Chƣơng 1 : TỔNG QUAN
1.2.2. Động cơ đốt trong dùng nhiên liệu hydrogen
a) Các phương pháp cung cấp nhiên liệu trong động cơ hydrogen
Do hydrogen có trị số ốc tan cao và nhiệt độ tự cháy cao như chỉ ra trên (bảng 1.1) nên hydrogen 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 hydrogen cũng có thể được thực hiện bằng cách cấp hydrogen 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 khơng khí nạp do nhiên liệu xăng khi cấp vào vẫn tồn tại ở thể lỏng và có tỷ trọng lớn hơn nhiên liệu khí. Cịn trong động cơ hydrogen thì khác hẳn, phương pháp cấp hydrogen vào động cơ ảnh hưởng rất lớn đến lượng khí nạp và do đó sẽ ảnh hưởng lớn đến công suất động cơ [12]. Sơ đồ (hình 1.3) giới thiệu một số phương pháp cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ hydrogen
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 14
và ảnh hưởng của chúng đến lượng khí nạp trong điều kiện hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu có hệ số dư lượng khơng khí lamda bằng 1, so với động cơ xăng tạo hỗn hợp trong đường ống nạp.
a) Động cơ xăng cấp xăng vào đường ống nạp, b) Phun hydrogen dạng khí vào đường ống nạp, c) Phun H2 lỏng vào đường ống nạp, d) Phun H2 dạng khí áp suất cao vào
buồng đốt.
Hình 1.3 Các phương án cung cấp hydrogen cho ĐCĐT [12]
Giả sử các trường hợp các sơ đồ động cơ (a), (b), (c) và (d) trên (hình 1.3) 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 hydrogen cấp khí hydrogen vào đường nạp, động cơ hydrogen phun hydrogen lỏng vào đường nạp và động cơ hydrogen phun trực tiếp khí hydrogen áp suất cao vào trong xi lanh động cơ. Với hệ số dư lượng khơng khí lamda bằng 1 có thể dễ dàng tính tốn được lượng hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu nạp đầy vào xi lanh ở điều kiện lý tưởng và từ đó dựa vào số liệu (Bảng 1.1) 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 1.3a), thể tích hỗn hợp khí nạp stoichiometric gồm 1,65% thể tích nhiên liệu và 98,35% thể tích khơng 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 khơng khí khi đó vào khoảng 1,22g) thì sẽ sinh ra năng lượng nhiệt khi cháy hoàn toàn là khoảng 3,5 kJ.
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 15
Động cơ hydrogen cấp khí hydrogen vào đường nạp (Hình 1.3b) có hệ thống cung cấp nhiên liệu rẻ. Tuy nhiên, thể tích khí hydrogen trong hỗn hợp chiếm tỷ lệ tới 29,53% và thể tích khơng khí cịn 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 hydrogen phun hydrogen lỏng vào đường nạp (hình 1.3c), hydrogen hầu hết vẫn ở dạng lỏng trong xi lanh trước khi xupap nạp đóng nên thể tích khí nạp bị giảm khơng 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 hydrogen trong xi lanh nhiều hơn trường hợp (b) nên công suất lớn hơn. Nếu so với động cơ xăng trường hợp (a) thì do hydrogen có nhiệt trị khối lượng cao hơn nên công suất động cơ hydrogen trong trường hợp này sẽ lớn hơn khoảng 15%. Với động cơ phun hydrogen trực tiếp vào xi lanh thì khơng ảnh hưởng gì đến lượng khơng khí nạp, tức thể tích khơng khí nạp bằng đúng thể tích xi lanh. Khối lượng khơng 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 hydrogen với phương pháp cung cấp khí hydrogen 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.
b) Hiệu suất nhiệt của động cơ hydrogen
Về mặt lý thuyết, hiệu suất nhiệt th của động cơ đốt trong được xác định theo công thức: 1 1 2 1 1 th V V (1-1)
Trong đó,V1 /V2 là tỷ số nén, ϒ là tỷ số tỷ nhiệt đẳng áp và tỷ nhiệt đẳng tích của mơi chất, ϒ =Cp/Cv. Do đó, có thể thấy chắc chắn hiệu suất nhiệt của động cơ
hydrogen lớn hơn hiệu suất nhiệt của động cơ xăng vì hydrogen có trị số ốc tan cao hơn nên cho phép tăng tỷ số nén lên cao hơn của động cơ xăng. Mặt khác, tỷ số tỷ nhiệt ϒ của hydrogen là 1,4 trong khi tỷ số tỷ nhiệt của xăng là 1,1.
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 16
Tỷ lệ tải so với tải max của động cơ xăng
Hình 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của động cơ hydrogen và động cơ xăng [7] Theo nghiên cứu của White và các cộng sự [7], khi so sánh hiệu suất nhiệt của các động cơ hydrogen cùng dung tích với các tỷ số nén khác nhau và động cơ hydrogen với động cơ xăng cùng tỷ số nén cho thấy hiệu suất có ích của động cơ hydrogen cao hơn đáng kể so với hiệu suất của động cơ xăng ở cùng chế độ tải và khi tăng tỷ số nén thì hiệu suất tăng lên (đồ thị Hình 1.4). Theo các tác giả này, động cơ hydrogen có thể tăng được tỷ số nén tới 14,5:1 và đó có thể là tỷ số nén tối ưu để cho hiệu suất cao nhất. Chính vì vậy, cùng với thực tế là nhiệt trị khối lượng của nhiên liệu hydrogen cao gấp hơn 2,7 lần nhiệt trị của
xăng nên suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ hydrogen thấp hơn đến 63% so với động cơ xăng theo kết quả nghiên cứu của Pourkhesalian và cộng sự [5].
Nhiều cơng trình nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra rằng hiệu suất cực đại của động cơ hydrogen trong dải chế độ làm việc thường lớn hơn hiệu suất cực đại của động cơ xăng. Hiệu suất có ích của động cơ
xăng thường là 25-30% trong khi hiệu suất có ích cực đại của động cơ hydrogen phun trực tiếp có thể đến 45% [13]. Các động cơ cấp hydrogen vào đường nạp cũng có hiệu suất khá cao. Tang và cộng sự [14] nghiên cứu thực nghiệm đo công suất, tiêu hao
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 17
nhiên liệu và diễn biến áp suất trong xi lanh của một động cơ nghiên cứu chạy hydrogen ở các tỷ số nén và tốc độ khác nhau để tính tốn hiệu suất của động cơ đã chỉ ra rằng hiệu suất chỉ thị cực đại của động cơ đạt đến 52% và hiệu suất có ích cực đại đạt đến 38%. Natkin và cộng sự [15] cũng có kết luận tương tự khi nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ hydrogen tăng áp. Các tác giả còn chỉ ra rằng ở tải thấp, phương pháp điều chỉnh tải bằng cách thay đổi (Bướm ga mở hồn tồn) có thể giúp tăng hiệu suất có ích thêm đến 15% so với khi điều chỉnh tải bằng cách thay đổi độ mở bướm ga.
Nghiên cứu của Verhelst và cộng sự [16] trên động cơ Volvo 4 xi lanh, 1,8 lít, tỷ số nén 10,3:1 được trang bị thêm hệ thống phun hydrogen đa điểm vào đường nạp để có thể chạy chỉ với xăng hoặc chỉ với hydrogen để so sánh hiệu suất của động cơ khi chạy hai nhiên liệu này. Kết quả nghiên
cứu khi duy trì thành phần hỗn hợp =1 và mô men không đổi (80 Nm) trên toàn dải tốc độ (thay đổi độ mở bướm ga và lực phanh) cho thấy hiệu suất của động cơ khi chạy H2 luôn luôn lớn hơn hiệu suất của động cơ khi chạy xăng. Ở tốc độ thấp
(1500v/p), mức chênh lệch đến 28%, còn ở tốc độ cao (3500v/p), mức chênh lệch gần 10%. Ở chế độ mô men này khi động cơ hydrogen thay đổi công suất bằng cách thay đổi (1,2 – 1,8) cịn bướm ga ln mở hồn tồn thì hiệu suất cao hơn 24-36% so với hiệu suất của động cơ khi chạy xăng (hình 1.5). Kết quả nghiên cứu của Verhelst và cộng sự [93] cũng cho thấy động cơ H2 khi giảm tải thì hiệu suất động cơ giảm nhiều, khi tăng tốc độ thì hiệu suất động cơ cũng giảm. Tuy nhiên, ở cùng chế độ mơ men và tốc độ với động cơ xăng thì hiệu suất của động cơ H2 vẫn lớn hơn nhiều. Ở mô men 20 Nm, hiệu suất của động cơ H2 cao hơn động cơ xăng đến 67% (hình 1.6). Ở độ mở bướm ga 50% thì cần thay đổi từ 4 đến 2 để tăng tốc độ động cơ từ 1050v/p lên 4500v/p; cịn khi mở hồn tồn bướm ga thì cần điều chỉnh trong khoảng 4-5.
c) Phát thải
Sự cháy của hydrogen với oxy tạo ra sản phẩm chỉ có nước. Tuy nhiên, trong động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hydrogen thì hydrogen cháy với khơng khí nên Hình 1.5 So sánh hiệu suất có ích của động
cơ H2 với bướm ga (BG) mở 100% và 50% (thay đổi ) và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) để duy trì mơ men 20 Nm
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 18
ngồi nước, sản phẩm cháy có thể cịn có các loại oxit nitơ NOx:
2 2 2 2 2
H + O + N H O + N + NOx (1-2)
NOx được tạo ra trong buồng cháy do nitơ phản ứng với oxi ở nhiệt độ cao trong quá trình cháy của nhiên liệu. Thêm nữa, khí xả của động cơ có thể cịn có ơ xít các bon CO, khí các bon níc CO2 và hydrogen các bon HC do sự cháy dầu bôi trơn trong buồng cháy. Tuy nhiên, các nghiên cứu về phát thải của động cơ hydrogen [17, 18] cho thấy NOx là thành phần phát thải chủ yếu của động cơ hydrogen, chiếm trên 95% tổng khối lượng phát thải độc hại sinh ra của động cơ.
Hàm lượng NOx tạo thành trong động cơ hydrogen phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như thành phần hỗn hợp (hệ số dư lượng khơng khí lam đa), phương pháp cấp hydrogen và tạo hỗn hợp, tỷ số nén, góc đánh lửa sớm, tốc độ của động cơ, và tỷ lệ luân hồi khí thải nếu áp dụng.
Phương pháp phun trực tiếp khí hydrogen áp suất thấp vào xi lanh sẽ làm giảm đáng kể phát thải NOx ở tải
nhỏ so với phương pháp cấp hydrogen dạng khí vào đường ống nạp. Cịn ở tải trung bình và tải lớn thì phương pháp phun trực tiếp khí hydrogen áp suất cao vào trong xi lanh động cơ và phun hydrogen dạng lỏng vào đường ống nạp lần lượt có hàm lượng phát thải NOx thấp hơn [19, 18].
Tuy nhiên tỷ lệ thành phần hỗn hợp (hệ số dư lượng khơng khí ) là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất. Ở tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu gần với tỷ lệ lý thuyết (1) thì quá trình cháy rất mãnh liệt, nhiệt độ cao nên hàm lượng NOx lớn, và còn lớn hơn cả trong động cơ xăng [11]. Tuy nhiên, với hỗn hợp nhạt (lam đa >1) thì hàm lượng NOx thấp hơn, đặc biệt là khi >2 thì hàm lượng NOx rất nhỏ [20, 21, 16, 7, 18]. Đồ thị (Hình 1.6) biểu diễn kết quả nghiên cứu của Verhelst và cộng sự [93] về sự thay đổi của hàm lượng phát thải NOx của động cơ hydrogen theo cho thấy khi >1 và tăng dần, hàm lượng NOx giảm rất nhanh và khi >2 thì hàm lượng phát thải NOx rất nhỏ,
Hình 1.6 Phát thải NOx của động cơ H2 ở 1500v/p, bướm ga mở hoàn toàn [16]
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 19
không đáng kể. Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ Volkswagen Polo 1.4, Sopena và cộng sự [20] cũng chỉ ra kết luận tương tự rằng với >1,8 thì phát thải NOx<75ppm nhưng khi =1,6 thì phát thải NOx tăng lên trên 550ppm, còn nếu >1,3 thì NOx>10000ppm. Do đó động cơ hydrogen thường được thiết kế hoạt động với hỗn hợp nhạt (>2) để giảm phát thải NOx.
d) Công suất
Công suất của động cơ hydrogen phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu và phương pháp cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ. Như đã nói ở trên, về mặt tính tốn lý thuyết, với hỗn hợp có hệ số dư lượng khơng khí lamda bằng 1 thì trong trường hợp cấp khí hydrogen vào đường nạp, công suất động cơ sẽ giảm khoảng 16% so với động cơ chạy xăng nhưng nếu phun trực tiếp hydrogen vào trong xi lanh thì cơng suất động cơ có thể cao hơn tới 21% so với động cơ xăng.
Tuy nhiên, khi động cơ hydrogen chạy với hỗn hợp có =1 thì nhiệt độ cháy rất cao nên gây phát thải NOx lớn [20, 16] như đã nói ở trên và đồng thời dễ xảy ra hiện tượng cháy sớm. Mặt khác, quá trình cháy xảy ra mãnh liệt sẽ làm cho tốc độ tăng áp suất cao gây rung động cơ. Nhiệt độ cháy cao còn làm cho nhiệt độ thành buồng cháy cao nên rất dễ xảy ra cháy sớm dẫn đến cháy ngược ra ống nạp trong trường hợp động cơ cấp hydrogen vào đường ống nạp gây nguy hiểm. Chính vì vậy, động cơ hydrogen thường được thiết kế vận hành với hỗn hợp nhạt để giảm phát thải NOx, tránh ồn và tránh cháy sớm nên cơng suất động cơ có thể thấp hơn nhiều so với công suất động cơ xăng cùng dung tích xi lanh [11, 7]. Một nghiên cứu thực nghiệm khác được thực hiện trên động cơ Toyota Corolla 1.8 trang bị hệ thống phun hydrogen vào đường ống nạp để có thể so sánh tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chạy với nhiên liệu hydrogen và khi chạy với nhiên liệu xăng, tác giả Tien Ho và cộng sự [22] đã chỉ ra rằng công suất động cơ khi chạy hydrogen nói chung chỉ bằng 50% so với khi chạy xăng. Cịn cơng suất cực đại có thể đạt được của động cơ hydrogen cũng chỉ đạt đến 60,5% công suất cực đại của động cơ khi chạy xăng.
Như vậy, khi chuyển động cơ xăng hiện hành sang chạy nhiên liệu hydrogen thì cơng suất bị giảm nhiều. Tuy nhiên, vì các động cơ ơ tơ thường được thiết kế có cơng suất dự trữ lớn nên nếu chuyển sang chạy nhiên liệu hydrogen thì có thể vẫn đảm bảo công suất để vận hành được trong điều kiện đường phố và trên đường trường [20]. Còn
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 20
với các động cơ hydrogen cần công suất lớn tương tự của động cơ xăng thì dung tích của các động cơ hydrogen chế tạo mới thường được thiết kế lớn hơn dung tích động cơ xăng có cùng gam cơng suất để bù đắp phần cơng suất giảm nói trên. Một cách khác để tăng công suất động cơ hydrogen là người ta có thể sử dụng hydrogen thuần túy trên động cơ diesel đốt cháy do nén như thể hiện trong nghiên cứu của Gomes và cộng sự [23]. Tác giả đã chỉ ra rằng công suất động cơ khi chạy hydrogen thuần túy bằng phương pháp phun trực tiếp và đốt cháy do nén tăng 14% và hiệu suất động cơ đạt đến 43% so với 28% khi chạy nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, do hydrogen có nhiệt độ tự cháy cao nên phải sấy nóng khí nạp để đảm bảo động cơ làm việc bình thường nên làm phức tạp kết cấu động cơ. Mặt khác, do nhiệt độ cháy cao làm áp suất cực đại trong xi lanh tăng cao nên động cơ rung. Do đó, việc sử dụng thuần túy hydrogen trên động cơ diesel đốt cháy do nén ít được quan tâm.
Nói tóm lại, động cơ đốt cháy cưỡng bức chạy thuần túy nhiên liệu hydrogen lợi dụng được các đặc tính cháy nhanh và phát thải ít của nhiên liệu này cho phép động cơ làm việc với hiệu suất cao, tiêu hao nhiên liệu ít, phát thải thấp. Tuy nhiên, do