tiểu luận môn điện tử ô tô tìm hiểu động cơ sử dụng nhiên liệu kép hydrogen xăng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT T.P HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ Ô TÔ




TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN
LIỆU KÉP HYDROGEN-XĂNG


GVHD : Th.S. Võ Xuân Thành
SVTH : Nguyễn Bùi Tính 10905075





TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12/2014
Bộ Giáo Dục và Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Khoa Cơ Khí Động Lực

NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP
HYDROGEN-XĂNG

GVHD: Th.S.Võ Xuân Thành
SVTH : Nguyễn Bùi Tính 10905075
I. NỘI DUNG
- Tìm hiểu nhiên liệu kép Hydrogen-Xăng
- Tìm hiểu động cơ sử dụng nhiện liệu kép Hydrogen-Xăng
- Tìm hiểu ưu điểm, hạn chế của động cơ sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen-Xăng
II. TRÌNH BÀY
 Thuyết minh đề tài: 1 cuốn báo cáo
 1 đĩa CD chứa nội dung “Tìm hiểu động cơ sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen-
Xăng”
III. Thời gian thực hiện
 Ngày bắt đầu: 01/10/2014
 Ngày hoàn thành: 31/12/2014

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ Ô TÔ Tp.HCM, ngày tháng năm 2014

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………

………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………

Tp.HCM, ngày tháng năm 2014
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………

Tp.HCM, ngày tháng năm 2014
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tiểu luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả quý thầy
cô khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong hơn
bốn năm học qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy trong xưởng điện và xưởng động cơ đã
giúp đỡ trong quá trình thực hiện tiểu luận.
Đặc biệt xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn Th.S. Võ Xuân Thành đã
tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện tiểu luận.
Cuối cùng là lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã động viên
giúp tôi hoàn thành tiểu luận được giao.
Trong quá trình thực hiện đề tài này, mặc dù tác giả đã có những cố gắng song
không thể tránh những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp, phê bình của quý
thầy cô và các bạn sinh viên
Một lần nửa xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn!

Người thực hiện

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU………………………………………………………….…………1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU……………………………………………….…………1
PHẦN NỘI DUNG……………………………………………………….…………5
CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ XĂNG…………………………………………….…… 5
1.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ xăng 4 kỳ kiểu piston………….……… 6
1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ xăng 2 kỳ kiểu piston….…….………… 8
1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ Wankel………………………….………10
CHƯƠNG 2: NHIÊN LIỆU HYDROGEN-XĂNG…………………… ……… 11
2.1. Xăng……………………………………………………………………… 11
2.2. Hydrogen……………………………………………………………………11
2.3. Hỗn hợp nhiên liệu Hydrogen-xăng……………………………………… 13
CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP HYDROGEN-XĂNG……… … 14
3.1. Hệ thống phân phối nhiên liệu…………………………………………… 15
3.1.1. Bộ chế hòa khí……………………………………………………… 15
3.1.2. Phun nhiên liệu trên đường ống nạp……………………………… 16
3.1.3. Phun nhiên liệu trực tiếp…………………………………………… 19
3.2. Các thông số quan trọng của động cơ Hydrogen-xăng…………………… 21
3.2.1. Momen xoắn………………………………………………………….21
3.2.2. Năng lượng phanh……………………………………… ………… 21
3.2.3. Tiêu thụ nhiên liệu……………………………… ………………….22
3.2.4. Hiệu suất nhiệt…………………………………………………… 23
3.2.5. Tốc độ sinh nhiệt…………………………………………………… 23
3.2.6. Tốc độ gia tăng áp suất……………………………………………….24
3.2.7. Áp suất nén……………………………………………………… …24

3.2.8. Nhiệt độ cháy hòa khí…………………………………………… 25
3.2.9. Nhiệt độ tại thời điểm supap thải mở…………………………………25
3.3. Khí thải động cơ sử dụng nhiên liệu kép Hydrogen-xăng………………… .26
3.4. An toàn của hệ thống nhiên liệu Hydrogen trên xe…………………………27
3.4.1. Loại bỏ các nguồn tia lửa điện……………………………………… 27
3.4.2. Hệ thống thông gió……………………………………………………28
3.4.3. Cảm biến Hydrogen…………… 28
3.4.4. Bình nước ngăn sự cháy trong ống nạp…………………………… 28
CHƯƠNG 4: ƯU ĐIỂM , HẠN CHẾ VÀ XU HƯƠNG PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ
HYDROGEN-XĂNG………………………………………………………………29
4.1. Ưu điểm…………………………………………………………………… 29
4.2. Hạn chế…………………………………………………………………… 29
4.3. Xu hướng phát triển…………………………………………………………29
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….31
2
PHẦN MỞ ĐẦU
GIỚI THIỆU
Trong thế giới hiện đại ngày nay, nơi các công nghệ mới liên tục được giới thiệu,
sử dụng năng lượng trong giao thông đang gia tăng nhanh chóng. Nhiên liệu hóa
thạch, đặc biệt là nhiên liệu xăng dầu, là nguyên nhân chính để sản xuất năng lượng
. Tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch đang dần tăng lên là kết quả của sự tăng trưởng dân số
cùng với những cải tiến trong các tiêu chuẩn sống. Điều đó có thể được nhìn thấy từ
hình 1 khi mà dân số thế giới đã tăng liên tục trong 5 thập kỷ qua, và xu hướng này
dự kiến sẽ tiếp tục. Như vậy, tổng mức tiêu thụ năng lượng đã tăng khoảng 36% trong
với 15 năm qua. Năng lượng tiêu thụ dự kiến sẽ tiếp tục tăng trong tương lai, khi dân
số thế giới dự kiến sẽ tăng thêm 2 tỷ người trong 30 năm tiếp theo. Những xu hướng
năng lượng có thể được nhìn thấy trong hình 2 . Nhu cầu năng lượng tăng đòi hỏi phải
gia tăng sản xuất nhiên liệu, do đó trữ lượng nhiên liệu hóa thạch hiện nay giảm với
tốc độ nhanh hơn. Ngoài ra, khoảng 60% trữ lượng dầu thế giới hiện nay là ở những
vùng trong bất ổn chính trị thường xuyên. Điều này đã dẫn đến biến động giá dầu và

sự gián đoạn nguồn cung.



Hình 1: Dân số thế giới 1950-2050
3


Nhanh chóng làm cạn kiệt nguồn dầu mỏ dự trữ và giảm chất lượng không khí
đặt ra câu hỏi về tương lai, cùng với nhận thức của thế giới để tích cực bảo vệ môi
trường thì việc tìm kiếm các giải pháp thay thế cho nhiên liệu xăng dầu đã và đang
được tiến hành. Nhiên liệu thay thế như CNG, HCNG, LPG, LNG, bio-diesel, khí
sinh học, hydrogen, ethanol, methanol, di-methyl ether, khí sản xuất đã được thử
nghiệm trên toàn thế giới. Nhiên liệu thay thế có nguồn gốc từ các nguồn khác ngoài
dầu khí. Lợi ích của các loại nhiên liệu này là chúng sinh ra các chất ô nhiễm môi
trường ít hơn so với xăng dầu và hầu hết trong số đó có nhiều khả thi về mặt kinh tế
so với xăng dầu và có thể tái tạo. Hình 3 cho thấy tỷ lệ phần trăm của các loại nhiên
liệu thay thế, sử dụng theo tổng mức tiêu thụ nhiên liệu ô tô trong thế giới như là một
cái nhìn tương lai.




Hình 2: Tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch 1983 – 2008



4

Hình 3: Tỷ lệ phần trăm của các loại nhiên liệu thay thế so với tổng mức tiêu thụ
nhiên liệu ô tô trên thế giới

Việc sử dụng hydro làm nhiên liệu trong tương lai cho động cơ đốt trong cũng
đang được xem xét. Tuy nhiên, còn một số trở ngại phải vượt qua trước khi thương
mại hóa hydro như một nhiên liệu động cơ cho ngành ô tô. Do đó, hỗn hợp Hydrogen-
xăng có thể được coi như một nhiên liệu ô tô mà không đòi hỏi những thay đổi lớn
trong các động cơ xăng, giúp tiết kiệm nhiên liệu, tăng hiệu suất động cơ đồng thời
giảm ô nhiễm môi trường.







5

PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ XĂNG




Động cơ dùng tia lửa để đốt cháy hỗn hợp hơi xăng và không khí. Hơi xăng được
hòa trộn với không khí trước khi đi vào xi lanh động cơ. Điều này tạo ra hỗn hợp khí-
xăng có khả năng cháy cao. Sau đó hỗn hợp không khí – hơi xăng được nén lại và bốc
cháy nhờ tia lửa điện ở bougie, tạo ra sự giãn nở nhiệt trong xi lanh sinh lực đẩy piston
đi xuống. Chuyển động tịnh tiến của piston được biến đổi thành chuyển động quay
của trục khuỷu nhờ vào cơ cấu trục khuỷu –thanh truyền.

6

1.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ xăng 4 kỳ kiểu piston


Hình 4: Nguyên lý làm việc của động cơ xăng 4 kỳ

Đối với động cơ 4 kỳ, để hoàn thành một chu trình công tác piston động cơ phải
thực hiện 4 hành trình tương ứng với các quá trình xảy ra trong xy lanh lần lượt: nạp,
nén, cháy giãn nở và thải. Trong đó công có ích chỉ do quá trình cháy giãn nở sinh ra.
1.1.1. Kỳ nạp
Là quá trình nạp hòa khí mới vào lòng xy lanh động cơ.
Vào đầu kỳ nạp, piston ở vị trí điểm chết trên. Toàn bộ thể tích buồng cháy chứa
đầy sản vật cháy do hành trình trước để lại với áp suất cao hơn áp suất khí trời, áp suất
này gọi là áp suất khí sót. Khi trục khuỷu quay theo chiều mũi tên, thông qua thanh
truyền làm cho piston dịch chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, cơ cấu
phân phối khí điều khiển supap nạp mở thông đường ống nạp với không gian trong
xy lanh.
Với chuyển động đi xuống của piston, độ chân không trong xy lanh hình thành
làm cho áp suất trong long xy lanh nhỏ hơn áp suất trên đường ống nạp. Mức độ chênh
lệch áp suất này khoảng 0,01-0,03 MPa, tạo nên quá trình nạp môi chất mới từ đường
ống nạp vào xy lanh.
1.1.2. Kỳ nén
7

Piston di chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, cơ cấu phân phối khí điều
khiển supap nạp và thải đóng lại, môi chất được nén trong xy lanh. Vào cuối quá trình
nạp, khi piston ở vị trị điểm chết dưới áp suất trong xy lanh còn nhỏ hơn áp suất trên
đường ống nạp. Tận dụng điều này, để hoàn thiện quá trình nạp, cơ cấu phân phối khí
điều khiển supap nạp đóng muộn sau khi piston qua khỏi điểm chết dưới. Việc đóng

muộn supap nạp như trên có tác dụng nạp thêm môi chất vào lòng xy lanh, điều này
có được là do tác dụng của động năng và sự chênh lệch áp suất của dòng môi chất đi
vào.
Sau khi supap nạp đóng, piston chuyển động lên phía điểm chết trên làm cho áp
suất và nhiệt độ môi chất trong xy lanh tăng dần. Gía trị áp suất cuối quá trình nén
phụ thuộc vào: tỉ số nén, độ kín khít của không gian chứa môi chất, mức độ tản nhiệt
của thành xy lanh và áp suất của môi chất đầu quá trình nén.
Để tạo điều kiện tốt cho môi chất cháy một cách kịp thời và nhiệt lượng sinh ra
được tận dụng triệt để thì việc đốt cháy hỗn hợp phải được thực hiện trước khi piston
tới điểm chết trên. Cụ thể, đối với động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện
thì bougie phải tạo ra lửa trước khi piston đến điểm chết trên.
1.1.3. Kỳ cháy – giãn nở
Vào kỳ này môi chất bị nén trong xy lanh ở cuối kỳ nén được bốc cháy với tốc
độ rất nhanh. Tốc độ gia tăng áp suất và nhiệt độ của môi chất rất cao, tạo áp lực sinh
công đẩy piston dịch chuyển về phía điểm chết dưới thực hiện quá trình giãn nở môi
chất trong xy lanh. Chính vì vậy kỳ này còn được gọi là kỳ sinh công, trong quá trình
này cả 2 supap nạp thải đều đóng.
1.1.4. Kỳ thải
Piston dịch chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên đẩy sản vật cháy ra khỏi
xy lanh động cơ qua supap thải đang mở. Do áp suất môi chất trong xy lanh vào cuối
kỳ giãn nở còn khá cao nên supap thải phải mở sớm trước khi piston xuống đến điểm
chết dưới khoảng 40 đến 60 độ tương ứng với góc quay trục khuỷu. Nhờ đó làm giảm
được lực cản đối với chuyển động của piston và tạo điều kiện tốt nhất cho sản vật
cháy thải sạch ra khỏi động cơ.
Khi kỳ này kết thúc thì động cơ đã thực hiện được một chu trình công tác, tiếp
theo nhờ quán tính quay của bánh đà giúp động cơ thực hiện chu trình công tác tiếp
theo. Chính vì vậy mà động cơ có thể làm việc liên tục.

8

 Nhận xét:
- Chu trình công tác được hoàn thành trong 4 hành trình của piston hay trong
2 vòng quay của trục khuỷu.
- Trong 4 kỳ thì chỉ có kỳ cháy giãn nở là kỳ sinh công, các kỳ còn lại thực
hiện được là nhờ quán tính quay của bánh đà và các chi tiết chuyển động
hoặc nhờ công của các xy lanh khác đối với động cơ nhiều xy lanh.
Đối với động cơ 4 kỳ, để nâng cao được công suất và hiệu suất của động cơ phải
bảo đảm được 2 điều sau: Thải càng sạch và nạp càng nhiều. Điều này được thực hiện
bằng cách phối hợp mở sớm và đóng muộn các supap nạp, supap thải hình thành nên
quy luật phối khí nhất định tùy thuộc vào từng loại động cơ.

1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ xăng 2 kỳ kiểu piston


Hình 5: Nguyên lý làm việc của động cơ xăng 2 kỳ

Trong động cơ 2 kỳ, để hoàn thành một chu trình công tác piston thực hiện hai
hành trình và trục khuỷu động cơ phải quay 1 vòng. Khác với động cơ 4 kỳ, trên động
cơ 2 kỳ quá trình thay đổi môi chất công tác được thực hiện khi piston ở lân cận điểm
9

chết trên, không có quá trình xả và nạp riêng biệt. Khi đó việc thải sản vật cháy ra
khỏi xy lanh động cơ được thực hiện nhờ hòa khí được nén trước tới một áp suất nhất
định, không nhờ vào sức đẩy cưỡng bức của piston như động cơ 4 kỳ. Chính vì điều
này đã làm cho quá trình thay đổi môi chất của động cơ 2 kỳ xảy ra tổn thất do môi
chất mới chưa tham gia vào quá trình cháy cùng với khí xả đi ra ngoài theo đường
ống thải.
Trên động cơ 2 kỳ, người ta dung máy nén khí đặt bên ngoài động cơ hoặc dung
không gian cacte kết hợp với cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền để làm bơm quét
khí.

1.2.1. Kỳ một
Tương ứng với hành trình piston từ điểm chết trên về điểm chết dưới. Sở dĩ
piston dịch chuyển được là do trong xy lanh vừa mới thực hiện quá trình cháy giãn nở
môi chất công tác, sinh công và tác dụng lên piston. Khi piston sắp mở cửa quét thì
cửa thải được mở trước, sản vật cháy có áp suất tương đối cao từ trong xy lanh thoát
ra ngoài qua ống thải, áp suất trong xy lanh giảm dần. Piston tiếp tục đi xuống để mở
cửa quét, khi áp suất trong xy lanh xấp xỉ và thấp hơn áp suất môi chất trong bơm quét
khí. Do môi chất mới qua cửa quét vào xy lanh, tiếp tục đẩy sản vật cháy ra ngoài qua
cửa xả nên quá trình này còn gọi là quá trình thay đổi môi chất trong xy lanh động cơ.
Như vậy ở kỳ này, trong xy lanh động cơ thực hiện các quá trình: cháy giãn nở,
của môi chất công tác, xả khí thải, quét và nạp đầy môi chất mới vào xy lanh động cơ.
1.2.2. Kỳ hai
Tương ứng với hành trình piston từ điểm chết dưới lên điểm chết trên. Vào đầu
kỳ 2 quá trình thay đổi môi chất vẫn tiếp tục thực hiện trong xy lanh. Đến khi cửa xả
và cửa quét đóng kín thì quá trình nén được bắt đầu, cửa quét có thể đóng đồng thời
hoặc sớm hơn so với cửa thải. Trước khi piston lên đến điểm chết trên khoảng 10 đến
30 độ tương ứng với góc quay trục khuỷu thì bougie bật tia lửa điện để đốt cháy hỗn
hợp.
Như vậy ở kỳ hai, trong xy lanh thực hiện các quá trình: kết thúc quá trình thải,
quét-nạp đầy môi chất mới vào xy lanh và thực hiện quá trình nén.
 Nhận xét:
- Chu trình công tác động cơ 2 kỳ được thực hiện trong 1 vòng quay trục
khủy và 2 hành trình của piston.
- Trong 2 hành trình chỉ có một hành trình sinh công, hành trình còn lại tiêu
thụ lượng công dư của hành trình sinh công.
10

- Trong quá trình quét khí có một lượng môi chất thất thoát, làm tổn thất dẫn
đến hiệu suất của động cơ hai kỳ thấp hơn động cơ 4 kỳ.
- Đối với động cơ hai kỳ dung không gian cacte kết hợp cơ cấu piston, trục

khuỷu, thanh truyền làm bơm quét khí thì không gian này phải đảm bảo độ
kín khít tốt để động cơ có thể làm việc bình thường.

1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ Wankel

Hình 6: Nguyên lý làm việc của động cơ Wankel
Động cơ Wankel được phát triển bởi một nhà phát minh người Đức tên là Felix
Wankel vào năm 1920. Phát minh đầu tiên của ông về động cơ Wankel được công
nhận vào năm 1936. Đến năm 1950, khi ông cộng tác với các nhà máy sản xuất ô tô
của Đức thì động cơ này được phát triển hoàn chỉnh và được lắp trên xe motor.
Trong quá trình làm việc piston của động cơ chuyển động quay, các đỉnh của nó
quét quanh thành của xy lanh có dạng đường cong.
Động cơ Wankel có piston hình tam giác, chuyển động hành tinh quanh bánh
rang trung gian. Mỗi cạnh của rotor tương ứng với một piston của động cơ một xy
lanh. Các đỉnh của rotor luôn luôn tiếp xúc với thành xy lanh có dạng đường cong.
Động cơ Wankel truyền công suất ra ngoài bằng một trục có bánh lệch tâm lắp trong
lòng của rotor tam giác.
11

CHƯƠNG 2: NHIÊN LIỆU HYDROGEN-XĂNG SỬ DỤNG
TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1. Xăng
Xăng là một loại dung dịch chứa Hyđrocacbon, dễ bay hơi, dễ bốc cháy, được
chưng cất từ dầu mỏ. Xăng được chế biến từ dầu mỏ bằng phương pháp chưng cất
trực tiếp và Cracking, có tỷ trọng d15= từ 0.07 đến 0.75, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi
đặc trưng, nhiệt độ sôi từ 35-200 °C. Xăng động cơ được dùng làm nhiên liệu cho
động cơ đốt trong.
 Để đảm bảo động cơ hoạt động bình thường, xăng phải đạt được những yêu
cầu về chất lượng dưới đây:

- Có độ bay hơi thích hợp để động cơ dễ khởi động và làm việc ổn định,
không tạo ra hiện tượng nghẽn hơi đặc biệt là vào mùa hè.
- Có tính chống kích nổ cao, đảm bảo cho động cơ làm việc bình thường ở
chế độ phụ tải lớn.
- Có tính ổn định hóa học tốt, không tạo ra các hợp chất keo trong bình chứa,
khi cháy không để lại nhiều muội than trong buồng đốt và không làm ăn
mòn các chi tiết trong động cơ.
- Không bị đông đặc khi nhiệt độ hạ thấp, không hút nước và không tạo ra
tinh thể nước đá khi gặp lạnh.
2.2. Hydrogen
Hydrogen là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố với
nguyên tử bằng 1. Ở trạng thái tự do và trong các điều kiện bình thường, hydrogen
không màu, không mùi và không vị, tỉ trọng bằng 1/14 tỉ trọng của không khí.
Hydrogen khi cháy trong không khí giới hạn từ 4-75% thể tích. Nhiệt độ cháy của
hydrogen cao nhất đạt được 2.3180C ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong ôxy
nhiệt độ có thể lên đến 3.0000C, cao nhất so với tất cả các loại khí khác như khí
Methane (CH4) đạt 2.1480C, propane (C3H8) đạt 2.3850C.
Với các đặc tính này, hydrogen sẽ là một nguồn nhiên liệu quan trọng trong
tương lai, phục vụ cho nhu cầu năng lượng của con người. Bởi hydrogen là một loại
nhiên liệu tái sinh, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm, không phát thải ra
khí gây hiệu ứng nhà kính, hydrogen khi cháy rất “sạch” phản ứng cháy của hydrogen
chỉ tạo ra nước.
12

Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng
khối lượng vũ trụ và tới trên 90% tổng số nguyên tử. Trên trái đất, hydrogen phần lớn
ở dạng kết hợp với oxygen trong nước hay với carbon và các nguyên tố khác trong vô
số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động, thực vật. Người ta có thể sản
xuất hydrogen từ nhiều nguồn khác nhau như: hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon với
các phương pháp hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước, khí hóa hydrocarbon nặng

hoặc khí hóa sinh khối và nhiệt phân; Điện phân nước, phương pháp này dùng dòng
điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen và phương pháp sinh học.
Về cơ bản có các phương thức lưu trữ hydrogen như: Lưu chứa hydrogen trong
các bình khí nén áp suất cao: Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên
rất nặng và cồng kềnh, ngày nay các bình áp suất được làm từ những vật liệu
composite nhẹ hơn nhiều. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng: Hạ nhiệt độ
xuống dưới 200K hay âm 2350C để hydrogen tồn tại ở thể lỏng, phương pháp
này thích hợp với các ứng dụng di động dùng trên các phương tiện giao thông. Nhược
điểm của quá trình hóa lỏng hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng (khoảng 30%).
Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là tốn ít không gian
nhất, do hydrogen có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao.
Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác: Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa
học, lưu chứa hydrogen trong các hydrua kim loại (metal hydride); Lưu chứa
hydrogen trong ống carbon nano rỗng (hiện nay công nghệ này đang được quan tâm
nghiên cứu rất nhiều trên thế giới. Ứng dụng cho các pin nhiên liệu di động và nhỏ
gọn như máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động…).
Ngoài ra, còn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác đó là nghiên cứu của các
nhà khoa học của Trường Bách khoa Liên bang Lausanne (Ecole Polytechnique
Fédérale de Lausanne) của Thụy Sỹ đã khám phá ra rằng: Chuyển đổi hydrogen thành
axit formic sẽ giúp khâu vận chuyển và lưu trữ trở nên dễ dàng hơn và an toàn hơn.
Đồng thời axit formic có thể giải phóng liên tục những lượng khí hydro đủ để chuyển
hóa thành điện năng đáp ứng nhu cầu về điện cho người sử dụng, đây thực sự là một
giải pháp lý tưởng thuận tiện trong quá trình lưu trữ, phân phối và sử dụng.

 Đặc tính của Hydrogen:
- Giới hạn cháy rộng: từ 4%-75%, nghĩa là hỗn hợp hydrogen rất dễ cháy, do
đó có thể mở cánh bướm ga rộng để không khí nạp vào càng nhiều càng tốt
mà không sợ mất cân bằng hóa học.
- Năng lượng đánh lửa thấp: chỉ cần một năng lượng 0,02 mJ để đánh lửa
cháy hỗn hợp Hydrogen.

- Tốc độ cháy rất cao so với xăng
13

- Tốc độ lan truyền màng lửa: 1,9m/s, điều này gây ra cháy trên đường ống
nạp khi supap nạp mở sớm do tốc độ lan truyển khí cháy quá nhanh.
- Nhiệt độ tự bốc cháy cao: 858K
- Khuếch tán cao.
- Mật độ thấp.
2.3. Hỗn hợp nhiên liệu Hydrogen-xăng
Nhiên liệu Hydrogen-xăng là sự hòa trộn giữa 2 loại nhiên liệu hydrogen và xăng
theo một tỷ lệ nhất định được tính toán trước. Để khắc phục một số nhược điểm của
nhiên liệu xăng sử dụng trong động cơ đốt trong đồng thời nâng cao hiệu suất động
cơ, giảm ô nhiễm môi trường thì người ta hòa trộn thêm nhiên liệu Hydrogen vào
nhiên liệu xăng để cải thiện động cơ.
Xăng và Hydrogen trên ô tô được chứa ở 2 nơi khác nhau, xăng được lưu trữ
dạng lỏng trong bình xăng còn Hydrogen thường được lưu trữ dạng khí nén trong bình
chứa. Khi dùng làm nhiên liệu trên động cơ đốt trong thì 2 loại nhiên liệu xăng và
Hydrogen sẽ được hòa trộn với nhau tùy theo hệ thống phân phối nhiên liệu.

14

CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP
HYDROGEN-XĂNG
Có một số tính chất đặc biệt của hydro mà làm cho nó khá tốt phù hợp với nguyên
tắc, để ứng dụng làm nhiên liệu động cơ. Khả năng phân tán cao, chỉ số octan cao
cùng với tốc độ cháy cao là mốt số ưu điểm của hydrogen so với các loại nhiên liệu
khác. Do sự phân tán cao của hydrogen mà hỗn hợp nhiên liệu rất loãng nhưng vẫn
đạt được trạng thái cân bằng hóa học để quá trình cháy diễn ra hiệu quả.
Tất nhiên, việc đốt cháy nhiên liệu loãng và tốc độ cháy rất nhanh sẽ sinh ra
năng lượng thấp hơn so với một động cơ xăng cùng kích thước.
Một trong những tính năng quan trọng nhất của động cơ sử dụng nhiên liệu
hydrogen-xăng là lượng khí thải độc hại sinh ra ít hơn so với các động cơ sử dụng loại
nhiên liệu khác.
Để cải thiện hiệu suất động cơ, tính kinh tế nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi
trường thì việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu hydrogen-xăng trong động cơ đốt trong là
một hướng đi khả quan nhưng vẫn còn nhiều thách thức đang cần giải quyết.

15

3.1. Hệ thống phân phối nhiên liệu
Hệ thống phân phối nhiên liệu động cơ sử dụng nhiên liệu hydrogen-xăng có thể
phân thành 3 loại chính: bộ chế hòa khí, phun nhiên liệu trong đường ống nạp và phun
nhiên liệu trực tiếp

Hình 7: Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống phân phối nhiên liệu Hydrogen-xăng
3.1.1. Bộ chế hòa khí
Đây là phương pháp cổ điển và điều khiển bằng cơ khí tuy nhiên có nhiều hạn
chế, không tối ưu nhiên liệu nạp vào và có thể gây cháy trên đường ống nạp do tốc độ
lan truyền màng lửa nhanh của Hydrogen khi supap nạp mở sớm.

16

1. Bình chứa Hydrogen 2. Đồng hồ đo lượng Hydrogen
3. Bình nước ngăn chặn màng lửa 4. Họng venture
5. Cánh bướm ga 6. Đồng hồ đo lượng xăng
7. Thùng xăng 8. Ống thông hơi
Hình 8: Hệ thống phân phối nhiên liệu hydrogen-xăng sử dụng bộ chế hòa khí

Hình 9: Hệ thống phân phối Hydrogen sử dụng bộ chế hòa khí
Nhiên liệu Hydrogen được nén trong bình chứa với áp suất 200 bar, khi khởi
động động cơ van bình sẽ mở ra cho nhiên liệu Hydrogen đi vào bộ giảm áp. Tại bộ
giảm áp, áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc, nhờ độ chân không ở
họng venturi thấp hơn áp suất khí trời nên Hydrogen được hút vào đường nạp, lưu
lượng Hydrogen cung cấp được khống chế bởi bộ giảm áp và độ chân không ở họng
ống venturi, nhiên liệu Hydrogen đi vào bộ hỗn hợp hoà trộn với không khí tạo thành
hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng cháy.

Bộ hòa trộn kiểu họng Venturi được sử dụng phổ biến cho tất cả những
loại nhiên liệu khí vì việc hòa trộn đơn giản, phù hợp đối với nhiên liệu khí.
Vì vậy kết cấu của hệ thống cung cấp sử dụng bộ hòa trộn sẽ đơn giản làm cho
giá thành rẻ.
3.1.2. Phun nhiên liệu trong đường ống nạp
Trong hệ thống phun nhiên liệu trong đường ống nạp, động cơ được cung cấp
nhiên liệu bởi một hệ thống phun nhiên liệu tuần tự, nhiên liệu được phun vào đường
nạp sau các supap nạp bằng các cơ cấu điều khiển bằng cơ khí hay điện tử không nhờ
17

độ chân không tại họng khuếch tán như chế hòa khí. Đối với hệ thống phun xăng điều
khiển điện tử, lượng phun lệ thuộc vào lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, tốc độ động
cơ, vị trí bướm ga, và các điều kiện quan trọng khác. Máy tính sẽ điều khiển lượng
phun thích hợp nhất vào động cơ để tạo hỗn hợp tối ưu đáp ứng mọi chế độ làm việc
động cơ. Giúp động cơ phát huy công suất, hiệu suất và giảm ô nhiễm.

Hình 10: Hệ thống phân phối nhiên liệu hydrogen-xăng bằng phương pháp phun
nhiên liệu trên đường ống nạp

Hình 11: Hệ thống phân phối nhiên liệu hydrogen bằng phương pháp phun nhiên
liệu trên đường ống nạp
18

Nhiên liệu Hydrogen được nén trong bình chứa với áp suất 200 bar. Khi bật khoá
điện khởi động động cơ, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ
mở ra cho Hydrogen nén từ bình chứa đến bộ giảm áp. Tại bộ giảm áp, áp suất nhiên
liệu được giảm xuống giá trị làm việc, sau đó nhiên liệu qua bộ lọc áp suất thấp trước
khi dẫn đến vòi phun. Vòi phun được bộ vi xử lý điều khiển một cách tự động, thời
gian phun được điều khiển tương ứng tỷ lệ với phần trăm vị trí tay ga thông qua cảm
biến vị trí bướm ga. Hệ thống phun Hydrogen trên đường nạp bao gồm các hệ thống

cơ bản sau:
 Hệ thống cung cấp Hydrogen: Gồm bình chứa, van điện từ, bộ điều hoà áp
suất, vòi phun Hydrogen. Do đặc thù riêng của nhiên liệu Hydrogen nên áp
suất cần thiết để cung cấp nhiên liệu đến vòi phun là 5 bar để tránh hiên tượng
hoá hơi trên đường ống nhiên liệu. Vì hoạt động của hệ thống nhiên liệu ở áp
suất cao nên vấn đề an toàn của hệ thống được đặt lên hàng đầu.
 Hệ thống điều khiển gồm các cảm biến ghi nhận thông tin về chế độ làm việc
của động cơ, ECU xử lý các thông tin nhận được từ các cảm biến và phát tín
hiệu điều khiển đến các vòi phun Hydrogen để điều khiển thời gian mở vòi
phun cung cấp Hydrogen. Các tín hiệu điều khiển tới vòi phun là các xung thời
gian có độ dài tương ứng tỷ lệ với lượng Hydrogen cần phun vào ống nạp. Các
loại cảm biến trong hệ thống gồm: Cảm biến vị trí bàn đạp ga, cảm biến tốc độ
động cơ, nhiệt độ khí nạp, cảm biến nồng độ Oxy…Đồng thời trong bộ vi xử
lý có bổ sung thêm cảm biến đo áp suất bình chứa nhiên liệu Hydrogen, từ đó
tín hiệu được ECU xử lý phát tín hiệu điều khiển tới vòi phun.
 Hệ thống phun Hydrogen trên đường nạp cho phép cải thiện được tính năng
của động cơ và mức độ phát ô nhiễm. Khác với bộ hòa trộn, hệ thống này phun
nhiên liệu dưới áp suất khoảng 5 bar. Điều này cho phép cung cấp một lượng
nhiên liệu chính xác theo chế độ làm việc của động cơ. Mặt khác do không có
họng venturi nên hệ số nạp được cải thiện đáng kể. Phun nhiên liệu Hydrogen
được thực hiện theo phương án riêng rẽ nên giảm khả năng hồi lưu ngọn lửa
vào đường nạp, cải thiện được sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các xi lanh
của động cơ. Việc khống chế lưu lượng Hydrogen nạp vào xi lanh được thực
hiện nhờ bộ vi xử lí .
Hydrogen và xăng được phun trên đường ống nạp, sau bướm ga và gần vị trí
supap nạp, thời điểm phun, lượng nhiên liệu phun xăng và hydrogen đều được bộ phận
điều khiển tính toán. Sau khí hydrogen và xăng được phun vào đường ống nạp thì
chúng sẽ hòa trộn cùng với không khí nạp đi vào xy lanh động cơ.
Hệ thống này được điều khiển bằng điện tử nên độ chính xác cao, tối ưu nhiên
liệu nạp vào và nâng cao hiệu suất động cơ nhưng vẫn có thể xảy ra hiện tượng cháy

19

trong đường ống nạp do tốc độ lan truyền màng lửa nhanh của Hydrogen khi supap
nạp mở sớm.
3.1.3. Phun nhiên liệu trực tiếp
Nhiên liệu được cung cấp bởi hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp tuần tự, nhiên
liệu được bơm trực tiếp vào buồng đốt. Trên động cơ phun nhiên liệu trực tiếp, kết
cấu buồng cháy, đường ống nạp thải và quá trình phun được thực hiện tốt nhờ hệ
thống kim phun áp suất cao. Hỗn hợp nhiên liệu có độ đậm đặc tốt xếp thành từng lớp
ngay ở điện cực bugi. Ngoài ra do đặc điểm ưu việt về kết cấu đường ống nạp thải
làm nâng cao hệ số nạp và tạo điều kiện cho hòa khí hình thành đều hơn. Kết quả là
quá trình cháy được thực hiện với sự hình thành hỗn hợp rất loãng, nâng cao công
suất, hiệu suất, giảm nhiên liệu, giảm ô nhiễm.

Hình 12: Hệ thống phân phối nhiên liệu xăng bằng phương pháp phun nhiên liệu
trực tiếp