Nhiên liệu được cung cấp bởi hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp tuần tự, nhiên liệu được bơm trực tiếp vào buồng đốt. Trên động cơ phun nhiên liệu trực tiếp, kết cấu buồng cháy, đường ống nạp thải và quá trình phun được thực hiện tốt nhờ hệ thống kim phun áp suất cao. Hỗn hợp nhiên liệu có độ đậm đặc tốt xếp thành từng lớp ngay ở điện cực bugi. Ngoài ra do đặc điểm ưu việt về kết cấu đường ống nạp thải làm nâng cao hệ số nạp và tạo điều kiện cho hòa khí hình thành đều hơn. Kết quả là quá trình cháy được thực hiện với sự hình thành hỗn hợp rất loãng, nâng cao công suất, hiệu suất, giảm nhiên liệu, giảm ô nhiễm.
Hình 12: Hệ thống phân phối nhiên liệu xăng bằng phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp
20
Hình 13: Hệ thống phân phối nhiên liệu hydrogen bằng phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp
1: Bình chứa Hydrogen; 2: Van nạp; 3: Máy đo áp suất; 4: Lọc Hydrogen; 5: Van 1 chiều; 6: Vòi phun Hydrogen; 7: Bugi đánh lửa ; 8: Cuộn dây cao áp; 9: Cảm biến ô xy; 10: Cảm biến tốc độ; 11: Cảm biến nước làm mát; 12: Cảm biến bướm ga; 13: Cảm biến áp suất khí nạp; 14: Bầu lọc khí; 15: Công tắc đánh lửa; 16: Công tắc Hydrogen; 17: Ắc quy.
Do xăng và hydrogen được phun vào xy lanh sau khi supap nạp vừa đóng lại nên ngăn được hoàn toàn hiện tượng cháy trong đường ống nạp, hiện tượng cháy sớm cũng được giảm nhờ lượng không khí nạp vào xy lanh trước đó làm giảm nhiệt độ các điểm nóng do quá trình trước để lại.
Động cơ có thể hoạt động không có tổn thất hệ số nạp và ở điều kiện hỗn hợp nghèo. Nhược điểm chính của hệ thống này là đòi hỏi kĩ thuật chế tạo và điều chỉnh chính xác hệ thống phun vì vậy đắt tiền.
9 3 4 5 7 8 11 12 6 13 2 1 14 10 17 16 15 ECU
21
3.2. Các thông số quan trọng của động cơ sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen- xăng
Các thông số dưới đây được thử nghiệm với một động cơ xăng loại nhỏ 4 xi lanh, sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen-xăng.
3.2.1. Momen xoắn
Hình 14: So sánh momen xoắn giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen-xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
Động cơ sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen-xăng sinh ra momen xoắn cao nhất ở tỉ lệ hòa trộn 20% Hydrogen và cao hơn động cơ sử dụng nhiên liệu xăng.
3.2.2. Năng lượng phanh
Năng lượng phanh là năng lượng đo được khi phanh hãm làm cho momen xoắn trục khuỷu bằng 0, năng lượng này tỉ lệ với momen xoắn động cơ, momen xoắn càng lớn thì năng lượng phanh càng lớn và ngược lại.
22
Hình 15: So sánh năng lượng phanh giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen-xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
3.2.3. Tiêu thụ nhiên liệu
Hình 16: So sánh tiêu thụ nhiên liệu giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen-xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
23
3.2.4. Hiệu suất nhiệt
Hình 16: So sánh hiệu suất nhiệt giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen-xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
3.2.5. Tốc độ sinh nhiệt
Hình 17: So sánh tốc độ sinh nhiệt giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen-xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
24
3.2.6. Tốc độ gia tăng áp suất
Hình 18: So sánh tốc độ gia tăng áp suất giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen- xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
3.2.7. Áp suất nén
Hình 19: So sánh áp suất nén tại điểm chết trên giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen-xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
25
3.2.8. Nhiệt độ cháy hòa khí
Hình 20: So sánh nhiệt độ cháy hòa khí giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen- xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
3.2.9. Nhiệt độ tại thời điểm supap thải mở
Hình 21: So sánh nhiệt độ tại thời điểm supap thải mở giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen-xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
26
Từ các thông số trên cho thấy pha trộn Hydrogen vào nhiên liệu xăng với tỉ lệ thích hợp sẽ tăng hiệu suất động cơ. Do Hydrogen là nhiên liệu khí nên có thể nén với áp suất cao hơn xăng cùng với độ phân tán rộng, tốc độ cháy nhanh vì vậy áp suất sinh ra khi hỗn hợp được đốt cháy lớn hơn, cháy hết hỗn hợp do đó sinh ra momen xoắn lớn hơn so với động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, tăng hiệu suất động cơ.
3.3. Khí thải động cơ sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen-xăng
Thực nghiệm cho thấy động cơ sử dụng nhiên liệu Hydrogen-xăng giảm đáng kể lượng khí CO và NOx sinh ra trong quá trình cháy.
Hình 22: So sánh lượng khí CO sinh ra giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen- xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
27
Hình 23: So sánh lượng khí NOx sinh ra giữa động cơ xăng và động cơ Hydrogen- xăng theo các tỉ lệ Hydrogen 10%, 15%, 20%
3.4. An toàn của hệ thống nhiên liệu Hydrogen trên xe
Hydrogen là một loại nhiên liệu nên sẽ có những nguy hiểm nhất định về cháy nổ, do đó cần có những biện pháp đảm bảo sự an toàn cho nguồn nhiên liệu Hydrogen trên xe.
3.4.1. Loại bỏ các nguồn tia lửa điện
Hydrogen là rất dễ dàng bắt lửa, một tia lửa từ tĩnh điện, một ống bô xe, điện tất cả các thiết bị, hoặc thậm chí một bề mặt nóng có thể đốt cháy hỗn hợp không khí và hydrogen bị rò rỉ.
Bể chứa nhiên liệu, thiết bị điện, dây điện và các giắc nối cần được đặt để tránh các bề mặt nóng hoặc nguồn phát ra tia lửa.
Bình chứa Hydrogen phải được tách riêng, cô lập để đảm bảo ngăn cách với nhiệt độ cao và tia lửa điện.
28
3.4.2. Hệ thống thông gió
Hydrogen rất nhẹ nên khi rò rỉ nó sẽ bay trên rất nhanh, tuy nhiên không gian bố trí trên xe không được thông thoáng và có nhiều vật cản do đó cần phải có hệ thống thông gió để kịp thời thổi bay Hydrogen khi rò rỉ.
3.4.3. Cảm biến Hydrogen
Tất cả các loại xe sử dụng nhiên liệu hydro cũng cần được trang bị với một hoặc nhiều bộ cảm biến để phát hiện rò rỉ nhiên liệu Hydrogen. Những cảm biến này sẽ được liên kết với các hệ thống điều khiển xe. Nếu nồng độ hydro đến gần giới hạn dưới của tính dễ cháy được phát hiện, hệ thống sẽ tự động tắt và cô lập Hydrogen trong bình chứa vì vị trí rò rỉ là các vị trí kết nối.
3.4.4. Bình nước ngăn ngừa cháy trong đường ống nạp
Hình 24: Bình nước ngăn ngừa hiện tượng cháy trong đường ống nạp Hiện tượng cháy trong đường ống nạp xảy ra khi supap nạp mở sớm, lúc này do tốc độ lan truyền màng lửa của Hydrogen rất nhanh nên có hiện tượng cháy ngược vào đường ống nạp, để ngăn ngừa người ta sử dụng một áo ước như hình 24. Hiện tượng này chỉ xảy ra với hệ thống phân phối nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí và phun trên đường ống nạp.
29
CHƯƠNG 4: ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ VÀ XU HƯỚNG PHÁT
TRIỂN CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP HYDROGEN-XĂNG
4.1. Ưu điểm và hạn chế của động cơ sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen-xăng 4.4.1. Ưu điểm 4.4.1. Ưu điểm
- Tăng hiệu suất động cơ (khoảng 12,6%) so với động cơ xăng. - Giảm tiêu hao nhiên liệu (khoảng 16,9%) so với động cơ xăng. - Giảm khí thải CO và NOx so với động cơ xăng.
4.4.2. Hạn chế
- Không gian lưu trữ nhiên liệu lớn hơn xe chạy bằng xăng vì gồm hệ thống nhiên liệu Hydrogen và xăng.
- Chi phí sản xuất xe sử dụng động cơ nhiên liệu kép Hydrogen-xăng cao hơn xe động cơ xăng.
- Phải có trạm bơm Hydrogen nhưng hệ thống trạm nhiên liệu Hydrogen còn hạn chế.
Vì cần không gian lưu trữ nhiên liệu lớn hơn xe sử dụng động cơ xăng nên việc bố trí hệ thống này trên các loại xe cỡ nhỏ, yêu cầu tính thẫm mỹ cao không thực hiện được. Do đó, hệ thống này khả thi cho việc bố trí trên các lại xe kích cỡ lớn như xe bus, xe tải,….. Vấn đề này có thể cải thiện nếu có một công nghệ lưu trữ Hydrogen chiếm một diện tích nhỏ hoặc không cần lưu trữ lượng lớn Hydrogen trên xe mà có thể sản xuất trực tiếp trên xe với nguyên liệu từ không khí.
4.2. Xu hướng phát triển của động cơ sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen-xăng
Thực nghiệm cho thấy, động cơ nhiên liệu kép Hydrogen-xăng với tỉ lệ hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu thích hợp sẽ tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm khí thải. Trong khi việc tìm nguồn nhiên liệu thay thế nhiên liệu hóa thạch vẫn còn nhiều thách thức thì việc chuyển đổi động cơ xăng sang động cơ nhiên liệu kép Hydrogen-xăng mở ra một hướng đi mới khả thi trong thời điểm hiện tại. Hạn chế lớn nhất chưa thể thương mại hóa loại động cơ này là hệ thống trạm bơm nhiên liệu Hydrogen, mốt số quốc gia phát triển đã bắt đầu xây dựng các trạm bơm nhiên liệu Hydrogen nhưng chỉ thí điểm một vài vùng nhất định. Do đó, việc động cơ này được
30
sử dụng phổ biến trong vài năm tới là khó có thể thực hiện. Một lý do khác là hầu hết lượng Hydrogen hiện tại trên thế giới được sản xuất từ nguyên liệu hóa thạch, cũng làm gia tăng ô nhiễm môi trường nếu sản xuất với lượng lớn cung cấp cho nhu cầu vận tải, vận chuyển của ô tô. Đã có những nghiên cứu công nghệ sản xuất Hydrogen sạch có sẵn mà không phải từ nguyên liệu hóa thạch và có những bước tiến nhất định. Công nghệ sản xuất, hệ thống trạm bơm nhiên liệu và lưu trữ Hydrogen trên xe là những trở ngại lớn nhất để thương mại hóa ô tô sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen- xăng. Tuy vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết để thương mại hóa động cơ sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen-xăng nhưng trong tương lai gần hy vọng có thể thực hiện được nếu Hydrogen được ứng dụng rộng rãi làm nhiên liệu trên ô tô.
31
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Seth, D. Hydrogen futures: toward a sustainable energy system. Worldwatch Institute, Paper 157, 2001.
[2] Dopp R. Highly Efficient Hydrogen Generation via Water Electrolysis Using Nanometal Electrodes Energy Research Laboratory, QuantumSphere Inc., Santa Ana, CA 92705. September 15, 2006.
[3] Ji, C., Wang, S. Effect of hydrogen addition on the idle performance of a spark ignited gasoline engine at stoichiometric condition. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China, 2009. [4] Al-Baghdadi, M. Performance Study of a Four-Stroke Spark Ignition Engine working with both of Hydrogen an Ethyl Alcohol as Supplementary Fuel, Int. J. Hydrogen Energy.25,1005-1009. 2000
[5] Al-Baghdadi, M. and Al-Janabi, H. Improvement of Performance and Reduction of Pollutant Emission of a Four Stroke Spark Ignition Engine Fueled with Hydrogen- Gasoline Fuel Mixture, Energy Conversion & Management, 41, 77-91. 2000.
[6] Masood, M., Ishrat, M.M. and Reddy, A.S. Computational combustion and emission analysis of hydrogen–diesel blends with experimental verification. Int. J. Hydrogen Energy. 32; 2539 – 2547. 2007.
[7] D. Sáinz, P.M. Diéguez , C. Sopena, J.C. Urroz, L.M. Gandía. Conversion of a commercial gasoline vehicle to run bi-fuel (hydrogen-gasoline). Int. J. Hydrogen Energy. Vol. 37, Issue 2, January 2012.
[8] Heywood, J. B. Internal-combustion engine fundamentals. McGraw-Hill, 1988. [9] Berry, G., Pasternak A., Rambach G., Smith J., and Schocke R. Hydrogen as a future transportation fuel. Energy Vol. 21, No. 4 (1996), pp. 289-303.
[10] Jain, I.P. Hydrogen Fuel for the 21st Century. Int. J. of Hydrogen Energy. 01/2009; DOI:10.1016/j.ijhydene.2009.05.093