Phương
pháp Ưu điểm Nhược điểm
EW Năng suất tạo H2 cao Cần dịng điện lớn, khó lắp trên động cơ SR Năng suất tạo H2 khá cao Cần cung cấp lượng nhiệt lớn
PO
Không cần cấp nhiệt - Hàm lượng H2 không cao, CO lớn - Tạo ra lượng nhiệt lớn gây lãng phí và tăng tải nhiệt cho động cơ
CR Sản lượng H2 nhỏhơn SR - Sản phẩm CO thì lại cao hơn nhiều. ATR
Sản lượng H2 cao hơn PO, thấp hơn CR, không cần thiết bị cấp nhiệt hay làm mát,
- nhiên sản lượng hydro thấp hơn so với phương pháp SR, thiết bị cồng kềnh hơn SR vì thêm đường cung cấp khơng khí
30
Đối với ĐCĐT, một phần nhiệt lượng đáng kể sinh ra do đốt cháy nhiên liệu bị thải ra ngồi theo khí thải. Phần nhiệt này thông thường chiếm từ 15% - 25% nhiệt lượng do đốt cháy nhiên liệu [11]. Do đó, có thể tận dụng một phần nhiệt thải này để BĐNH nhiên liệu với hơi nước, tạo nhiên liệu giàu hydro cho động cơ. Bằng phương pháp này, có thể tạo được bộ phản ứng xúc tác nhỏ gọn mà lại có năng suất biến đổi cao, hàm lượng hydro lớn vì có thể sử dụng phương pháp SR trong khi không cần phải có thiết bị cung cấp nhiệt từ ngồi.
1.3. Phương pháp cung cấp và đặc tính của động cơsử dụng nhiên liệu hydro
Hiện nay có thể sử dụng hai nguồn cung cấp hydro chủ yếu cho động cơ, thứ
nhất là sử dụng nhiên liệu hydro được sản xuất sẵn trong cơng nghiệp chứa trong bình áp suất và cung cấp cho động cơ như các loại nhiên liệu truyền thống. Thứ hai là trên các động cơ, nhiên liệu truyền thống được trích ra một phần để tạo ra hydro và cung cấp ngay cho động cơ. Phương pháp sử dụng nguồn tạo hydro trên động cơ thường chỉ cung cấp hydro như một phụ gia hay nhiên liệu thay thế một phần cho động cơ.
Khi đánh giá các đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hydro ta cần phải đánh giá một vài đặc tính quan trọng sau áp suất có ích trung bình (BMEP), Hiệu suất nhiệt có ích trung bình (BMTE), mô men và công suất, phát thải, suất tiêu hao nhiên liệu có ích (BSFC)
1.3.1. Hydro được cung cấp từ nguồn tích trữ bên ngồi động cơ
a) Động cơ chạy nhiên liệu hydro
* Phương pháp cung cấp hydro vào động cơ
Các phương pháp cấp hydro có ảnh hưởng lớn đến đặc tính cơng suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Có 3 phương pháp cung cấp hydro phổ biến khác nhau ở vị trí cấp và cách thức cấp, gồm cấp hydro vào đường nạp ở dạng khí (dùng bộ CHK hoặc phun), phun vào đường nạp ở dạng lỏng hoặc phun trực tiếp hydro vào trong xylanh (ở dạng lỏng hoặc khí) [12]. Sơ đồ các phương pháp cấp hydro và hiệu quả sử dụng thểtích xi lanh được chỉ ra trên hình 1.10.
31
1. Động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức thơng thường, 2. Hydro dạng khí được phun và đường ống nạp, 3. H2 lỏng được phun vào đường ống nạp,4.H2
dạng khí áp cao phun vào buồng đốt
Hình 1.10. Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT [8]
Phương án cấp H2 dạng khí vào đường nạp (phương án 2 hình 1.10) làm giảm lượng khơng khí vào xi-lanh do bị hydro chiếm chỗ nên hỗn hợp giảm, dẫn đến công suất động cơ giảm. Tuy nhiên phương pháp tạo hỗn hợp tốt.
Ở phương pháp phun hydro lỏng vào đường nạp (phương án 3 hình 1.10), vì một lượng nhỏhydro chưa bay hơi kịp trong đường nạp đi vào xi-lanh ở dạng lỏng nên chiếm ít thể tích của khơng khí trong xi-lanh làm lượng khơng khí nạp vào xi- lanh bị giảm ít hơn so với phương án 2 nên cơng suất bị giảm ít hơn.
Phun trực tiếp hydro (lỏng hoặc khí) vào xi lanh (phương án 4 trong hình 1.2) hồn tồn khơng làm giảm lượng khơng khí nạp so với động cơ xăng trong khi lại sử dụng nhiên liệu hydro có nhiệt trị cao hơn xăng nên công suất động cơ hydro cao hơn cơng suất động cơ xăng có cùng kích thước. Tuy nhiên phương pháp phun hydro trực tiếp phức tạp hơn nhiều so với phun vào đường nạp
* Hiệu suất nhiệt có ích của động cơ hydro (BTE)
Động cơ hydro có hiệu BTE cao hơn động cơ chạy nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức, động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức đạt hiệu suất nhiệt cao khi tải lớn trong khi động cơ hydro có thể hoạt động ngang bằng ở tải cục bộ với hiệu suất nhiệt cao hơn (hình 1.11).
32
Hình 1.11. BTE của động cơ hydro và động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức
*Mơ men
Hình 1.12. Mơ men của động cơ hydro và động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức
Hình 1.12 so sánh mơ men của động cơ hydro và mô men của động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức. Tại tốc độ 3100 rpm, động cơ hydro có mơ-men bằng với mơ men của động cơ xăng nhưng khi ở dải tốc độ lớn hơn thì mơ men của động cơ hydro lớn hơn hẳn. Bởi vì đặc tính cháy nhanh của hydro nên nó có kết quả tốt khi hoạt động ở tốc độ cao [8].
* Cơng suất
Hình 1.13. so sánh cơng suất của động cơ hydro và động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức. Ở tốc độ thấp thì cơng suất của động cơ xăng thấp hơn hẳn nhưng ở dải tốc độ 3000 v/p – 4000 v/p thì cơng suất hai động cơ ngang bằng. Bởi vì mật độ
33
năng lượng trên một đơn vị thể tích thấp nên cơng suất của động cơ hydro thấp hơn động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức thông thường. Hạn chế này có thể khắc phục bằng tăng áp. Với phương pháp này khí được nạp nhiều hơn vào xy lanh làm hịa khí tốt hơn, nó cũng giúp làm mát xy-lanh và tránh hiện tượng cháy sớm [8].
Hình 1.13. Cơng suất của động cơ hydro và động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức
* Suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 1.14. BSFC của động cơ hydro và động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức
BSFC của Động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức lớn hơn so với của động cơ hydro và tiêu hao thấp nhất tại tốc độ 3500 v/p khi bướm ga mở hồn tồn. Nói chung, đặc tính BSFC của hai loại động cơ có biên dạng giống nhau và đều có một vị trí tối ưu đểđốt cháy nhiên liệu sao cho BSFC là nhỏ nhất [13].
* Phát thải
34
HC, CO. Nhưng trong thực tếkhi động cơ chạy ở tốc độ cao thì vẫn phát sinh HC, CO vì quá trình đốt cháy màng dầu bôi trơn trong xi-lanh, khi tăng tốc độ động cơ cũng làm gia tăng hàm lượng CO trong khí thải, CO bắt đầu xuất hiện khi chạy trên 2700 v/p, CO2 hầu như không xuất hiện nhưng lượng O2 trong ống thải gia tăng [8]. Tuy nhiên lượng phát thải các thành phần này rất thấp.
Hình 1.15. IMEP của động cơ hydro khi thay đổi phương pháp phun nhiên liệu
Ngoài 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, cịn 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, còn 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 công suất của Động cơ hydro sử dụng vịi phun cao hơn cơng 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 cơng 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 cơng 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 vịi phun nhiên liệu chính là nhiên liệu xăng hoặc CNG.
36
1. Vòi phun xăng/CNG, 2. Vịi 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. Còn 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 không 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