5. Phương pháp nghiên cứu
2.1.1. Đặc điểm, tính chất của nhiên liệu hydro
2.1.1.1. Tính chất vật lý của nhiên liệu hydro
Hydro là chất khí không màu, không mùi, không vị với khối lượng phân tử là 2,016 và là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn hoá học. Tỉ trọng của hydro nhỏ hơn 14 lần so với không khí (0,08367 kg/m3 ở điều kiện và áp suất tiêu chuẩn). Hydro ở dạng lỏng tại nhiệt độ dưới 20,30K. Hydro có nhiệt trị cao nhất trên một đơn vị khối lượng so với các loại nhiên liệu khác. Nhiệt trị của hydro là 141,9 MJ/kg gấp gần ba lần so với xăng. Một số tính chất vật lý quan trọng của hydro được thể thiện ở bảng (2.1) dưới đây:
Bảng 2.1. Tính chất vật lý của hydro, mê tan, xăng [12]
Tính chất Hydro Mê tan Xăng
Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 300 K (kg/m3) 0,082 0,717 5,11 Hệ số khuyếch tán trong không khí (cm2/s) 29,53 9,48 1,65 Giá trị nhiệt trị thấp (MJ/kg) 119,7 46,72 44,79 Năng lượng cháy khi đốt 1kg nhiên liệu ở tỉ
lệ tối ưu (MJ) 3,37 2,56 2,79
2.1.1.2. Tính chất cháy của nhiên liệu hydro
Khi nghiên cứu hydro như là một loại phụ gia nhiên liệu để cải thiện quá trình cháy của động cơ thì nhiên liệu hydro có một số tính chất cháy quan trọng sau:
31
Bảng 2.2. Tính chất cháy của của hydro, mê tan, xăng [12]
Tính chất Hydro Mê tan Xăng
Phạm vi cháy rộng (% thể tích) 4-75 5,3-15,0 1,2-6,0 Năng lượng đánh lửa thấp nhất (MJ) 0,02 0,28 0,25
Tốc độ màng lửa (m/s) 3,2-4,4 0,83 0,41
Nhiệt độ tự cháy (K) 858 813 500-700
* Phạm vi cháy:
Hình 2.1. Phạm vi cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [14]
Từ hình 2.1 ta thấy hydro có phạm vi cháy nằm giữa 4% đến 75% lượng hydro có trong hỗn hợp, tức là có khả năng cháy được với hoà khí nghèo. Trong khi đó một số loại nhiên liệu khác thì có phạm vi cháy thấp hơn như khí tự nhiên là 5.3%-15%, propane là 2.1%-10% và xăng là 2%-6% [12]. Thông thường, khi hỗn hợp càng nghèo thì phản ứng cháy của nhiên liệu sẽ tốt hơn làm nhiên liệu được đốt kiệt hơn vì thế nâng cao tính kinh tế, thêm vào đó nó sẽ làm nhiệt độ cuối quá trình cháy thấp hơn làm giảm bớt hàm lượng ô nhiễm trong khí thải. Nhưng khi động cơ làm việc ở giới hạn hỗn hợp nghèo cho phép, có thể làm
32 giảm công suất do giảm mật độ của chất cháy có trong của hỗn hợp không khí nhiên liệu [13].
* Nhiệt độ tự cháy:
Hình 2.2. Nhiệt độ tự cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [13]
Hình 2.2 là một thông số vô cùng quan trọng, nó quyết định đến tỉ số nén của động cơ tức là quyết định đến hiệu suất nhiệt của động cơ. Khi nhiệt độ tự cháy cao có thể nâng cao tỉ số nén mà không sợ nhiên liệu tự cháy gây ra các hiện tượng cháy không bình thường. Tỉ số nén càng cao thì động cơ có thể làm việc với hoà khí nghèo mà vẫn cho phép hiệu suất và công suất ra của động cơ cao. Nhiệt độ tự cháy của hydro cao (858 oC) cao gấp đôi của xăng nên đây là một ưu điểm lớn của nhiên liệu hydro.
* Tốc độ cháy:
33 Hình 2.3 hydro có tốc độ cháy cao, tốc độ ngọn lửa của hydro nhanh hơn so với xăng. Khi λ=1 thì tốc độ cháy của hỗn hợp (không khí và hydro ) gấp 6 lần tốc độ cháy của hỗn hợp không khí-mê tan và hỗn hợp không khí-xăng [12]. Nhưng với λ càng lớn (hỗn hợp nghèo) thì tốc độ ngọn lửa giảm đáng kể do lúc này mật độ chất cháy giảm, khoảng cách giữa các chất cháy tăng làm cản trở đến tốc độ lan tràn màng lửa.
Ngoài ra, tốc độ cháy nhanh làm cho đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hydro ít nhạy cảm với sự thay đổi hình dạng của buồng cháy và sự chảy rối, xoáy của đường ống nạp. Tốc độ cháy cao và khả năng dễ cháy lớn còn giúp cho động cơ có khả năng khởi động động cơ tốt hơn.
Tốc độ cháy nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ cháy cao trong suốt quá trình cháy của động cơ khi động cơ làm việc ở gần tỉ lệ hoà khí tối ưu dẫn tới nhiệt độ khí thải cao và dễ dàng hình thành NOX. Ngoài ra nó có thể gây ra tiếng ồn và rung vì sự gia tăng áp suất quá nhanh trong buồng đốt.
* Năng lượng đánh lửa thấp:
Hình 2.4. Năng lượng đánh lửa của hydro và một số loại nhiên liệu
Hình 2.4 thể hiện mức năng lượng cần cho quá trình đánh lửa của một số hỗn hợp. Đây là một ưu điểm đối với động cơ hydro vì hệ thống đánh lửa đơn giản, tuy nhiên lại khó kiểm soát được vấn đề tự cháy của nhiên liệu. Những đốm lửa tại thời điểm trùng điệp giữa xu pap xả và nạp hoặc tia lửa thừa trong hệ thống đánh lửa sẽ dễ dàng đốt cháy nhiên liệu hydro ngay cả khi van nạp chưa
34 kịp đóng sẽ gây ra hiện tượng tự cháy, cháy ngược lại cổ hút hoặc tạo ra sự tăng áp đột ngột trong xi lanh tạo nên tiếng gõ gây hư hỏng cho động cơ.
* Khoảng dập tắt ngọn lửa nhỏ: Hydro có một khoảng dập tắt ngọn lửa nhỏ, nhỏ hơn xăng (của hydro là 0.6 mm của xăng là 2.0 mm). Do vậy ngọn lửa hydro tiến sát gần với vách buồng cháy hơn so với ngọn lửa của các loại nhiên liệu khác trước khi bị dập tắt nên nhiên liệu sẽ được đốt kiệt hơn tạo ra công suất lớn hơn, nâng cao tính kinh tế và đặc biệt khi sử dụng ở dạng phụ gia cùng với nhiên liệu khác sẽ giúp cho hàm lượng HC trong khí thải sẽ giảm xuống. [13]
* Độ khuyếch tán cao: Khả năng khuyếch tán trong không khí của nhiên liệu hydro là vô cùng lớn. Khí hydro luôn có xu hướng rò rỉ tại những những lỗ và các mối ghép trên đường ống nhiên liệu. Nó gấp 1,26 (dòng chảy tầng) tới 2.8 (dòng chảy rối) lần so với sự rò rỉ của khí tự nhiên khi cùng diện tích rò rỉ. Khi nhiên liệu hydro được nén với áp suất cao thì tốc độ của nhiên liệu khi bị rò rỉ có thể đạt tới tốc độ 1308 m/s lớn hơn ba lần so với 449 m/s của khí tự nhiên. Khi sử dụng hydro làm nhiên liệu cho ĐCĐT thì sẽ giúp cho quá trình hình thành hoà khí một cách dễ dàng. Nếu có tai nạn vì một nguyên nhân nào đó hydro rò rỉ sẽ thoát rất nhanh nhờ khả năng khuyếch tán cao của nó sẽ làm giảm nguy cơ cháy nổ, nâng cao tính an toàn khi sử dụng nhiên liệu hydro [13].
* Mật độ rất thấp: Hydro có mật độ thấp, nên vấn đề tích trữ để cung cấp cho động cơ là vấn đề khó khăn. Để lưu trữ được hydro phải mất năng lượng để nén (200 at) hoặc hóa lỏng hydro và thùng chứa nhiên liệu phải là thùng chịu được áp suất cao. Một vấn đề khác là công suất của động cơ bị ảnh hưởng do mật độ năng lượng của hoà khí thấp, đây khó khăn để có thể sử dụng hoàn toàn nhiên liệu hydro cho ĐCĐT.
2.1.2. Các phƣơng pháp tạo ra nhiên liệu hydro
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo trọng lượng) và hydro dạng nguyên chất gần như không tồn tại trong tự nhiên. Trên Trái Đất, hydro phần lớn ở dạng kết hợp với oxy trong nước, hay
35 với carbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động thực vật. Hydro là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là chúng không thể được khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu. Điều này là một điểm bất lợi, nhưng đồng thời lại là điểm mạnh của hydro do người ta có thể sản xuất hydro từ nhiều nguồn khác nhau, một số phương pháp điển hình như:
+ Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforming)
+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis) + Phương pháp sinh học (Biological method)
Hình 2.5. Một số nguyên liệu tạo ra hydro [15]
2.1.2.1. Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon
a) Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)
Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách C và chuyển hóa thành H2 nhờ hơi nước, quá trình này thường xảy ra ở nhiệt độ
36 700-850°C và áp suất từ 3 đến 25 bar với xúc tác thích hợp. Các sản phẩm khí có chứa khoảng 12% CO được tiếp tục biến đổi thành CO2 và H2 qua các phản ứng: [15]
CH4 + H2O + nhiệt độ => CO + 3 H2 (2.1) CO + H2O => CO2 + H2 + nhiệt độ (2.2) CH4 + 1/2O2 => CO + 2H2 + nhiệt độ (2.3) Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất H2. Tuy nhiên phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v.
b) Khí hóa hydrocarbon nặng (gasification heavy hydrocarbon)
- Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hydro các bon với hơi nước (phản ứng thu nhiệt): Các phản ứng hóa học chính trong quá trình biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu HC với hơi nước được biểu diễn bởi các phương trình sau:[16]
CnHm + nH2O = nCO + (m/2+n)H2 (2.4) CO + H2O = CO2 + H2 (2.5) CnHm + 2nH2O = nCO2 + (m/2+2n)H2 (2.6) - Phản ứng oxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn (phản ứng tỏa nhiệt): Nhiên liệu HC nếu phản ứng cháy với O2 trong điều kiện thiếu O2 sẽ tạo ra sản phẩm là khí H2 và CO, đồng thời giải phóng một nhiệt lượng lớn. Có thể coi quá trình phản ứng được thực hiện theo một số phương trình tổng hợp dưới đây:
CnHm + 0,5nO2 = nCO +0,5mH2 (2.7) CnHm + (n+0,25m)O2 = nCO2 + 0,5mH2O (2.8)
- Phản ứng nhiệt hóa hydro các bon với khí CO2 (phản ứng thu nhiệt):
Trong điều kiện nhiệt độ cao và môi trường có chất xúc tác, nhiên liệu hydro các bon có thể phản ứng với CO2 tạo ra khí ô xit các bon và hydro [17] theo phương trình sau:
37 CnHm + nCO2 = 2nCO + 0,5mH2 (2.9)
c) Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis)
Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydro. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa hydro được ngưng tụ trong dầu nhiệt phân từ sinh khối và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra hydro. Quá trình này thường tạo ra sản lượng hydro khoảng từ 12%-17% trọng lượng hydro của sinh khối. Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v.
2.1.2.2. Phương pháp điện phân nước (Electrolysis)
Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydro và oxy. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydro sinh ra ở điện cực âm và oxy ở điện cực dương:
Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2 OH- (2.10) Phản ứng trên anode: 2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e- (2.11) Tổng quát: 2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2 (2.12) Phương pháp này có ưu điểm là năng suất tạo H2 cao nhưng đồng thời có nhược điểm là rất tốn điện, hiệu suất biến đổi năng lượng thấp, không kinh tế và thiết bị cồng kềnh nến khó áp dụng trên phương tiện giao thông vận tải.
2.1.2.3. Phương pháp sinh học (Biological method)
Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydro như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng. Đây là một cách để sản xuất hydro từ ánh sáng mặt trời là sử dụng quá trình quang hợp của vi sinh vật để phân tách nước thành các ion hydro (H+) và electron (điện tử). Các ion hydro sau đó kết hợp thành khí hydro (H2) và các vi sinh vật được sử dụng gọi là hydrogenases. Tảo xanh có khả năng sử dụng năng lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp để sản xuất hydro. Điều này đã được biết đến khoảng 15 năm về
38 trước nhưng hiệu quả thấp là một vấn đề cần giải quyết. Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.
Như vậy, từ những vấn đề đã nghiên cứu ở trên về hydro cho thấy khả năng sử dụng hydro làm giàu hỗn hợp cho động cơ xăng sẽ giải quyết được một số vấn đề về an ninh năng lượng, chống biến đổi khí hậu…
2.2. Các phƣơng pháp cung cấp nhiên liệu hydro cho động cơ xăng
Tuỳ thuộc vào đặc điểm, mục đích sử dụng nhiên liệu hydro cung cấp cho động cơ (dùng hydro chạy động cơ hay dùng hydro làm phụ gia nhiên liệu) mà người ta có thể lựa chọn được phương án cũng như nguồn hydro cấp cho động cơ sao cho thuận lợi nhất. Mặt khác nó còn phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng động cơ cho mục đính gì, lĩnh vực nào, động cơ tĩnh tại hay động cơ lắp trên phương tiện giao thông. Đối với động cơ tĩnh tại thì việc sử dụng nguồn nhiên liệu hydro được sản xuất sẵn trong công nghiệp cung cấp cho động cơ thuận lợi hơn các động cơ lắp trên phương tiện giao thông. Chính vì vậy trên các phương tiện giao thông người ta có thể sử dụng ngay nhiên liệu truyền thống làm nguyên liệu để tạo ra và cung cấp hydro cho động cơ.
Khi đánh giá các đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hydro ta cần phải đánh giá một vài đặc tính quan trọng như: áp suất có ích trung bình (BMEP), Hiệu suất nhiệt có ích trung bình (BMTE), mô men và công suất, phát thải, suất tiêu hao năng lượng có ích (BSEC).
2.2.1. Động cơ sử dụng nhiên liệu hydro
Ở đây, hydro sản xuất bởi các nhà máy quy mô công nghiệp được tích trữ trong các bình chứa ở dạng lỏng hoặc khí được sử dụng để cung cấp cho động cơ. Đặc tính cũng như các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ phụ thuộc rất lớn vào phương pháp cấp hydro cho động cơ. Hiện nay thường dùng một số cách cung cấp hydro cho động cơ như sử dụng hydro dạng khí hay lỏng phun vào đường nạp động cơ hoặc phun trực tiếp vào buồng cháy của động cơ.[14]
39
Hình 2.6. Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT.
a) Cấp hydro ở dạng khí vào đường nạp động cơ:
Do bị hydro chiếm chỗ nên lượng không khí đi vào xylanh giảm tức là lượng không khí và nhiên liệu vào xylanh giảm theo dẫn đến công suất động cơ giảm. Tuy nhiên phương pháp này tạo hỗn hợp tốt.
b) Phun hydro lỏng vào đường nạp:
Do một lượng nhỏ hydro dạng lỏng chưa bay hơi kịp trên đường nạp đi vào xylanh nên nhiên liệu hydro chiếm ít thể tích của không khí hơn so với việc cấp hydro ở dạng khí vào đường nạp động cơ.
c) Phun trực tiếp hydro lỏng hoặc khí trực tiếp vào buồng cháy:
Phương án này hoàn toàn không làm giảm lượng không khí nạp so với hai phương án trên. Trong khi đó, sử dụng nhiên liệu hydro có nhiệt trị cao hơn xăng nên hiệu suất nhiệt; công suất và mô men của động cơ hydro cùng kích thước cũng cao hơn động cơ xăng (Hình 2.7). [12] Tuy nhiên phương pháp này thực hiện phức tạp hơn nhiều so với việc phun hydro vào đường ống nạp động cơ.
40
a)
c)
b)
d)
Hình 2.7. So sánh hiệu suất nhiệt, mô men, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa động cơ xăng và động cơ hydro cùng kích thước [12,18]
a) Hiệu suất nhiệt theo tốc độ động cơ b) Mô men theo tốc độ động cơ c) Công suất theo tốc độ động cơ d) Suất tiêu hao nhiên liệu
Về phát thải thì động cơ sử dụng hydro chỉ phát thải NOx mà không phát thải HC, CO. Tuy nhiên trong thực tế khi động cơ chạy ở tốc độ cao thì vẫn phát sinh HC, CO vì quá trình đốt cháy màng dầu bôi trơn trong xylanh, khi tăng tốc độ động cơ cũng làm gia tăng hàm lượng CO trong khí thải, CO2 hầu như không xuất hiện nhưng lượng O2 trong ống thải gia tăng. [12]
Ngoài những ưu nhược điểm phân tích ở trên thì khi sử dụng nhiên liệu hydro cho ĐCĐT thì cần phải chú ý thêm các vấn đề như vật liệu chế tạo, tuổi thọ của dầu bôi trơn….Còn tùy theo phương pháp hình thành hoà khí thì động cơ có thể có mô men và công suất khác nhau.
41
2.2.2. Động cơ sử dụng nhiên liệu giàu hydro