Ngồi những ưu nhược điểm phân tích ở trên thì khi sử dụng nhiên liệu hydro cho ĐCĐT thì cần phải chú ý thêm các vấn đề như vật liệu chế tạo, tuổi thọ của dầu bơi trơn….Cịn theo phương pháp hình thành hồ khí thì động cơ có thể có mơ men và cơng suất khác nhau
Theo hình 1.15, ở tốc độ dưới 3000 v/p, IMEP của Động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy tùy cưỡng bức (phun xăng trên đường ống nạp) cao hơn Động cơ hydro (phun hydro trên đường ống nạp). IMEP của Động cơ hydro thấp hơn chút, còn động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức thì giảm mạnh khi tăng tốc độ của động cơ [8]. Còn nếu thay đổi phương pháp cung cấp hydro trên động cơ hydro ta thấy IMEP của phương pháp phun trực tiếp tăng thêm 15% đối với phương pháp phun trên đường ống nạp.
Theo hình 1.16 thì động cơ sử dụng vịi phun có mơ-men lớn hơn động cơ sử dụng CHK kể cả ở dải tốc độ thấp, điều này là do khi sử dụng vịi phun thì nhiên liệu hydro sẽ được nén làm cho mật độ các chất cháy lớn và như vậy thì áp suất buồng cháy sẽ lớn, cịn khi sử dụng CHK thì hàm lượng hydro cung cấp cho quá
35
trình cháy hồn tồn phụ thuộc vào độ chênh áp trong họng khuyếch tán của bộ CHK. Điều này cũng làm cho cơng suất của Động cơ hydro sử dụng vịi phun cao hơn công suất của khi sử dụng CHK ở tốc độ cao.
1.Động cơ sử dụng vòi phun, 2. Động cơ sử dụng chế hồ khí
Hình 1.16. Mơ-men và công suất của động cơ hydro khi sử dụng CHK và vòi phun b) Động cơ sử dụng nhiên liệu kép xăng-hydro, CNG-hydro
Có một sốkhó khăn khi muốn chuyển đổi động cơ đang chạy nhiên liệu xăng hay CNG sang nhiên liệu hydro như là cải tạo hệ thống nhiên liệu, điều khiển thời điểm đánh lửa...trong khi công suất động cơ lại bị giảm nhiều như đã phân tích ở trên, Vì vậy, việc bổ sung hydro để cải thiện quá trình cháy của ĐCĐT là một vấn đề đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu bằng tính tốn hoặc bằng thực nghiệm. Hầu hết các cơng trình khoa học đều cho kết quả là bổ xung một lượng hydro vào xăng hay CNG thì các chỉ tiêu về công suất, phát thải đều giảm hơn so với khi không bổ sung hydro.
*Phương pháp cung cấp hydro
Để động cơ sử dụng nhiên liệu kép xăng-hydro hay CNG-hydro thì vịi phun xăng/CNG và vịi phun hydro thường được bốtrí ngay trên đường ống nạp (hydro được cung cấp đến ống phân phối với một áp suất cưỡng bức nhất định) để cấp thêm hydro vào đường nạp của động cơ. Hình 1.17 là ví dụ một kết cấu bố trí vịi phun hydro 2 để bổ sung hydro vào đường ống nạp bên cạnh vòi phun nhiên liệu chính là nhiên liệu xăng hoặc CNG.
36
1. Vòi phun xăng/CNG, 2. Vòi phun hydro, 3. Đường ống nạp Hình 1.17. Kết cấu cụm ống hút của động cơ hydro *Áp suất có ích trung bình (BMEP)
Hình 1.18 so sánh áp suất có ích trung bình BMEP của động cơ nhiên liệu hóa thạch-hydro khi thay đổi tỷ lệ hydro bổ sung. Có thể thấy BMEP của động cơ nhiên liệu hóa thạch-hydro và động cơ nhiên liệu hóa thạch thuần túy đều có xu hướng giảm khi tăng λ. Tuy nhiên khi λ đạt giá trị 1,2 trở lên, động cơ bổ sung hydro có BMEP lớn hơn động cơ không bổ sung hydro. Và λ càng tăng thì sự chênh lệch BMEP càng lớn [15].
Hình 1.18. BMEP của động cơ nhiên liệu hóa thạch-hydro khi thay đổi tỷ lệ hydro bổ sung
37
* Hiệu suất nhiệt có ích (BTE)
Hình 1.19. BTE của động cơ lưỡng nhiên liệu hóa thạch-hydro khi thay đổi tỷ lệ hydro bổ sung
Một nghiên cứu trên Động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức khi thí nghiệm ở hai chế độ là cho phun 3% và 6% hydro 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 hóa thạch lên 31.56% với động cơ bổ sung thêm 6% hydro. Đặc biệt BTE được duy trì khi thay đổi hệ sốdư lượng khơng khí từ 1,0 đến 1,7 [15]
*Mơ men có ích
Hình 1.20. Mơ-men của động cơ nhiên liệu hóa thạch-hydro khi thay đổi tỷ lệ hydro bổ sung
Khi bổ sung 3% hydro thì đường đặc tính mơ men của động cơ có biên dạng giống như động cơ nhiên liệu hóa thạch nhưng giá trị mô-men tăng lên khoảng 10% và đều đạt giá trị lớn nhất tại tốc độ 2500 v/p. Cịn khi bổ xung 6% hydro thì mơ men cực đại của động cơ đạt tại tốc độ 2000 v/p hơn 25% so với trường hợp
38
không bổ sung hydro, nhưng ở tốc độ càng cao thì mơ-men của động cơ bổ sung hydro lại giảm xuống do ảnh hưởng của tốc độ và dịng khí nạp đi qua bướm ga như thể hiện trên hình 1.20 [16].
* Suất tiêu hao nhiên liệu SFC
Hình 1.21. SFC của động cơ nhiên liệu hóa thạch-hydro khi thay đổi lượng hydro bổ sung
Các đường đặc tính biểu diễn suất tiêu hao nhiên liệu SFC của động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức và động cơ nhiên liệu hóa thạch có bổ sung hydro có dạng tương tự nhau, tiêu thụ thấp nhất tại tốc độ3200 v/p nhưng mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ nhiên liệu hóa thạch là cao nhất và tuỳ thuộc vào lượng hydro bổ sung mà SFC sẽ khác nhau. Bổ sung quá nhiều hydro thì suất tiêu hao nhiên liệu có giảm hơn nhưng lại khơng phải là giảm nhiều nhất. Điều này có thể thấy trên hình 1.21 [17].
* Phát thải
Nhờ tốc độ cháy và lan truyền của ngọn lửa nhanh của hydro, hàm lượng phát thải trên động cơ lưỡng nhiên liệu hóa thạch-hydro giảm đáng kể đặc biệt là HC và CO2, nhưng NOx thì lại tăng lên do nhiệt độ cháy cao (hình 1.22). Ở tốc độ 1400 v/p, áp suất ống nạp là 61kPa, nếu λ=1,7 thì HC giảm cịn có 150 ppm. Càng bổ sung nhiều hydro thì khí thải càng sạch nhưng nếu bổ sung quá nhiều hydro thì lại làm giảm cơng suất của động cơ. [15]
39
Hình 1.22. Phát thải của động cơ nhiên liệu hóa thạch-hydro khi thay đổi tỷ lệ hydro bổ sung
c) Động cơ sử dụng nhiên liệu kép diesel-hydro *Phương pháp cung cấp hydro
Có nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về việc sử dụng nhiên liệu kép hydro và diesel trong đó có hai phương pháp được áp dụng phổ biến là
- H2 được phun trên đường ống nạp và diesel phun vào buồng đốt giống động cơ diesel thông thường
- Diesel sẽ phun mồi và hydro sẽ phun chính.
*Áp suất có ích trung bình
Việc kết hợp lưỡng nhiên liệu trên động cơ diesel- hydro sẽ làm cho áp suất có ích trung bình của động cơ giảm so với động cơ diesel thông thường ở tải nhỏ nhưng tải lớn thì lại tăng hơn một chút. [18]
Một nghiên cứu khác là khi sử dụng hai vòi phun với phương pháp phun như trên (diesel phun mồi, hydro phun chính) đã cho kết quả là khi thay đổi tốc độđộng cơ từ 500 v/p đến 4500 v/p hiệu suất nhiệt của động cơ diesel-hydro luôn cao hơn
40
động cơ diesel và hiệu suất nhiệt lớn nhất có thể đạt 40%, BMEP của động cơ diesel-hydro có thểvượt xa của động cơ diesel [18].
Hình 1.23. BMEP của động cơ diesel-hydro khi thay đổi lượng hydro cấp* Hiệu suất nhiệt có ích(BTE) và phát thải * Hiệu suất nhiệt có ích(BTE) và phát thải
0 5 10 15 20 25 30 35
Hiệu suất nhiệt (%)
Độ khói (BNC) NOx(g/KW-h ) CO (g/KW-h) CO2 (%thể tích) Diesel
Diesel-Hydro
Hình 1.24. BTE và phát thải của động cơ diesel và động cơ diesel-hydro
Kết quả của một thí nghiệm so sánh đặc tính của động cơ diesel và động cơ diesel-hydro (hydro được cung cấp vào đường ống nạp và nhiên liệu diesel được phun trực tiếp vào xylanh) cho thấy khi sử dụng nhiên liệu thuần diesel thì độ khói thu được là 4,8 BCN (Bosch smoke Number) nhưng khi sử dụng kết hợp cả hydro thì độ khói giảm xuống cịn 0,3 BCN. Hiệu suất nhiệt gia tăng từ 23,59% tới 29% tại chếđộ toàn tải. Kết quảnày là do hydro đã cải thiện quá trình cháy của động cơ,
41
Các chất phát thải như HC, CO và CO2 đều giảm mạnh NOx giảm từ 6.74g/KW.h xuống 3.14g/KW.h [19].
* Mơ men
Hình 1.25. Mơ-men của động cơ diesel và động cơ diesel-hydro
Động cơ diesel-hydro luôn đạt giá trị mô-men lớn hơn động cơ diesel ở các dải tốc độ của động cơ và đạt giá trị 200 Nm tại tốc độ 1700v/p [20].
* Suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 1.26. SFC của động cơ diesel và động cơ diesel-hydro
Lượng tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất của hai loại động cơ nằm trong khoảng 1500 đến 2000 v/p, ở dải tốc độ này sự tiêu thụ nhiên liệu gần bằng nhau, tuy nhiên ở tốc độ càng cao thì động cơ diesel-hydro có suất tiêu hao nhiên liệu nhỏhơn rất nhiều, điều này nâng cao tính kinh tế của diesel-hydro. [20]
42
1.3.2. Hydro được tạo ra và cung cấp ngay trên động cơ
Ở phương pháp này, hydro được sản suất (tạo ra) ngay trên động cơ bằng các phương pháp biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu của động cơ rồi cung cấp ngay cho động cơ. Lượng hydro được tạo ra đến đâu là cung cấp ngay cho động cơ đến đó, khơng cần tích trữ. Thay vào đó, nhiên liệu cần tích trữ là nhiên liệu chính của động cơ như diesel (trên động cơ diesel), xăng (trên động cơ xăng) hay CNG (trên động cơ CNG. Các phương pháp tạo hydro kiểu này là ơ xi hóa khơng hồn tồn nhiên liệu (PO), BĐNH nhiên liệu với hơi nước (SR) hay với CO2 (CR) nhờ tận dụng nhiệt khí thải hay kết hợp PO và SR (ATR) như đã nói ở trên.
Đã có một số nghiên cứu về vấn đề này như kết quả nghiên cứu BĐNH nhiên liệu diesel với hơi nước có trong khí thải trên động cơ diesel D243 thì lượng hydro thu được có thểđạt đến 20% thể tích trong sản phẩm... Kết quả nghiên cứu BĐNH xăng với hơi nước cấp vào trên động cơ xăng dung tích 100cc của xe Honda Dream II với các điều kiện tối ưu (tỷ lệ W/F= 4, nhiệt độ vận hành 500-600oC, và tốc độ không gian của hỗn hợp nạp <120000/h, chất xúc tác là Ni và Al2O3) thì cứ 1 gam xăng sẽ cho ta 0,16 đến 0,18 mol hydro (tương đương 3,6 đến 4,0 lít hydro ở điều kiện tiêu chuẩn) [21].
Một tính tốn khác cho thấy nếu sử dụng chất xúc tác là Pt và ZnO2, sử dụng phần mềm CFD để mơ phỏng thì lượng hydro khô thu được là 9,2 đến 40,6% [22], hay nhiệt hoá nhiên liệu diesel bằng tia plasma để giảm độc hại khí xả cho động cơ diesel thì kết quả thực nghiệm cho lượng hydro thu được chỉđạt 10% [23].
Qua phân tích các phương pháp cấp hydro vào động cơ và đặc tính động cơ khi sử dụng nhiên liệu hydro có thể kết luận rằng:
-Việc sử dụng hydro làm nhiên liệu cho động cơ sẽ giúp tăng hiệu suất và giảm phát thải của động cơ;
-Việc cấp hydro thường là vào đường ống nạp (vì đơn giản) nên khi tăng tỉ lệ hydro thì hydro chiếm chỗ buồng đốt nhiều làm cơng suất động cơ giảm;
43
-Việc sử dụng hoàn tồn hydro làm nhiên liệu khó khả thi cho ĐCĐT hiện hành vì khó khăn trong việc tích trữ và cung cấp hydro trên động cơ, mặt khác công suất động cơ giảm nhiều;
-Việc tạo ra và cung cấp hydro ngay trên động cơ bằng phương pháp BĐNH nhiên liệu các-bua-hydro của động cơ nhờ tận dụng nhiệt khí thải là khả thi và có tính kinh tế, kỹ thuật cao. Và đây chính là vấn đề nghiên cứu của đề tài này.
1.4. Kết luận chương 1
Động cơ đốt trong chạy nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu diesel và kể cả LPG và CNG có hiệu suất thấp và phát thải độc hại cao. Đã có nhiều biện pháp giảm phát thải độc hại được áp dụng, trong đó việc bổ sung hydro là một phương pháp rất có tiềm năng.
Việc bổ sung hydro vào động cơ đốt trong cùng nhiên liệu truyền thống xăng, diesel và CNG sẽtăng hiệu suất và giảm phát thải của động cơ, góp phần giải được bài tốn tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường.
Tuy nhiên, để thực hiện được việc này, cần nghiên cứu tạo ra hydro ngay trên động cơ vì hydro là khí nhẹ, khó tích trữ, bảo quản và vận chuyển với lượng lớn từ nguồn sản xuất bên ngoài để cung cấp cho động cơ hoạt động liên tục.
Việc tạo ra hydro trên động cơ CNG bằng phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu CNG với hơi nước nhờ tận dụng nhiệt khí thải là phương pháp cho năng suất hydro và hiệu quả biến đổi nhiên liệu cao nên cần được nghiên cứu để áp dụng một cách hiệu quả trên động cơ.
44
CHƯƠNG II:
MƠ HÌNH HỐ Q TRÌNH TẠO RA HYDRO TRÊN ĐỘNG CƠ
CNG NHỜ TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI
2.1. Giới thiệu chung.
Theo nghiên cứu tổng quan ở trên, có thể thấy phương pháp tạo ra hydro từ BĐNH nhiên liệu các-bua-hydro với hơi nước cho năng suất cao nhất trong các phương pháp sản xuất hydro từ nhiên liệu các-bua-hydro. Tuy nhiên, đó là q trình thu nhiệt mạnh nên cần phải cung cấp nhiệt cho BXT. Trên ĐCĐT khí thải là nguồn nhiệt lớn có thể tận dụng cho việc này. Do đó, có thể nghiên cứu tạo khí giàu hydro trên động cơ CNG theo phương pháp biến đổi nhiệt hóa một phần CNG với hơi nước nhờ tận dụng nhiệt khí thải của động cơ. Việc nghiên cứu mơ hình hóa được thực hiện để xác định các thông số tối ưu làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo BXT biến đổi nhiệt hố CNG với hơi nước để có thể tận dụng nhiệt khí thải để tạo ra lượng hydro cần thiết cung cấp cho động cơ.
2.2. Nhiệt khí thải và khả năng tận dụng.
Hình 2.1. Các thành phần cân bằng nhiệt của ĐCĐT
Các động cơ đốt trong nói chung cũng như động cơ CNG, khí thải ra khỏi động cơ có nhiệt độ khá cao do đó nó mang theo một năng lượng nhiệt khá lớn. Trong đề tài này, năng lượng nhiệt khí thải trên động cơ CNG được tận dụng để cung cấp cho quá trình BĐNH một phần nhiên liệu CNG với hơi nước tạo khí giàu hydro cho động cơ. Theo các nghiên cứu về cân bằng nhiệt của ĐCĐT, nhiệt khí thải của động cơ có thể chiếm đến 25% tổng nhiệt lượng của nhiên liệu tiêu thụ
45
[11]. Với lượng nhiệt này cần phải tính tốn các thơng sốđầu vào BXT hợp lý nhất sao cho tạo ra lượng hydro là lớn nhất trong quá trình BĐNH nhiên liệu CNG với hơi nước. Vì CNG chứa đến 95% CH4 nên để đơn giản q trình tính tốn mơ phỏng, có thể giả thiết thành phần của CNG chỉ có CH4.
2.3. Phương pháp biến đổi nhiệt hóa CNG với hơi nước tận dụng nhiệtkhí thải
2.3.1. Các phương trình phản ứng
Như đã nói ở trên, trong các phương pháp tạo ra hydro từ CNG cũng như từ các loại nhiên liệu hydrocarbon khác thì phương pháp biến đổi nhiệt hóa với hơi nước cho hàm lượng và năng suất H2 cao nhất khi được cấp đủ nhiệt để duy trì nhiệt độ BXT từ 500oC. Do đó nếu tận dụng nhiệt khí thải để duy trì nhiệt độ BXT hoạt động thì phương pháp biến đổi nhiệt hóa CNG với hơi nước có hiệu quả cao nhất. Chính vì vậy đề tài chọn phương án BĐNH nhiên liệu CNG trên động cơ CNG với hơi nước nhờ tận dụng nhiệt khí thải để tạo H2 cho động cơ. Quá trình phản ứng xúc tác BĐNH nhiên liệu CNG với hơi nước diễn ra khá phức tạp, tuy nhiên có thểđược biểu diễn bởi 3 phản ứng chủ yếu sau đây:
CH4 + H2O = CO + 3H2 Phản ứng thu nhiệt mạnh CO + H2O = CO2 + H2 Phản ứng tỏa nhiệt ít CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 Phản ứng thu nhiệt mạnh