Đề tài “Ứng dụng nhiên liệu hydrogen lên động cơ xăng”

là nội dung em chọn để nghiên cứu và làm luận văn tốt nghiệp sau 4,5 năm theo học chuyên ngành Cơ khí ô tô tại Viện Cơ khí – Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh.
Để hoàn thành quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này, ngoài sự nổ lực học hỏi của bản thân còn có sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô, cô chú, anh chị đang công tác tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thành Sa – Trưởng Bộ môn Cơ khí ô tô tại Viện Cơ khí – Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, người đã trực tiếp hướng dẫn cho em trong suốt thời gian làm bài nghiên cứu này. Mặc dù thầy bận công tác nhưng không ngần ngại chỉ dẫn em, định hướng đi cho em, để em hoàn thành tốt nhiệm vụ. Một lần nữa em chân thành cảm ơn thầy và chúc thầy thật dồi dào sức khoẻ.
Nhân dịp này, em cũng xin cảm ơn sâu sắc đến Quý Thầy/Cô thuộc Viện Cơ khí
- Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đở, hướng dẫn, truyền bá cho em những kiến thức chuyên ngành để em hiểu và có thể ra trường làm việc trong lĩnh vực mà mình đã học. Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trường, các thầy cô, cô chú, anh chị đang công tác tại trường, đã tạo điều kiện và giúp đở em rất nhiều trong thời gian học tập và em chúc cho trường mình ngày càng một phát triển.
Cuối cùng, em xin cảm ơn những người thân, bạn bè đã luôn bên em, động viên em hoàn thành khóa học và bài luận văn này.
Trân trọng cảm ơn.
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong các năm qua, khí phát thải từ động cơ đốt trong được xem là một trong các tác nhân chính gây nên sự thay đổi khí hậu trái đất và sức khỏe con người. Ngoài ra, sự gia tăng nhanh về việc sử dụng động cơ đốt trong đang kiến cho mức tiêu thụ hóa thạch truyền thống ngày càng tăng cao gây nguy cơ cạn kiệt. Do đó, cần phải có các giải pháp cấp bách để khắc phục vấn những 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 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.
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 hydrogen hoặc khí giàu hydrogen vào động cơ. Hydrogen có đặc điểm khuếch tán nhanh, dễ bắt cháy và cháy nhanh nên khi được cháy trong hỗn hợp với nhiên liệu hóa thạch truyền thống trong buồng đốt 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. Bố cục của bài luận văn này gồm 5 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Các phương pháp sản xuất hydro
Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu hydrogen và phương pháp điều khiển quá trình hoạt động của động cơ xăng.
Chương 4: Thí nghiệm và đánh giá ứng dụng khí hydrogen lên động cơ xăng
Chương 5: Kết luận
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................................ 1
1.1. Vấn đề khí thái độc hại phát thải từ động cơ xăng.................................... 1
1.1.1. Đặc điểm khí thải độc hại phát thải từ động cơ xăng ................................ 1
1.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại ....................................................... 5
1.2. Nhiên liệu Hidro cho động cơ xăng ......................................................... 7
1.2.1. Khái niệm về hidrogen ............................................................................. 7
1.2.2. Tính chất của hidrogen ............................................................................. 8
1.2.3. Động cơ xăng dùng đơn nhiên liệu hydro ............................................... 13
1.2.4. Động cơ xăng bổ sung hydro.................................................................. 21
1.2.5. Động cơ đốt trong bổ sung khí giàu hydro.............................................. 27
1.2.6. Kết luận về sử dụng hydro và khí giàu hydro lên động cơ xăng.............. 30
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT HYDRO ..................................... 32
2.1. Giới thiệu chung .................................................................................... 32
2.2. Phương pháp khí hóa sinh khối .............................................................. 32
2.3. Phương pháp biến đổi nhiệt hóa cồn hoặc nhiên liệu hidrocarbons ........ 32

2.3.1 Phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước (SR) ................ 34
2.3.2 Phương pháp Oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu (PO) ......................... 38
2.3.3 Phương pháp biến đổi hóa nhiên liệu cacbuahydro với CO2 (CR) ........... 40
2.3.4 Phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước kết hợp với oxi hóa không hoàn toàn (ART) ........

Hình 2.4: 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 [1] ........................................................................... 42
Hình 2.5: Các công nghệ chính cho quá trình điện phân nước [1] .............................. 43
Hình 2.6: Mô hình thiết bị điện phân nước kiềm ........................................................ 52
Hình 2.7: Các chi tiết của máy điện phân nước kiềm.................................................. 53
Hình 2.8: Tấm đế máy điện phân nước kiềm.............................................................. 54
Hình 2.9: Tấm điện cực máy điện phân nước kiềm .................................................... 55
Hình 2.10: Tấm gioăng máy điện phân nước kiềm ..................................................... 57
Hình 2.11: Chất xúc tác NaOH .................................................................................. 58
Hình 2.12: Sơ đồ hoạt động của máy điện phân ......................................................... 59
Hình 2.13: Bản vẽ kỹ thuật máy điện phân................................................................. 60
Hình 3.1: Mô hình bố trí Máy điện phân và cung cấp HHO vào đường ống nạp 62
Hình 3.2: Vị trí lắp đặt lỗ bổ sung HHO tại cổ hút động cơ ........................................ 63
Hình 3.3: Vị trí lắp đặt cảm biến tốc độ động cơ ........................................................ 64
Hình 3.4: Vị trí lắp đặt lỗ bổ sung HHO tại cổ hút động cơ ........................................ 65
Hình 3.5: Kết cấu van giảm áp ................................................................................... 66
Hình 3.6: Van điện tử ................................................................................................ 66
Hình 3.7: Vòi phun khí HHO ..................................................................................... 67
Hình 3.8: Bộ EHC điều khiển hệ thống nhiên liệu phun khí HHO.............................. 68
Hình 4.1 Kết cấu băng thử phanh thủy lực (Didacta T101D)......................................71
Hình 4.2: Hệ thống đo suất tiêu thụ nhiên liệu AVL-733S ......................................... 71
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống AVL-733S .................................. 72
Hình 4.4: Tủ phân tích khí xả CEBII.......................................................................... 73
Hình 4.5: Khung mô hình lắp đặt hệ thống thí nghiệm ............................................... 74
Hình 4.6: Khung mô hình 3D ..................................................................................... 74
Hình 4.7: Bố trí mô hình thí nghiệm .......................................................................... 75
Hình 4.8: Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................................ 77
Hình 4.9: Thời gian sản sinh HHO phụ thuộc vào lượng NaOH ................................. 78
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Một số tính chất của hydro, mê-tan, và hơi xăng [1]. ................................... 8
Bảng 4.1: Quy trình thí nghiệm động cơ xe máy trên băng thử DIDACTA...................70
Bảng 4.2: Thí nghiệm lưu lượng khí HHO sản sinh khi thay đổi giá trị U .................. 77
Bảng 4.3: Thí nghiệm lưu lượng khí HHO sản sinh khi thay đổi giá trị NaOH ........... 78
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Vấn đề khí thái độc hại phát thải từ động cơ xăng
1.1.1. Đặc điểm khí thải độc hại phát thải từ động cơ xăng
Hỗ hợp hydrocacbon với không khí nếu cháy ở điều kiện lý tưởng thì sản phẩm của nó là những chất không độc như CO và hơi nước. Trong trường hợp này, việc oxy hóa cacbon và hydro của nhiên liệu xãy ra theo phản ứng hóa học sau:
Trong đó: Q là nhiệt lượng tạo ra trong quá trình cháy.
Tuy nhiên, trong thực tế việc đồng nhất hỗn hợp ở điều kiện lý tưởng và duy trình động cơ làm việc trong điều kiện lý tưởng này sẽ không rất khó xãy ra. Hơn nữa, tính chất lý hóa luôn xãy ra phức tạp trong quá trình cháy của động cơ. Vì vậy, trong các sản phẩm cháy luôn có thêm một số hàm lượng chất độc hại như các hydrocacbon chưa cháy (HC), oxyde nitơ (NO, NO2, N2O, nói chung là NOx), ô xít lưu huỳnh (SO2), monoxyde cacbon (CO), khói đen và các chất thải dạng hạt khác, đặc biệt là bồ hóng [1]. Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào một số tạp có trong nhiên liệu như lưu huỳnh (S) và hỗn hợp các chất phụ gia khác. Thông thường, trong xăng thương mại có khoảng 500mg/kg Lưu huỳnh (theo báo cáo của Công ty Saigon Petro). Trong quá trình cháy lưu huỳnh tác dụng với oxi tạo thành SO2, sau đó một phần SO2 bị ô xi hóa thành SO3, chất này có thể tác dụng với hơi nước để tạo thành H2SO4 [1]. Thêm nữa, quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ rất cao (vào khoảng 1800 – 2000oC) trong môi trường có ô xy và ni tơ nên sẽ sinh ra chất độc hại NOx trong khí thải. Sau khi cháy, những chất này có khối lượng và thể tích cực bé, vì vậy nó sẽ lơ lửng trong bầu khí quyển,....

1.1.1.1. Khí thải trên đường ống xả động cơ
Khí phát thải trên đường ống xả đó là các khí độc phát sinh trong quá trình cháy nhiên liệu trong buồng đốt và thải ra ngoài bằng đường ống xả. Ngoài ra, trong hỗn hợp này có thêm một lượng nhiên liệu chưa được cháy. Khí phát thải bao gồm thành phần chính là hơi nước và Nitơ (N2) chúng chiếm tổng khoảng 84%, các khí còn lại là cacbonnic (CO2), ô xít cacbon (CO), carbuahydro (HC), H2SO4, các loại ô xít ni tơ (NOx) và một lượng nhiên liệu chưa cháy hết HC.
1.1.1.2. Khí rò lọt của động cơ
Khí rò lọt chú yếu là các khí rò rỉ ra ngoài ở các khe hở gữa pittong và xylanh động cơ. Các khí này chủ yếu là Oxi (O2) và Nito (N2) hai khí này chiếm khoảng 89%, phần còn lại là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng nhỏ CO và NOx.
1.1.1.3. Khí bay hơi
Nguyên nhân gây ô nhiễm cuối cùng là các khí bay hơi, khí bay hơi ở đây gồm chủ yếu là hơi xăng (HC) bị bay hơi do sự rò rỉ từ các thiết bị chứa nhiên liệu, đường ống dẫn nhiên liệu...
Trong ba nguồn này, nguồn gây ô nhiễm chính là nguồn phát thải khí từ đường ống xả của động cơ với các thành phần độc hại HC, CO, NOx, khói đen và bồ hóng. Đối với nguồn khí rò lọt và khí bay hơi, thành phần độc hại chủ yếu là HC chiếm tỉ lệ vô cùng nhỏ trong tổng phát thải lượng khí HC của động cơ, việc khắc phục với nguồn này phụ thuộc vào thiết bị, máy móc của động cơ... Vì vậy, hai dạng nguồn này không được quan tâm nhiều từ các nhà nghiên cứu. Thay vào đó, để giảm lượng phát thải khí độc của động cơ sẽ được tập trung nghiên cứu vào phần khí thải trên đường ống xả.
1.1.1.4. Ảnh hướng đến hệ số dư không khí a
Nồng độ của các thành phần trong khí phát thải thay đổi rất nhiều tuỳ thuộc rất lớn đến kiểu loại động cơ, cơ chế vận hành và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện làm việc, tải của động cơ[5]. Trong thực tế, động cơ khi làm việc, lượng không khí cung cấp để đốt cháy nhiên liệu có thể là thiếu, vừa đủ hoặc có dư, để dánh giá vấn đề này ta đề cập
đến khái niệm hệ số dư không khí a [6].
Trong đó:
a: là hệ số dư không khí
L: Lượng không khí thực tế để đốt cháy 1kg nhiên liệu (kg)
L0: Lượng không khí lý tưởng để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu (kg)
Khi L = L0 ta có a = 1, hỗn hợp nhiên liệu – không khí được gọi là hỗn hợp lý

tưởng (tiêu chuẩn). Nghĩa là nhiên liệu có đủ oxi để cháy hoàn toàn.
Khi L > L0 ta có a > 1, hỗn hợp nhiên liệu – không khí được gọi là hỗn hợp loãng
(hỗn hợp nghèo).
Khi L < L0 ta có a < 1, hỗn hợp nhiên liệu – không khí được gọi là hỗn hợp đậm
(hỗn hợp giàu).
Nồng độ thành phần khí cháy phụ thuộc rất nhiều đến hệ số dư không khí a.
Nồng độ khí thải CO tăng lên khi hệ số dư lượng không khí a giảm. Nồng độ khí thải CO cao hơn với hỗn hợp giàu nhiên liệu hơn[1]. Không khí và nhiên liệu được hòa trộn ở trạng thái hơi khi bắt đầu cấp vào động cơ để thực hiện quá trình cháy, nhưng có trường hợp sự hòa trộn này không đồng đều hoặc hỗn hợp nhiên liệu này không hoàn toàn ở trạng thái hơi sương. Do vậy, mặc dù hệ số lượng dư không khí a > 1 những vẫn có một số khu vực trong xy buồng đốt thiếu hụt không khí, dẫn đến sự hình thành của CO[1].
Chất thải chưa cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra. Trong điều kiện nhiên liệu nghèo a > 1, sẽ có những trường hợp nhiêu liệu bỏ lửa (nhiên liệu không được đốt cháy) và lúc đó lượng nhiên liệu này được thải ra đường ống xả. Ngoài ra, trong quá trình nén giữa pitong và xylanh có khe hở, một phần khí nén này được lọt ra ngoài. Màng dầu bôi trơn cũng là một trong những nguyên nhân gây ra lượng lớn HC trong khí xả, màng dầu này hấp thụ HC trong quá trình nén của động cơ và thải HC trong quá trình cháy giản nở. Một phần HC này được oxy hóa hoàn toàn, và một phần còn lại cũng được thải ra ngoài qua ống xả động cơ. Quá trình đóng muộn của xutpac thải cũng gây ra phát thải lượng khí HC.

Mức độ ôxy hóa lượng HC phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ như mật độ hòa khí giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ trục khủy của động cơ, chế độ tải, góc đánh lửa sớm... Sự đánh lửa muộn giúp oxy hoá hoàn toàn lượng HC sau quá trình cháy của động cơ. Nguồn phát sinh khác của lượng HC là do sự cháy không hoàn toàn phụ thuộc vào các chu kỳ vận hành hoạt động của động cơ (hiện tượng bỏ lửa hoặc đốt cháy từng phần) điều kiện này xảy ra khi hiện tượng đốt cháy hòa khí không tốt. Hàm lượng phát thải HC có trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ hòa khí giữa không khí và nhiên liệu. Nồng độ của chúng sẽ tăng khi hỗn hợp nhiên liệu cháy giàu hơn, đặc biệt là với trường hợp khi có hệ số dư không khí a < 1.
Các chất đioxit nitơ NO2, oxit nitơ NO, và protoxit nitơ N2O được gọi chung là NOx trong đó lượng phát thải NO chiếm đa phần trên 80%[1]. Phát thải NOx thông thường được hình thành ở điều kiện nhiệt độ cuối kỳ cháy cao. Trong buồng cháy của động cơ đốt trong, với điều kiện có áp suất cao, độ dày màng lửa nhỏ và không đáng kể và đặc biệt nó tồn tại trong thời gian rất ngắn. Vì vậy, lượng phát thải khí thải NOx

...

Hình 1.1: Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí
Trên Hình 1.1 biển thiên nồng độ NOx, CO và HC trong khí thải theo hệ số dư lượng không khí a. Động cơ đốt trong thường làm việc tốt nhất khi có hệ số lượng dư không khí a = 1. Dựa vào đồ thị này thì động cơ khi làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số lượng dư không khí a > 1) thì mức độ phát sinh ra khí phát thải độc hại là thấp nhất. Tuy nhiên đồ thị cũng cho thấy rằng, nếu mức độ hỗn hợp nhiên liệu quá nghèo thì tốc độ cháy thấp nhiều lúc nó xãy ra tình trạng bỏ lửa của động cơ và đó là nguyên nhân làm gia tăng nồng độ HC, hiện tượng bỏ lửa sẽ làm cho động cơ hoạt động không đều và nhiều lúc không họat động được. Nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy cũng là một trong những nguyên nhân rất quan trọng, nó ảnh hướng rất nhiều đến sự hình thành các khí phát thải độc hại, bởi vì nó ảnh hướng một cách trực tiếp cũng như ảnh hưởng giản tiếp đến sự tạo thành các chất ô nhiễm trong khí xả[1].
1.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại
Việc nghiên cứu áp dụng những biện pháp để giảm lượng phát thải của động cơ tốt nhất đã được các nhà nghiên cứu quan tâm từ rất lâu. Nhìn chung, các biện phát tốt nhất để giảm khí phát thải cho động đốt trong hiện nay thường được chia thành ba nhóm như sau[5].
Nhóm thứ nhất là các biện pháp làm giảm xuống các nồng độ độc hại của khí thải từ động cơ xuống mức thấp nhất có thể bằng việc tối ưu hóa chất lượng tạo hỗn hợp nhiên liệu và đảm bảo việc đốt cháy hết nhiên nhiên liệu thông qua việc tối ưu các chi tiết có trong kết cấu động cơ. Các biện pháp này đã được các hãng, công ty quan tâm và nghiên cứu ứng dụng. Nhóm này được nghiên cứu như cải tiến một số hệ thống như hệ thống phun nhiên liệu, nghiên cứu áp dụng hệ thống điều khiển phun xăng điện tử, sử dụng các cảm biến để do lượng khí nạp, hàm lượng oxy trong khí thải, điều kiện vận hành của động cơ để điều chỉnh chính xác tỉ lệ hòa khí a = 1 và thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp nhất cho động cơ xăng như đánh lửa theo máy hay đánh lửa đồng thời, tối ưu kết cấu buồng cháy, sử dụng công nghệ luân hồi khí xả, sử dụng tubo tăng áp để tối ưu việc nạp nhiên liệu và một số công nghệ khác. Nhìn chung, hiện tại các hãng xe đã nghiên cứu các động cơ một cách tối ưu nhất. Nhưng thực tế cũng đã cho thấy việc khí thải phát sinh đang là một vẫn đề nan giải khi càng ngày việc áp dụng chuẩn khí thải ngày càng phức tạp của nhà nước hiện hành, ở Việt Nam đang áp dụng chuẩn khí thải Euro 4, các nước phát triển khác thì áp dụng chuẩn khí thải Euro 5, Euro 6...

Nhóm thứ hai xứ lý khí thải độc hại thành các thành phần khí thải không độc hại khi thải trực tiếp ra mô trường. Để xứ lý khí thải độc này, các nhà khoa học, Công ty áp dụng phương pháp xứ lý xúc tác để thay đổi thành phần hóa học của các khí độc. Ở phương pháp này, các thành phần độc hại CO, HC được oxi hóa tiếp trong bộ xứ lý xúc tác, còn NOx được chuyển thành N2 giảm NOx hoặc việc oxy hóa CO, HC và giảm NOx được xứ lý chung trong một bộ xứ lý xúc tác ba chức năng trên động cơ xăng[1]. Khỏi bụi, muội than, bò hóng thì được xứ lý trong bộ xứ lý xúc tác đặc biệt. Ứng dụng bộ xúc tác vào đường ống xả cho phép giảm được lượng khí thải độc hại đến 95%[7]. Tuy nhiên, hiệu quả của việc xúc tác thì ảnh hướng rất nhiều đến công suất vận hành, chế độ làm việc của động cơ. Bộ xứ lý xúc tác này làm việc hiệu quả nhất khi làm việc ở chế độ nóng hoàn toàn. Vì vậy,ở chế độ khởi động lạnh, chạy hâm nóng động cơ, chạy không tải hay chế độ chuyển tiếp thì hiệu quả của bộ xứ lý xúc tác rất thấp, nên trong cơ chế này thì nó làm tăng lượng khí thải độc vào môi trường sống.
Nhóm thứ ba là bao gồm các hình thức sử dụng nhiên liệu (tăng giảm chất phụ gia, thành phần nhiên liệu...) và sử dụng nhiên liệu thay thế. Hiện này, việc sử dụng nhiên

liệu thay thế đang được quan tâm. Việc sử dụng nhiên liệu thay thể nhằm hai mục đích lớn là nhằm tìm thay thế lượng nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và thứ hai là tìm lượng nhiên liệu bền vững có thành phần hóa học mà sau sản phẩm cháy lượng khí phát thải độc nhỏ hoặc không gây ô nhiễm môi trường. Do đó, yêu cầu của loại nhiên liệu này phải có lượng tích trữ lớn, cháy tốt, lượng phát thải khí độc nhỏ và dễ kiếm soát.

Nguồn nhiên liệu này được chia thành hai nhóm chính là: nhóm nhiên liệu có nguồn gốc nhiên liệu hóa thạch và nhóm có nguồn gốc cải tạo. Nhóm nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch có thể là khí thiên nhiên (Khí thiên nhiên nén CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG), khí dầu mỏ hóa lỏng (LGP), dimethyl ether (DME) và một số loại khác[1]. Các khí này có tỉ lệ (C/H) nhỏ nên sản phẩm cháy chứa ít thành phần độc hại như CO, HC và CO2... so với xăng[8]. Nhóm nhiên liệu có nguồn gốc cải tạo như khí sinh học biogas, methanol sinh học, ethanol sinh học, dầu thực vật, mỡ động vật, hỗn hợp khí hidrogen (hidro và oxy), các khí này có ưu điểm là có thể sản xuất trong việc nuôi trồng, chế biển nên sẽ không bao giờ cạn kiệt. Mặt khác, nhiên liệu này có hàm lượng cacbon rất nhỏ nên phát thải khí độc thấp.

Trong các loại nhiên liệu để thay thể này, hidrogen là loại khí có nhiệt trị khối lượng cao, dễ cháy và khi cháy chỉ sinh ra hơi nước nên nó không phát ra các thành phần độc hại như các loại nhiên liệu hóa thạch khác. Có nhiều phương phát để sản xuất hidro như điện phân, biến đổi hóa sinh khối, biến đổi nhiệt hóa cồn... hydro có trong nước và như vậy nó có lượng trữ gần như là vô tận trong thiên nhiên nên hiện nay nó được xem là loại nhiên liệu trong tương lai.

1.2. Nhiên liệu Hidro cho động cơ xăng

1.2.1. Khái niệm về hidrogen

Hidrogen (HHO) là loại khí đa dạng, cháy tốt, có lượng tích trữ cao rất thân thiện với môi trường. Hydrogen từ lâu đã được xem là loại nhiên liệu mong muốn cho động cơ đốt trong (ĐCĐT). Khác với các nhiên liệu khác, thì sản phẩm cháy của hidrogen chỉ là hơi nước, không phát thải khí nhà kính. Việc điều chế hydro cũng không phức tạp, nó

có thể điều chế bằng phương pháp điện phân nước tạo thành hydro và oxy. Việc tạo hỗn hợp này có thể thực hiện bất cứ lúc nào.

1.2.2. Tính chất của hidrogen

Khí hdrogen (HHO) được gọi là oxy – hydro hoặc khí màu nâu. Về mặt hóa lý

HHO là hỗn hợp của hidro và oxy.

Khí HHO không độc hại, do đó rất an toàn trong công nghệ chế tạo. Khí HHO có thể cháy ở nhiệt độ rất cao. Trong không khí có thể cháy ở 240oC. Tuy nhiên, nó có thể cháy tạo ra nhiệt độ 6000oC, ở nhiệt độ này nó có thể cắt đứt các tấm kim loại cứng. Vì vậy, khí này có thể dùng làm nhiên liệu thay thế khí ga, khí gió đá trong công nghiệp cắt hàn kim loại bằng gió đá. Vì hidrogen là tổng hợp của hydro và oxy nên chúng ta có thể tìm hiểu tính chất của hydro so với mê tan và hơi xăng, từ đó lấy cơ sở để đánh giá.

Bảng 1. 1: Một số tính chất của hydro, mê-tan, và hơi xăng [1].

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

- Ở áp suất 200 atm, 15oC

- Ở trạng thái lỏng

10.050

1.825.000

8.491.000

32.560

6.860.000

20.920.400

228.495

-

31.150.000
Thành phần thể tích trong hỗn hợp

stoichiometric với không khí (% thể tích)
29,53
9,48
1,65
Tỷ lệ khối lượng không khí/nhiên liệu của

hỗn hợp stoichiometric
34,5
17,2
14,8
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

không khí ở stoichiometric (MJ/kg không khí)

3,37

2,9

2,83
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

Một số tính chất của hydro so với mê-tan và xăng đã được nêu ở bảng 1.1. Hydrogen có thể được dùng làm nhiên liệu cháy trong ĐCĐT hoặc có thể làm nhiên liệu bổ sung (trộn khí) trên động cơ xăng. Nhiên liệu này có những đặc tính đặc biệt như cháy nhanh, chống kích nổ tốt vì có trị số octan cao >130[1], vì vậy nó cho phép động cơ làm việc ở vận tốc cao. Tỷ số nén lớn nên làm tăng thêm công suất và hiệu suất của động cơ. Giới hạn thành phần hỗ hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng (a =0,14
÷10) nên động cơ làm việc được 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 động cơ xăng là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển động cơ chạy xăng sang động cơ chạy toàn hydro cấp vào đường ống nạp thì công suất của động cơ bị giảm nhiều. Các tính chất vật lý, tính chất cháy của hidrogen ảnh hướng trực tiếp đến khả năng sử dụng khí này làm nhiên...

t: thời gian điện phân (s)

Như vậy, theo giá điện Việt Nam, 1kW = 1,549 VNĐ. Ta tính được giá điện như sau:

Công suất tiêu thụ của thiết bị tính được = 40W

Giá điện = P.t.1549/1000 = (40.25.1549)/(1000.60) = 258 VNĐ. Lượng xăng tiết kiệm được: 0,1.21,000=2,100 VNĐ
4.3. Kết luận chương 4

Đã thiết kế và lắp đặt thành công hệ thống cung cấp khí hydrogen lên động cơ xăng. Do khí HHO bổ sung vào đường nạp nên lượng không khí đi vào trong xylanh sẽ giảm. Và lượng nhiên liệu ra khỏi buồng phao được quyết định bởi dòng khí nạp đi vào, nhưng do lượng không khí giảm xuống nên lượng nhiên liệu cũng giảm, vì vậy hệ số dư lượng không khí giảm.

Vì hydro có tốc độ cháy và nhiệt độ cháy rất cao, nên khi bổ sung hỗn hợp khí hydro và oxy vào đường nạp, thời gian cháy trễ sẽ giảm xuống, dẫn đến thời điểm bắt đầu quá trình cháy xảy ra sớm hơn, cháy kiệt hơn, hiện tượng cháy rớt giảm. Cộng với tốc độ cháy của hydro cao, sẽ dẫn đến tốc độ tăng áp suất trong xylanh lớn, công suất động cơ tăng lên, động cơ làm việc rung giật hơn. Khi đó, mô men động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu cũng sẽ được cải thiện. Và đặc biệt tiết kiệm được khoảng 30 % nhiên liệu.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

5.1. Kết luận chung

Trên cơ sở nghiên cứu và thực hiện đề tài Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu Hydrogen trên động cơ xăng. Một số kết qủa đạt được trong quá trình thực hiện như sau:

- Thiết kế được hệ thống cung cấp khí HHO vào động cơ xe máy.

- Tiến hành thử nghiệm các thông số kỹ thuật đối với động cơ được bổ

sung nhiên liệu khí HHO.

- So sánh đánh giá được các thông số kỹ thuật và phát thải của động cơ

có bổ sung khí HHO với động cơ khi không bổ sung khí HHO.

5.2. Hướng phát triển đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài đưa ra giải pháp cung cấp khí HHO cho động cơ đốt trong nhằm nâng cao tính ứng dụng của nhiên liệu thay thế và giảm phát thải độc hại gây ô nhiểm môi trường ở Việt Nam.

Tuy nhiên, đề tài chỉ dừng lại ở mức độ phòng thí nghiệm và đối tượng nghiên cứu chỉ dừng lại ở động cơ xe máy. Vậy để đề tài có ứng dụng được trong thực tế thì cần:

-Thu nhỏ kích thước hệ thống thiết bị để lắp đặt trên các phương tiên giao thông

một cách thuận tiện.

-Cần xây dựng hệ thống cung cấp khí HHO đảm bảo an toàn, chống cháy ngược ở góc trùng điệp do tốc độ cháy của hydro rất nhanh.

-Cần thử nghiệm và ứng dụng cho nhiều loại động cơ khác nhau để đánh giá đầy

đủ hơn, chính xác hơn các kết quả thu được.