CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.3. Nhiên liệu hyđrô dùng cho động cơ đốt trong
1.3.2. Tính chất của khí hyđrô
Hyđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ và tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác. Hyđrô từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn cho động cơ đốt trong (ĐCĐT). Khác với các loại nhiên liệu nguồn gốc hóa thạch, đây là nguồn nhiên liệu không gây ô nhiễm khí thải, có thể tái tạo và có thể được sản xuất từ nguồn nước vô tận. Một số tính chất điển hình của hyđrô được chỉ ra trong Bảng 1.1 [1, 3]. Hyđrô có thể được sử dụng như một đơn nhiên liệu trên ĐCĐT đốt cháy cưỡng bức [98] hoặc làm nhiên liệu bổ sung trên cả động cơ xăng [18] và động cơ diesel [88]. Hyđrô khi phản ứng với không khí tạo ra sản phẩm sạch, chủ yếu nước và không có thành phần ô nhiễm CO và HC nên không gây ô nhiễm môi trường và không gây hiệu ứng nhà kính như khi sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch. Thêm nữa, nhiên liệu này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốc tan cao (trên 130), chống kích nổ tốt, nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó có thể tăng công suất và hiệu suất của động cơ. Giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng ( = 0,14 10) nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, góp phần làm tăng tính kinh tế của động cơ. Mặc dù vậy, nhiên liệu hyđrô cũng có một số nhược điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hyđrô cấp vào đường ống nạp thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều. Các tính chất vật lý và tính chất cháy của khí hyđrô ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sử dụng khí này làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong đã được trình bày một cách chi tiết trong các tài liệu tham khảo [1,3].
Bảng 1.1. Một số tính chất của hyđrô
15
STT Tính chất Giá trị
1 Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 300 K, [kg/m3] 0,082 2 Hệ số khuyếch tán vào không khí, [cm2/s] 0,61
3 Giá trị nhiệt trị thấp, [MJ/kg] 119,7
4
Mật độ năng lượng, [kJ/m3] - Ở áp suất 1 atm, 15 0C - Ở áp suất 200 atm, 15 0C - Ở trạng lái lỏng
10.050 1.825.000 8.491.000 5 Thành phần thể tích trong hỗn hợp lý thuyết
(stoichiometric) với không khí (% thể tích) 29,53 6 Tỷ lệ khối lượng không khí/nhiên liệu của hỗn hợp
lý thuyết (stoichiometric) 34,5
7 Lượng không khí lý thuyết (kg/kg nhiên liệu) 34,5 8 Nhiệt cháy của hỗn hợp nhiên liệu với 1 kg không
khí ở stoichiometric (MJ/kg không khí) 3,37
9 Giới hạn cháy (lambda) 0,14 10
10 Giới hạn cháy (% thể tích hơi nhiên liệu) 4 75 11 Năng lượng đánh lửa tối thiểu yêu cầu, [MJ] 0,02
12 Tốc độ màng lửa, [m/s] 3,2 4,4
13 Trị số ốc tan > 130
14 Nhiệt độ tự cháy, [K] 858
Tỷ trọng
Số liệu trong bảng cho thấy hyđrô có tỷ trọng nhỏ chỉ bằng khoảng 11%
so với mê tan và 1,6% so với hơi xăng, tức là nhẹ hơn 8,7 lần so với mê tan và 63,2 lần so với hơi xăng ở cùng điều kiện áp suất. Trong bảng tuần hoàn hoá học, hyđrô có khối lượng phân tử là 2,016 và là nguyên tố nhẹ nhất; tỉ trọng
16
của nó nhỏ hơn 14 lần so với không khí ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn. Hyđrô tồn tại ở dạng lỏng tại nhiệt độ dưới 20,3 K. Tỷ trọng của hyđrô nhỏ sẽ làm giảm mật độ năng lượng của nhiên liệu này.
Hệ số khuếch tán
Hyđrô có hệ số khuyếch tán cao gấp hơn 3 lần mê tan và hơn 12 lần xăng nên khả năng tạo hỗn hợp đồng nhất với không khí trong động cơ tốt hơn nhiều so với mê tan và xăng. Thêm nữa, vì có hệ số khuếch tán cao cộng với tỷ trọng nhỏ nên hyđrô khi bị rò rỉ ra môi trường ngoài sẽ rất dễ dàng phát tán và bay lên chứ không tập trung gần mặt nền như khí mê tan và xăng nên nguy cơ xảy ra cháy nổ và hỏa hoạn thấp hơn rất nhiều so với hai nhiên liệu kia [1,3].
Nhiệt trị và năng lượng cháy trong động cơ
Hyđrô có nhiệt trị khối lượng cao nhất so với tất cả các loại nhiên liệu khác của động cơ. Nhiệt trị của hyđrô là 119,7 MJ/kg gấp gần ba lần so với xăng. Tuy nhiên, do tỷ trọng của hyđrô nhỏ nên mật độ năng lượng của nó nhỏ hơn so với mê tan và xăng và thành phần thể tích nhiên liệu trong hỗn hợp với không khí lại lớn hơn so với trường hợp hai nhiên liệu kia nên công suất động cơ hyđrô có thể sẽ thấp hơn động cơ chạy khí mê tan và xăng nếu động cơ có cùng dung tích xi lanh và cấp nhiên liệu vào đường ống nạp. Vấn đề này cần phải được lưu lý khi thiết kế động cơ hyđrô để đảm bảo công suất yêu cầu của động cơ. Trong động cơ phun nhiên liệu trực tiếp nếu cùng tốc độ và dung tích xi lanh thì động cơ hyđrô sẽ có công suất lớn hơn.
Giới hạn cháy
Giới hạn cháy là phạm vi cháy đặc trưng cho khả năng có thể cháy của nhiên liệu với không khí ở những tỉ lệ nhiên liệu/không khí nhất định. Hyđrô có phạm vi cháy rất rộng nằm giữa 4% đến 75% thể tích hyđrô có trong hỗn hợp nhiên liệu - không khí (tương đương = 1,4 10), trong khi đó khí thiên
17
nhiên có phạm vi cháy từ 5,3% 15% ( = 0,6 2,5) và xăng 2% 6% ( = 0,25 1,4), tức là hyđrô có thể làm việc được với hoà khí rất nghèo.
Thông thường, khi hỗn hợp có giới hạn cháy càng nghèo thì nhiên liệu sẽ cháy kiệt hơn vì thế nâng cao được tính kinh tế. Thêm nữa, cháy nghèo sẽ làm nhiệt độ cuối quá trình cháy thấp hơn làm giảm bớt hàm lượng ô nhiễm NOx trong khí thải. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo thì công suất động cơ thấp do mật độ của nhiên liệu có trong của hỗn hợp không khí nhiên liệu thấp. Do đó, trong động cơ hyđrô có thể điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo tải để có thể đảm bảo động cơ làm việc kinh tế ở tải nhỏ và công suất lớn ở tải lớn.
Năng lượng tia lửa yêu cầu
Năng lượng đánh lửa yêu cầu để đốt cháy nhiên liệu hyđrô thấp hơn nhiều so với năng lượng đánh lửa yêu cầu để đốt cháy khí mê tan và xăng nên ưu điểm của động cơ hyđrô là hệ thống đánh lửa đơn giản và giá thành thấp.
Tuy nhiên, đặc điểm này có thể gây khó kiểm soát vấn đề tự cháy của nhiên liệu. Những đốm lửa trong thành xylanh có thể dễ dàng đốt cháy nhiên liệu ngay cả khi van nạp chưa kịp đóng, dẫn đến hiện tượng cháy ngược lại cổ hút hoặc tạo ra sự tăng áp đột ngột trong xi lanh trong động cơ cấp hyđrô vào đường nạp tạo nên tiếng gõ gây hư hỏng cho động cơ. Vấn đề này cần phải được quan tâm trong thiết kế động cơ chạy nhiên liệu hyđrô.
Tốc độ cháy
Hyđrô có tốc độ cháy cao, tốc độ lan tràn màng lửa của hyđrô nhanh hơn so với xăng. Khi λ = 1 thì tốc độ cháy của hỗn hợp (không khí và hyđrô) cao gấp 6 lần so với tốc độ cháy của hỗn hợp (không khí - mê tan) và 10 lần so với hỗn hợp (không khí - xăng). Nhưng với λ càng lớn (hỗn hợp nghèo) thì tốc độ ngọn lửa giảm đáng kể vì lúc này mật độ nhiên liệu giảm nên khoảng cách giữa
18
các phần tử nhiên liệu gia tăng sẽ làm cản trở đến tốc độ lan tràn màng lửa trong buồng đốt. Ngoài ra, tốc độ cháy nhanh còn làm cho đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hyđrô ít nhạy với sự thay đổi hình dạng của buồng.
Tốc độ cháy nhanh sẽ giúp dễ dàng cháy kiệt làm tăng hiệu quả quá trình cháy nhưng lại làm cho áp suất và nhiệt độ cháy cao trong suốt quá trình cháy của động cơ. Do vậy, khi động cơ làm việc ở gần tỉ lệ hoà khí tối ưu dẫn tới nhiệt độ khí cháy cao và dễ dàng hình thành NOx. Ngoài ra nó có thể gây ra tiếng ồn và rung vì sự gia tăng áp suất quá nhanh trong buồng đốt.
Nhiệt độ tự cháy
Nhiệt độ tự cháy là một thông số vô cùng quan trọng, nó quyết định đến tỉ số nén của động cơ tức là quyết định đến hiệu suất nhiệt có ích của động cơ.
Hyđrô có nhiệt độ tự cháy cao nên có thể nâng cao tỉ số nén mà không sợ bị cháy kích nổ, góp phần nâng cao hiệu suất của động cơ. Tỉ số nén càng cao thì động cơ có thể làm việc với hoà khí nghèo mà vẫn cho hiệu suất và công suất cao. Nhiệt độ tự cháy của hyđrô cao (858 K) gấp đôi của xăng nên đây là một ưu điểm lớn của nhiên liệu hyđrô.
Khoảng cách dập tắt màng lửa
Khoảng cách dập tắt màng lửa là khoảng cách từ màng lửa bị dập tắt đến bề mặt thành buồng cháy. Nhiên liệu hyđrô có khoảng dập tắt màng lửa nhỏ hơn xăng (của hyđrô là 0,6 mm của xăng là 2,0 mm). Do vậy ngọn lửa hyđrô tiến sát gần với thành xi-lanh hơn so với ngọn lửa của các loại nhiên liệu khác trước khi bị dập tắt, vì thế trong động cơ hyđrô, sự cháy có thể diễn ra với các phần nhiên liệu tại các vị trí mà ngọn lửa trong động cơ xăng không thể đến được, như vậy nhiên liệu sẽ được đốt kiệt hơn tạo ra công suất lớn hơn, nâng cao tính kinh tế và đặc biệt là ít ô nhiễm môi trường hơn do thành phần nhiên liệu không cháy được từ khu vực màng lửa bị dập tắt thoát vào khí thải giảm xuống.
19
So với các loại nhiên liệu khác về mức độ an toàn, hyđrô có các đặc điểm quan trọng như sau:
- Hyđrô có khả năng khuếch tán trong không khí nhanh hơn các loại khí khác, hệ số khuếch tán của hyđrô là 0,61cm2/s.
- Hyđrô có khối lượng riêng nhẹ (ở điều kiện chuẩn là 1,32 kg/m3) nên dễ bay lên cao hơn các khí khác như propan (4,23 kg/m3), hơi xăng (5,82 kg/m3).
- Hyđrô không có màu, không mùi, không độc tương tự như mêtan.
- Tính bắt cháy của hyđrô lớn hơn nhiều so với mêtan và các nhiên liệu khác. Giới hạn bắt cháy của hỗn hợp hyđrô với không khí, ô xy và các chất ô xy hóa khác tùy thuộc vào năng lượng đánh lửa, nhiệt độ, áp suất và sự có mặt của các chất pha loãng. Giới hạn bắt cháy của hyđrô trong không khí ở điều kiện môi trường là 4 - 75%, trong khi đó của mêtan là 4,3 - 15%, của xăng là 4 - 7,5% về thể tích.
- Trong giới hạn bắt cháy, hyđrô có thể bắt cháy chỉ với năng lượng đánh lửa khá nhỏ khoảng 0,02 mJ so với 0,24 mJ đối với xăng và 0,28 mJ đối với metan trong điều kiện tỷ lệ hỗn hợp tiêu chuẩn.
- Hyđrô có thể gây nổ trong dải nồng độ rộng khi chứa trong bình, tuy nhiên khi không chứa trong bình thì Hyđrô khó có khả năng gây nổ tương tự như các loại nhiên liệu thông thường khác.
- Hyđrô có tốc độ lan tràn màng lửa nhanh hơn (1,85 m/s) so với các loại nhiên liệu khác (hơi xăng 0,42 m/s, metan 0,38 m/s).
- Ngọn lửa hỗn hợp hyđrô - không khí nóng hơn ngọn lửa mêtan - không khí và lạnh hơn ngọn lửa của xăng - không khí với tỷ lệ hỗn hợp tiêu chuẩn (22070C so với 19170C của mêtan và 23070C của xăng).
Một tính chất quan trọng của hyđrô là thuộc tính điện hóa có thể sử dụng trong công nghệ pin nhiên liệu.