Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel.doc

Dịch vụ viết thuê đề tài – KB Zalo/Tele 0917.193.864 – luanvantrust.com
Kham thảo miễn phí – Kết bạn Zalo/Tele mình 0917.193.864
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
BÙI HỮU HÙNG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG HYĐRÔ THÊM
VÀO ĐƯỜNG NẠP ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ PHÁT THẢI CỦA
ĐỘNG CƠ DIESEL
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: KỸ
THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 8520116
Thái Nguyên -
i

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép
tôi thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô
và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và
làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi
hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn
thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác
đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy
trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu
để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè,
những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập.
Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản
thân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự
góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn.
Học viên
Bùi Hữu Hùng
ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT......................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................. viii
MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài...........................................................................................1
2. Mục đích của đề tài .......................................................................................3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.......................................................................3
* Ý nghĩa khoa học: .......................................................................................3
* Ý nghĩa thực tiễn:........................................................................................3
4. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................4
5. Phương pháp nghiên cứu...............................................................................4
6. Phạm vi nghiên cứu.......................................................................................4
7. Nội dung nghiên cứu.....................................................................................5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................6
1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường ................................6
1.2. Nhiên liệu thay thế .....................................................................................7
1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí ................................................................8
1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng ..............................................................9
1.3. Nhiên liệu hyđrô dùng cho động cơ đốt trong .........................................12
1.3.1. Khái niệm chung ................................................................................12
1.3.2. Tính chất của khí hyđrô .....................................................................14
1.3.3. Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hyđrô ..................................19
1.3.4. Động cơ đốt trong bổ sung hyđrô......................................................23
1.3.5. Tồn chứa và vận chuyển hyđrô ..........................................................25
1.4. Nghiên cứu sử dụng hyđrô cho động cơ đốt trong dưới dạng lưỡng nhiên
liệu...................................................................................................................27
iii

1.4.1. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy do nén..........................27
1.4.2. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy cưỡng bức....................29
1.5. Kết luận chương 1 ....................................................................................30
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ...31
SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU................................................................31
2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong ...................31
2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong ...........................31
2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại...............................................34
2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong...................36
2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô ..................................40
2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng..........................................41
2.4.1. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ..................................41

Lựa chọn mô hình cháy
42

Lựa chọn mô hình truyền nhiệt
45

Tính nhiệt lượng tỏa ra khi cháy trong xi lanh
47
2.4.2. Mô hình đường ống thải.....................................................................49
2.4.3. Mô hình đường ống nạp.....................................................................49
2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng phần mềm GT-Power...............................50
2.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power ........................................50
2.5.2. Các phần tử chính của mô hình động cơ khảo sát.............................51
2.6. Kết luận chương 2 ....................................................................................59
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU...................60
DIESEL - HYĐRÔ..........................................................................................60
3.1. Tính toán các thông số nhiệt động động cơ diesel V12...........................60
3.1.1. Mô hình hóa động cơ V12..................................................................60
3.1.2. Mô phỏng động cơ V12 nguyên bản ..................................................65
3.1.3. Mô phỏng động cơ V12 khi chuyển sang vận hành lưỡng nhiên liệu 67
3.2. Kết quả mô phỏng ....................................................................................69
iv

3.2.1. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến áp suất môi chất...................69
3.2.2. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến nhiệt độ môi chất .................71
3.2.3. Ảnh hưởng của lượng hyđrô đến dòng nhiệt .....................................72
3.2.4. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến đặc tính phát ........................73
3.3. Kết luận chương 3 ....................................................................................76
KẾT LUẬN CHUNG......................................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................77
v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Diễn giải
CNG Khí nén thiên nhiên
LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng
GTL Khí hóa lỏng
CTL Than đá hóa lỏng
PM Chất ô nhiễm dạng hạt
THC Tổng phát thải hyđrô các bon chưa cháy
D80E20 Nhiên liệu pha trộn 80% diesel và 20% ethanol
D100 Nhiên liệu diesel khoáng
FTP-75
Chu trình thử cho xe con chạy trong thành phố
của Mỹ
HW Chu trình thử trên xa lộ của Mỹ
NEDC Chu trình thử của Châu Âu
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
vi

Bảng 1.1. Một số tính chất của hyđrô .............................................................14
Bảng 3.1. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình, [52] .. 61
Bảng 3.2. Độ nâng xu páp theo góc quay trục khuỷu, [19] ............................63
Bảng 3.3. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 ..............65
Bảng 3.4. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất .............66
theo đặc tính ngoài động cơ V12 ....................................................................66
vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các phương án cung cấp hyđrô cho ĐCĐT....................................20
Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế.......................................................36
Hình 2.2. Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô, [17] ......................41
Hình 2.3. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán ................47
theo phương trình của Woschni và Hohenberg...............................................47
Hình 2.4. Hình dáng quy luật tỏa nhiệt khi cháy theo Vibe............................48
Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh........................52
Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu.........................................................54
cho phần tử cơ cấu phân phối khí....................................................................54
Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun......................55
Hình 2.8. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ .. 56
Hình 2.9. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống ..................57
Hình 2.10. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia .........58
Hình 3.1. Sơ đồ khối các bước thực hiện mô hình hóa động cơ.....................60
Hình 3.2. Độ nâng xu páp nạp, thải theo góc quay trục khuỷu, [19]..............64
Hình 3.3. Mô hình động cơ V12 .....................................................................65
Hình 3.4. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu............................67
của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài của động cơ V12 ..................................67
Hình 3.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun hyđrô ...........68
vào đường nạp của động cơ.............................................................................68
Hình 3.6. Khoảng thời gian phun hyđrô theo góc quay trục khuỷu................69
Hình 3.7. Mô hình 1 nhánh cụm đường ống nạp động cơ V12 ......................69
khi bố trí vòi phun hyđrô vào đường nạp........................................................69
Hình 3.8. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ khi
thay đổi lượng phun hy đrrô vào đường nạp...................................................70
Hình 3.9. Áp suất cực đại (a) và tốc độ tăng áp suất trung bình (b) ...............71
của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô...................................................71
Hình 3.10. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ ........72
lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô .......................................................................72
viii

Hình 3.11. Nhiệt độ cực đại môi chất công tác trong xi lanh động cơ ...........72
lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô .......................................................................72
Hình 3.12. Dòng nhiệt từ môi chất truyền cho thành vách buồng cháy .........73
của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô...................................................73
Hình 3.13. Phát thải CO2 của động cơ diesel V12..........................................74
khi bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp.........................................................74
Hình 3.14. Phát thải NOx của động cơ diesel V12 .........................................74
Hình 3.15. Phát thải PM của động cơ diesel V12 ...........................................75
Hình 3.16. Phát thải CO của động cơ diesel V12 ...........................................75
ix

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng
ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện. Nguồn
ô nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người, đặc
biệt là ở các thành phố lớn. Trong sự phát triển của bất kỳ quốc gia nào trên
thế giới, động cơ đốt trong (ĐCĐT) luôn giữ một vai trò vô cùng quan trọng
trong nền kinh tế xã hội và có mặt ở mọi lĩnh vực như nông nghiệp, công
nghiệp, giao thông vận tải, quốc phòng và các lĩnh vực khác. Không một nước
phát triển nào lại không có ngành ĐCĐT phát triển. Hiện nay, sự gia tăng
nhanh về số lượng ĐCĐT đang khiến cho mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch
truyền thống tăng cao gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu này và
làm môi trường bị ô nhiễm ngày càng trầm trọng không chỉ ở các quốc gia
phát triển trên thế giới mà cả ở Việt Nam.
Do đó, cần phải có các giải pháp cấp bách để khắc phục vấn đề này. Việc
nghiên cứu phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế có mức phát thải thấp và sử
dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu sẵn có sẽ là giải pháp căn cơ có tầm ảnh hưởng
toàn cầu, đảm bảo an ninh năng lượng của các quốc gia và sự phát triển bền vững
cho nhân loại. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa phát triển được nguồn nhiên liệu mới
sạch có tiềm năng đủ để thay thế hoàn toàn nhiên liệu truyền thống trên
ĐCĐT nên trước mắt, việc nghiên cứu tối ưu hoá, nâng cao hiệu quả quá trình
cháy của động cơ để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải độc hại vẫn luôn
được quan tâm hàng đầu.
Môi trường sống của nhân loại đang ngày càng bị ô nhiễm nặng do chính
các chất thải từ các hoạt động của con người gây ra, mà một trong các nguồn
chất thải đó là khí thải của các phương tiện giao thông cơ giới. Trong quá trình
hoạt động các phương tiện giao thông phát thải vào không khí một khối lượng
lớn các loại khói, khí độc như CO, CO2, hyđrôcacbon (HC), NOx, SO2, khói
đen, chì và các chất thải dạng hạt khác. Các thành phần chất thải này không
1

những gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe con người mà về lâu về dài còn phá
hoại cả thế giới sinh vật đang phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống con
người. Tùy theo loại động cơ và loại nhiên liệu sử dụng mà khối lượng các
thành phần chất thải độc hại chiếm các tỷ lệ khác nhau. Theo số liệu thống kê
ở Mỹ, các chất ô nhiễm phát thải từ các phương tiện này chiếm 40 ÷ 50% tổng
hàm lượng HC, 50% tổng hàm lượng NOx và 80 ÷ 90% tổng hàm lượng CO ở
khu vực thành phố. Ở các nước phát triển khác như Châu âu và Nhật Bản
cũng xảy ra vấn đề tương tự.
Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang
là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào
nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm tác động tới
môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ cháy do nén (động cơ
diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao thông vận
tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao; tuy nhiên
trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con người và môi
trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chấy ô nhiễm dạng hạt (PM -
Particulate Matter).
Một trong những biện pháp hữu hiệu để nâng cao hiệu quả quá trình cháy
trên các động cơ hiện hành mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu động cơ là
bổ sung một lượng nhỏ khí hyđrô hoặc khí giàu hyđrô vào động cơ. Hyđrô có
đặc điểm khuếch tán nhanh, dễ bắt cháy và cháy nhanh nên khi được bắt cháy
trong hỗn hợp với nhiên liệu hóa thạch truyền thống trong xi lanh động cơ nó sẽ
làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu và giúp nhiên liệu cháy kiệt, nhờ đó
làm tăng hiệu quả quá trình cháy và giảm phát thải độc hại của động cơ.
Với những ưu điểm vượt trội đặc biệt là phần giảm tải ô nhiễm khí thải
nhiên liệu hyđrô còn có những nhược điểm như giá trị nhiệt thấp, việc lưu chứa
nhiên liệu hyđrô hóa lỏng khá khó khăn cho nên nhiên liệu hyđrô chỉ được sử
dụng nhiều như một phụ gia thêm vào nhiên liệu xăng hoặc diesel sử dụng trên
động cơ đốt trong truyền thống. Với phương pháp này thì chỉ cần sử dụng một
2

lượng hyđrô nhất định để thêm vào đường nạp hòa trộn cùng hỗn hợp nhiên liệu
chính để gia tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu, khiến quá trình cháy trong xylanh
diễn ra đều do vậy sẽ làm giảm lượng khí độc thải ra ngoài môi trường. Chính vì
vậy, học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng
hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel”
làm đề tài luận văn cao học của mình.
2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu các tính chất, cách tồn chứa của nhiên liệu hyđrô trên phương
tiện.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc thêm nhiên liệu hyđrô vào đường nạp
đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel thông qua mô phỏng.
- So sánh hiệu suất và tỷ lệ phát thải giữa động cơ đốt trong sử dụng
nhiên liệu diesel truyền thống với động cơ diesel sử dụng thêm hyđrô.
- Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:
Luận văn đã góp phần vào việc chỉ ra các ưu điểm nổi trội của việc
thêm hyđrô vào đường nạp trong động cơ sử dụng nhiên liệu diesel. Với đặc
tính làm tăng công suất của động cơ, tăng tính kinh tế nhiên liệu, tăng hiệu
suất của động cơ đặc biệt là giảm sự phát thải các thành phần độc hại trong
khí xả động cơ diesel truyền thống.
Đã thiết lập được mô hình mô phỏng động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu
diesel - hyđrô có độ tin cậy và chính xác bằng phần mềm mô phỏng động cơ
chuyên dụng GT-Power. Mô hình này có thể sử dụng để nghiên cứu về động
cơ phun hyđrô vào đường nạp cho các mục đích khác nhau.
* Ý nghĩa thực tiễn:
3

- Các mô hình xây dựng, tính toán trong luận văn có thể tham khảo cho
quá trình chế tạo động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel - hyđrô.
- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả thực
nghiệm khi nghiên cứu hiệu suất và chỉ số phát thải giữa động cơ sử dụng nhiên
liệu diesel truyền thống và động cơ sử dụng thêm hyđrô vào đường nạp.
- Trên cơ sở mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô đã thiết
lập được, có thể khảo sát nghiên cứu thêm quy luật phun hyđrô trên toàn vùng
làm việc từ đó làm cơ sở để thiết kế chế tạo ECU điều khiển phun hyđrô vào
đường nạp.
4. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ diesel V12
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng thêm
hyđrô vào đường nạp bằng phần mềm mô phỏng động cơ 1D chuyên dụng
GT-Power.
6. Phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu về lý thuyết đến đặc tính cháy (tốc độ tỏa nhiệt, hệ
số truyền nhiệt…), các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ
diesel khi phun thêm hyđrô trên đường nạp bằng phần mêm mô phỏng một
chiều nhiệt động GT-Power (Gama Technology-Power của Mỹ); trên cơ sở
kết quả thu được có thể đánh giá được ảnh hưởng của lượng phun hyđrô ở các
chế độ khảo sát đến đặc tính cháy và phát thải của động cơ. Chế độ tính toán:
chế độ công suất định mức.
4

7. Nội dung nghiên cứu
Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng
nhiên liệu
- Chương 3. Mô phỏng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô
- Kết luận và kiến nghị
5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường
Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô
trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang
phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo
dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể
đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát
hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển,
nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về
nhiên liệu ngày càng tăng lên.
Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng
dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng
dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện
thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40
năm nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa,
lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì
nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh
giá dầu trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập
trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ
lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng
giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang
phát triển như Việt Nam.
Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ
dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường,
phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân
thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc
sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và
6

ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu
thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong.
1.2. Nhiên liệu thay thế
Theo nguồn gốc nhiên liệu có thể chia thành hai nhóm là nhiên liệu hóa
thạch và nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu có thể thay thế nhiên liệu truyền
thống từ dầu mỏ như xăng và diesel gọi là nhiên liệu thay thế. Hiện nay dầu
mỏ chiếm hơn 35% tổng mức tiêu thụ nhiên liệu thương mại chủ yếu của toàn
thế giới. Xếp thứ hai là than đá (chiếm khoảng 23%) và khí thiên nhiên đứng
thứ 3 (chiếm 21%). Những loại nhiên liệu hóa thạch này là nguồn phát thải
khí nhà kính chủ yếu gây nóng lên toàn cầu và làm biến đổi khí hậu.
Các loại nhiên liệu có nguồn gốc sinh học gọi là nhiên liệu sinh học
(NLSH) là một dạng nhiên liệu thay thế, chiếm 10% tổng mức tiêu thụ năng
lượng chủ yếu trên toàn cầu, NLSH gồm nhiên liệu rắn như gỗ, củi, khí sinh
học, nhiên liệu lỏng như ethanol sinh học và các diesel sinh học chế biến từ
các loại cây trồng như cây mía đường, các loại cỏ năng lượng hoặc từ gỗ
nhiêu liệu, than củi, chất thải nông nghiệp và các sản phẩm phụ, những phế
thải rừng, phân vật nuôi và các sản phẩm khác. NLSH có nhiều ưu điểm nổi
bật so với các loại nhiên liệu hóa thạch (dầu khí, than đá...) [3]:
+ Tính chất thân thiện với môi trường: sinh ra ít khí gây hiệu ứng nhà
kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít khí gây ô nhiễm môi
trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống.
+ Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này chế biến từ hoạt động
sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào
nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống (than đá, dầu mỏ).
NLSH đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp
và nhập khẩu nhiên liệu, do có các ưu điểm vượt trội khác: nguyên liệu để sản
xuất NLSH rất phong phú, có khả năng sản xuất và cung cấp với số lượng lớn
để thay thế khi giá xăng dầu khoáng ngày càng tăng. NLSH không chứa các
7

chất gây độc hại như dầu mỏ, khả năng phân hủy sinh học cao. Sử dụng
NLSH thuận tiện đơn giản bên cạnh các dạng nhiên liệu khác, ví dụ có thể sử
dụng xăng pha ethanol, mà không cần thay đổi, hoán cải các động cơ và mạng
lưới phân phối hiện có.
Công nghệ sản xuất ethanol, dầu mỡ động thực vật và pha chế NLSH
không phức tạp như công nghệ lọc hoá dầu với đầu tư thấp hơn nhiều, có thể
sản xuất với các quy mô khác nhau. Chính vì vậy, hiện nay, NLSH đang được
các quốc gia nói trên định hướng sử dụng rộng rãi.
Tuy nhiên hiện nay NLSH mới chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong cán
cân năng lượng thế giới do giá thành cao và gây ra những nguy cơ đến vấn đề
an ninh lương thực, nhất là đối với những nước đang phát triển. Chính vì thế,
các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp khắc
phục những hạn chế của NLSH.
Như trên đã trình bày, NLSH là một dạng nhiên liệu thay thế bên cạnh
các nhiên liệu thay thế khác. Theo trạng thái, nhiên liệu thay thế cho động cơ
đốt trong tồn tại ở hai dạng:
- Nhiên liệu thay thế dạng khí;
- Nhiên liệu thay thế dạng lỏng.
1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí
Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng khí tương đối phổ
biến dùng cho động cơ đốt trong.

Khí nén thiên nhiên (CNG - Compressed Natural Gas)

CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng
1950ºC và nhẹ hơn không khí. Thành phần chủ yếu của CNG gồm các
hyđrôcarbon, trong đó metan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10%
cùng một lượng nhỏ propan, butan và các khí khác.
Theo [1] “Đặc điểm cháy của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu
Diesel-CNG (Trong trường hợp sử dụng Acid béo methyl esters phun mồi)”
8

cho thấy, khi tỷ lệ CNG thay thế tới 75% thì hiệu suất nhiệt là tương tự như
động cơ sử dụng diesel gốc. Khi tỷ lệ CNG thay thế lớn hơn 75% thì hỗn hợp
công tác khó cháy hơn và hiệu suất nhiệt giảm đáng kể, cũng như phát thải
HC và NOx tăng lên nhiều.

Hyđrô và khí giàu hyđrô

Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrôcacbon hóa thạch, từ nước
và từ sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, oxy hóa
không hoàn toàn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi H2 từ quá trình
reforming và điện phân nước [3].
Hyđrô có thể được sử dụng trực tiếp trên động cơ đốt trong ở dạng
hyđrô lỏng (nhiệt độ hóa lỏng là -253o
C ở điều kiện khí quyển) hoặc ở dạng
nén (áp suất bình chứa lên tới 700 bar). Vấn đề tồn chứa hyđrô một cách hiệu
quả, an toàn vẫn đang nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu và
doanh nghiệp. Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu để
sản sinh điện năng. Mặc dù còn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ
và giá thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu
được xem như là vô hạn nên hiện tại hyđrô được xem là “nhiên liệu của tương
lai” [3].
Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và một số khí khác như oxy
(trong khí HHO), CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác. Khí
giàu hyđrô thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệu
bằng cách bổ sung khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảm
phát thải ô nhiễm [3].
1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng
Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng lỏng tương đối phổ
biến dùng cho động cơ đốt trong.

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas)





9

LPG là sản phẩm của quá trình hoá lỏng khí đồng hành thu được trong
quá trình chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là propan, C3H8 và
butan, C4H10 [3]. LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động
cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén
như là một phụ gia nhiên liệu.
Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp:
khoảng 2,2 bar đối với C4H10 tại 20o
C, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại
55o
C [2]. Thông thường LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar
với tỷ lệ propan/butan khoảng 60%/40%.
Khi sử dụng LPG cho động cơ đốt trong nhận thấy [3]:
- Phát thải HC giảm hơn ba lần và phát thải NOx ít hơn khi phun trực
tiếp vào buồng cháy.
-Tổng lượng tiêu hao nhiên liệu giảm khi tăng tỷ lệ LPG thay thế khi tốc
độ động cơ lớn hơn 2000 vg/ph, khi tốc độ động cơ lớn hơn 2400 vg/ph suất
tiêu hao năng lượng giảm rõ rệt, đồng thời phát thải HC và NOx tăng nhiều
trong khí phát thải CO và soot giảm. Bên cạnh đó các nghiên cứu về sử dụng
LPG cho động cơ đốt trong, cũng cho thấy cần phải giảm góc phun sớm để
đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải.

Than hóa lỏng (CTL - Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL - Gas To Liquid)
Than sau quá trình khí hoá, tạo ra syngas và thực hiện quá trình Fischer-

Tropsch (FT) để tạo thành FT diesel (CTL). Trong khi đó, GTL được điều chế
từ khí methane, CH4 (có thể từ nguồn gốc tái tạo như biogas hoặc từ nguồn
gốc hoá thạch như khí thiên nhiên). Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ
khí methane gồm methanol, DME hoặc FT diesel [3].

Dimethyl Ether (DME)

10

Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiên
liệu có thể làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do
nén nhờ có trị số xêtan cao. DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau
như nhiên liệu gốc hoá thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối [3].

Biodiesel

Trong những năm gần đây, việc quan tâm sử dụng biodiesel thay thế
cho diesel khoáng ngày càng được quan tâm. Vấn đề ảnh hưởng của việc sử
dụng trực tiếp biodiesel đến quá trình phun nhiên liệu, quá trình cháy, cũng
như đặc tính động cơ, ô nhiễm môi trường và tính kinh tế nhiên liệu đang
được các nhà khoa học quan tâm, và các kết quả đã chỉ ra rằng sự ảnh hưởng
này phụ thuộc vào tính chất hóa học, tính chất vật lý của biodiesel và thông số
động cơ, cũng như điều kiện làm việc của động cơ, …
Theo hầu hết các nghiên cứu cho thấy công suất động cơ, mô men động
cơ, phát thải dạng hạt PM, phát thải CO và phát thải HC chưa cháy nhìn
chung đều giảm khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng. Tuy nhiên phát
thải NOx lại tăng.
Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng. Do đó, nếu hiệu suất cháy
như nhau thì tiêu hao nhiên liệu sẽ cao hơn khi sử dụng biodiesel thay thế
diesel khoáng.

Ethanol

Cồn là nhiên liệu sinh học được chế biến từ bã mía, than củi, giấy vụn,
thân và lá bắp, rơm rạ, mùn cưa, phế phẩm lâm nghiệp, phế phẩm bông sợi … có
thể tái sinh được, vừa giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường, vừa
hạn chế dùng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch. Cồn có công thức hoá học
chung là CnH2n+1OH được xem là nhiên liệu phù hợp nhất để sử dụng cho động
cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane cao và tính chất vật lý, hoá học tương
tự như xăng. Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn thể là ethanol (C2H5OH), methanol
(CH3OH), butanol (C4H9OH) và propanol (C3H7OH), tất cả đều là
11

chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol và butanol đều rất độc, đặc biệt là
butanol. Hơn nữa, giá thành sản xuất butanol khá cao so với giá thành sản
xuất ethanol và methanol. Vì vậy hiện tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn
cả cho các phương tiện giao thông vận tải [3].
1.3. Nhiên liệu hyđrô dùng cho động cơ đốt trong
1.3.1. Khái niệm chung
Hyđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ nhưng không tồn tại ở các
mỏ, như các mỏ dầu khí gốc khoáng mà thường liên kết với nguyên tố khác như
ô xy hay cacbon tạo thành phân tử của các chất khác nhau. Cần sử dụng nguồn
năng lượng để tách được hyđrô từ các phân tử này, sau đó có thể sử dụng hyđrô
làm nhiên liệu cho quá trình đốt cháy hoặc trong pin nhiên liệu. Đây được coi là
nguồn năng lượng sạch và bền vững, có thể ứng dụng cho phương tiện giao
thông và các nguồn động lực tĩnh tại, qua đó giúp đa dạng hóa các nguồn nhiên
liệu và giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ truyền thống. Khí hyđrô thường được tạo
ra từ 2 nguồn chính là từ nước và từ nhiên liệu hóa thạch.
- Tạo hyđrô từ nước:
Hyđrô được tạo ra bằng phương pháp tách nước thực hiện bằng nhiều
quá trình khác nhau như điện phân nước, quang phân, quang sinh học và phân
ly nước ở nhiệt độ cao. Phương pháp điện phân nước cần nguồn điện năng để
tách nước thành hyđrô và ôxy:
H2O + điện năng H2 + 1/2O2
Theo phương pháp này nguồn nhiên liệu là vô tận nhưng tiêu hao điện
năng lớn, trong khi điện năng lại thường được tạo ra bởi các nguồn nhiên liệu
hóa thạch. Nhiệt độ nước tăng lên thì điện năng cần cung cấp cho phản ứng
giảm xuống, do vậy có thể sử dụng nguồn nhiệt thải từ các quá trình khác để
làm nóng nước giảm tiêu thụ điện năng. Có thể sử dụng năng lượng của các
chu trình sẵn có trong tự nhiên để sản xuất hyđrô từ các nguồn tái tạo. Ví dụ
như khi tách hyđrô từ nước bằng quá trình nhiệt hóa thì sử dụng một số hóa
12

chất và nhiệt, nếu bằng quang phân thì sử dụng ánh sáng mặt trời và một số
chất xúc tác, nếu bằng quá trình sinh học và quang sinh học thì sử dụng ánh
sáng mặt trời và các sinh vật sinh học.
- Tạo hyđrô từ nhiên liệu hóa thạch:
Hyđrô có thể được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch bằng nhiều cách khác
nhau như reforming hơi nước (thường sử dụng đối với khí thiên nhiên CH4), khí
hóa than... Sản xuất hyđrô từ khí thiên nhiên được thực hiện theo ba quá trình
hóa học khác nhau gồm reforming hơi nước, ô xy hóa một phần và quá trình
reforming kết hợp. Quá trình reforming hơi nước diễn ra ở nhiệt độ khoảng
700 ÷ 850 0
C, áp suất 3 ÷ 25 bar, sản phẩm chứa khoảng 12% CO sau đó
được chuyển thành CO2 và H2 bởi phản ứng dịch chuyển nước - khí:
CH4 + H2O + nhiệt CO + 3H2
CO + H2O CO2 + H2 + nhiệt
Quá trình ô xy hóa một phần khí thiên nhiên tạo ra CO, H2 và sinh
nhiệt, đây là phản ứng tỏa nhiệt nên không cần nguồn nhiệt cấp từ bên ngoài.
CH4 + 1/2O2 CO + 2H2 + nhiệt
Lượng CO sinh ra được chuyển thành H2 bở phản ứng dịch chuyển nước
- khí như trên.
Quá trình reforming kết hợp gồm cả hai quá trình reforming hơi nước và
ô xy hóa một phần khí thiên nhiên. Reforming kết hợp là quá trình tỏa nhiệt,
nhiệt độ ra khỏi buồng phản ứng khoảng 950 đến 1100 0
C, áp suất tới 100 bar.
Hyđrô có thể được tạo ra bằng phương pháp khí hóa than, thường than
được chuyển thành CO và H2 với sự có mặt của hơi nước và nhiệt.
C (rắn) + H2O + nhiệt CO + H2
Ngoài ra, hyđrô cũng được tạo ra từ nguồn nhiên liệu sinh khối bằng các
quá trình chuyển đổi nhiệt hóa, sinh hóa hoặc tách cơ học. Công nghệ tạo hyđrô
yêu cầu khối lượng nguyên liệu lớn và phụ thuộc nhiều vào chất lượng nguồn
sinh khối, trong khi chất lượng nguồn sinh khối thường thay đổi theo chủng
13

loại và mùa vụ. Đồng thời sản lượng hyđrô tạo ra nhỏ vì hyđrô chỉ chiếm
khoảng 6% trong sinh khối. Vì vậy, công nghệ này đến nay mới thực hiện
trong nghiên cứu mà chưa được áp dụng sản xuất quy mô công nghiệp.
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
14

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
Mật độ năng lượng, [kJ/m3
]
4
- Ở áp suất 1 atm, 15 0
C 10.050
- Ở áp suất 200 atm, 15 0
C 1.825.000
- Ở trạng lái lỏng 8.491.000
5
Thành phần thể tích trong hỗn hợp lý thuyết
29,53
(stoichiometric) với không khí (% thể tích)
6
Tỷ lệ khối lượng không khí/nhiên liệu của hỗn hợp
34,5
lý thuyết (stoichiometric)
7 Lượng không khí lý thuyết (kg/kg nhiên liệu) 34,5
8
Nhiệt cháy của hỗn hợp nhiên liệu với 1 kg không
3,37
khí ở stoichiometric (MJ/kg không khí)
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
15

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
16

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
17

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.
18

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 (22070
C so với 19170
C của mêtan và 23070
C của xăng).
Một tính chất quan trọng của hyđrô là thuộc tính điện hóa có thể sử
dụng trong công nghệ pin nhiên liệu.
1.3.3. Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hyđrô
19

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
20

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
21

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
22

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.
1.3.4. Động cơ đốt trong bổ sung hyđrô
Việc sử dụng khí hyđrô làm nhiên liệu bổ sung trong động cơ đốt trong là
sử dụng một tỷ lệ nhỏ hyđrô kết hợp với nhiên liệu truyền thống để cải thiện
23

tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Trong động cơ chạy nhiên
liệu lỏng như xăng và dầu diesel, việc bổ sung hyđrô thường được thực hiện
bằng cách cấp hyđrô vào đường ống nạp của động cơ để tạo hỗn hợp với không
khí nạp đi vào xi lanh, trong khi nhiên liệu chính vẫn được cấp theo cách bình
thường nhưng với lưu lượng được điều chỉnh giảm để không làm hỗn hợp cháy
đậm lên. Còn trong động cơ chạy nhiên liệu khí như khí thiên nhiên, biogas thì
hyđrô có thể được cấp bằng hệ thống riêng hoặc được hỗn hợp với các khí này
trong bình chứa trước khi cấp vào động cơ. Việc bổ sung khí hyđrô vào động cơ
đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch sẽ tạo ra được hỗn hợp cháy là hỗn hợp
của hyđrô, nhiên liệu hóa thạch và không khí. Do hyđrô có đặc điểm dễ bắt cháy,
cháy nhanh và nhiệt độ cháy cao [3] nên khi cháy sẽ giúp đốt cháy kiệt nhiên liệu
hóa thạch, góp phần tăng hiệu suất và giảm phát thải độc hại của động cơ. Mặt
khác, do nhiên liệu hyđrô bổ sung chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng nhiên liệu
sử dụng của động cơ nên mặc dù có mật độ năng lượng thấp nhưng hyđrô sẽ ảnh
hưởng không nhiều đến sự giảm công suất của động cơ. Thêm nữa, cũng do
lượng hyđrô sử dụng nhỏ nên việc sản xuất, vận chuyển và cung cấp hyđrô để
động cơ chạy liên tục sẽ không khó khăn như đối với động cơ chạy hoàn toàn
nhiên liệu hyđrô. Đã có khá nhiều công trình nghiên cứu đã công bố cho thấy
tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ bổ sung hyđrô được cải thiện
đáng kể so với động cơ chạy chỉ nhiên liệu truyền thống.
Đã có nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về việc sử dụng nhiên
liệu kép hyđrô và diesel trong đó có hai phương pháp được áp dụng là [1,3]:
- Hyđrô được sử dụng như một nhiên liệu bổ sung với tỷ lệ hyđrô sử dụng
tương tự trong động cơ xăng - hyđrô, trong đó hyđrô thường được cấp vào
đường nạp tạo hỗn hợp trước với khí nạp, còn diesel được phun bình thường
nhưng với lưu lượng được điều chỉnh giảm tương ứng với phần H2 bổ sung.
- Hyđrô được sử dụng là nhiên liệu chính (chiếm tỷ lệ lớn) còn nhiên
liệu diesel được phun mồi khởi tạo quá trình cháy.
24

Trong hai phương pháp trên, phương pháp thứ nhất thường được sử dụng
khi hyđrô được bổ sung với tỷ lệ nhỏ để cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và
phát thải của động cơ, còn phương pháp thứ hai thì tương tự chạy thuần túy
hyđrô nhưng trên động cơ diesel. Phương pháp này ít được sử dụng hơn so với
dạng thứ nhất vì khó kiểm soát sự cháy sớm của hyđrô trong động cơ có tỷ số
nén cao. Các kết quả nghiên cứu bổ sung hyđrô vào đường nạp trên động cơ
diesel cho thấy hiệu suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ được cải
thiện đáng kể. Theo Toru Miyamoto và cộng sự [18], khi bổ sung hyđrô kết hợp
điều chỉnh thời điểm phun diesel muộn đi một chút có thể giảm phát thải khói
xuống 0% và NO xuống thấp hơn nhiều so với khi chạy chỉ với diesel trong khi
công suất động cơ không giảm. Nghiên cứu của Santoso và cộng sự [19],
Rajendra Prasath và cộng sự [20] cho thấy ở mọi chế độ tải hiệu suất nhiệt của
động cơ cơ khi bổ sung hyđrô đều tăng so với khi không bổ sung hyđrô trong khi
áp suất có ích trung bình của động cơ thay đổi ít. Phát thải CO, HC và độ khói
giảm so với khi chạy với chỉ nhiên liệu diesel và mức thay đổi càng mạnh khi tỷ
lệ H2 bổ sung càng tăng. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ bổ sung H2 thấp
hơn động cơ chạy chỉ với nhiên liệu diesel.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm của Saravanan và cộng sự [21] trên
động cơ diesel một xi lanh bổ sung hyđrô bằng cách phun trực tiếp cho thấy
khi sử dụng nhiên liệu thuần diesel thì độ khói thu được là 4,8 BSN (Bosch
smoke Number) nhưng khi sử dụng kết hợp cả hyđrô thì độ khói giảm xuống
còn 0,3 BSN. Hiệu suất nhiệt gia tăng từ 23,59 % với nhiên liệu diesel tới 29
% với sự bổ sung hyđrô. Kết quả này là do hyđrô đã cải thiện quá trình cháy
của động cơ. Các chất phát thải như HC, CO và CO2 đều giảm mạnh, riêng
NOx giảm từ 6,74 g/kWh xuống 3,14 g/kWh.
1.3.5. Tồn chứa và vận chuyển hyđrô
Mặc dù hyđrô dễ cháy, có hiệu suất cháy cao và là lựa chọn tốt trong
tương lai, tuy nhiên hiện tại việc sử dụng hyđrô làm nhiên liệu còn gặp nhiều
25

trở ngại như về mức độ an toàn trong quá trình sản xuất, lưu trữ và vận chuyển.
hyđrô có nhiệt trị khối lượng (140,4 MJ/kg) lớn nhất trong các loại nhiên liệu,
cao gấp ba lần so với xăng (44 MJ/kg). Ngược lại, nhiệt trị thể tích của hyđrô lại
nhỏ (8491 MJ/m3
đối với hyđrô lỏng so với 31150 MJ/m3
của xăng). Hyđrô có
mật độ thể tích nhỏ nên gây khó khăn trong quá trình tồn chứa khi sử dụng trên ô
tô vì yêu cầu thể tích lớn. Hiện nay hyđrô được tồn chứa dưới ba dạng khí, lỏng
và rắn trong đó phổ biến nhất là tồn chứa ở dạng khí. Khí hyđrô được nén vào
bình chứa với áp suất khá cao từ 35 ÷ 70 MPa và nhiệt độ được giảm tới gần
nhiệt độ hóa lỏng nhờ hệ thống làm lạnh hoặc sử dụng chất làm lạnh để tăng mật
độ thể tích. Các bình chứa hyđrô nén yêu cầu có độ bền cao thường có dạng hình
trụ bằng vật liệu thép hoặc vật liệu composite. Phương pháp này có nhược điểm
là mật độ năng lượng vẫn thấp hơn so với nhiên liệu khoáng, tốn năng lượng
trong quá trình nén áp suất cao và làm lạnh, độ an toàn không cao do áp suất nén
cao và thời gian tiếp nhiên liệu từ bình nén áp suất cao và làm lạnh, độ an toàn
không cao do áp suất nén cao và thời gian tiếp nhiên liệu từ bình chứa có áp suất
cao đến bình có áp suất thấp kéo dài. Khi tồn chứa ở dạng lỏng, hyđrô được làm
lạnh tới nhiệt độ 20K để hóa lỏng. Ở dạng lỏng thể tích và khối lượng bình chứa
hyđrô nhỏ hơn nhiều so với tồn chứa ở dạng khí, áp suất trong bình chứa thấp
hơn nền hình dạng bình chứa hyđrô nhỏ hơn nhiều so với tồn chứa ở dạng khí, áp
suất trong bình chứa thấp nên hình dạng bình chứa có thể thiết kế phù hợp với
không gian đặt bình, phù hợp khi sử dụng hyđrô trên ô tô, thời gian nạp hyđrô
ngắn và thuận tiện trong vận chuyển, phân phối. Tuy nhiên, hạn chế của phương
pháp này là tốn năng lượng trong quá trình làm lạnh, cần có hệ thống cách nhiệt
tốt để tránh trao đổi nhiệt giữa bình chứa và môi trường, yêu cầu độ an toàn cao
trong quá trình vận chuyển và quá trình nạp tại các trạm cần phải thực hiện một
cách tự động do nhiệt độ rất thấp của hyđrô. Ở thể rắn, hyđrô được chứa dưới
dạng hợp chất hydrid với các chất hóa học, kim loại hoặc cacbon nano ống. Các
hợp chất này giải phóng hyđrô
26

nhờ phản ứng hóa học hoặc tác động của nhiệt độ. Đây là phương pháp tiềm
năng trong tồn chứa hyđrô hiện đang được nghiên cứu để nâng cao mật độ
năng lượng, giảm chi phí cũng như điều khiển được lưu lượng nhả hyđrô phù
hợp với yêu cầu của thiết bị.
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.
27

+ 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
28

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
29

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.
1.5. Kết luận chương 1
- Hyđrô đến nay đã được sản xuất lớn ở quy mô công nghiệp, phần lớn
hyđrô sau khi chế biến được sử dụng tại chỗ ở các nhà máy lọc dầu, nhà máy
hóa chất, chỉ một phần nhỏ được sản xuất với mục đích thương mại. Ở Việt
Nam, nền kinh tế hyđrô còn khá mới mẻ với một số ít các nhà máy sản xuất
hyđrô thương mại.
- Khí hyđrô có khối lượng riêng rất nhỏ, mật độ năng lượng tính trên
một đơn vị thể tích rất nhỏ nên để có thể sử dụng cho động cơ đốt trong cần
thiết phải nén tới áp suất rất cao hoặc được hóa lỏng. Một giải pháp sử dụng
khí hyđrô hoặc hỗn hợp khí giàu hyđrô khá đơn giản cho động cơ đốt trong,
đó là cung cấp một lượng nhỏ khí hyđrô hoặc hỗn hợp khí giàu hyđrô vào
đường nạp của động cơ hoặc vào xi lanh động cơ. Hyđrô trong trường hợp
này đóng vai trò như một phụ gia nhiên liệu hoặc một chất xúc tác thúc đẩy
quá trình cháy triệt để hơn.
- Ảnh hưởng của việc thêm hyđrô vào đường nạp của động cơ cháy do
nén thì các thành phần phát thải 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 chiến lược phun, luân
hồi khí xả EGR, phun hơi nước vào thành xi lanh cũng như sử dụng các biện
pháp xử lý sau nguồn phát sinh.
- Hiệu quả của các động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hy đrô với các hệ
thống phun hy đrô khác nhau nhận thấy rằng giải pháp phun hy đrô vào họng nạp
cho hiệu quả tốt hơn và giảm các thành phần phát thải so với công nghệ cung cấp
hy đrô bằng các buarator và phun vào đường nạp. Nên trong nội dung
30

nghiên cứu của mình tác giả sử dụng 1 vòi phun để phun hy đrô vào trước xu
páp nạp.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ
SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU
2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong
2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong là nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường. Các thành
phần độc hại chính phát thải từ động cơ gồm ô xít các bon (CO), hyđrôcacbon
(HC), ô xít ni tơ (NOx), ô xít lưu huỳnh (SO2), khói đen và các chất thải dạng hạt
khác. Các thành phần chất thải này không những gây tác hại trực tiếp cho sức
khỏe con người mà về lâu về dài còn phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống
con người. Theo số liệu thống kê ở Mỹ năm 1997, các chất ô nhiễm phát thải từ
các phương tiện vận tải trang bị động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch
chiếm 40 ÷ 50% tổng hàm lượng HC trong không khí, 50% tổng hàm lượng NOx
và 80 ÷ 90% tổng hàm lượng CO ở khu vực thành phố. Ở các nước phát triển
khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng xảy ra vấn đề tương tự. Trong những năm
gần đây, số lượng phương tiện vận tải ngày càng tăng cao, trung bình hàng năm
thế giới sản xuất và đưa vào sửa dụng thêm trên 40 triệu chiếc động cơ, nên càng
làm vấn đề ô nhiễm môi trường thêm trầm trọng.
Các thành phần độc hại phát ra từ động cơ có thể từ 3 nguồn. Thứ nhất là
khí thải trên đường ống xả. Đó là những khí độc hại phát sinh trong quá trình
cháy nhiên liệu trong động cơ và thải ra ngoài thông qua đường ống xả. Khí
31

thải bao gồm những thành phần chính là Ni tơ (N2) và hơi nước chiếm khoảng
83%, các khí còn lại là ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2), carbuahyđrô
(HC), và các loại ô xít ni tơ (NOx). Thứ hai là các khí rò lọt bao gồm những
khí rò lọt qua khe hở giữa pít tông và xi lanh, chủ yếu là N2 và O2 chiếm tới
90% phần còn lại là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng nhỏ CO và NOx.
Thứ ba là các khí bay hơi gồm chủ yếu là hơi xăng (HC) bay hơi từ các thiết
bị nhiên liệu. Trong ba nguồn này thì khí thải từ đường ống thải là nguồn gây
ô nhiễm chính của động cơ với các thành phần độc hại là CO, HC, NOx, khói
và chất thải rắn. Với động cơ xăng, các thành phần phát thải độc hại chủ yếu
gồm CO, HC, NOx. Đối với nguồn khí rò lọt và khí bay hơi, thành phần độc
hại chủ yếu là HC chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng phát thải HC của động cơ nên
thường không được quan tâm nhiều.
Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ liên quan đến quá
trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình cháy trong
động cơ đốt trong là quá trình ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và
quá trình này diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức
phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như thành phần giữa không
khí và nhiên liệu, điều kiện cháy… Ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn
toàn của nhiên liệu Hyđrôcacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh ra sản
phẩm cháy không độc hại như là CO2, H2O. Tuy nhiên, trong động cơ trạng
thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với sự cháy hoàn toàn có thể nói là không
bao giờ xảy ra, bởi vì thời gian cho quá trình ôxy hoá bị giới hạn và sự thiếu
đồng nhất ở trạng thái hơi của nhiên liệu trong không khí. Kết quả là trong sản
vật cháy, ngoài các sản phẩm cháy hoàn toàn còn có các thành phần độc hại
CO và HC. Thêm nữa, quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ cao trong môi trường
có ô xy và ni tơ nên sẽ sinh ra chất độc hại NOx trong khí thải.
Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại
động cơ, và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ. Hàm lượng
32

CO tăng khi hệ số dư lượng không khí giảm. Nồng độ CO cao hơn với hỗn
hợp giàu nhiên liệu hơn. Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa
nhiên liệu và không khí hoặc nhiên liệu không hoàn toàn ở trạng thái hơi. Do
vậy, mặc dù chung có thể > 1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi
lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO.
Chất thải Hyđrôcacbon chưa cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn
toàn của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra. Nguồn chính của khí thải HC
là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình
chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào
các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự
giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở
khi áp suất giảm.
Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng
dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá
trình giãn nở. Một phần Hyđrôcacbon này được ôxy hoá khi được trộn với khí
đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải ra ngoài
cùng với khí thải nên gây ra sự phát thải HC. Mức độ ôxy hóa HC phụ thuộc
vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và
không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa… Sự đánh lửa muộn hơn thích
hợp để ôxy hoá HC sau quá trình cháy. Nguồn phát sinh khác của HC là sự
cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc
là đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng
đốt cháy kém. Hàm lượng HC chưa cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào
tỷ lệ không khí và nhiên liệu. Nồng độ của chúng tăng khi hỗn hợp đậm hơn,
đặc biệt là với < 1. Đối với hỗn hợp quá nghèo thành phần khí xả HC cũng
tăng do đốt cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ lửa trong một phần của
các chu kỳ vận hành động cơ.
33

Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O được gọi
chung dưới cái tên NOx trong đó NO chiếm đa phần trên 80%. Khí thải NOx
được hình thành ở nhiệt độ cháy cao. Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất
cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại
bộ phận NOx hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt
cháy. Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt độ, ôxy và
thời gian. Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOx sẽ cao, tức là khi
động cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp và = 1,05 ÷ 1,1 thì NOx lớn.
2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại
Việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp hữu hiệu để giảm phát thải cho
động cơ đã được quan tâm từ lâu. Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải
độc hại cho động cơ xăng hiện nay có thể được chia thành ba nhóm.
Nhóm thứ nhất: giảm phát thải tại nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm
các biện pháp giảm nồng độ độc hại khí thải từ xi lanh bằng cách tối ưu hoá chất
lượng tạo hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động
cơ. Các biện pháp công nghệ của nhóm này bao gồm cải tiến hệ thống phun
nhiên liệu và tạo hỗn hợp, áp dụng hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ, điều
chỉnh chính xác tỉ lệ không khí - nhiên liệu và thiết kế hệ thống đánh lửa thích
hợp trong động cơ xăng, tối ưu kết cấu buồng cháy, luân hồi khí thải, và một số
công nghệ khác. Nhìn chung các động cơ hiện đại đều đã được tối ưu hóa kết cấu
với việc sử dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến cho phép giảm tối
thiểu thành phần phát thải độc hại khí thải thoát ra khỏi xi lanh động cơ. Tuy
nhiên, hàm lượng phát thải độc hại của động cơ vẫn chưa thể đáp ứng các tiêu
chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo trong khi khó có thể giảm thêm được bằng
cách áp dụng các biện pháp cải tiến kết cấu động cơ.
Nhóm thứ hai: Xử lý khí thải sau nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm các
biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi các thành phần độc hại của khí thải thành
khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương
34

Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel.doc

Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel.doc

Similar to Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel.doc (13)

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel.doc