Nghiên cứu đánh giá tính năng làm việc của động cơ xăng ô tô khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu hydro

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏng đánh giá tính kinh tế và tính hiệu quả của động cơ hydro được chuyển đổi từ động cơ xăng ô tô 1NZ-FE trên xe Toyota Vios. Động cơ không thay đổi kết cấu mà chỉ thay hệ thống phun xăng gián tiếp bằng hệ thống phun hydro vào đường ống nạp.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG Ô TÔ KHI CHUYỂN SANG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYDRO Hồng Đình Long1 Tóm tắt: Đứng trước nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch phát thải gây nhiễm mơi trường trầm trọng động ô tô hành, việc nghiên cứu sử dụng hydro làm nhiên liệu thay động có ý khoa học nghĩa thực tiễn cao Bài báo trình bày kết nghiên cứu mơ đánh giá tính kinh tế tính hiệu động hydro chuyển đổi từ động xăng ô tô 1NZ-FE xe Toyota Vios Động không thay đổi kết cấu mà thay hệ thống phun xăng gián tiếp hệ thống phun hydro vào đường ống nạp Việc nghiên cứu đánh giá thực cách so sánh áp suất thị trung bình động sử dụng hydro sử dụng xăng chế độ toàn tải (bướm ga mở hoàn toàn) so sánh hiệu suất nhiệt động tốc độ áp suất thị trung bình Kết nghiên cứu cho thấy áp suất thị trung bình toàn tải động sử dụng hydro giảm 11% so với sử dụng xăng hiệu suất nhiệt tăng đáng kể Ở chế độ tốc độ áp suất thị trung bình, hiệu suất nhiệt động hydro cao hiệu suất nhiệt động xăng 3,9% giá trị hiệu suất lượng tăng tương đối 8,811,5% giá trị hiệu suất động nguyên thủy Từ khóa: Động hydro, đặc tính làm việc, mơ hình hóa động ĐẶT VẤN ĐỀ * Cùng với bùng nổ kinh tế đất nước, động đốt ngày phát triển sử dụng rộng rãi lĩnh vực kinh tế, xã hội Hiện nay, tăng trưởng mạnh số lượng động ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch xăng diesel làm cho vấn đề ô nhiễm môi trường từ khí thải động trở nên trầm trọng làm cạn kiện nhanh nguồn nhiên liệu Biện pháp hiệu trước mắt để khắc phục vấn đề nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay có mức phát thải độc hại thấp động ô tô hành Trong loại nhiên liệu thay thế, hydro (H2) nguồn nhiên liệu tái tạo, sản xuất từ nguồn nước vô tận nên xem nhiên liệu tiềm cho động đốt (Ghazi, 2003) H2 phản ứng với ô xy tao sản phẩm sạch, có nước nên khơng gây nhiễm mơi trường khơng gây hiệu ứng nhà kính sử dụng loại nhiên liệu hóa thạch Thêm nữa, theo Pourkhesalian et al (2010), nhiên liệu H2 có đặc điểm cháy nhanh, trị số ốc tan cao, chống kích nổ tốt nên thích hợp với động đánh lửa Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cưỡng dễ dàng sử dụng làm nhiên liệu thay động xăng hành Để chuyển đổi động ô tô hành sang sử dụng nhiên liệu hydro cần phải nghiên cứu đánh giá thay đổi đặc tính làm việc động để chọn phương án thiết kế chuyển đổi hợp lý Đối với việc nghiên cứu sử dụng loại nhiên liệu thay khác, có nhiều cơng trình nghiên cứu đánh giá khả thích ứng với nhiên liệu động cơnhư cơng trình nghiên cứu mơ so sánh đặc tính làm việc phát thải động sử dụng LPG xăng (Bayraktar, 2008), so sánh đặc tính làm việc động sử dụng CNG xăng (Mustafi et al, 2006), so sánh đặc tính làm việc phát thải động sử dụng loại nhiên liệu khí khác (Escalante et al, 2010) Các kết nghiên cứu phân tích đặc tính sử dụng đưa khuyến cáo cách thức sử dụng loại nhiên liệu thay đề xuất động hành Bài báo trình bày phương pháp xây dựng mơ hình mơ kết nghiên cứu đánh giá tính kinh tế tính hiệu động 1NZFE sử dụng hydro so với nguyên thủy sử dụng xăng Kết nghiên cứu làm sở đánh giá KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 59 phương diện kỹ thuật khả sử dụng hydro động hành giúp đề xuất sử dụng hiệu nhiên liệu H2 động tơ MƠ HÌNH TỐN Việc nghiên cứu thực phương pháp mô hình hóa động hydro sở động phun xăng gián tiếp 1NZ-FE lắp xe Tyota Vios Các thông số động Bảng Động không thay đổi kết cấu mà thay việc cấp xăng vào đường nạp việc cấp hydro vào đường nạp Mơ hình tính tốn mơ xây dựng dựa theo phương pháp Ferguson (1986) sử dụng phương trình bảo tồn khối lượng lượng khí thể xi lanh thời điểm góc quay trục khuỷu Dạng vi phân phương trình sau: dm j dm  d j d m (1) dm j du dm dQ dV u  p   hj d d d d d j Trong đó, m khối lượng mơi chất (khí thể) xi lanh; u – Nội riêng; p - Áp suất khí thể; m j - Khối lượng khí nạp, khí thải khí rị lọt; hj - Entanpi khí nạp, khí thải khí rị lọt; Q Nhiệt trao đổi với thành buồng cháy; V - Thể tích xi lanh; -góc quay trục khuỷu (2) Sử dụng mơ hình cháy Vibe (Ferguson, 1986), mơ hình truyền nhiệt khí thể với vách buồng cháy Woschni (1967) biến đổi phương trình rút hệ phương trình vi phân cấp I mô tả thay đổi áp suất, nhiệt độ, sinh cơng theo góc quay trục khuỷu: dp A  B  C  d DE dTu  d dTb  d htn, u  (3) Auj Tu  Tw , j  j h , p ,l  mc p, u 1  x  htn ,b   vu  ln vu dp c p ,u  ln Tu d (4)  vb  ln vb dp hu  hb  dx C     x  x2  l   c p ,b  ln Tb d xc p , b  d  (5) Abj Tb  Tw , j  j h p.l mc p ,b x dW dV p d d dQ 1   hu 1  x1/2   Aj Tu  TW , j   hb x1/2  Aj Tb  TW , j  d   j  p ,l , h j  p, l , h dH l Cl m 1  x  hu  x hb    d    dV VCl  Trong đó: A     m  d   h vb  ln vb B  m c p ,b  ln Tb  Abj Tb  Tw, j  j  h p l Tb dx  ln vb hu  hb C    vb  vu   vb d  ln Tb c p ,bTb h vu  ln vu   m c p,u  ln Tu  (7) (8) (9) Auj Tu  Tw , j  j  h p l Tu  dx  x  x  Cl       d   v   ln v 2 v  ln v   v   ln v 2 v  ln v  b b b u u u ; D  x b    E   x   u     p  ln p  c T  ln p p  ln p c T  ln p  p ,b b     p ,u u    60 (6) (10) (11) (12) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Trong đó, v, p, T thể tích riêng, áp suất, nhiệt phương pháp Rungge-Kutta lập trình giải sử dụng độ khí thể xi lanh; số u-khí chưa ngơn ngữ FORTRAN ta xác định P, Tu , Tb cháy, b-khí cháy; -tốc độ góc trục khuỷu thơng số suy diễn khác chu trình theo góc Giải phương trình vi phân (3) đến (8) kết hợp quay trục khuỷu Từ đó, tính thơng số điều kiện đầu, điều kiện biên, thông số kỹ thuật làm việc động áp suất thị trung bình động Bảng 1, thơng số lý hóa xăng pi hiệu suất nhiệt động hydro (Ghazi, 2003) Bảng cách sử dụng Bảng Các thông số động 1NZ-FE Thơng số Trị số Đường kính xi lanh/Hành trình pít tơng (mm/mm) Thể tích cơng tác xl (lít) 75/84,7 Tỉ số nén Góc mở sớm xp nạp (độ- trước điểm chết trên) 10,5:1 -7  33 Số xi lanh Thơng số Góc đóng muộn xp nap (độ- sau điểm chết dưới) Góc mở sớm xp thải (độ-trước điểm chết dưới) Góc đóng muộn xp thải (độ-sau điểm chết trên) Công suất định mức (kW) Tốc độ định mức (v/p) 0,374 Trị số 52  12 34 80 6000 Bảng Một số tính chất xăng hydro Nhiên liệu Khối lượng phân tử (kg/kmol) H2 Xăng 114 Lượng khơng khí lý thuyết / kg 14,7 Nhiên liệu Xăng H2 Octan (RON) 90-100 130 34,7 Nhiệt trị (kJ/kg) 44.000 120.000 858 Tốc độ cháy (m/s) 0,43 3,2-4,4 nhiên liệu (kg/kg) Nhiệt độ tự cháy (độ C) 650 KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH Để đánh giá tính kinh tế tính hiệu động 1NZ-FE sử dụng hydro, so sánh áp suất thị trung bình cực đại động hydro với áp suất thị trung bình cực đại động nguyên thủy sử dụng xăng so sánh hiệu suất nhiệt hai động tốc độ định mức động 6000 v/p áp suất thị trung bình chế độ tải với hệ số dư lượng khơng khí =1 góc đánh lửa sớm tối ưu Mơ hình mơ lập cho phép tính tốn tất thơng số chu trình cơng tác động sử dụng xăng sử dụng hydro, từ tính áp suất thị trung bình hiệu suất nhiệt động Kết tính tốn cho thấy, chế độ bướm ga mở hồn tồn, góc đánh lửa sớm tối ưu động chạy hydro độ, nhỏ 14 độ so với góc đánh lửa sớm tối ưu động chạy xăng tốc độ cháy hydro lớn xăng Ở chế độ này, áp suất thị trung bình động chạy xăng đạt 11,02 bar động hydro 9,81 bar, thấp 11% so với chạy xăng Điều hồn tồn giải thích hydro nhẹ, tích riêng lớn nhiều so với xăng nên chiếm thể tích khơng khí khí nạp lớn Kết tính tốn thơng số chu trình động ứng với loại nhiên liệu tốc độ áp suất thị trung bình đồ thị Hình đến Hình Thời điểm đánh lửa chọn tối ưu với loại nhiên liệu Hình so sánh đồ thị cơng và Hình so sánh qui luật cháy động xăng động hydro tốc độ 6000v/p, áp suất thị pi=9,81 bar Có thể thấy động hydro có áp suất cực đại cao so với động xăng tốc độ cháy nhanh hơn, thời gian cháy ngắn Góc đánh lửa sớm động hydro điều chỉnh để thời điểm cháy xảy muộn so với động chạy xăng để đảm bảo KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 61 trình cháy tốt Áp suất khí thể động hydro giảm nhanh thời kỳ giãn nở (đường áp suất động hydro nằm đường áp suất động xăng) giai đoạn nhiệt độ khí thể động hydro thấp so với động xăng (Hình 3) Hình Đồ thị cơng động xăng động Hình Qui luật cháy động xăng động hydro tốc độ 6000v/p, áp suất thị pi=9,81 bar hydro tốc độ 6000v/p, áp suất thị pi=9,81 bar lệ nhiệt tổn thất động xăng động hydro tốc độ 6000v/p, áp suất thị pi=9,81 bar Khối l ượng khí thải (g/chu trình) 0.4 0.35 0.3 762 0.279 62 700 600 0.2 500 0.15 400 0.1 300 0.05 200 100 Động xăng Rõ ràng rằng, với cơng chu trình (Hình 5) nhiệt tổn thất cho vách buồng cháy nhiệt tổn thất khí thải mang động hydro nhỏ động xăng Điều nhiệt độ khí thể động hydro (Hình 3), nhiệt độ khối lượng khí thải động hydro (Hình 4) nhỏ giá trị tương ứng động xăng Chính mà hiệu suất nhiệt động hydro (Hình 6) lớn sơ với động xăng (lớn 3,9% giá trị hiệu suất, cịn tính theo giá trị tăng tương đối gần 9%) Hình so sánh nhiệt tổn thất truyền nhiệt cho vách buồng cháy khí thải mang động 800 0.25 Khối lượng khí thải Hình Nhiệt độ khí thể động xăng động hydro tốc độ 6000v/p, áp suất thị pi=9,81 bar 900 871 0.348 Nhi ệt độ khí thải (K) Hình so sánh cơng, tổn thất nhiệt chu trình Hình so sánh tỉ lệ nhiệt có ích (hiệu suất nhiệt), tỉ Nhiệt độ khí thải Động hydro Hình Khối lượng nhiệt độ khí thải động xăng động hydro tốc độ 6000v/p, áp suất thị pi=9,81 bar xăng động hydro 6000v/p chế độ tải khác Có thể thấy toàn phạm vi tải (mỗi chế độ tải tương ứng áp suất thị trung bình), nhiệt tổn thất truyền nhiệt cho vách buồng cháy nhiệt tổn thất khí thải mang động hydro nhỏ số liệu tương ứng động xăng Kết tổng tổn thất nhiệt nhỏ nên động hydro có hiệu suất nhiệt cao hiệu suất nhiệt động xăng áp suất thị trung bình (Hình 8), tức với cơng suất động hydro có hiệu suất nhiệt cao hơn, hay nói cách khác động hydro có tính kinh tế cao động xăng Như vậy, chuyển KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC động xăng tơ sang sử dụng hồn tồn hydro cung cấp vào đường nạp mà khơng thay đổi kết cấu động tính hiệu động (thể qua áp suất thị trung bình) giảm khoảng 11% hiệu suất nhiệt động tăng 3,9% giá trị hiệu suất 60.0 400 350 300 250 200 367 367 Động xăng Động hydro 235 222 224 169 150 100 50 Các thành phần nhiệt (%) Cơng nhiệt (J/chu trình) 450 Động xăng Động hydro 48.4 44.5 50.0 40.0 28.429.3 30.0 27.1 22.3 20.0 10.0 0.0 Cơng chu trình Nhiệ t truyền Nhiệ t khí thải cho vá ch Hình Cơng tổn thất nhiệt chu trình động xăng động hydro tốc độ 6000v/p, áp suất thị pi=9,81 bar Hi ệu suất nhi ệt Nhi ệt truyền Nhi ệ t khí thải cho vách Hình Hiệu suất nhiệt tỉ lệ nhiệt tổn thất động xăng động hydro tốc độ 6000v/p, áp suất thị pi=9,81 bar Hiệu suất thị (%) 50 45 40 35 Động hydro 30 Động xăng 25 20 10 12 Áp suất thị trung bình (bar) Hình Nhiệt tổn thất động xăng động hydro 6000v/p tải khác KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình mơ động xăng tơ 1NZ-FE sử dụng xăng sử dụng hydro Mơ hình xây dựng áp dụng cho hai loại nhiên liệu động nên chưa kiểm chứng thực nghiệm có ý nghĩa lớn sử dụng để đánh giá thay đổi tính làm việc động chuyển từ sử dụng xăng sang sử dụng nhiên liệu hydro Kết nghiên cứu cho thấy chuyển đổi động từ chạy xăng sang chạy H2 cấp nhiên liệu vào đường nạp mà khơng thay đổi kết cấu động áp suất thị trung bình giảm 11% hiệu suất nhiệt tăngđáng kể Ở chế độ tốc độ áp suất Hình Hiệu suất nhiệt động xăng động hydro 6000v/p tải khác thị trung bình, hiệu suất nhiệt động hydro cao hiệu suất nhiệt động xăng 3,9% giá trị hiệu suất lượng tăng tương đối 8,811,5% giá trị hiệu suất động nguyên thủy Kết khẳng định xét đặc tính làm việc động xăng tơ hành hồn tồn chuyển sang sử dụng hydro mà không cần phải thay đổi kết cấu động Động chuyển đổi có tính hiệu (cơng suất) giảm chút tính kinh tế (hiệu suất) cải thiện đáng kể Tuy nhiên, cần trang bị thêm thiết bị an toàn chống cháy ngược động hệ thống trạm nạp hydro cho động đảm bảo an toàn chống cháy nổ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bayraktar, H (2008), “An experimental study on the performance parameters of an experimental CI engine fueled with diesel–methanol–dodecanol blends”, Fuel, 87(2), p.158-164 Escalante Soberanis, M.A and A.M Fernandez (2010), “A review on the technical adaptations for internal combustion engines to operate with gas/hydrogen mixtures”, International Journal of Hydrogen Energy, 35(21), p.12134-12140 Ferguson, C R (1986), Internal Combustion Engines - Applied thermosciences, John Wiley & Sons Ghazi A Karim (2003),“Hydrogen as a spark ignition engine fuel”,International Journal of Hydrogen Energy 28, p.569 – 577 Mustafi, N.N (2006), “Spark-ignition engine performance with ‘Powergas’ fuel (mixture of CO/H2): A comparison with gasoline and natural gas”, Fuel, 85(12–13), p.1605-1612 Pourkhesalian, A.M., A.H Shamekhi, and F.Salimi (2010), “Alternative fuel and gasoline in an SI engine: A comparative study of performance and emissions characteristics”, Fuel, 89(5), p.1056-1063 Wochni, G (1967), “A Universally Applicable Equation for Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the Internal Combustion Engine”, SAEpaper670931 Abstract: INVESTIGATION STUDY OF PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF GASOLINE CAR ENGINE FUELED WITH HYDROGEN Faced with the risk of exhausting fossil fuel sources and the serious environmental pollution emissions of current automotive engines, the study of using hydrogen as an alternative fuel on these engines has scientific and practical significances This paper presents the results of a simulation study of performance characteristics of hydrogen engines converted from 1NZ-FE automotive gasoline engines on Toyota Vios The engine does not change the structure but only replaces the indirect fuel injection system with the hydrogen injection system into the intake pipe Evaluation studies are performed by comparing the indicated mean pressure of the engine when using hydrogen and when using gasoline in full-load mode (fully throttle opening) and comparing the thermal efficiency of the engine at the same speed and indicated mean pressure Study results show that the indicated mean pressure at engine full load when using hydrogen is reduced by 11% compared to using gasoline while the thermal efficiency increases significantly At the same speed and indicated mean pressure, the thermal efficiency of hydrogen engines is 3.9% higher than that of the gasoline engine in terms of the value of efficiency and relative increase of 8.8-11.5% of the original engine performance value Keywords: Hydrogen engine, working characteristics, engine modeling Ngày nhận bài: 20/5/2019 Ngày chấp nhận đăng: 11/9/2019 64 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC ... nghĩa lớn sử dụng để đánh giá thay đổi tính làm việc động chuyển từ sử dụng xăng sang sử dụng nhiên liệu hydro Kết nghiên cứu cho thấy chuyển đổi động từ chạy xăng sang chạy H2 cấp nhiên liệu vào... diện kỹ thuật khả sử dụng hydro động hành giúp đề xuất sử dụng hiệu nhiên liệu H2 động tơ MƠ HÌNH TỐN Việc nghiên cứu thực phương pháp mơ hình hóa động hydro sở động phun xăng gián tiếp 1NZ-FE... thất động xăng động hydro 6000v/p tải khác KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình mơ động xăng ô tô 1NZ-FE sử dụng xăng sử dụng hydro Mơ hình xây dựng áp dụng cho hai loại nhiên liệu động nên chưa kiểm