Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hyddro trên động cơ để cải thiện tính năng và phát thải

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm đưa ra và phát triển được giải pháp công nghệ thích hợp để tạo khí giàu hydro trên động cơ xăng đảm bảo tỷ suất và hiệu suất tạo hydro cao nhất, phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ. Đánh giá được tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ được bổ sung khí giàu hydro tạo ra trên động cơ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hyddro trên động cơ để cải thiện tính năng và phát thải

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác. Hà Nội, tháng 09 năm 2017 Nghiên cứu sinh i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long 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 án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm các thành viên trong đề tài KC.05.TN05/11-15 đã cho tôi sử dụng kết quả nghiên cứu để làm luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng nghề cơ khí nông nghiệp, Lãnh đạo khoa động lực và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. 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 tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Phạm Ngọc Anh ii
MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ ix DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. x MỞ ĐẦU ................................................................................................................ - 1 - i. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................... - 1 - ii. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. - 1 - iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ - 1 - iv. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... - 2 - v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu .......................................... - 2 - vi. Điểm mới của luận án ............................................................................................ - 2 - CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. - 3 - 1.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong ............................ - 3 - 1.1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong .......................................... - 3 - 1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại ............................................................. - 4 - 1.2 Nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong ............................................................. - 6 - 1.2.1 Tính chất của khí hydro ................................................................................... - 6 - 1.2.2 Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hydro ............................................... - 9 - 1.2.3 Động cơ đốt trong bổ sung hydro .................................................................. - 15 - 1.2.4 Động cơ đốt trong bổ sung khí giàu hydro .................................................... - 20 - 1.2.5 Kết luận về sử dụng hydro và khí giàu hydro trên động cơ .......................... - 22 - 1.3 Các phương pháp sản xuất hydro và khí giàu hydro ...................................... - 23 - 1.3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................ - 23 - 1.3.2 Điện phân nước ............................................................................................. - 23 - 1.3.3 Khí hóa sinh khối .......................................................................................... - 24 - 1.3.4 Biến đổi nhiệt hóa cồn hoặc nhiên liệu hydrocarbons .................................. - 24 - 1.4 Tích trữ, vận chuyển và cung cấp hydro và khí giàu hydro cho động cơ đốt trong - 28 - iii
1.4.1 Vấn đề tích trữ và vận chuyển hydro ............................................................ - 28 - 1.4.2 Tạo hydro và khí giàu hydro ngay trên xe .................................................... - 29 - 1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................... - 29 - CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA NHIÊN LIỆU XĂNG ................................................................................. - 31 - 2.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. - 31 - 2.2 Các phản ứng hóa học của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng ...... - 32 - 2.2.1 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước (SR)................................................... - 32 - 2.2.2 Ô xi hóa không hoàn toàn xăng (PO) ............................................................ - 35 - 2.2.3 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước và ô xy ở trạng thái tự cân bằng về nhiệt (ATR) ..................................................................................................................... - 37 - 2.3 Tốc độ của phản ứng xúc tác ............................................................................. - 40 - 2.3.1 Chất xúc tác ................................................................................................... - 40 - 2.3.2 Trạng thái cân bằng hóa học của phản ứng biến đổi nhiệt hóa ..................... - 43 - 2.3.3 Biểu thức tốc độ động học phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng ..... - 46 - 2.4 Tốc độ thay đổi hàm lượng thành phần khí trong BXT .................................. - 51 - 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................... - 52 - CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỰ TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRONG BXT BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA XĂNG TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ HONDA WAVE- ............................................................................................... - 53 - 3.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. - 53 - 3.1.1 Mục đích tính toán......................................................................................... - 53 - 3.1.2 Nhiệt khí thải của động cơ và khả năng tận dụng ......................................... - 53 - 3.1.3 Sơ đồ BXT biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải ................. - 54 - 3.2 Mô hình tính toán ............................................................................................... - 58 - 3.2.1 Mô hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT ................................................ - 58 - 3.2.2 Mô hình tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu trong BXT .......... - 61 - 3.3 Kết quả tính toán và bàn luận ........................................................................... - 65 - 3.3.1 Các thông số vào ........................................................................................... - 65 - 3.3.2 Kết quả tính toán quá trình SR tận dụng nhiệt khí thải ................................. - 67 - 3.3.3 Kết quả tính toán quá trình PO ...................................................................... - 72 - iv
3.3.4 Kết quả tính toán quá trình ATR ................................................................... - 74 - 3.3.5 Kết hợp SR và PO tận dụng nhiệt khí thải .................................................... - 77 - 3.4 Kết luận chương 3 ............................................................................................... - 81 - CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.................................................. - 82 - 4.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. - 82 - 4.1.1 Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm ............................................ - 82 - 4.1.2 Đối tượng, chế độ và điều kiện thử nghiệm .................................................. - 83 - 4.1.3 Nhiên liệu thử nghiệm ................................................................................... - 83 - 4.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo và cấp khí giàu H2 trên động cơ..................... - 83 - 4.2.1 Thiết kế chế tạo BXT .................................................................................... - 83 - 4.2.2 Thiết kế lắp đặt hệ thống tạo và cung cấp khí giàu H2 trên động cơ ............ - 85 - 4.3 Trang thiết bị thử nghiệm .................................................................................. - 86 - 4.3.1 Phanh thuỷ lực .............................................................................................. - 87 - 4.3.2 Cảm biến tốc độ động cơ .............................................................................. - 88 - 4.3.3 Thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ ............................................................. - 88 - 4.3.4 Tủ phân tích khí thải AVL CEB II ............................................................... - 89 - 4.3.5 Chương trình thử nghiệm .............................................................................. - 94 - 4.4 Kết quả thử nghiệm ............................................................................................ - 96 - 4.4.1 Đánh giá độ tin cậy của mô hình tính toán biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu ..... - 96 - 4.4.2 Tính năng làm việc của động cơ ở 70% tải ................................................... - 98 - 4.4.3. Tính năng làm việc của động cơ ở toàn tải ................................................ - 101 - 4.5 Kết luận chương 4 ............................................................................................. - 103 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... - 104 - Kết luận .................................................................................................................... - 104 - Hướng phát triển..................................................................................................... - 104 - TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................. 112 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 113 Phụ lục 1. Chương trình tính toán mô phỏng quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa xăng ........................................................................................................................ 113 v
Phụ lục 2. Kết quả tính toán quá trình SR ................................................................ 120 Phụ lục 3. Một số hình ảnh thử nghiệm ..................................................................... 121 vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu Ký hiệu Tên gọi CO Oxit cacbon HC Hydro cacbon NOx Oxit nitơ SO2 Oxit lưuhuynh N2 Nitơ CO2 Cacbonnic H2O Nước α Hệ số dư lượng không khí N2O Protoxit C2H6O Ethanol CH4 Metan H2 Hydro vii
Danh mục chữ viết tắt BSEC Suất tiêu hao năng lượng có ích BTL Bio-mass To Liquid BXT Bộ xúc tác CEB-II Hệ thống phân tích khí thải CHK Chế hòa khí CKĐL Cơ khí động lực CNG Khí thiên nhiên nén CR Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với khí các bon níc ĐCĐT Động cơ đốt trong ĐHBK HN Đại học Bách khoa Hà Nội DME Dimethyl ether ETB Băng thử động lực học cao FAME Fatty Acid Methyl Ester HCNG Hỗn hợp nhiên liệu hydro/CNG HVO Hydrotreating Vegetable Oil LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng LPG Dầu mỏ hóa lỏng NG Khí thiên nhiên NGV Xe chạy nhiên liệu khí thiên nhiên PO Ô xi hóa không hoàn toàn nhiên liệu SR Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước ATR Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước và ô xi ở trạng thái tự cân bằng về nhiệt viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số tính chất của hydro, mê-tan, xăng [39, 101] ..................................................... - 7 - Bảng 2.1 Năng lượng tạo thành (enthalpy of formation) của một số chất ở 298K [33, 36] ......... - 34 - Bảng 2.2. Ưu nhược điểm của các phương pháp tạo ra hydro ..................................................... - 40 - Bảng 2.3 Các hằng số động học phản ứng [87] .......................................... - 50 - Bảng 2.4 Các hằng số cân bằng [49, 75] ...................................................................................... - 50 - Bảng 2.5 Các hằng số hấp thụ [49, 75] ........................................................................................ - 50 - Bảng 3.1 Đặc tính kỹ thuật của chất xúc tác Ni-0309S ................................................................ - 55 - Bảng 3.2. Các thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm Honda Wave- ................................. - 57 - Bảng 3.3 Các thông số vào của BXT (xác định từ thực nghiệm) ................................................. - 66 - Bảng 3.4 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro ...................................................................... - 69 - Bảng 3.5 Nhiệt độ BXT và tỷ suất tạo H2 ở các chế độ tải (Số liệu đồ thị Hình 3.11) ................ - 72 - Bảng 3.6 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro của quá trình PO .......................................... - 73 - Bảng 3.7 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro ...................................................................... - 75 - Bảng 3.8 Thông số khí thải vào BXT........................................................................................... - 78 - Bảng 3.9 Kết quả tính toán kết hợp SR vàPO có tận dụng nhiệt khí thải .................................... - 78 - Bảng 4.1 Các thông số cấp nguyên liệu của BXT ........................................................................ - 95 - Bảng 4.2 Kết quả tính toán và thực nghiệm quá trình SR ............................................................ - 97 - Bảng 4.3 Thành phần H2 và khí giàu H2 trong khí nạp của động cơ .......................................... - 98 - Bảng 4.4 Đặc tính động cơ chạy xăng nguyên bản và bổ sung khí giàu hydro ở 70% tải ........... - 98 - Bảng 4.5 Đặc tính động cơ chạy xăng nguyên bản và bổ sung khí giàu hydro ở 100% tải ....... - 101 - ix
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Giới hạn cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [44]................................................. - 8 - Hình 1.2 Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [12] ............................................................... - 9 - Hình 1.3 Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT [46] ........................................................... - 10 - Hình 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của động cơ hydro và động cơ xăng [98] .............................. - 11 - Hình 1.5 So sánh hiệu suất có ích của động cơ H2 với bướm ga (BG) mở 100% (thay đổi ), động cơ H2 và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) duy trì mô men 80 Nm ở tốc độ khác nhau [93] .. - 12 - Hình 1.6 So sánh hiệu suất có ích của động cơ H2 với bướm ga (BG) mở 100% và 50% (thay đổi ) và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) để duy trì mô men 20 Nm ở các tốc độ khác nhau [93] . - 12 - Hình 1.7 Phát thải NOx của động cơ H2 ở 1500v/p, bướm ga mở hoàn toàn [93] ....................... - 13 - Hình 1.8 So sánh hiệu suất của động cơ khi bổ sung và không bổ sung hydro ở 1400 v/p) ở tải trọng (MAP) khác nhau [19] ........................................................................................................ - 15 - Hình 1.8 So sánh hiệu suất của động cơ khi bổ sung và không bổ sung hydro ở 1400 v/p) ở các điều kiện tải trọng (MAP) khác nhau [18] ........................................................................................... - 16 - Hình 1.9 Hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ lệ năng lượng H2 thay thế ở không tải [19] ............ - 16 - Hình 1.10 Diễn biến hàm lượng phát thải của động cơ theo  khi bổ sung hydro với các tỷ lệ khác nhau [18] ...................................................................................................................................... - 17 - Hình 1.11 Áp suất có ích trung bình của động cơ bổ sung H2 ở 1400v/p) với hỗn hợp có  khác nhau [18] ...................................................................................................................................... - 18 - Hình 1.12 So sánh hiệu suất có ích và phát thải của động cơ khi chạy chỉ diesel và khi chạy hydro- diesel [78] ..................................................................................................................................... - 19 - Hình 1.13 Hiệu suất chỉ thị và áp suất có ích trung bình của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21]................................................................................................................................. - 20 - Hình 1.14 Phát thải HC và NOx của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21] .......... - 21 - Hình 1.15 Phát thải CO của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21] ....................... - 21 - Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý điện phân nước tạo hydro ................................................................. - 23 - Hình 2.1 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước, SR ..................... - 32 - Hình 2.2 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình ô xi hóa không hoàn toàn xăng, PO ............................... - 35 - Hình 2.3 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu với ô xy và hơi nước tự cân bằng về nhiệt, ATR ...................................................................................................................... - 37 - Hình 2.4 Các dạng lõi phần tử xúc tác ......................................................................................... - 42 - x
Hình 2.5 Sơ đồ quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu ở trạng thái cân bằng ............................. - 43 - Hình 3.1 Các thành phần cân bằng nhiệt của đông cơ đốt trong (ĐCĐT) ................................... - 53 - Hình 3.2 Sơ đồ BXT biến đổi nhiệt hóa xăng tận dụng nhiệt khí thải ....................................... - 54 - Hình 3.3 Mô hình truyền nhiệt sấy nóng BXT ............................................................................. - 59 - Hình 3.4 Mô hình 2 chiều của bộ xúc tác..................................................................................... - 62 - Hình 3.5 Diễn biến thay đổi nhiệt độ khí thải và nhiệt độ trung bình của hạt xúc tác dọc theo chiều dài BXT trong quá trình SR ở chế độ toàn tải của động cơ, tỷ lệ khối lượng N/X = 3 ................ - 67 - Hình 3.6 Diễn biến thay đổi hàm lượng thể tích các thành phần khí ẩm trong BXT dọc theo chiều dài của nó trong quá trình SR ở chế độ toàn tải của động cơ , tỷ lệ khối lượng N/X=3 .............. - 68 - Hình 3.7 Diễn biến thay đổi hàm lượng thể tích của các thành phần khí khô trong BXT dọc theo chiều dài của nó trong quá trình SR ở chế độ toàn tải của động cơ ............................................. - 68 - Hình 3.8 Quan hệ giữa hàm lượng sản phẩm khô của quá trình SR với tỷ lệ khối lượng N/X ở chế độ toàn tải của động cơ................................................................................................................. - 69 - Hình 3.9 So sánh tỷ số biến đổi nhiên liệu của quá trình SR theo tỷ lệ khối lượng N/X khi có tận dụng và không tận dụng nhiệt khí thải ở chế độ toàn tải của động cơ ......................................... - 70 - Hình 3.10 So sánh tỷ suất tạo hydro của quá trình SR theo tỷ lệ nước/xăng ở các chế độ 100% tải, 70% tải và 50% tải của động cơ ................................................................................................... - 71 - Hình 3.11 Ảnh hưởng của chế độ tải đến nhiệt độ BXT và tỷ suất tạo H2 (mol H2/1g xăng) của quá trình SR ở tỷ lệ N/X tối ưu ........................................................................................................... - 71 - Hình 3.12 Quan hệ giữa các hàm lượng thành phần sản phẩm khô và tỷ lệ K/X của quá trình PO.... - 73 - Hình 3.13 Quan hệ giữa tỷ suất tạo H2 và CO và nhiệt dư với tỷ lệ K/X của quá trình PO ........ - 73 - Hình 3.14 Sự thay đổi của hàm lượng thể tích khí khô CO, H2 theo tỷ lệ nước/xăng ở các tỷ lệ không khí/xăng (K/X) khác nhau của quá trình ATR .................................................................. - 76 - Hình 3.15 Sự thay đổi của tỷ suất tạo CO, H2 theo tỷ lệ nước/xăng ở các tỷ lệ không khí/xăng (K/X) khác nhau của quá trình ATR ............................................................................................ - 76 - Hình 3.16 Tỷ suất tạo H2 của BXT ở các chế độ tải của động cơ ............................................... - 79 - Hình 3.17. Tỷ suất tạo H2 của BXT ở các chế độ tải của ĐC với tỷ lệ cấp nguyên liệu tối ưu ... - 80 - Hình 4.1 Cụm BXT và ống trao đổi nhiệt ................................................................................... - 83 - Hình 4.2 Bản vẽ chi tiết BXT ...................................................................................................... - 84 - Hình 4.3 Mô hình bố trí BXT reforming nhiên liệu xăng theo quá trình SR tận dụng nhiệt khí thải - 85 - Hình 4.4 Sơ đồ băng thử nghiệm các tính năng của động cơ ...................................................... - 86 - Hình 4.5 Phanh thuỷ lực Didacta T101D .................................................................................... - 87 - xi
Hình 4.6 Bộ chuyển đổi tín hiệu và máy tính hiển thị................................................................. - 87 - Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của hệ thống cảm biến tốc độ động cơ................ - 88 - Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S ............................. - 88 - Hình 4.9 Giao diện trên máy tính hệ thống cân nhiên liệu AVL 733S ....................................... - 89 - Hình 4.10 Sơ đồ của tủ AVL CEBII ............................................................................................ - 90 - Hình 4.11 Sơ đồ cấu tạo của bộ đo CO ........................................................................................ - 90 - Hình 4.12 Sự ảnh hưởng của H2O đến CO.................................................................................. - 91 - Hình 4.13 Sơ đồ cấu tạo bộ phân tích NO và NOx ...................................................................... - 92 - Hình 4.14. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC ................................................................................... - 93 - Hình 4.15 So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm SR ở 70% tải............................................. - 97 - Hình 4.16 So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm SR ở 100% tải........................................... - 97 - Hình 4.17 Công suất động cơ tại 70% độ mở bướm ga .............................................................. - 99 - Hình 4.18 Suất tiêu hao nhiên liệu tại 70% độ mở bướm ga........................................................ - 99 - Hình 4.19 Diễn biến các thành phần phát thải tại 70% bướm ga ............................................... - 100 - Hình 4.20 Công suất động cơ tại vị trí bướm ga mở hoàn toàn ................................................. - 101 - Hình 4.21 Suất tiêu hao nhiên liệu tại vị trí bướm ga mở hoàn toàn.......................................... - 102 - Hình 4.22 Diễn biến các thành phần phát thải tại 100% bướm ga ............................................. - 103 - xii
MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài 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. 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 hydro hoặc khí giàu hydro vào động cơ. Hydro 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. Tuy nhiên, hydro có nhược điểm lớn so với nhiên liệu truyền thống là tồn tại ở dạng khí và có tỷ trọng rất thấp nên việc tích trữ, bảo quản và vận chuyển khí này để đủ cung cấp liên tục cho động cơ trên các phương tiện vận tải gặp khá nhiều khó khăn và tốn kém. Chính vì vậy, việc nghiên cứu tạo ra và cung cấp khí hydro hoặc khí giàu hydro cho động cơ ở ngay trên động cơ để cải thiện quá trình cháy, nâng cao hiệu suất và giảm phát thải cho động cơ sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Công nghệ này sẽ khắc phục được các khó khăn về tích trữ, bảo quản và vận chuyển nói trên. Đây cũng chính là lý do của việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hyddro trên động cơ để cải thiện tính năng và phát thải”. ii. Mục đích nghiên cứu Đưa ra và phát triển được giải pháp công nghệ thích hợp để tạo khí giàu hydro trên động cơ xăng đảm bảo tỷ suất và hiệu suất tạo hydro cao nhất, phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ. Đánh giá được tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ được bổ sung khí giàu hydro tạo ra trên động cơ. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng tạo khí giàu hydro -1-
trong bộ xúc tác (BXT) và thiết kế chế tạo BXT tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hydro trên động cơ xe máy Honda Wave- và đánh giá tính năng của động cơ sử dụng khí giàu hydro này. Việc nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực (CKĐL), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. iv. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể là: Phần nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các phương pháp tạo khí giàu hydro trên động cơ và mô hình hóa tính toán quá trình tạo khí giàu hydro trong BXT tận dụng nhiệt khí thải nhằm xác định được các phương pháp tạo khí giàu hydro phù hợp và các thông số làm việc tối ưu của BXT ở các chế độ làm việc của động cơ. Phần nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán lý thuyết quá trình tạo khí giàu hydro và đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ được bổ sung khí giàu hydro tạo ra trên động cơ. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Luận án đã phân tích và lựa chọn phương án tạo khí giàu hydro từ nhiên liệu xăng qua quá trình biến đổi nhiệt hóa với sự hỗ trợ của chất xúc tác. Đã xây dựng được mô hình mô phỏng và tính toán các thông số làm việc của bộ xúc tác làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo bộ xúc tác nhiệt hóa tận dụng nhiệt khí thải cho động cơ xe máy Wave – α. Kết quả thử nghiệm bộ xúc tác cho thấy những cải thiện đáng kể về tính năng làm việc và phát thải của động cơ. Đồng thời luận án đã giải quyết được khó khăn vè tích trữ và cung cấp khí giàu hydro cho động cơ bằng cách tạo ra hydro ngay trên phương tiện. vi. Điểm mới của luận án Luận án đã xây dựng thành công mô hình tính toán quá trình tạo khí giàu hydro từ nhiên liệu xăng bằng phương pháp biến đổi nhiệt hóa tận dụng nhiệt khí thải động cơ. Từ đó tính toán được tỷ lệ nước/nhiên liệu cấp vào bộ xúc tác cho hiệu suất tạo khí giàu hydro cao. Đã thiết kế, chế tạo lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống cung cấp khí giàu hydro sử dụng bộ xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước cho động cơ xe máy Wave – α. Kết quả đã cải thiện đáng kể tính năng và phát thải của động cơ ở 70% tải và 100% tải. vii. Nội dung của luận án Mở đầu Chương1. Tổng quan Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng Chương 3. Tính toán sự tạo khí giàu hydro trong bộ xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng tận dụng nhiệt khí thải trên động cơ Honda Wave- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận chung và phương hướng phát triển -2-
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong 1.1.1 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), hydrocacbon (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 [40]. 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 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), carbuahydro (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 v.v... Ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn toàn của nhiên liệu Hydrocacbon 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. -3-
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 [5]. Hàm lượng 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 Hydrocacbon 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 Hydrocacbon 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 
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 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 pháp xử lý xúc tác trung hòa khí thải. Ở phương pháp này, các thành phần độc hại CO, HC được ô xi hóa tiếp trong các bộ xử lý xúc tác ô xi hóa; còn NOx được chuyển thành N2 trong bộ xủa lý xúc tác giảm NOx hoặc việc ô xi hóa CO, HC, và giảm NOx được thực hiện đồng thời trong cùng một bộ xử lý xúc tác 3 chức năng trên động cơ xăng; khói bụi thì được xử lý trong các bộ xử lý xúc tác đặc biệt. Việc xử lý xúc tác khí thải cho phép giảm đến trên 95% hàm lượng các thành phần độc hại [81]. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý xúc tác này chỉ đạt được ở chế độ làm việc ổn định của động cơ khi bộ xử lý xúc tác đã nóng hoàn toàn. Ở chế độ khởi động lạnh, chạy ấm máy, chạy không tải và chế độ chuyển tiếp, hiệu quả của bộ xủa lý xúc tác rất thấp làm tăng lượng phát thải độc hại vào môi trường. Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu (pha phụ gia cải thiện nhiên liệu) và sử dụng nhiên liệu thay thế. Hiện nay, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trên các động cơ hiện hành ngày càng được quan tâm nhằm mục đích vừa để bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt do nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và vừa để giảm phát thải cho động cơ. Do đó, yêu cầu đối với nhiên liệu thay thế là phải có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có khả năng cháy tốt, cháy kiệt và có nồng độ phát thải độc trong khí thải thấp. Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành hai nhóm, nhóm nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch và nhóm có nguồn gốc tái tạo. Nhóm nhiên liệu thay thế có nguồn gốc hóa thạch có thể gồm khí thiên nhiên (khí thiên nhiên nén CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), dimethyl ether (DME) và một số khí khác. Các loại khí này có tỷ lệ các bon (C/H) nhỏ nên sản vật cháy chứa ít thành phần độc hại CO, HC và CO2 hơn so với khí thải của xăng và diesel [6, 11]. Nhóm nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo có thể gồm khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio-methanol), hydro, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME – Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa (HVO – Hydrotreating Vegetable Oil) và sinh khối hóa lỏng (BTL – Bio-mass To Liquid). Các nhiên liệu tái tạo có ưu điểm nổi bật là có thể nuôi trồng chế biến được nên không bao giờ cạn, mặt khác các nhiên liệu này cũng có hàm lượng C nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng và diesel và đặc biệt là khí hydro không chứa C nên phát thải độc hại thấp hơn. Trong các loại nhiên liệu thay thế, khí hydro (H2) là loại khí có nhiệt trị khối lượng cao và khi cháy không gây phát thải các thành phần độc hại HC và CO như các loại nhiên liệu gốc hóa thạch, mặt khác, hydro có trữ lượng gần như vô tận trong thiên nhiên nên hiện nay được coi là nhiên liệu của tương lai và là nhiên liệu thay thế rất tiềm năng cho động cơ đốt trong [37]. -5-
1.2 Nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong 1.2.1 Tính chất của khí hydro Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ và tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác. Hydro 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 hydro so với khí mê tan và xăng được chỉ ra trong Bảng 1.1 [37, 98]. Hydro 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]. Hydro 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 hydro 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 hydro 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 hydro 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 [12,37,44, 98]. a) Tỷ trọng Số liệu trong bảng cho thấy hydro 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, hydro có khối lượng phân tử là 2,016 và là nguyên tố nhẹ nhất; tỉ trọng của nó nhỏ hơn 14 lần so với không khí ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn. Hydro tồn tại ở dạng lỏng tại nhiệt độ dưới 20,3K. Tỷ trọng của hydro nhỏ sẽ làm giảm mật độ năng lượng của nhiên liệu này. b) Hệ số khuếch tán Hydro 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 hydro 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 [44]. c) Nhiệt trị và năng lượng cháy trong động cơ Hydro có nhiệt trị khối lượng cao nhất so với tất cả các loại nhiên liệu khác của động cơ. Nhiệt trị của hydro là 119,7 MJ/kg gấp gần ba lần so với xăng. Tuy nhiên, do tỷ trọng -6-
của hydro 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 hydro 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 hydro 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 hydro sẽ có công suất lớn hơn. Bảng 1.1 Một số tính chất của hydro, mê-tan, xăng [37, 98] Tính chất Hydro Mê-tan Hơi xăng Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 300 K (kg/m3) 0,082 0,717 5,11 Hệ số khuyếch tán vào không khí (cm2/s) 0.61 0.189 0.05 Giá trị nhiệt trị thấp (MJ/kg) 119,7 45,8 44,79 Mật độ năng lượng (kJ/m3) - Ở áp suất 1 atm, 15oC 10.050 32.560 228.495 - Ở áp suất 200 atm, 15oC 1.825.000 6.860.000 - - Ở trạng thái lỏng 8.491.000 20.920.400 31.150.000 Thành phần thể tích trong hỗn hợp 29,53 9,48 1,65 stoichiometric với không khí (% thể tích) Tỷ lệ khối lượng không khí/nhiên liệu của 34,5 17,2 14,8 hỗn hợp stoichiometric Lượng không khí lý thuyết (kg/kg nhiên liệu) 34,5 14,5 14,7 Nhiệt cháy của hỗn hợp nhiên liệu với 1 kg 3,37 2,9 2,83 không khí ở stoichiometric (MJ/kg không khí) Giới hạn cháy (lambda) 0,14-10 0,6-2,5 0,25-1,4 Giới hạn cháy (% thể tích hơi `nhiên liệu) 4-75 4,3-15,0 1,4-7,6 Năng lượng đánh lửa tối thiểu yêu cầu (MJ) 0,02 0,28 0,25 Tốc độ màng lửa (m/s) 3,2-4,4 0,83 0,41 Trị số ốc tan >130 110-120 90-100 Nhiệt độ tự cháy (K) 858 813 500-700 Khoảng cách dập tắt màng lửa (mm) 0,64 2,03 2,0 d) 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. Hydro có phạm vi cháy rất rộng, -7-
nằm giữa 4% đến 75% thể tích hydro có trong hỗn hợp nhiên liệu-không khí (tương đương =1,4  10), trong khi đó khí thiên nhiên có phạm vi cháy từ 5,3% - 15% (=0,6  2,5) và xăng 2% - 6% (=0,25  1,4), tức là hydro có thể làm việc được với hoà khí rất nghèo. Giới hạn cháy của hydro một số nhiên liệu khác được thể hiện trên Hình 1.1. Hình 1.1. Giới hạn cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [44] 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 hydro 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. e) Năng lượng tia lửa yêu cầu Năng lượng đánh lửa yêu cầu để đốt cháy nhiên liệu hydro thấp hơn nhiều so với năng lượng đánh lửa yêu cầu để đốt cháy khí mê tan và xăng (Bảng 1.2) nên ưu điểm của động cơ hydro 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 xy- lanh 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 hydro 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 hydro. g) Tốc độ cháy Hydro có tốc độ cháy cao, tốc độ lan tràn màng lửa của hydro nhanh hơn so với xăng. Khi λ=1 thì tốc độ cháy của hỗn hợp (không khí và hydro) 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 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 hydro ít nhạy với sự thay đổi hình dạng của buồng -8-