5. Phương pháp nghiên cứu
2.2.2. Động cơ sử dụng nhiên liệu giàu hydro
Ở đây xét đến trường hợp sử dụng hydro như là một loại phụ gia nhiên liệu với mục đích giảm phát thải độc hại và cải thiện các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ xăng. Bổ sung hydro để cải thiện quá trình cháy của động cơ đốt trong là một vấn đề đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Hầu hết các công trình khoa học đều cho kết quả là bổ sung một lượng hydro vào xăng thì các chỉ tiêu về công suất, phát thải đều giảm hơn so với khi chạy nhiên liệu xăng thông thường.
Đề tài của quỹ khoa học tự nhiên Trung Quốc (số 59076005 do GS. Changwei Ji – Khoa kỹ thuật Ô tô, Đại học Công nghệ Bắc Kinh làm chủ nhiệm chính. Đề tài đã phân tích những ảnh hưởng khi sử dụng hỗn hợp xăng và hydro đến tính năng, phát thải của động cơ ở chế độ khởi động, không tải, hỗn hợp nhạt, … [19-32].
Bảng 2.3. So sánh tính chất của hydro và xăng
Tính chất Xăng Hydro
Khối lượng phân tử (g/mol) 100-105 2,02
Khối lượng riêng (g/l) 690-790 0,09
Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 44,5 120
Nhiệt ẩn hoá hơi (MJ/kg) 0,349 0,448
Áp suất bay hơi (kPa) 48-103 -
Độ nhớt tại 200
C (cP) 0,37-0,44 0,009
Tốc độ cháy (m/s) 0,41 3,24-4,4
Hệ số A/F (kg/kg) 14,6 34,3
Trị số Octane nghiên cứu (-) 88-97 130
Thực nghiệm được tiến hành trên động cơ xăng 4 xy lanh, dung tích 1.6L do công ty Hyundai Bắc Kinh sản xuất. Hydro được điều chế từ quá trình điện phân
42 nước, được chứa trong bình với áp suất 16 MPa, đặt bên ngoài PTN, hydro phun với áp suất 0.3 MPa, thời điểm đóng và mở vòi phun hydro được điều khiển bởi bộ ECU. Sơ đồ của hệ thống cung cấp khí hydro cho động cơ được thể hiện trong hình 2.8. Đường xả ECU Phụ ECU gốc Tín hiệu từ các cảm biến động cơ Đường nạp
Hình 2.8. Sơ đồ của hệ thống thí nghiệm của GS. Changwei Ji [19-32] 1. Bình chứa hydro; 2. Van điều chỉnh áp suất; 3. Thiết bị đo áp suất; 4. Thiết bị
đo lưu lượng hydro; 5. Van chống cháy ngược; 6. Vòi phun hydro; 7. Bướm ga; 8. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp; 9. Van không tải; 10. ECU nguyên bản; 11. ECU mới; 12. Máy tính; 13. Bình nhiên liệu; 14. Đồng hồ đo lưu lượng nhiên liệu; 15. Bơm nhiên liệu; 16. Vòi phun nhiên liệu; 17. IC đánh lửa; 18. Bugi có gắn cảm biến áp suất; 19. Cảm biến tốc độ quay trục khuỷu; 20. Bộ khuếch đại; 21. Bộ chuyển đổi A/D; 22. Máy tính phân tích đặc tính cháy; 23. Cảm biến ôxy;
24. Thiết bị tính toán A/F; 15. Đầu lẫy mẫu khí thải; 26. Tủ phân tích khí thải Horiba MEXA-7100; a. Tín hiệu từ bộ ECU nguyên bản đến bộ ECU mới; b1. Tín hiệu điều chỉnh/điều khiển từ máy tính; b2. Dữ liệu từ bộ ECU mới đến máy
43 Khi bổ sung khí hydro vào đường nạp, không khí đi vào sẽ bị hydro chiếm chỗ và vì vậy hệ số dư lượng không khí λ sẽ thay đổi, sự thay đổi của λ được thể hiện trong công thức sau:
gasoline gasoline gasoline hydro hydro hydro kk kk F A Q F A Q Q / . . / . . . (2.13)
Trong đó Qkk, Qhydro và Qgasoline lần lượt là lưu lượng của không khí, hydro và xăng đi vào đường nạp; ρkk, ρhydro và ρgasoline là khối lượng riêng của không khí, hydro và xăng; (A/F)hydro và (A/F)gasoline là lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết một đơn vị khối lượng nhiên liệu hydro và xăng, cụ thể (A/F)hydro = 34,3 và (A/F)gasoline = 14,6.
Trong quá trình thử, lượng hydro phun vào được điều chỉnh sao cho tỷ lệ thể tích của hydro trong đường nạp chiếm một tỷ lệ phù hợp, kết quả thử nghiệm cho thấy:
* Hiệu suất nhiệt có ích (BTE): Khi thí nghiệm ở hai chế độ là cho phun 3% và 6% hydro theo thể tích vào đường ống nạp với tốc độ trục khủy là 1400 v/p và áp suất đường ống nạp là 61,5kPa. Kết quả cho thấy rằng BTE tăng từ 26.37% đối với động cơ thuần nhiên liệu xăng lên 31.56% với động cơ bổ sung thêm 6% hydro. Đặc biệt BTE được duy trì khi thay đổi hệ số dư lượng không khí từ 1,0 đến 1,7 [33]
* Mô men có ích: Khi bổ sung 3% hydro thì đường đặc tính mô men của động cơ dùng nhiên liệu giàu hydro có biên dạng giống như động cơ xăng nhưng giá trị mômen tăng lên khoảng 10% và đều đạt giá trị lớn nhất tại tốc độ 2500 v/p. Còn khi bổ sung 6% hydro thì mô men cực đại của động cơ dùng nhiên liệu giàu hydro đạt tại tốc độ 2000 v/p gấp 25% so với động cơ xăng, nhưng ở tốc độ càng cao thì mô men của động cơ dùng nhiên liệu giàu hydro lại giảm xuống do ảnh hưởng của tốc độ và dòng khí nạp đi qua bướm ga.[34]
44
* Suất tiêu hao nhiên liệu (SFC): Các đường đặc tính SFC của 2 loại động cơ đều có chung biên dạng, tiêu thụ thấp nhất tại tốc độ 3200 v/p nhưng sự tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xăng là cao nhất và tuỳ thuộc vào lượng hydro bổ sung mà SFC sẽ khác nhau. Bổ sung quá nhiều hydro thì sự tiêu hao nhiên liệu có giảm hơn so với động cơ xăng nhưng lại không là tối ưu nhất.[16]
* Phát thải: Nhờ tốc độ cháy và lan truyền của ngọn lửa hydro đã làm lượng phát thải trên động cơ dùng nhiên liệu giàu hydro giảm đáng kể đặc biệt là HC và CO2 tuy nhiên NOx lại tăng lên do nhiệt độ cháy cao, CO có giảm nhưng không nhiều. Ở tốc độ 1400 v/p, áp suất ống nạp là 61kPa, nếu λ=1,7 thì HC giảm còn có 150 ppm. Càng thêm nhiều hydro thì khí thải càng sạch nhưng nếu cho quá nhiều hydro thì lại làm giảm công suất của động cơ. [13]
Một số đơn vị khác cũng tiến hành nghiên cứu bổ sung khí hydro trên động cơ xăng như tập thể các nhà khoa học tại Trường Đại học Windsor, Canada; Viện Công nghệ liên bang Thuỵ Sĩ tại Zurich (ETHZ); Đại học Atatürk, Đại học Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ...
Theo kết quả nghiên cứu trên động cơ Ford 4 xylanh của F. Yüksel và M.A [35]. Ceviz tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường ĐH Atatürk cho thấy: Khi sử dụng hydro như một nhiên liệu bổ sung, hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện. Cụ thể, khi sử dụng xăng, hiệu suất là 38,1%; hiệu suất tăng lên 41,9; 44 và 43,8% khi lưu lượng khí hydro là 0,129; 0,168 và 0,208 (kg/h). Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm, từ 215,78 (g/kW.h) khi sử dụng xăng xuống 200,11; 190,58 và 194,58 (g/kW.h) ứng với ba giá trị của lưu lượng khí hydro nói trên. Như vậy, tính kinh tế của động cơ được cải thiện rõ rệt: suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ giảm khoảng 11,5%. [35]
Kết quả thử nghiệm trên 4 mẫu xe Volvo 940 (đời 1993), Mercedes 280 (đời 1996); Fiat Kartal (đời 1992) và Fiat Dogan (đời 1992) trong điều kiện giao thông ở thành phố của các nhà khoa học của Trường ĐH Kocaeli và Công ty Ứng dụng hydro ở Thổ Nhĩ Kỳ đã sử dụng khí hydro được sản xuất trực tiếp trên phương tiện thông qua quá trình điện phân cung cấp thẳng vào đường nạp động
45 cơ, lượng xăng tiêu thụ giảm đáng kể. Cụ thể, lượng xăng của Volvo 940 giảm xuống còn 6 lít/100km so với nguyên bản là 10,5lít/100km, tức giảm 43%; Mercedes 280 giảm từ 11 lít/100km xuống 7 lít/100km (giảm 36%); Fiat Kartal giảm đi 2,5 lít/100km từ 9,5 lít/100km khi có hydro bổ sung (giảm 26%) và Fiat Dogan giảm từ 9 lít/100km xuống 6 lít/100km, tương ứng 33%. Cùng với đó ba thành phần phát thải CO, CO2 và HC giảm khoảng từ 40-50% tuỳ thuộc vào loại động cơ. [32]
Kết luận chƣơng 2
Sau khi tham khảo các công trình nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng hỗn hợp giàu hydro cho động cơ xăng nhiều xy lanh. Ta thấy cần phải thực nghiệm trên động cơ xăng xe máy để đánh giá hiệu quả cháy và khí thải của việc sử dụng hỗn hợp giàu hydro. Từ đó có góc nhìn tổng quan về khả năng ứng dụng hỗn hợp giàu hydro trên động cơ xe máy ở Việt Nam.
46
CHƢƠNG 3. TRANG THIẾT BỊ VÀ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ