Thành phần phỏt thải nguy hại nhất của động cơ đốt trong là CO, HC + NOx và PM được phỏt ra chủ yếu từ động cơ Diesel. Do vậy, đề tài này chọn đối tượng động cơ nghiờn cứu là động cơ diesel và nghiờn cứu thớ điểm trờn động
cơ diesel D243. Đề tài sẽ gúp phần nghiờn cứu giảm phỏt thải khúi của cỏc phương tiện vận tải sử dụng động cơ diesel trong cỏc thành phố lớn.
CHƯƠNG 2: LỢI ÍCH CỦA NHIấN LIỆU GIÀU HYDRO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO RA TỪ NHIấN LIỆU TRUYỀN THỐNG 2.1. Vấn đề chung về sử dụng hydro và nhiờn liệu giàu H2 trờn thế giới.
Sự tỡm kiếm nguồn năng lượng mới để kịp thời thay thế năng lượng húa thạch khi nguồn năng lượng này bắt đầu suy giảm và cạn kiệt đến nay đó cú
được lời giải: đú là năng lượng từ hyđrụ và hyđrụ sẽ là xương sống của nền kinh tế hyđrụ bắt đầu từ nửa cuối của thế kỷ 21 trở về sau.
Hyđrụ (Hydrogen, cụng thức húa học H2) là một loại khớ cú nhiệt chỏy cao nhất trong tất cả cỏc loại nhiờn liệu khớ trong thiờn nhiờn. Đặc điểm quan trọng của hyđrụ là trong phõn tử khụng chứa cacbon (C), nờn sản phẩm chỏy của chỳng chỉ là nước (H2O), khụng cú khớ thải độc hại, khụng CO2 , CO, SOx, NOx, khụng bụi cacbon, vỡ vậy rất sạch, thõn thiện và hũa đồng với mụi trường, khụng làm ụ nhiễm bầu khụng khớ chỳng ta đang sống, khụng tạo ra hiệu ứng nhà kớnh gõy biến đổi khớ hậu toàn cầu.
Hyđrụ là nhiờn liệu trong mơ của những nhà bảo vệ mụi trường hiện nay . Sử dụng nhiờn liệu hyđrụ sẽ khụng cũn những hiểm họa cho loài người và hành tinh như những gỡ mà chỳng ta phải trả giỏ từ nền kinh tế dựa vào nhiờn liệu húa thạch của nhiều thế kỷ qua. Hyđrụ là nguồn nhiờn liệu an toàn tuyệt đối cho con người, là mặt ưu thế tuyệt đối so với nguồn năng lượng hạt nhõn.
Nguồn nguyờn liệu để sản xuất hyđrụ là nước, nguồn năng lượng để sản xuất hyđrụ là bức xạ của ỏnh nắng mặt trời. Như vậy, để sản xuất hyđrụ, chỉ
cần cú nước và ỏnh nắng mặt trời .
Quỏ trỡnh húa học xảy ra thật đơn giản: một phõn tử nước (H2O) cú thể
phõn ró thành một phõn tử hyđrụ (H2) và 0,5 phõn tử ụxy (O2) với điều kiện phải cung cấp năng lượng, đú chớnh là năng lượng bức xạ của ỏnh nắng mặt trời. Nước cú vụ tận và khắp nơi trờn hành tinh, ỏnh nắng mặt trời được thiờn
nhiờn ban cho hào phúng và vĩnh hằng, mỗi ngày cung cấp cho trỏi đất một năng lượng khoảng 3x1024 J, tức khoảng 104 lần năng lượng toàn thế giới tiờu thụ hàng năm hiện nay. Vỡ vậy, hyđrụ là nguồn nhiờn liệu vụ tận, sử dụng từ thế kỷ này qua thế kỷ khỏc mà khụng sợ cạn kiệt, khụng thể cú khủng hoảng năng lượng và khụng một quốc gia nào độc quyền sở hữu hoặc tranh giành nguồn năng lượng hyđrụ nhưđó từng xảy ra với năng lượng húa thạch.
Hyđrụ được sử dụng như một nhiờn liệu khớ trong cỏc động cơđốt trong, tạo ra cỏc phương tiện giao thụng, vận tải “hoàn toàn khụng cú khớ xả” (Zero Emission Vehicle – ZEV). Hiện nay đó xuất hiện trong nhiều cuộc triển lóm quốc tế về xe ụ tụ nhiều mẫu xe ZEV chạy bằng nhiờn liệu hyđrụ hoặc xe ghộp giữa động cơ đốt trong chạy bằng hyđrụ và động cơ điện được cung cấp
điện từ cỏc pin tỏi nạp điện, được gọi xe ghộp lai (hybrid car).
Hyđrụ cũn được sử dụng để sản xuất điện, thực hiện trong cỏc pin nhiờn liệu . Pin nhiờn liệu hoạt động theo nguyờn lý ngược với quỏ trỡnh sản xuất hyđrụ, nghĩa là nếu với nguyờn liệu là nước, khi được cung cấp một năng lượng cần thiết sẽ xảy ra quỏ trỡnh tạo ra hyđrụ và ụxy, thỡ ngược lại, nếu cho hyđrụ và ụxy kết hợp lại trong điều kiện nhất định sẽ thu được nước và một năng lượng tương ứng, đú là điện năng. Pin nhiờn liệu là một hệ mở, khi hyđrụ và ụxy được cấp vào liờn tục thỡ nước và điện sẽ sinh ra liờn tục với cường độ khụng đổi, kộo dài bao lõu cũng được tuỳ theo sự cung cấp hyđrụ và ụxy vào hệ. Điều này đó làm cho pin nhiờn liệu đúng vai trũ như một nhà mỏy sản xuất điện thực thụ với nguyờn liệu đầu vào là hyđrụ và ụxy khụng khớ, chất thải ra chỉ là nước.
Sản xuất điện bằng pin nhiờn liệu hyđrụ sẽ khụng cần mỏy phỏt điện, khụng cần những tuốc bin đồ sộ, khụng cú cả những cơ cấu chuyển động, khụng dầu nhớt bụi trơn, khụng cú tiếng ồn, khụng khúi xả . Điện từ cỏc pin nhiờn liệu hyđrụ cú thể sản xuất mọi nơi, mọi cụng suất từ vài watt cho đến
hàng trăm kilowatt hoặc hàng trăm megawatt cho mọi nhu cầu. Vỡ vậy, rất thớch hợp để xõy dựng cỏc trạm phỏt điện cho cỏc vựng sõu, vựng xa, hoặc trạm điện độc lập tự cung cấp cho cỏc thành phố, cỏc cao ốc mà khụng cần
đến nguồn điện lưới từ trung tõm cung cấp phõn phối điện quốc gia. Người tiờu thụ cũng cú thể là người tự sản xuất được điện mà khụng cần những nhà mỏy điện đồ sộ, cụng suất lớn như cỏc nhà mỏy điện chạy bằng nhiờn liệu húa thạch. Sản xuất điện bằng pin nhiờn liệu hyđrụ đó phỏ thếđộc quyền cũng như
phỏ chế độ tập trung trong việc sản xuất và phõn phối điện do nền kinh tế húa thạch đó tạo ra.
Điện bằng pin nhiờn liệu hyđrụ được sử dụng cung cấp trực tiếp cho
động cơ điện của mọi phương tiện giao thụng vận tải, từ xe con, xe ca, xe bus, xe tải đến mỏy bay, tàu hỏa, tàu thủy, tạo ra một thế hệ phương tiện giao thụng hoàn toàn khụng cú khớ xả.
Rất nhiều mẫu xe chạy bằng pin nhiờn liệu hyđrụ đó ra đời từ năm 1990
đến nay được trưng bày giới thiệu trong cỏc hội chợ quốc tế và đang được hoàn thiện về tớnh năng và giỏ cảđể cú thể thương mại húa ngay từ năm 2008 như cụng bố của cỏc nhiều hóng như Honda, Toyota, Mercedes-Benz, Ford, General Motor, Daimler Chrysler, ...
Từ năm 1960, Cụng ty General Electric đó sản xuất hệ thống cung cấp
điện bằng pin nhiờn liệu hyđrụ cho tàu Apollo của NASA, sau đú sử dụng cho tàu Apollo-Soyuz, Skylab và cỏc tàu con thoi (Space Shuttle).
Ngày nay, điện năng trong cỏc tàu con thoi và trạm nghiờn cứu khụng gian của NASA đều được cỏc pin nhiờn liệu cung cấp, vỡ trờn tàu khụng gian, hyđrụ và ụxy được mang theo sẵn. Song điều lý thỳ là bản thõn pin nhiờn liệu khụng chỉ cung cấp điện mà cũn cung cấp nước uống siờu sạch cho cỏc phi hành gia , vỡ nước là chất thải của pin nhiờn liệu hyđrụ.
Nếu thế kỷ 20 là thế kỷ của nền kinh tế húa thạch, chủ yếu dựa vào dầu- khớ, thỡ thế kỷ 21 là thế kỷ mở đầu của thời đại kinh tế dựa vào hyđrụ nhờ
năng lượng mặt trời. Nền kinh tế hyđrụ chắc chắn sẽ thay thế cho nền kinh tế
húa thạch ngay trong thế kỷ 21 này.
Lộ trỡnh chuyển đổi sang nền kinh tế hyđrụ được chia làm bốn pha, dự tớnh như sau:
Pha I (từ nay đến 2015-2020 ) tiếp tục tiến hành nghiờn cứu R&D để hạ
giỏ thành hyđrụ sản xuất từ năng lượng mặt trời, hạ giỏ thành pin nhiờn liệu hyđrụ so với hiện nay và nghiờn cứu ứng dụng tập trung vào lĩnh vực giao thụng vận tải và cung cấp điện năng, trong pha này vai trũ của nhà nước cú tớnh chất quyết định.
Ở Mỹ, năm 2003 Tổng thống G. Bush đó cụng bố một chương trỡnh
được gọi là “Sỏng kiến nhiờn liệu hyđrụ” vúi quyết định giành 1,2 tỷ USD cho nghiờn cứu và phỏt triển nhằm mục tiờu đến năm 2020 ụ tụ chạy bằng pin nhiờn liệu hyđrụ phải triển khai thương mại húa thành cụng vào thực tếở Mỹ.
Pha II (từ 2010 đến 2030) tiến hành thương mại húa và từng bước xõm nhập vào thị trường xe khụng khớ thải (ZEV) và trạm cung cấp điện bằng pin nhiờn liệu, trong pha này vai trũ của cỏc ngành cụng nghiệp là rất quan trọng. Hóng Daimler Chrysler đó cụng bố chương trỡnh chi 1,4 tỷ USD để phỏt triển thương mại húa cụng nghệ pin nhiờn liệu hyđrụ cho cụng nghiệp ụ tụ.
Pha III (từ 2015 đến 2035 ) tiến hành đầu tư xõy dựng hạ tầng cơ sở
phục vụ cho nền kinh tế hyđrụ và mở rộng thị trường hai loại hàng húa trờn.
Pha IV (từ 2035-2040 trở đi ), cơ sở hạ tầng của nền kinh tế hyđrụ đó hoàn chỉnh, sẵn sàng phục vụ cho thị trường phỏt triển mở rộng ra mọi vựng lónh thổ, cỏc phương tiện giao thụng vận tải bằng pin nhiờn liệu hyđrụ và cỏc trạm phỏt điện bằng pin nhiờn liệu hyđrụ sẽ thay thế hoàn toàn nhiờn liệu húa thạch, vào thời điểm này theo dự bỏo, nhiờn liệu húa thạch đó qua giai đoạn
đỉnh điểm, cạn kiệt, giỏ xăng dầu tăng rất cao, vượt quỏ sức chịu đựng của nền kinh tế buộc phải chuyển hẳn sang nền kinh tế hyđrụ.
Sự xuất hiện nền kinh tế hyđrụ trong đời sống loài người buộc phải cú sự thay đổi tận gốc những hạ tầng cơ sở của nền kinh tế húa thạch và cỏc hoạt
động của con người. Phương thức sản xuất nguồn năng lượng mới khụng cũn là tỡm kiếm, thăm dũ, khai thỏc như tài nguyờn húa thạch vỡ ở đõu cú nước và ỏnh nắng mặt trời, ở đú đều cú thể sản xuất ra hyđrụ để tạo ra nguồn năng lượng cho mọi nhu cầu.
Phương thức tồn chứa, vận chuyển, cung ứng hyđrụ cho cỏc nhu cầu tiờu thụ, nghĩa là hạ tầng cơ sở đó tồn tại hàng thế kỷ của nền kinh tế hoỏ thạch sẽ
khụng cũn thớch hợp, buộc phải cấu trỳc xõy dựng mới, phỏ bỏ hạ tầng cơ sở
cũ. Cỏc phương tiện giao thụng, vận tải phải được thay thế bằng động cơ chế
tạo theo nguyờn lý mới phự hợp nguồn năng lượng hyđrụ, tất nhiờn sẽ khỏc hẳn cỏc động cơ xăng, dầu. Cỏc tiờu chuẩn kỹ thuật, cỏc quy định an toàn, luật lệ phỏp lý khi sử dụng nguồn năng lượng mới sẽ phải xõy dựng lại; việc giỏo dục, đào tạo, nghiờn cứu khoa học phục vụ cho nền kinh tế hyđrụ hoàn thiện và phỏt triển sẽ phải cú những nội dung mới, cơ sở vật chất mới, hoàn toàn khỏc so với nền kinh tế húa thạch hiện nay.
Những vấn đề về mụi trường ụ nhiễm do sử dụng năng lượng hyđrụ gõy ra sẽ khụng cũn là đề tài nghiờn cứu tiờu hao tiền của và sức lao động của cỏc nhà khoa học, khụng cũn là đầu đề của cỏc hội nghị quốc tế triền miờn về biến
đổi khớ hậu toàn cầu như khi sử dụng năng lượng húa thạch.
Đõy thực sự là một cuộc cỏch mạng sõu sắc trong tiến trỡnh phỏt triển của xó hội loài người và được đỏnh giỏ cú ý nghĩa như cuộc cỏch mạng cụng nghiệp trước đõy, khi phỏt minh ra đầu mỏy hơi nước với việc sử dụng nhiờn liệu than đỏ.
Để tỡm hiểu cụ thể hơn về nhiờn liệu hydro khi sử dụng trờn động cơ đốt trong ta sẽ xem xột một số đặc điểm của loại nhiờn liệu này trong phần tiếp theo.
2.1.1. Một số đặc điểm liờn quan đến nhiờn liệu hydro sử dụng trờn động cơ. cơ.
+ Nhiờn liệu hydro cú những đặc điểm cụ thể sau : - Phạm vi chỏy rộng
- Khoảng dập tắt nhỏ
- Nhiệt độ tự chỏy cao - Tốc độ chỏy cao - Độ khuờch tỏn cao - Mật độ rất thấp
2.1.1.1. Phạm vi chỏy rộng
Hydro cú một phạm vi chỏy rộng so với cỏc loại nhiờn liệu khỏc.Kết quả
là, hydro cú thể được đốt chỏy trong động cơ trờn phạm vi rộng của hỗn hợp nhiờn liệu khớ. Một lợi thế đỏng kể đú là hydro cú thể chỏy với một hỗn hợp nghốo. Một hỗn hợp nghốo là một hỗn hợp mà trong đú số lượng nhiờn liệu sẽ
thấp hơn so với lý thuyết lý thuyết, hệ số tỷ lượng lý tưởng cần cho quỏ trỡnh chỏy với một số lượng khụng khớ. Đõy là lý do tại sao nú khỏ dễ dàng để cú
được động cơ chạy với nhiờn liệu hydro.
Thụng thường tớnh kinh tế nhiờn liệu sẽđược đảm bảo và phản ứng chỏy của nhiờn liệu sẽ tốt hơn khi cỏc phương tiện chạy với một hỗn hợp nghốo. Thờm vào đú nhiệt độ cuối quỏ trỡnh chỏy thụng thường sẽ thấp hơn giảm bớt số lượng ụ nhiễm trong khớ thải. Cú một giới hạn cho hỗn hợp nghốo mà động cơ cú thể chạy được, quỏ trỡnh hoạt động với hỗn hợp nghốo cú thể làm giảm cụng suất do giảm giỏ trị nhiệt thể tớch của hỗn hợp khụng khớ nhiờn liệu
Hydro cú một khoảng dập tắt nhỏ, nhỏ hơn xăng. Do vậy ngọn lửa hydro tiến sỏt gần với thành xilanh hơn so với ngọn lửa của cỏc loại nhiờn liệu khỏc trước khi bị dập tắt. Do đú thật khú hơn khi dập tắt một ngọn lửa hydro so với ngọn lửa của xăng hoặc dầu.
2.1.1.3 Nhiệt độ tự chỏy cao.
Hydro cú nhiệt độ tự chỏy tương đối cao. Điều này cú tỏc động quan trọng khi một hỗn hợp khụng khớ- hydro bị nộn. Trong thực tế, nhiệt độ tự
chỏy là một yếu tố quan trọng trong xỏc định tỷ số nộn mà động cơ cú thể sử
dụng, từ khi nhiệt độ tăng trong ỏp suất liờn quan đến tỷ số nộn. Nhiệt độ tăng thể hiện bởi phương trỡnh : 1 0 0 − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = k c c V V T T Trong đú : - V0/Vc là tỷ số nộn - T0 là nhiệt độđầu vào - Tc là nhiệt độ cuối quỏ trỡnh nộn - k là chỉ sốđoạn nhiệt
Nhiệt độ cú thể khụng vượt quỏ nhiệt độ tự chỏy của hydro mà khụng gõy nờn đỏnh lửa sớm. Do đú nhiệt độ cuối quỏ trỡnh nộn giới hạn tỷ số nộn. Nhiệt độ tự chỏy cao của hydro cho phộp tỷ số nộn cao hơn so với tỷ số nộn khi sử dụng nhiờn liệu khỏc trong động cơ.
Tỷ số nộn cao cú ý nghĩa quan trọng bởi vỡ nú liờn quan tới hiệu quả
nhiệt của động cơ
2.1.1.4 Tốc độ chỏy cao
Hydro cú tốc độ tự chỏy cao, tốc độ ngọn lửa của hydro cao hơn so với xăng. Điều này cú nghĩa là động cơ hydro gần với chu trỡnh nhiệt lý tưởng. Ở
hỗn hợp nghốo, tuy nhiờn tốc độ ngọn lửa giảm đỏng kể.
Hydro cú độ khuờch tỏn rất cao, khả năng phõn tỏn trong khụng khớ lớn hơn đỏng kể so với xăng. Độ khuờch tỏn cao tạo điều kiện thuận lợi cho việc hũa trộn hỗn hợp nhiờn liệu khụng khớ. Mặt khỏc, nếu cú rũ rỉ hydro thỡ hydro sẽ phõn tỏn nhanh. Do vậy những điều kiện khụng an toàn cú thể trỏnh được.
2.1.1.6 Mật độ thấp
Hydro cú mật độ thấp. Cú hai vấn đề được đặt ra khi sử dụng nhiờn liệu hydro trong động cơ đốt trong. Đầu tiờn, một thể tớch rất lớn cần thiết để dự
trữđủ lượng hydro trờn cỏc phương tiện khi sử dụng loại nhiờn liệu này. Thứ
hai, mật độ năng lượng của hỗn hợp hydro-khụng khớ và cụng suất đầu ra giảm
+ Khớ thải của động cơ hydro cũng rất sạch. Phản ứng chỏy của nhiờn liệu hydro với oxy tạo ra nước theo phương trỡnh sau :
2H2 + O2 → H2O
Quỏ trỡnh chỏy của hydro với khụng khớ sẽ tạo ra oxit nitơ (NOx) theo phương trỡnh phản ứng :
H2 + O2 + N2 → H2O + N2 + NOx
Oxit của nitơ được tạo ra do nhiệt độ cao trong buồng chỏy trong quỏ trỡnh chỏy. Nhiệt độ cao này sẽ làm cho nitơ trong khụng khớ kết hợp với oxi. Số lượng NOx sinh ra phụ thuộc vào :
• Tỷ lệ khụng khớ/nhiờn liệu
• Tỷ số nộn động cơ
• Tốc độđộng cơ
• Thời điểm đỏnh lửa
• Sự làm nghốo hỗn hợp
Theo như tớnh toỏn thỡ tỷ lệ khối lượng A/F (khụng khớ/nhiờn liệu) đối với phản ứng chỏy hoàn toàn của hydro trong khụng khớ khoảng 34:1. Điều
này cú nghĩa là phản ứng chỏy hoàn toàn, 34 pounds khụng khớ thỡ cần cú 1 pounds hydro. Đối với nhiờn liệu xăng thỡ tỷ lệ này nhỏ hơn, cụ thể là 14,7:1.