ở =1, hỗn hợp càng nhạt thì việc bổ sung

H2 càng làm giảm HC Tương tự, phát thải CO cũng giảm khi bổ sung H2 Sự giảm phát thải CO được thấy rõ với thành phần hỗn hợp có hệ số dư lượng >1,1 và mức giảm đạt gần 50% với tỷ lệ 6% H2 bổ sung trong phạm vi  từ 1,1 đến 1,3, còn với >1,3 thì mức giảm CO mạnh hơn theo  Khác với thay đổi phát thải HC và CO, khi bổ sung H2, phát thải NOx tăng, tăng tỷ lệ H2 bổ sung thì phát thải NOx cũng tăng Điều này có thể khắc phục (giảm phát thải NOx) bằng cách sử dụng hỗn hợp nhạt, có >1,4 Ở thành phần hỗn hợp này nếu bổ sung 6% H2 thì HC và CO giảm trên 60% trong khi phát thải NOx không lớn so với phát thải NOx khi chạy xăng ở =1

d) Công suất động cơ

Công suất động cơ ở một chế độ

tốc độ và tải nhất định có thể được

đánh giá thông qua mô men hoặc áp

suất có ích trung bình (bmep) Các

nghiên cứu cho thấy ở tải nhỏ việc bổ

sung H2 sẽ cải thiện bmep, nhưng ở tải

trung bình trở lên việc bổ sung H2 sẽ

làm giảm bmep của động cơ; tỷ lệ H2

bổ sung càng lớn thì bmep càng giảm

nhiều, với tỷ lệ H2 bổ sung 3% trong

thể tích khí nạp thì sự thay đổi bmep

không quá 5% [20] Ở tải nhỏ do tỷ lệ

khí sót lớn làm chất lượng hỗn hợp kém, khó cháy nên việc bổ sung H2 sẽ cải thiện đáng kể chất lượng quá trình cháy làm tăng bmep Còn ở tải lớn, chất lượng hỗn hợp tốt rồi nên việc bổ sung H2 cũng cải thiện quá trình cháy nhưng không bù được sự giảm năng lượng cấp vào do mật độ năng lượng của H2 nhỏ trong khi lại chiếm thể tích lớn trong xi lanh làm giảm lượng không khí nạp nên bmep giảm

Theo Changwei và cộng sự [18], khi động cơ làm việc với hỗn hợp cháy có hệ số dư lượng không khí  lân cận 1, nếu bổ sung H2 thì áp suất có ích trung bình (bmep) giảm một chút do mật độ năng lượng của H2 nhỏ, chiếm thể tích lớn làm giảm lượng không khí nạp Ngược lại với hỗn hợp nhạt (>1,15) nếu bổ sung H2 thì bmep tăng do xăng cháy kém ở hỗn hợp nhạt nhưng khí bổ sung H2 thì cháy tốt hơn nhiều, hỗn hợp nhạt hơn thì sự cải thiện bmep của H2 bổ sung mạnh hơn (Hình 1.11)

1.2.3.2 Động cơ gas bổ sung hydro

Việc bổ sung H2 trong động cơ gas có thể được thực hiện bằng cách hòa trộn H2 và nhiên liệu khí trong bình chứa trước khi cấp vào động cơ hoặc cấp H2 và nhiên liệu khí vào động cơ từ hai hệ thống riêng biệt Do vấn đề tích trữ và bảo quản nên cách thứ hai thường được sử dụng nhiều hơn Dimopoulos và cộng sự [29] và Ma và cộng sự [65] đã nghiên cứu thực nghiệm bổ sung hydro trên động cơ khí thiên nhiên nén và chỉ ra rằng tính kinh tế nhiên liệu được cải thiện và phát thải CO, HC và CO2 giảm đáng kể so với động cơ khi chạy thuần túy khí thiên nhiên nén CNG Đặc biệt là với hỗn hợp nhạt, bổ sung H2 sẽ làm

Hình 1.11 Áp suất có ích trung bình của động cơ bổ

sung H 2 ở 1400v/p) với hỗn hợp có  khác nhau [18]

Hệ số dư lượng không khí 

- 19 -

tăng tính kinh tế nhiên liệu và mức giảm phát thải nhiều hơn Tuy nhiên, cũng như trong động cơ xăng bổ sung H2, phát thải NOx trong động cơ H2-khí thiên nhiên tăng so với khi chạy thuần túy nhiên liệu gốc

1.2.3.3 Động cơ diesel bổ sung hydro

Đã có nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về việc sử dụng nhiên liệu kép hydro và diesel trong đó có hai phương pháp được áp dụng là:

- Hydro được sử dụng như một nhiên liệu bổ sung với tỷ lệ hydro sử dụng tương tự trong động cơ xăng – hydro, trong đó hydro thường được cấp vào đường nạp tạo hỗn hợp trước với khí nạp, còn diesel được phun bình thường nhưng với lưu lượng được điều chỉnh giảm tương ứng với phần H2 bổ sung [74, 77, 78, 88]

- Hydro được sử dụng là nhiên liệu chính (chiếm tỷ lệ lớn) còn nhiên liệu diesel được phun mồi khởi tạo quá trình cháy

Trong hai phương pháp trên, phương pháp thứ nhất thường được sử dụng khi hydro được bổ sung với tỷ lệ nhỏ để cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ, còn phương pháp thứ hai thì tương tự chạy thuần túy hydro nhưng trên động cơ diesel Phương pháp này ít được sử dụng hơn so với dạng thứ nhất vì khó kiểm soát sự cháy sớm của hydro trong động cơ có tỷ số nén cao

Các kết quả nghiên cứu bổ sung hydro vào đường nạp trên động cơ diesel cho thấy hiệu suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ được cải thiện đáng kể Theo Toru Miyamoto và cộng sự [88], khi bổ sung hydro kết hợp điều chỉnh thời điểm phun diesel muộn đi một chút có thể giảm phát thải khói xuống 0% và NO xuống thấp hơn nhiều so với khi chạy chỉ với diesel trong khi công suất động cơ không giảm Nghiên cứu của Santoso và cộng sự [77] và Rajendra Prasath và cộng sự [74] cho thấy ở mọi chế độ tải hiệu suất nhiệt của động cơ cơ khi bổ sung hydro đều tăng so với khi không bổ sung hydro trong khi áp suất có ích trung bình của động cơ thay đổi ít Phát thải CO, HC và độ khói giảm so với khi chạy với chỉ nhiên liệu diesel và mức thay đổi càng mạnh khi tỷ lệ H2 bổ sung càng tăng Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ bổ sung H2 thấp hơn động cơ chạy chỉ với nhiên liệu diesel

So sánh về hiệu suất nhiệt và phát thải của động cơ khi sử dụng kết hợp nhiên liệu Diesel và Hydro

Hình 1.12 So sánh hiệu suất có ích và phát thải của động cơ khi chạy chỉ diesel và khi chạy

hydro-diesel [78]

- 20 -

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm của Saravanan và cộng sự [78] trên động cơ diesel một xi lanh bổ sung hydro bằng cách phun trực tiếp được thể hiện trên biểu đồ Hình 1.12 Kết quả cho thấy khi sử dụng nhiên liệu thuần diesel thì độ khói thu được là 4,8 BSN (Bosch smoke Number) nhưng khi sử dụng kết hợp cả hydro thì độ khói giảm xuống còn 0,3 BSN Hiệu suất nhiệt gia tăng từ 23,59% với nhiên liệu diesel tới 29% với sự bổ sung hydro Kết quả này là do hydro đã cải thiện quá trình cháy của động cơ Các chất phát thải như HC, CO và CO2 đều giảm mạnh, riêng NOx giảm từ 6,74g/kWh xuống 3,14g/kWh 1.2.4 Động cơ đốt trong bổ sung khí giàu hydro

Khí giàu hydro là khí tổng hợp hay còn gọi là khí syngas, một sản phẩm thô trong quá trình sản xuất hydro, được tạo ra từ quá trình khí hóa sinh khối, khí hóa than đá hay nhiệt phân cồn và nhiệt phân các loại nhiên liệu hydrocarbon; khí này có thành phần chính

là H2 chiếm 35-75%, còn lại là CO, CO2 và một tỷ lệ nhỏ các thành phần khác tùy thuộc vào phương pháp sản xuất [45] Khí giàu hydro không sử dụng trực tiếp được cho pin nhiên liệu hydro vì loại thiết bị này đòi hỏi cung cấp hydro tinh khiết, nhưng lại sử dụng dễ dàng trong động cơ đốt trong vì hydro được dùng làm nhiên liệu đốt và nó có thể cháy cùng với các thành phần tạp chất Trong động cơ đốt trong, hydro được trộn lẫn với nhiên liệu gốc và khí đã cháy còn sót lại cũng như các khí tạp chất khác trong xi lanh mà vẫn cháy tốt Do đó, thay vì sử dụng hydro tinh khiết đắt tiền, người ta thường sử dụng khí giàu hydro làm nhiên liệu bổ sung trong động cơ đốt trong mà vẫn cải thiện được các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ như khi sử dụng hydro tinh khiết [14, 21, 99]

Nghiên cứu thực nghiệm động cơ Huyndai 1,6 lít ở chế độ tải trung bình khi bổ sung khí giàu hydro chứa 50-60% H2 và 20-30% CO trong khi duy trì hệ số dư lượng không khí

=1, Changwei và cộng sự [21] chỉ ra rằng hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng tỷ lệ tuyến tính với tỷ lệ thể tích khí giàu hydro bổ sung trong khi áp suất có ích trung bình được cải thiện ở tỷ lệ bổ sung nhỏ (Hình 1.13) Khi tăng mức bổ sung khí giàu hydro từ 0 đến 2,5%, hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng tuyến tính từ 34,5% khi chạy chỉ với xăng lên 39,5% khi chạy xăng bổ sung 2,5% khí giàu hydro Với tỷ lệ bổ sung khí giàu hydro đến 1,5%, áp suất chỉ thị trung bình được cải thiện so với động cơ khi chạy chỉ với xăng, nhưng nếu tăng

Hình 1.13 Hiệu suất chỉ thị và áp suất có ích trung bình

của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21]

trong khi phát thải CO tăng (Hình 1.15) khi

tăng tỷ lệ khí giàu hydro bổ sung trong

thành phần thể tích khí nạp Sự giảm phát

thải NOx và tăng phát thải CO (ngược so

với trường hợp bổ sung hydro tinh khiết) là

do thành phần khí giàu hydro chứa hàm

lượng CO và CO2 cao Thành CO2 lớn

trong khí giàu hydro không tham gia quá

trình cháy và có nhiệt dung riêng lớn sẽ làm

nhiệt độ cháy giảm nên phát thải NOx giảm

Đồng thời, hàm lượng CO lớn bổ sung vào sẽ tạo ra một lượng CO không tham gia quá trình cháy do nhiệt độ cháy giảm (vì CO2) và hiệu ứng nén ép vào và thoát ra khỏi các khe

kẽ sau quá trình cháy, gây phát thải CO tăng

Các nghiên cứu khác [14, 99] cũng chỉ ra kết quả tương tự nghiên cứu của Changwei nói trên Việc bổ sung khí giàu hydro có hiệu quả tương tự như khi bổ sung hydro tinh khiết về sự làm việc ổn định ở hỗn hợp nhạt và mở rộng giới hạn cháy nghèo nhờ đó mà tăng được chỉ tiêu kinh tế của động cơ Với hỗn hợp nhạt, càng tăng lượng khí giàu hydro

bổ sung thì hiệu suất chỉ thị của động cơ càng tăng Phát thải của động cơ bổ sung khí giàu hydro phụ thuộc vào thành phần khí giàu hydro và tỷ lệ bổ sung Trong mọi trường hợp, phát thải HC đều giảm Tuy nhiên đối với phát thải CO và NOx thì diễn biến thay đổi có khác với trường hợp bổ sung hydro tinh khiết Khi thành phần khí giàu hydro chứa hàm lượng CO và các thành phần CO2 và N2 cao cao, việc bổ sung khí này có tác dụng như luân hồi khí thải, làm giảm phát thải NOx trong khi làm tăng phát thải [14, 99]

Hình 1.15 Phát thải CO của động cơ xăng

bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21]

- 22 -

John và cộng sự [50, 51] chỉ ra rằng bổ sung khí giàu hydro từ sản phẩm của quá trình ô xi hóa không hoàn toàn xăng vào động cơ trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy

ấm máy có thể giúp giảm đến 73% phát thải HC và giảm tới 50 lần phát thải phát thải NOx

so với khi động cơ chạy chỉ với xăng Ở chế độ làm việc bình thường nếu bổ sung 30% khí giàu hydro này có thể giúp giảm 55-85% phát thải NOx của động cơ Sự cải thiện tính năng động cơ trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy nhờ bổ sung khí giàu hydro cũng được khẳng định bởi Kristine và cộng sự [58] khi chỉ ra rằng bổ sung khí giàu hydro giúp khởi động động cơ dễ dàng, có thể khởi động động cơ trong vòng 10 giây ở nhiệt độ -20oC

và giảm phát thải HC và CO lần lượt đến 80% và 40% trong giai đoạn này

Thorsten Allgeier [86] cũng có kết quả nghiên cứu tương tự khi chỉ ra rằng bổ sung khí giàu hydro từ sản phẩm biến đổi nhiệt hóa xăng cho động cơ kết hợp với luân hồi khí

xả có thể giảm HC và NOx đến gần không, tuy nhiên phát thải CO tăng một chút so với phát thải của động cơ khi chạy chỉ với xăng Tuy nhiên, bổ sung tỷ lệ lớn khí giàu hydro sẽ làm công suất động cơ giảm nhiều Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng động cơ chạy với 100% khí giàu hydro của tác giả chỉ ra rằng áp suất có ích trung bình cũng như mô men động cơ giảm đến 45%

Theo PGS.TS Lê Anh Tuấn và cộng sự [3] khi bổ sung khí giàu hydro được tạo ra từ điện phân nước vào đường nạp tại 70% độ mở buớm ga, tốc độ vòng quay thay đổi từ 3200v/p đến 7600v/p công suất và mô men động cơ tăng 2, 98% và 2,72%; suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải được cải thiện như sau: Suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,43% phát thải HC giảm 4,98%, CO2 giảm 2,26%, CO và NOx tăng 5,44% và 15,5%;

Tsolakis [89] và Alberto [9] nghiên cứu sử dụng khí giàu hydro trên động cơ diesel cũng khẳng định bổ sung khí giàu hydro là biện pháp tốt để giảm phát thải khói bụi và NOx

trong động cơ diesel

1.2.5 Kết luận về sử dụng hydro và khí giàu hydro trên động cơ

Việc sử dụng hydro và khí giàu hydro trên động cơ đốt trong là phương pháp hữu hiệu để nâng cao hiệu suất, tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải cho động cơ Động cơ chạy đơn nhiên liệu hydro có hiệu suất cao, phát thải CO và HC gần như bằng không Tuy nhiên, phát thải NOx cao và trong động cơ cấp hydro vào đường nạp thì công suất động cơ thấp hơn so với động cơ chạy nhiên liệu truyền thống cùng dung tích Việc vận chuyển cung cấp đủ hydro để động cơ làm việc liên tục cũng là vấn đề khó khăn vì hydro có mật độ năng lượng kJ/m3 rất nhỏ, chỉ bằng khoảng 30% so với khí thiên nhiên và hơn 4% so với hơi xăng Phương pháp sử dụng nhiên liệu kép kết hợp hydro và nhiên liệu truyền thống với việc bổ sung chỉ một tỷ lệ nhỏ hydro sẽ giải quyết được khó khăn về lượng cung cấp hydro trong khi vẫn tăng được hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ, đồng thời công suất động cơ không thay đổi nhiều

Hydro tinh khiết đắt tiền trong khi sử dụng khí giàu hydro trên động cơ cũng vẫn đạt được mục tiêu tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải cho động cơ nên khí giàu hydro thường được sử dụng thay cho hydro tinh khiết trên động cơ Việc sử dụng hoàn toàn khí giàu hydro trên động cơ giúp giảm phát thải tốt nhưng công suất động cơ giảm

- 23 -

nhiều (đến 45%) nên việc việc sử dụng kết hợp khí giàu hydro với nhiên liệu truyền thống

là giải pháp tốt để tăng tính kinh tế, giảm phát thải và không làm giảm công suất động cơ Nói tóm lại, việc sử dụng hydro và khí giàu hydro trên động cơ sẽ giúp nâng cao tính kinh tế và giảm phát thải cho động cơ, vấn đề còn lại là cần nghiên cứu phương pháp tạo ra

và cung cấp hydro và khí giàu hydro cho động cơ một cách hiệu quả nhất

1.3 Các phương pháp sản xuất hydro và khí giàu hydro

1.3.1 Giới thiệu chung

Hydro là một trong số các nguyên tố được thấy nhiều nhất trên trái đất Tuy nhiên vì hydro là khí nhẹ nên rất ít gặp ở trạng thái tự do trong lớp khí quyển Hydro chủ yếu tồn tại

ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác như trong nước, trong các mỡ động, thực vật, trong cồn, dầu mỏ, khí thiên nhiên và các hợp chất khác Chính vì vậy, để có được khí hydro và khí giàu hydro cần phải tách hydro ra từ các hợp chất chứa hydro nói trên Các công nghệ phổ biến được áp dụng để thực hiện việc này gồm điện phân nước, khí hóa sinh khối, biến đổi nhiệt hóa cồn và nhiên liệu hydrocarbon [45]

1.3.2 Điện phân nước

Quá trình điện phân nước là quá trình

phân giải nước H2O thành hai chất khí ôxy O2

và hydro H2 trong thiết bị điện phân khi cho

dòng điện một chiều chạy qua các cực trong

dung dịch điện phân như sơ đồ Hình 1.16

Dung dịch điện phân có thể có tính kiềm hoặc

a xít nhưng dung dịch mang tính kiềm, ví dụ

dung dịch KOH, có hiệu suất cao hơn nên

thường được sử dụng hơn [45, 55] Trên sơ đồ,

dương cực (anode) thường được làm bằng

nickel và đồng mạ phủ ô xít mangan cho phép

kết hợp nhanh các nguyên tử ô xy thành ô xy

phân tử trên bề mặt bản cực Âm cực (cathode)

thường được làm bằng nickel mạ phủ platin

Nguồn điện

K

e -

e -

sẽ khá lớn và đồng thời phải sử dụng nhiều chất xúc tác bằng kim loại quý đắt tiền như platin Nếu nguồn điện này được lấy từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch than đá, khí thiên nhiên hoặc diesel thì giá thành sản xuất hydro sẽ khá cao và môi trường vẫn bị ô nhiễm do đốt nhiên liệu hóa thạch trong nhà máy điện Thêm nữa, nếu sử dụng hydro từ nguồn điện này cho động cơ đốt trong để thay cho nhiên liệu hóa thạch thì hiệu suất sử dụng nhiên liệu nói chung sẽ thấp hơn nhiều so với dùng trực tiếp nhiên liệu hóa thạch cho động cơ đốt trong Việc tích trữ và vận chuyển hydro từ nơi sản xuất để cung cấp cho động cơ cũng gặp khó khăn Do đó, có thể thấy, việc sản xuất hydro cho động cơ đốt trong bằng phương pháp điện phân nước từ nguồn điện của các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch sẽ không đem lại hiệu quả về kinh tế và môi trường hơn

so với sử dụng trực tiếp nhiên liệu hóa thạch cho động cơ

Để khắc phục vấn đề nguồn điện nói trên, đã có một số nghiên cứu tách hydro từ nước theo nguyên lý quang hợp [54, 62] hay nhiệt phân nước trực tiếp từ năng lượng nhiệt mặt trời [39] Tuy nhiên, các công nghệ này hiện nay còn khá mới mẻ, chi phí khá cao, năng suất thấp, chưa đáp ứng được yêu cầu sản xuất hydro đại trà

1.3.3 Khí hóa sinh khối

Khí hóa sinh khối là quá trình sản suất khí tổng hợp giàu ô xy từ việc nhiệt phân và hóa khí các nguyên liệu gỗ, mùn cưa, rơm rạ, vỏ trấu… [23] Nguồn nguyên liệu phục vụ khí hóa sinh khối là khá lớn và có thể tái tạo Tuy nhiên, công nghệ sản xuất khí tổng hợp

từ sinh khối hiện nay chưa ứng dụng để sản xuất đại trà được vì hiệu quả kinh tế chưa cao, năng suất tạo khí giàu hydro thấp, thiết bị sản xuất cồng kềnh Do đó, phương pháp sản xuất khí giàu hydro này khó áp dụng cho việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ

1.3.4 Biến đổi nhiệt hóa cồn hoặc nhiên liệu hydrocarbons

Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu để tạo khí giàu hydro, hay còn được gọi là quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu, là quá trình phản ứng hóa học của nhiên liệu chứa hydro

CnHmOr (thường là cồn và các loại hydrocacbon) với hơi nước hoặc ô xy hoặc với đồng thời với cả hơi nước và ô xy trong môi trường phản ứng có chất xúc tác ở điều kiện nhiệt

độ nhất định [45] Khí giàu hydro được tạo ra có chứa hydro, ô xít các bon, các bon níc và một số thành phần khí khác Thiết bị để thực hiện nhiệm vụ này được gọi là bộ xúc tác biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu (BXT) Năng suất và hiệu suất nhiệt hay hệ số biến đổi nhiên

từ nguồn nhiệt bên ngoài (ví dụ từ thiết bị đốt nóng bằng điện hoặc bằng nhiên liệu đốt bên ngoài) để đốt nóng duy trì hoạt động của BXT thì phần năng lượng cấp vào, ngoài hóa năng của nhiên liệu, phải kể đến cả phần năng lượng này, khi đó hệ số biến đổi nhiên liệu cũng chính là hiệu suất nhiệt  của BXT và được xác định theo công thức:

(1-8)

Trong đó, HH2, HCO, Hnl lần lượt là nhiệt trị thấp của hydro, ôxit các bon và nhiên liệu; mH2, mCO là lưu lượng khối lượng hydro và ô xít các bon trong khí sản phẩm giàu hydro; mnl là lưu lượng khối lượng nhiên liệu cấp vào BXT đã tham gia phản ứng (bằng hiệu của nhiên liệu cấp vào và nhiên liệu chưa phản ứng có trong sản phẩm); Q là nhiệt lượng cấp vào để đốt nóng BXT

Các nhiên liệu chứa hydro thường dùng cho biến đổi nhiệt hóa tạo khí giàu hydro hiện nay là cồn ethanol C2H6O [36, 66] và các loại nhiên liệu hóa thạch hydrocacbon như khí thiên nhiên CH4 [63], xăng và dầu diesel CnHm [7, 43, 101]

1.3.4.1 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước (SR)

Đây là quá trình phản ứng của nhiên liệu với hơi nước ở nhiệt độ cao trong môi trường có chất xúc tác nickel Sản phẩm cuối cùng được tạo thành qua phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu chứa hydro với hơi nước như sau:

Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước cần phải cấp nhiệt vào BXT nhưng đây là

- 26 -

phương pháp có hiệu quả và năng suất tạo hydro cao nhất so với các phương pháp biến đổi nhiệt hóa khác trong khi sự kết muội than là thấp nhất; tỷ lệ hydro trong khí sản phẩm có thể đạt trên 70% [45, 80] Trong các loại nhiên liệu đầu vào thường dùng thì khí thiên nhiên (CH4) cho năng suất tạo hydro cao nhất và sự tạo các bon ít nhất nên BXT hoạt động được lâu Hàm lượng hydro trong sản phẩm cũng cao nhất, có thể đạt trên 75% [62]

Do đó, phương pháp SR khí thiên nhiên thường được sử dụng trong sản xuất hydro ở quy

mô công nghiệp hiện nay Tuy nhiên, đối với các thiết bị tạo hydro di động trên các phương tiện vận tải thì việc sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cấp vào sẽ không thích hợp vì nhiên liệu khí có mật độ năng lượng thấp hơn rất nhiều so với nhiên liệu lỏng, làm cho việc tích trữ, vận chuyển và cung cấp nhiên liệu cho BXT gặp nhiều khó khăn

Biến đổi nhiệt hóa cồn với hơi nước có ưu điểm là tốn ít năng lượng nhiệt, có thể thực hiện được ở nhiệt độ thấp, chỉ từ 250-650oC, có năng suất cao, hàm lượng hydro trong sản phẩm đạt trên 70% [36, 45, 66] Mặt khác cồn là nhiên liệu lỏng nên không gặp khó khăn trong tích trữ và vận chuyển để cung cấp cho các BXT di động so với khí thiên nhiên Tuy nhiên, việc sản xuất cồn còn đắt, sản lượng hiện nay nhỏ nên chưa thay thế hoàn toàn được nhiên liệu truyền thống nên nếu dùng cồn làm nhiên liệu sản suất hydro trên các phương tiện vận tải thì ngoài hệ thống cung cấp xăng hay diesel lại phải trang bị thêm hệ thống cung cấp cồn nên thiết bị sẽ cồng kềnh Mật độ năng lượng của cồn thấp, chỉ bằng 60% so với xăng, nên chi phí tích trữ và vận chuyển tốn kém hơn so với xăng dầu

Biến đổi nhiệt hóa xăng và dầu desel với hơi nước đòi hỏi nhiệt cấp vào nhiều và duy trì ở nhiệt độ cao, 450-900oC [43, 80] Tuy nhiên, nhiên liệu này có mật độ năng lượng cao

và năng suất và hàm lượng hydro trong sản phẩm của quá trình biến đổi nhiệt hóa cũng cao, có thể đạt gần tới giá trị hàm lượng hydro ở trạng thái cân bằng hóa học Chính vì vậy, nhiên liệu xăng và diesel rất thích hợp làm nguyên liệu cung cấp cho việc sản suất khí gàu hydro trên các phương tiện vận tải

1.3.4.2 Ôxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu (PO)

Đây là quá trình đốt cháy thiếu ô xi của nhiên liệu chứa hydro trong BXT với chất xúc tác platin hoặc rodium và nickel Các loại nhiên liệu dùng cho sản xuất hydro theo phương pháp biến đổi nhiệt hóa với hơi nước nói trên gồm cồn, khí thiên nhiên, xăng và dầu diesel đều sử dụng được để sản xuất hydro theo phương pháp ô xi hóa không hoàn toàn (PO) [13, 24, 73, 101] Sản phẩm của phản ứng PO được tổng hợp trong phương trình phản ứng chung như sau:

CnHmOr + a(0,21O2 + 0,79N2)  bCO + cCO2 + dH2 + eN2 + Q (1-10) Quá trình ô xi hóa nhiên liệu là quá trình cháy tỏa nhiệt mạnh Nhiệt độ BXT thường khá cao, 900-1100oC [13, 103], nên cần phải có biện pháp làm mát để đảm bảo thiết bị không bị quá nóng Chính vì vậy, so với phương pháp SR, phương pháp PO có hệ số biến đổi nhiên liệu nhiệt thấp hơn Năng suất và hàm lượng H2 tạo ra trong sản phẩm của PO cũng thấp hơn so với SR [80] vì sản phẩm của quá trình PO còn có hàm lượng đáng kể CO

và ni tơ Vì ô xy được cấp vào BXT là ô xy trong không khí nên thường sử dụng không khí thay vì ô xy để đảm bảo tính kinh tế nên sản phẩm bị làm loãng bởi thành phần ni tơ trong không khí cấp vào BXT Hàm lượng H2 trong sản phẩm thấp hơn nhiều so với SR, chỉ đạt

- 27 -

30-50%, trong khi CO chiếm từ 10-30% Ưu điểm nổi bật của phương pháp PO là dễ dàng khởi động BXT và không cần nguồn nhiệt bên ngoài nên thiết bị nhỏ gọn hơn nhiều so với BXT SR [13] Có thể hạ thấp nhiệt độ của BXT nhờ sử dụng các chất xúc tác đặc biệt, khi

đó có thể giảm lượng không khí cấp vào mà vẫn duy trì được quá trình PO trong khi nâng cao được hàm lượng hydro và hạ thấp sự tạo các bon [89] Tuy nhiên, chi phí chất xúc tác

và thiết bị BXT sẽ sẽ tăng lên khá cao

Về nhiên liệu cấp vào BXT, việc sử dụng khí thiên nhiên cho PO cho năng suất tạo hydro cao hơn và kết muội than ít hơn so với xăng và diesel nhưng việc cấp khí thì khó khăn hơn [13] Xăng và dầu diesel gây kết muội than nhiều nhưng mật độ năng lượng cao nên và dễ tích trữ và vận chuyển nên sử dụng thuận tiện hơn khí thiên nhiên

1.3.4.3 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hydro với CO 2 (CR)

Trong điều kiện nhiệt độ cao và môi trường có chất xúc tác, nhiên liệu chứa hydro

có thể phản ứng với CO2 tạo ra khí CO và hydro [26, 32] theo phương trình sau:

Quá trình phản ứng cần được cung cấp một nguồn nhiệt lớn và duy trì nhiệt độ khá cao Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ cao (trên 800oC) với tốc độ chậm và sản phẩm có hàm lượng hydro nhỏ hơn nhiều so với phản ứng SR trong khi sản phẩm CO thì lại cao hơn Thiết bị cồng kềnh và điều kiện duy trì phản ứng khó khăn nên phương pháp này không thích hợp cho việc tạo và cung cấp khí giàu hydro trên các phương tiện vận tải

1.3.4.4 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước kết hợp ô xi hóa không hoàn toàn (ATR)

Quá trình PO là quá trình tỏa nhiệt mạnh trong khi quá trình SR thì thu nhiệt nên nếu

bổ sung hơi nước vào BXT PO thì sẽ tận dụng được nhiệt sinh ra của quá trình này để thực hiện phản ứng SR và cho năng suất và hệ số biến đổi nhiên liệu tạo hydro cao hơn [61] Quá trình kết hợp PO cà SR cùng diễn ra trong BXT biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tạo hydro khi không cần cấp nhiệt hoặc làm mát BXT được gọi là quá trình biến đổi nhiệt hóa

tự cân bằng về nhiệt (ATR) Quá trình phản ứng được mô tả bằng phương trình sau:

CnHmOr + aH2O + b(0,21O2 + 0,79N2)  cCO + dCO2 + eH2 + gN2 (1-12) Nhiệt độ cân bằng của BXT ATR và hàm lượng hydro và các khí thành phần khác trong khí sản phẩm phụ thuộc vào tỷ lệ không khí/nước/nhiên liệu và lưu lượng cấp vào của hỗn hợp nguyên liệu này ứng với một đơn vị thể tích BXT [41, 52, 93] Các loại nhiên liệu sử dụng cho quá trình SR, PO và CR đều thích hợp cho quán trình ATR Tuy nhiên, thành phần nhiên liệu ảnh hưởng rất lớn đến năng suất tạo hydro, thành phần sản phẩm và nhiệt độ tối ưu của BXT Nhiên liệu có hàm lượng các bon cao thì sự tạo thành muội than cao hơn, các loại các bua hydro thơm thì cần duy trì nhiệt độ BXT cao hơn để đạt hệ số biến đổi cao [44, 52, 71] Tuy nhiên, thành phần các bua hydro thơm trong xăng không nhiều nên cũng ít ảnh hưởng đến hệ số biến đổi nhiên liệu của BXT cũng như hàm lượng hydro trong sản phẩm Mặt khác nếu thành phần này không biến đổi mà tồn tại trong sản phẩm khí giàu hydro thì cũng vẫn có tác dụng tốt đối với quá trình làm việc của động cơ như giảm kích nổ khi được cấp vào động cơ [71] Hàm lượng hydro trong sản phẩm của

- 28 -

quá trình biến đổi nhiệt hóa xăng thương mại bằng phương pháp ATR đạt đến 60% [43] Phương pháp ATR có ưu điểm là nhiệt độ của BXT thấp hơn PO và không cần nguồn nhiệt cấp vào và cũng không cần làm mát BXT, năng suất tạo hydro và hàm lượng hydro trong khí sản phẩm cao hơn so với PO nhưng thấp hơn so với SR [49] Tuy nhiên, vì phải điều khiển cung cấp cả không khí và nước vào BXT nên thiết bị ATR phức tạp hơn so với các thiết bị của phương pháp SR và PO

1.4 Tích trữ, vận chuyển và cung cấp hydro và khí giàu hydro cho động cơ đốt trong

1.4.1 Vấn đề tích trữ và vận chuyển hydro

Nếu hydro và khí giàu hydro được sản xuất ở nhà máy tập trung thì cần phải có biện pháp tích trữ và vận chuyển đến nơi tiêu thụ Hydro có tỷ trọng và mật độ năng lượng thấp hơn rất nhiều so với nhiên liệ khác như khí thiên nhiên và xăng (xem Bảng 1.1) nên việc tích trữ và vận chuyển để làm nhiên liệu cung cấp cho các phương tiện vận tải sẽ gặp nhiều khó khăn và chi phí cao [100] Có 3 phương pháp chính thường được sử dụng để tích trữ hydro là hóa lỏng, nén với áp suất cao và sử dụng vật liệu rắn hydride hấp thụ [35, 45] Việc tích trữ hydro ở dạng lỏng được thực hiện bằng cách làm lạnh hydro đến nhiệt

độ -253oC để hóa lỏng hydro, hydro không thể hóa lỏng bằng phương pháp nén ở nhiệt độ môi trường Năng lượng tiêu tốn để hóa lỏng hydro khá cao, khoảng trên 30 MJ/kg hydro lỏng, tương đương trên 25% năng lượng nhiệt tích trữ của hydro [35] Hydro lỏng phải được bảo quản trong thiết bị cách nhiệt nên chi phí cũng tăng thêm nên tổng chi phí tích trữ bảo quản hydro lỏng có thể tương đương 40% năng lượng tích trữ của hydro [84], một

tỷ lệ hao tổn khá lớn trong khi đối với xăng thì chi phí tích trữ và bảo quản có thể nói rất nhỏ, không đáng kể Tỷ trọng của hydro lỏng vào khoảng 70 kg/m3, chưa bằng 1/10 tỷ trọng của xăng và mật độ năng lượng thì chưa bằng 1/3 của xăng

Việc tích trữ hydro ở dạng khí nén cao áp có thể ở áp suất 250 bar, 350 bar hoặc 700 bar, tương ứng với tỷ trọng lần lượt khoảng 17 kg/m3, 22 kg/m3 và 41 kg/m3 Tích trữ ở áp suất cao thì mật độ khối lượng cao hơn nhưng chi phí nén khí và bình chứa cũng cao hơn Phương pháp tích trữ ở dạng khí nén có chi phí thấp hơn so với tích trữ ở dạng lỏng nhưng thiết bị nặng nề và cồng kềnh hơn 3-4 lần [45] nên gây khó khăn cho việc sử dụng cho các phương tiện vận tải

Phương pháp tích trữ hydro nhờ hấp thụ của các vật liệu rắn hydride là lợi dụng khả năng hấp thụ và giải phóng hydro của một số vật liệu rắn hydride ở các điều kiện nhất định Một số vật chất rắn, ví dụ như Ti2Ni-H2,5, FeTi-H2, LaNi5-H6,7, Mg2Ni-H4, , có thể hấp thụ khối lượng hydro bằng 1-4% khối lượng của nó [15] Một số hydride rắn có thể hấp thụ hydro ở điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thường, còn nếu được sấy nóng ở áp suất bình thường thì nó giải phóng hydro trở lại Phương pháp tích hydro vào các hidride rắn rất

an toàn, không tốn nhiều năng lượng như phương pháp hóa lỏng hay nén cao áp nhưng khối lượng của thiết bị tích trữ lớn gây khó khăn cho việc vận chuyển

Cả 3 phương pháp tích trữ hydro nói trên đều tốn kém, thiết bị cồng kềnh, vận