L ỜI CAM ĐOAN
1.3.3. Sử dụng hydro làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong
Hình 1. 12 Các phương án cung cấp hydro vào cho ĐCĐT
a) Cung cấp xăng kiểu chế hòa khí, b) Phun hydro dạng khívào đường ống nạp,
c) Phun H2lỏng vào đường ống nạp, d) Phun H2dạng khí áp suất cao vào buồng đốt
Do hydro có trị số ốc-tan cao và nhiệt độ tự cháy cao như chỉ ra ở trên nên hydro rất thích hợp để làm nhiên liệu trong động cơ đốt cháy cưỡng bức. Cũng như trong động cơ xăng hay động cơ chạy nhiên liệu khí, việc cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ hydro cũng có thể được thực hiện bằng cách cấp hydro vào đường ống nạp hay phun trực tiếp vào trong xi-lanh động cơ. Tuy nhiên, trong động cơ xăng việc cấp nhiên liệu vào đường nạp hay phun trực tiếp vào trong xi-lanh không ảnh hưởng nhiều đến lượng không khí nạp do nhiên liệu xăng khi cấp vào vẫn tồn tại ở thể lỏng và có tỷ trọng lớn hơn rất nhiều so với nhiên liệu khí. Còn trong động cơ hydro thì
19
khác hẳn, phương pháp cấp hydro vào động cơ ảnh hưởng rất lớn đến lượng khí nạp và do đó sẽ ảnh hưởng lớn đến công suất động cơ như minh họa trên Hình 1.12.
Hình 1.12 giới thiệu một số phương pháp cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ hydro và ảnh hưởng của chúng đến lượng khí nạp trong điều kiện hỗn hợp không khí-nhiên liệu có hệ số dư lượng không khí lambda bằng 1 so với động cơ xăng tạo hỗn hợp trong đường ống nạp. Giả sửcác trường hợp các sơ đồ động cơ (a), (b), (c) và (d) trên hình 1.12 là cùng dung tích xi-lanh (ví dụ 1 lít) và lần lượt ứng với động cơ xăng cấp nhiên liệu vào đường nạp, động cơ hydro cấp khí hydro vào đường nạp, động cơ hydro phun hydro lỏng vào đường nạp và động cơ hydro phun trực tiếp khí hydro áp suất cao vào trong xi-lanh động cơ. Với hệ số dư lượng không khí lambda bằng 1 có thể dễ dàng tính toán được lượng hỗn hợp không khí và nhiên liệu nạp đầy vào xi-lanh ở điều kiện lý tưởng và từ đó sẽ tính được lượng nhiệt đưa vào động cơ. Với động cơ xăng cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong đường ống nạp (Hình 1.12a), thể tích hỗn hợp khí nạp stoichiometric gồm 1,65% thể tích nhiên liệu và 98,35% thể tích không khí. Nếu 1 lít thể tích hỗn hợp khí nạp nói trên ở nhiệt độ 25oC và áp suất khí trời 1 atm (khối lượng không khí khi đó vào khoảng 1,22g) thì sẽ sinh ra năng lượng nhiệt khi cháy hoàn toàn là khoảng 3,5 kJ.
Động cơ hydro cấp khí hydro vào đường nạp (Hình 1.12b) có hệ thống cung cấp nhiên liệu đơn giản. Tuy nhiên, thể tích khí hydro trong hỗn hợp chiếm tỷ lệ tới 29,53% và thể tích không khí còn lại là 70,47%. Với thể tích hỗn hợp khí nạp ở điều kiện nhiệt độ và áp suất như ở động cơ xăng nói trên thì năng lượng nhiệt sinh ra khi cháy hoàn toàn chỉ bằng khoảng 84% so với động cơ xăng.
Với động cơ phun hydro lỏng vào đường nạp (Hình 1.12c), hydro hầu hết vẫn ở dạng lỏng trong xi-lanh trước khi xu páp nạp đóng nên thể tích khí nạp bị giảm không nhiều, chỉ khoảng 3,5%, tức là thể tích khí nạp chiếm khoảng 96,5% thể tích xi-lanh. Do đó trong trường hợp này với thành phần hỗn hợp stoichiometric thì khối lượng nhiên liệu hydro trong xi-lanh nhiều hơn trường hợp (b) nên công suất lớn hơn. Nếu so với động cơ xăng trường hợp (a) thì do hydro có nhiệt trị khối lượng cao hơn nên công suất động cơ hydro trong trường hợp này sẽ lớn hơn khoảng 15%.
Với động cơ phun hydro trực tiếp vào xi-lanh thì không ảnh hưởng gì đến lượng không khí nạp, tức thể tích không khí nạp bằng đúng thể tích xi-lanh. Khối lượng không khí nạp trong trường hợp này là 1,24g, từ đó tính được năng lượng đưa vào động cơ là 4,2kJ, lớn hơn của động cơ xăng 21%.
Nói tóm lại, động cơ hydro với phương pháp cung cấp khí hydro vào đường nạp thường được sử dụng vì hệ thống cung cấp nhiên liệu đơn giản, giá thành rẻ. Tuy nhiên, phải chấp nhận công suất động cơ giảm 15% so với chạy xăng.
Để sử dụng nhiên liệu hydro trên động cơ diesel, do hydro rất khó tự cháy nên hydro thường được sử dụng phối hợp với nhiên liệu diesel ở dạng lưỡng nhiên liệu hydro-diesel, trong đó diesel được phun mồi vào hỗn hợp không khí-hydro để khởi tạo quá trình cháy. Hydro có thể được cấp vào đường nạp hoặc phun trực tiếp vào trong xi-lanh.
Trường hợp hydro cấp vào đường nạp sẽ làm giảm công suất động cơ như đã nói nên thường chỉ được sử dụng khi hydro được bổ sung với tỷ lệ nhỏ để cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Để công suất động cơ không giảm thì
20
cả nhiên liệu hydro và diesel đều được phun trực tiếp vào buồng đốt và nhiên liệu diesel được phun mồi làm nguồn lửa đốt cháy hydro [61].
Một số nghiên cứu [51, 52] đã chỉ ra rằng hệ thống phun trực tiếp hydro áp suất cao (HPDI) trong điều kiện vận hành tối ưu có thểđạt hiệu suất tương tự như động cơ diesel truyền thống. HPDI cũng cho phép động cơ hoạt động hiệu quả do có thể điều chỉnh được nhiều thông sốnhư áp suất phun, thời gian phun... Vòi phun khí chịu áp suất và nhiệt độ cao được sử dụng trong phương pháp phun hydro trực tiếp vào buồng đốt là loại không có sẵn trên thị trường. Thêm nữa việc thiết kế nắp máy để lắp vị trí vòi phun tối ưu là khó khăn, điều này là lý do tại sao phun hydro trực tiếp vào buồng đốt ít được sử dụng. Từ quan điểm này, hydro được phun trên cửa nạp và cháy bằng mồi lửa do diesel tạo ra là phương pháp được ứng dụng nhiều nhất cho động cơ diesel [53, 54].