Do việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để sử dụng thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel khá khó khăn và tốn kém nên việc sử dụng hydro làm nhiên liệu bổ sung vào các nhiên liệu truyền thống để cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu này và giảm phát thải cho động cơ đang rất được quan tâm nghiên cứu.
1.3.4.1. Các nghiên cứu trong nước
Ở trong nước đã có một số công trình nghiên cứu bổ sung hydro cho động cơ đốt trong cả về lý thuyết và thực nghiệm. Hydro có thể được cung cấp bổ sung vào động cơ dưới dạng khí hydro tinh khiết, khí giàu hydro hoặc khí HHO. Công trình nghiên cứu bổ sung khí giàu hydro cho động cơ xăng của Phạm Ngọc Anh [55] và công trình nghiên cứu mô phỏng tạo khí giàu hydro bổ sung cho động cơ diesel của Hoàng Đình Long[56] cho thấy chỉ với tỉ lệ khí giàu hydro bổ sung nhỏ (<6%) đã giúp giảm đáng kể phát thải CO, HC của động cơ.
Một số công trình nghiên cứu bổ sung khí HHO cho động cơ cũng chỉ ra hiệu quả giảm phát thải đáng quan tâm. Khí HHO là hỗn hợp chứa H2 (khoảng 60% thể tích) và O2 (khoảng 30%) và một lượng nhỏ hơi nước và các chất hoạt động như gốc ô-xy (O) và gốc hydroxyl (OH)). Công trình nghiên cứu tạo khí HHO cung cấp cho động cơ diesel [57] cho thấy động cơ HD700 với 100 km khi có tải, tiêu thụ nhiên liệu giảm từ 34 lít xuống 28 lít (giảm 14%), động cơ Maxfore có tải, tiêu thụ giảm từ 38 lít xuống 35 lít (giảm 8%). Về phát thải độc hại thì với động cơ HD700, lượng khí CO giảm 32,7%, khí NOx giảm 21,8%, muội than giảm 47,5%; với động cơ MaxxForce 11, lượng khí CO giảm 16%, lượng khí NOx giảm 18%, muội than giảm 15%. Lượng phát thải CO2 cũng giảm do việc nhiên liệu tiêu thụ giảm.
Công ty Fujidenki đã nghiên cứu, lắp đặt và thử nghiệm hệ thống thiết bị điện phân nước tạo khí HHO trên tàu đánh cá để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát khí thải gây ô nhiễm môi trường[57]. Kết quả thử nghiệm tại tàu cá ngư dân Bình Định cho thấy mức tiêu hao nhiên liệu trong 1 giờ giảm được 4,98 lít/giờ (16,6%).
Chưa có công trình nghiên cứu thực nghiệm nào về đánh giá ảnh hưởng của bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel.
21
1.3.4.2. Các nghiên cứu ngoài nước.
Các nghiên cứu ngoài nước được chia làm 2 dạng nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Các kết quả đều khẳng định rằng việc cải thiện đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel khi bổ sung hydro phụ thuộc vào các yếu tố sau: tỉ lệ hydro thay thế, tải trọng làm việc, phương pháp cung cấp hydro, thời điểm phun hydro và kiểu động cơ (có tăng áp hoặc không tăng áp, hệ thống nhiên liệu diesel cơ khí hay điều khiển điện tử). Với các điều kiện lý tưởng thì việc bổ sung hydro sẽ thúc đẩy sự hòa trộn của hỗn hợp diesel-hydro-không khí, giảm thời gian cháy trễ [58, 59] làm gia tăng áp suất và nhiệt độ trong buồng đốt [59]. Điều này làm tăng hiệu suất nhiệt giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm hầu hết các phát thải độc hại như HC, CO, CO2, đặc biệt là PM [60, 61], tuy nhiên phát thải NOx lại có xu hướng tăng.
Tỉ lệ hydro thay thế tối đa phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố, mỗi nghiên cứu có một tỉ lệ tối ưu riêng. Theo nghiên cứu của Lambe [62], tỉ lệ hydro thay thế có thể đạt được lên tới 65%-90% bằng cách cải tạo buồng đốt, thay đổi thời gian phun và thời điểm phun hydro. Việc bổ sung quá nhiều hydro sẽ làm giảm lượng không khí nạp trong buồng đốt và gây ảnh hưởng xấu tới động cơ.
Tải trọng động cơ có ảnh hưởng đến mức độ tham gia của hydro vào quá trình cháy. Các nghiên cứu chỉ ra rằng chỉ nên bổ sung hydro ở tải cao để có thể đốt hoàn toàn nhiên liệu và khi ở tải thấp thì chỉ bổ sung hydro với lượng nhỏ để tránh việc hydro không đốt hết và bị thải ra ngoài ống thải [63]. Zhou [59] công bố ở tải lớn hơn 70% hiệu quả của việc đốt hoàn toàn hydro có xu hướng tăng.
Như vậy có thể nói tùy thuộc vào lượng không khí nạp mới, lượng hydro tham gia vào quá trình cháy, hiệu quả đốt cháy diesel, hiệu quả đốt cháy hydro sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới các thông số như áp suất xi-lanh, tốc độ gia tăng áp suất, tốc độ gia tăng nhiệt độ, hiệu suất nhiệt và tiêu hao nhiên liệu.
Các nghiên cứu về hiệu suất nhiệt của của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-hydro (DHE) cho kết quả không đồng nhất. Theo Adnan và cộng sự [64], bổ sung hydro làm tăng công suất chỉ thị từ 4% đến 16% khi tốc độ động cơ tăng lên, điều này chứng tỏ BTE tăng cho tất cả các dải tốc độ. Các kết quả đồng quan điểm với Adnan có thể kể đến như của Tomina [58] hay Singh [65] (BTE tăng 1,83% với lưu lượng hydro cung cấp là là 40 mol/h). Tuy nhiên Miyamoto [66] và Zhou [59] cho rằng hiệu suất chỉ thị không đổi hoặc giảm khi ở tải thấp và chỉ tăng khi tải cao [59, 67]. Sự giảm BTE sẽ làm gia tăng sự tiêu hao nhiên liệu có ích BSFC [65]. Ngoài ra việc tăng tỉ lệ hydro quá lớn cũng làm cho BTE giảm [68] và làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị ISFC. Mức giảm tối đa của BTE là 10,5% và mức tăng tiêu hao nhiên liệu 11,7% với trường hợp tỉ lệ bổ sung hydro là 46%.
Hydro có ảnh hưởng tích cực đến việc giảm phát thải cho động cơ diesel, đặc biệt là phát thải khói. Hầu hết các nghiên cứu đều công bố khi có hydro tham gia vào quá trình cháy thì phát thải khói của động cơ diesel giảm mạnh. Cụ thể Sandalcı và Karagoz [68] công bố giảm 57,8% phát thải khói. Varde [69] công bố giảm 50% khói ở tải bộ phận với tỉ lệ hydro thay thế nhỏ hơn 15%. Lambe và Watson [62] công bố phát thải khói giảm 80% trong khi Tomita [58] công bố phát thải khói giảm gần tới 0 trong tất cả các trường hợp có hydro bổ sung ở tất cả các trường hợp thử nghiệm. Senthil Kumar [70] công bố phát thải khói giảm 43,5% với tỉ lệ hydro bổ sung là 5%. Saravanan và Nagarajan [71] công bố khói giảm khoảng 50% cùng với sự tăng của
22
hiệu suất nhiệt có ích từ 22,78% lên 27,9% khi bổ sung khí giàu hydro lên tới 30%. Theo Zhou [59], việc bổ sung hydro giúp giảm phát thải khói ở tải từ trung bình đến tải cao. Tuy nhiên khi ở tải cao tỉ lệ hydro bổ sung lớn thì hiệu quả giảm phát thải khói là không đáng kể như công bố của Jing-ding [72] hoặc tăng cao như công bố của Miyamoto [67] cho rằng phát thải khói tăng ở tải cao với tỉ lệ hydro thay thế là 8,2% (v/v) so với động cơ diesel ban đầu. Zhou [59] cũng công bố sự hình thành của C2H4, C3H6, C6H6, C7H8, C8H10, CH3CHO trong khí thải được sinh ra do quá trình nhiệt phân diesel có xu hướng giảm do sự tham gia của hydro ở tải trung bình thấp nhưng có xu hướng tăng lên ở các tải cao hơn do thiếu ô-xy cho quá trình cháy vì bị hydro thay thế.
Khi bổ sung hydro cho động cơ diesel, các thành phần phát thải CO, CO2, HC có xu hướng giảm [58, 73, 74]. Một số công trình còn định lượng được mức giảm như Senthil Kumar [70] công bố CO giảm 50%, HC giảm 42,8% với H5%. Lambe [62] công bố khí CO giảm hơn 80%. Singh [65] công bố ở chế độ 80% tải lượng phát thải CO, CO2 và HC lần lượt giảm 10%, 21,7% và 5,13% tương ứng so với động cơ diesel ban đầu. Sandalci và Karagoz [68] công bố lượng phát thải CO2 giảm khi tăng hydro bổ sung với mức giảm tối đa 62,2% tương ứng với H46%, phát thải CO giảm tối đa 62% được ghi nhận ở H16%. Tuy nhiên, phát thải HC có xu hướng tăng khi tăng tỉ lệ hydro bổ sung. Theo Zhou [59], việc bổ sung hydro giúp giảm hàm lượng khí thải CO2, CO ở tải từ trung bình đến cao, trong khi phát thải HC giảm ở tải thấp đến trung bình tương ứng với tỉ lệ hydro bổ sung là 30% và 40%.
Tuy nhiên việc bổ sung hydro với tỉ lệ lớn sẽ làm cho các thành phần phát thải CO, CO2 và HC tăng theo như các kết quả nghiên cứu của Masood [75] và Miyamoto [67]. Miyamoto cho rằng khi thời điểm phun diesel là 60 BTDC và hydro thay thế là 10,3% thể tích, lượng khí thải CO của động cơ DHE tăng lên. Varde [69] công bố HC tăng khi tăng tỉ lệ hydro thay thế ở tải bộ phận và toàn tải. Sự gia tăng phát thải HC, CO và CO2 là do quá trình đốt cháy không hoàn toàn xảy ra do thiếu ô-xy cần thiết ở tốc độ cao khi bổ sung hydro.
Đặc biệt một số trường hợp còn ghi nhận không tìm thấy tỉ lệ hydro bổ sung nào hợp lý để giảm các phát thải CO, CO2 và HC cho động cơ diesel như Adnan [64] công bố CO tăng liên tục từ 423-758 ppm.
Phát thải NOx được ghi nhận là phụ thuộc vào tải, giảm ở mức tải thấp đến trung bình nhưng tăng ở tải cao và có xu hướng tăng cùng với sự gia tăng của tỉ lệ hydro thay thế. Có hydro trong quá trình cháy sẽ làm cho nhiệt độ buồng đốt tăng cao, tạo tiền đề cho xu hướng hình thành NOx [74]. Các nghiên cứu có thể kể đến như Saravanan và Nagarajan [71], các tác giả đã công bố ở 70% tải động cơ với tỉ lệ khí giàu hydro thay thế là 90% thì lượng khí thải NOx giảm 79,5%. Tuy nhiên, ở toàn tải, lượng phát thải NOx tăng lên so với động cơ diesel nguyên bản. Theo Sandalcı và Karagoz [68], NOx tăng 58,8% khi HR vượt quá 16% và tăng mạnh 159,7% đối với các trường hợp tương ứng là HR=36% và HR=46%. Singh [65] công bố mức NOx
tăng 6,2%. Tomina [62] công bố NOx có xu hướng gia tăng cả ở điều kiện tải bộ phận và toàn tải, phát thải NOx tăng 30% khi ở đặc tính ngoài với HR là 15%. Senthil Kumar [70] công bố NOx tăng 13,8% với HR là 5% ở toàn tải do tăng nhiệt độ quá trình cháy. Adnan [64] công bố lượng khí thải NOx tăng liên tục từ 48-197 ppm. Theo nghiên cứu của Mac Willlam và Kumar và Nag [76-78], đối với động cơ DHE khi bổ
23
sung hydro sẽ làm tăng lượng phát thải NOx. Việc tăng tỷ lệ năng lượng hydro lên 30% dẫn đến tăng lượng khí thải NO từ 476 ppm lên 860 ppm (tăng hơn 80%).
Để đánh giá hiệu quả của phương pháp cung cấp hydro theo nguyên lý chế hòa khí hoặc phun trên đường ống nạp (TPI) cho động cơ diesel, đã có nhiều công trình nghiên cứu như Saravanan và cộng sự [79]. Các tác giả đã công bố: ở đặc tính ngoài phương pháp TPI có hiệu quả tốt hơn so với phương pháp chế hòa khí: suất tiêu hao năng lượng SEC giảm 15%, BTE tăng 17% và khói giảm 18%; HC, CO, CO2 tăng không đáng kể khi so sánh với động cơ nguyên bản. Tuy nhiên, lượng phát thải NOx của phương pháp TPI tăng 34%.
Sanavan và cộng sự [54] nghiên cứu trên động cơ diesel 1 xi-lanh phun trực tiếp Kirloskar AV1 với các tải khác nhau ở tốc độ định mức là 1500 v/p đã chỉ ra rằng với việc cung cấp hydro kiểu chế hòa khí thì BTE giảm 5%, khói giảm 8% và NOx tăng 8%, trong khi phun hydro vào cửa nạp thì BTE tăng 17%, khói giảm 18% và NOx
tăng 34%. Phát thải CO, CO2 và phát thải khói giảm khi bổ sung hydro, nhưng sự thay đổi NOx, HC và BSFC ở điều kiện tải cục bộ còn chưa đồng nhất. Ngoài ra không có sự khác biệt cơ bản nào khi phun trước xu-páp nạp và phun trên đường ống nạp. Như vậy có thể nói phương pháp phun hydro trên đường ống nạp có hiệu quả hơn so với phương pháp chế hòa khí.
Saravanan và cộng sự [53] khẳng định bổ sung hydro cho động cơ diesel có thể cải thiện đồng thời hiệu suất và phát thải bằng cách tối ưu thời gian và thời điểm phun hydro trên đường ống nạp. Trong nghiên cứu của mình tác giả cho rằng với thời gian phun hydro là 900 CA và thời điểm phun là 50 AFTDC (IVO-IVC) là thích hợp ở toàn tải. Trong điều kiện này, kết quả cho thấy khói giảm 66,2%, NOx giảm 50,8% và BTE tăng 5,4%; phát thải CO, CO2 và HC đã giảm đáng kể so với động cơ thuần diesel ở toàn tải.
Saravanan và Nagarajan [80] nghiên cứu phun hydro trên cụm ống hút với thời điểm phun và thời gian phun có thể thay đổi nhờ ECU. Thời điểm phun tối ưu nằm trong khoảng khi pít-tông ở ĐCT và xu-páp hút bắt đầu mở với thời gian là 300 góc quay trục khuỷu. Kết quả cho thấy BTE tăng 8,1%, khói giảm 54,5%, HC giảm 7,6% so động cơ nguyên bản ở 75% tải, nhưng lượng phát thải NOx lại tăng 13%.
Đối với động cơ diesel hút khí tự nhiên việc bổ sung hydro có nhiều tín hiệu tích cực, tuy nhiên vẫn bị hạn chế về lượng ô-xy cung cấp cho một chu trình. Động cơ diesel tăng áp khắc phục được nhược điểm này và các nghiên cứu bổ sung hydro trên động cơ diesel tăng áp cũng có nhiều kết quả khả thi hơn. Shirk và cộng sự [81] nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung hydro đến phát thải của động cơ diesel 4 xi- lanh tăng áp, dung tích 1,3 lít. Kết quả nghiên cứu cho thấy đối với HR là 5% và 10%, lượng phát thải NOx giảm so với động cơ nguyên bản ở các tải tương ứng. Nghiên cứu cũng kết luận việc bổ sung hydro sẽ góp phần chuyển đổi phát thải NO thành NO2 trên tổng lượng phát thải NOx của động cơ.
Roy và cộng sự [82] công bố với HR là 90% thì động cơ không còn phát thải khói, CO và HC có hàm lượng không đáng kể trong khi hiệu suất nhiệt đạt khoảng 42%. Tuy nhiên phát thải NOx luôn cao hơn các quy định về khí thải.
Lilik và cộng sự [83] nghiên cứu trên động cơ tăng áp, phun diesel điều khiển điện tử với các tỉ lệ HR là 0%, 2,5%, 5%, 7,5%, 10 % và 15%. Việc thực nghiệm được tiến hành ở mức 25% và 75% tải và ở tốc độ động cơ là 1800 v/p và 3600 v/p. Thời
24
điểm phun và lượng phun không thể thay đổi vì phụ thuộc vào ECU động cơ. Kết quả cho thấy quá trình đốt cháy diesel bổ sung hydro dẫn đến sự gia tăng phát thải NOx. Trong tổng khối lượng phát thải NOx thì NO2 chiếm tỉ lệ lớn. Điều này có thể giải thích khi có hydro sẽ thúc đẩy sự hình thành hơi nước trong buồng đốt. Sự có mặt của H2O làm tăng sự chuyển đổi NO thành NO2, các tác giả cũng kết luận rằng lợi ích của việc bổ sung hydro trong các động cơ diesel là có tiềm năng vì việc thay thế nhiên liệu diesel bằng hydro không ảnh hưởng bất lợi đến các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ nguyên bản.
Liu và cộng sự [84] đã nghiên cứu thực nghiệm đặc điểm phát thải NO2 của động cơ hạng nặng tăng áp hoạt động với chu trình thử 13 chế độ của châu Âu tại tốc độ 1200 v/p với hydro được bổ sung vào không khí nạp. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc bổ sung một lượng nhỏ hydro làm tăng đáng kể lượng phát thải NO2 ở các tải nhất định. So với động cơ thuần diesel việc bổ sung hydro làm tăng lượng khí thải NO2 gấp 5 lần và 3 lần tương ứng ở mức tải 10% và 70%. Tuy nhiên khi tăng tải động cơ thì ảnh hưởng của hydro tới sự chuyển đổi NO thành NO2 có xu hướng giảm.
Bika và cộng sự [85] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hydro đến phát thải NOx và PM của một động cơ diesel 4 xi-lanh, tăng áp. Kết quả chỉ ra rằng với HR lớn hơn 40% thì sự hình thành NOx không bị ảnh hưởng nhiều nhưng làm gia tăng quá trình chuyển đổi NO thành NO2. Sự phát thải PM, được đo bằng máy quang phổ cho thấy tổng khối lượng và tổng số hạt PM giảm đáng kể trong tất cả các trường hợp bổ sung hydro.
Ngoài việc bổ sung hydro nguyên chất thì việc biến đổi nhiệt hóa để tạo hydro cũng cho kết quả giảm các phát thải dạng hạt như nghiên cứu của Tsolakis và cộng