CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.4. Nghiên cứu sử dụng hyđrô cho động cơ đốt trong dưới dạng lưỡng nhiên liệu
1.4.1. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy do nén
Theo [17, 18], khi bổ sung thêm khí hyđrô vào đường nạp cho động cơ cháy do nén nhận thấy: khi tăng lượng hyđrô chia sẻ với diesel, hiệu suất nhiệt của động cơ tăng rõ rệt ở các chế độ tải trung bình và tải cao trong khi đó lại giảm ở chế độ tải nhỏ; tất cả các chất ô nhiễm có nguồn gốc các bon như HC, CO, CO2 và PM đều giảm đáng kể ở tất cả các chế độ tải; phát thải NOx tăng lên cùng với bổ sung hyđrô ở chế độ tải trung bình và tải lớn do nhiệt độ tăng cao. Nhiệt độ và áp suất khí cháy trong xi lanh tăng lên rõ rệt cùng với tăng lượng hyđrô bổ sung vào đường nạp ở chế độ tải trung bình và tải lớn. Thời điểm bắt đầu cháy sẽ sớm hơn và tỷ lệ với lượng hyđrô bổ sung, ngoài ra khi lượng hyđrô chia sẻ lớn thì vấn đề tự phát hỏa của hỗn hợp không khí - hyđrô có thể xảy ra và kích nổ.
Trong nghiên cứu của I.T.Yilmaz, M.Gumus [22], các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel kiểu common rail. Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ diesel 4 kỳ, 4 xi lanh, dung tích 1.461 lít và hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu common rail dưới 3 chế độ tải 50 Nm, 75 Nm và 100 Nm ở số vòng quay 1750 [v/ph]. Nhiên liệu diesel được phun trực tiếp vào buồng cháy trong khi hyđrô được nạp liên tục vào đường nạp ở hai chế độ lưu lượng 20 [lpm] và 40 [lpm].
Kết quả chỉ ra rằng:
+ Áp suất trong xi lanh tăng lên, điểm cực đại áp suất dịch chuyển gần điểm chết trên hơn theo tỷ lệ hyđrô bổ sung.
28
+ Tốc độ tỏa nhiệt trong cả 2 chế độ lưu lượng cấp hyđrô bổ sung đều tăng sau chế độ phun mồi, nhưng lại giảm sau chế độ phun chính.
+ Tâm tỏa nhiệt dịch chuyển khỏi điểm chết trên khi bổ sung thêm hyđrô vào không khí nạp dưới điều kiện tải nhỏ. Nhưng lại không có sự khác biệt lớn giữa 2 động cơ khi làm việc ở chế độ tải lớn.
+ Bổ sung hyđrô vào đường nạp có ảnh hưởng quan trọng tới hiệu suất nhiệt có ích và suất tiêu hao nhiên liệu có ích, bên cạnh giảm đáng kể chất ô nhiễm có nguồn gốc các bon như HC, CO, CO2 và PM; mặc dù phát thải NOx
có sự tăng nhẹ khi cấp 20 [lpm] ở chế độ tải 7 [N.m] nhưng ở các chế độ khác thì NOx không có sự sai khác so với động cơ dùng diesel thuần túy.
Theo H.Koten [23], khi thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của việc thêm hyđrô đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel 4 xi lanh, làm mát bằng nước, ông nhận thấy: khi tăng lượng hyđrô bổ sung vào đường nạp ở tất cả các chế độ tải của động cơ, ta nhận thấy hiệu suất nhiệt có ích và suất tiêu hao nhiên liệu có ích đều được cải thiện đáng kể do tốc độ ngọn lửa cao của hyđrô và hình thành hỗn hợp đồng nhất trong xi lanh. Đối với sự phát thải Soot, HC và CO thì sự bổ sung hyđrô vào không khí nạp có ảnh hưởng tích cực, trong tất cả các trường hợp khi so sánh với động cơ dùng đơn nhiên liệu diesel.
Theo Hayder A. Alrazen và các cộng sự [24], khi nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng của việc thêm hyđrô vào đường nạp của động cơ cháy do nén các tác giả nhận thấy: tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F), tốc độ động cơ, và tải của động cơ đóng vai trò quan trọng tới hiệu suất và phát thải của động cơ diesel với sự bổ sung hyđrô. Hiệu suất nhiệt có ích, công suất có ích, áp suất có ích trung bình, và suất tiêu hao năng lượng có ích phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành của động cơ khi thêm hyđrô. Khi thêm hyđrô thì các thành phần phát thải u-HC, CO, CO2, PM và soot là giảm đáng kể. Tuy nhiên, thành phần NOx
lại tăng lên cùng với sự bổ sung hyđrô, nhưng vấn đề này có thể được kiểm soát bằng các giải pháp như thay đổi chiến lược phun, luân hồi khí xả EGR, phun
29
hơi nước vào thành xi lanh cũng như sử dụng các biện pháp xử lý sau nguồn phát sinh. Thông qua nghiên cứu tổng quan này, các tác giả nhận thấy khi bổ sung thêm hyđrô vào đường nạp có những tác động như sau:
- Đa số các nghiên cứu liên quan đều cho rằng hiệu suất nhiệt có ích và công suất có ích tăng lên khi thêm hyđrô. Lý do của điều này là do thêm hyđrô vào nhiên liệu diesel làm giảm thời gian cháy, tăng áp suất và tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh bởi tăng tốc độ ngọn lửa hyđrô. Người ta nhận thấy rằng để đảm bảo an toàn cho động cơ thì cần lưu ý khi bổ sung khí hyđrô vào động cơ diesel ở tải cao.
- Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng suất tiêu hao năng lượng có ích cũng ảnh hưởng cùng với sự thay đổi tỷ lệ hyđrô thêm vào đường nạp. Ở chế độ tải cao, suất tiêu hao năng lượng có ích giảm khi tăng lượng hyđrô bổ sung, điều này là do tốc độ lan tràn ngọn lửa của hyđrô cao; nhưng lại tăng đều đặn khi giảm tải, và tăng lên rõ rệt khi vận hành cở chế độ tải nhỏ.
- Đa số các tác giả cũng nhận định rằng khi thêm hyđrô vào đường nạp của động cơ diesel, nó ảnh hưởng tới áp suất có ích trung bình phụ thuộc vào vùng hỗn hợp. Cụ thể, nếu vùng hỗn hợp giàu, áp suất có ích trung bình giảm với sự tăng lượng hyđrô; trong khi đó, lại tăng lên ở các khu vực hỗn hợp nhiên liệu nghèo, điều này có thể lý giải là do sự có mặt của ô xy.
1.4.2. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy cưỡng bức
Theo Yaodong Du và các cộng sự [25] khi nghiên cứu ảnh hưởng của việc thêm khí hydro và tỷ lệ luân hồi khí xả EGR đến các đặc tính kỹ thuật và phát thải của động xăng nhận thấy: áp suất cực đại trong xi lanh tăng 9,8%, mô men xoắn có ích có thể tăng 11% khi bổ sung một lượng nhỏ hydro. Phát thải NOx có thể giảm khi sử dụng luân hồi khí xả, việc bổ sung thêm hydro có thể tăng tỷ lệ luân hồi EGR so với động cơ nguyên bản nên cho phép bướm ga mở rộng hơn điều này cải thiện hiệu suất và giảm phát thải NOx khoảng 54,8% so với động cơ nguyên bản. Ảnh hưởng của EGR đến phát thải CO và HC là không
30
lớn và sự phát thải CO và HC này có thể giảm một cách đáng kể khi bổ sung hydro. Phát thải CO, HC và NOx có thể được kiểm soát ở mức thấp hơn, mô men xoắn có ích có thể tăng lên và suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm đáng kể khi kiểm soát đồng thời lượng hydro bổ sung và tỷ lệ luân hồi EGR.