CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.3. Nhiên liệu hyđrô dùng cho động cơ đốt trong
1.3.3. Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hyđrô
20
a) Các phương pháp cung cấp nhiên liệu trong động cơ hyđrô
Do hyđrô có trị số ốc tan cao và nhiệt độ tự cháy cao nên hyđrô 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 hyđrô cũng có thể được thực hiện bằng cách cấp hyđrô 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 nhiên liệu khí. Còn trong động cơ hyđrô thì khác hẳn, phương pháp cấp hyđrô vào động cơ ảnh hưởng rất lớn đến lượng khí nạp và do đó sẽ ảnh hưởng lớn đến công suất động cơ [1]. Sơ đồ Hình 1.1 giới thiệu một số phương pháp cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ hyđrô 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.
Hình 1.1. Các phương án cung cấp hyđrô cho ĐCĐT
a) Động cơ xăng cấp xăng vào đường ống nạp; b) Phun hyđrô dạng khí vào đường nạp; c) Phun hyđrô lỏng vào đường ống nạp; d) Phun hyđrô dạng khí
áp suất cao vào buồng cháy.
Với các phương án cung cấp hyđrô cho động cơ đốt trong như trên thì phương án cung cấp khí hyđrô vào đường nạp thường được sử dụng vì hệ thống
21
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 hyđrô
Về mặt lý thuyết hiệu suất nhiệt của động cơ hyđrô lớn hơn hiệu suất nhiệt của động cơ xăng vì hyđrô có trị số ốc tan cao hơn nên cho phép tăng tỷ số nén lên cao hơn của động cơ xăng.
c) Phát thải
Sự cháy của hyđrô với ô xi tạo ra sản phẩm chỉ có nước. Tuy nhiên, trong động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hyđrô thì hyđrô cháy với không khí nên ngoài nước, sản phẩm cháy có thể còn có các loại ô xít ni tơ NOx:
H2 + O2 + N2 = H2O + N2 + NOx
NOx được tạo ra trong buồng cháy do ni tơ phản ứng với ô xi ở nhiệt độ cao trong quá trình cháy của nhiên liệu. Thêm nữa, khí xả của động cơ có thể còn có ô xít các bon CO, khí các bon níc CO2 và hyđrô các bon HC do sự cháy dầu bôi trơn trong buồng cháy. Tuy nhiên, các nghiên cứu về phát thải của động cơ hyđrô cho thấy NOx là thành phần phát thải chủ yếu của động cơ hyđrô, chiếm trên 95% tổng khối lượng phát thải độc hại sinh ra của động cơ.
Hàm lượng NOx tạo thành trong động cơ hyđrô phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như thành phần hỗn hợp (hệ số dư lượng không khí lam đa), phương pháp cấp hyđrô 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 hyđrô áp suất thấp vào xi lanh sẽ làm giảm đáng kể phát thải NOx ở tải nhỏ so với phương pháp cấp hyđrô dạng khí vào đường ống nạp. Còn ở tải trung bình và tải lớn thì phương pháp phun trực tiếp khí hyđrô áp suất cao vào trong xi lanh động cơ và phun hyđrô dạng lỏng vào đường ống nạp lần lượt có hàm lượng phát thải NOx thấp hơn.
d) Công suất
22
Công suất của động cơ hyđrô phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ không khí/nhiên liệu và phương pháp cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ. Như đã nói ở trên, về mặt tính toán lý thuyết, với hỗn hợp có hệ số dư lượng không khí bằng 1 thì trong trường hợp cấp khí hyđrô vào đường nạp, công suất động cơ sẽ giảm khoảng 16% so với động cơ chạy xăng nhưng nếu phun trực tiếp hyđrô vào trong xi lanh thì công suất động cơ có thể cao hơn tới 21% so với động cơ xăng. Tuy nhiên, khi động cơ hyđrô chạy với hỗn hợp có = 1 thì nhiệt độ cháy rất cao nên gây phát thải NOx lớn [1] 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 hyđrô vào đường ống nạp gây nguy hiểm.
Chính vì vậy, động cơ hyđrô thường được thiết kế vận hành với hỗn hợp nhạt để giảm phát thải NOx, tránh ồn và tránh cháy sớm nên công suất động cơ có thể thấp hơn nhiều so với công suất động cơ xăng cùng dung tích xi lanh. Một nghiên cứu thực nghiệm khác được thực hiện trên động cơ Toyota Corolla 1.8 trang bị hệ thống phun hyđrô 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 hyđrô và khi chạy với nhiên liệu xăng, tác giả Tien Ho và cộng sự đã chỉ ra rằng công suất động cơ khi chạy hyđrô nói chung chỉ bằng 50% so với khi chạy xăng. Còn công suất cực đại có thể đạt được của động cơ hyđrô 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 hyđrô thì công suất bị giảm nhiều. Tuy nhiên, vì các động cơ ô tô thường được thiết kế có công suất dự trữ lớn nên nếu chuyển sang chạy nhiên liệu hyđrô thì có thể vẫn đảm bảo công suất để vận hành được trong điều kiện đường phố và trên đường trường. Còn với các động cơ hyđrô cần công suất lớn tương tự của động cơ xăng thì dung tích của các động cơ hyđrô chế tạo mới thường được thiết kế lớn hơn dung tích động cơ
23
xăng có cùng gam công suất để bù đắp phần công suất giảm nói trên. Một cách khác để tăng công suất động cơ hyđrô là người ta có thể sử dụng hyđrô thuần túy trên động cơ diesel đốt cháy do nén như thể hiện trong nghiên cứu của Gomes và cộng sự. Tác giả đã chỉ ra rằng công suất động cơ khi chạy hyđrô 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 hyđrô 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 hyđrô 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 hyđrô 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 hyđrô có mật độ năng lượng thấp, thêm nữa động cơ hyđrô thường phải chạy với hỗn hợp nhạt ( > 1,8) để tránh các hiện tượng quá nóng, phát thải NOx cao, cháy sớm và cháy ngược nên công suất động cơ sẽ thấp hơn nhiều so động cơ xăng cùng dung tích xi lanh. Với động cơ chạy hoàn toàn nhiên liệu hyđrô, do hyđrô có tỷ trọng nhẹ, mật độ năng lượng thấp nên việc tích trữ, vận chuyển và cung cấp đủ hyđrô để động cơ làm việc liên tục như động cơ xăng cũng còn nhiều khó khăn. Chính vì vậy, việc sử dụng hỗn hợp hyđrô với các loại nhiên liệu khác đã trở thành một giải pháp tốt để nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật và giảm phát thải của động cơ và được các nhà nghiên cứu rất quan tâm. Khi đó, hyđrô sẽ làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp, giúp cháy kiệt, từ đó nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải của động cơ chạy các loại nhiên liệu hóa thạch này.