Nghiên cứu ảnh hưởng cuả khí giàu hydro đến đặc tính phát thải của động cơ xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------------

LÊ CÔNG VŨ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ GIÀU HYDRO
ĐẾN ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. HOÀNG ĐÌNH LONG

HÀ NỘI – 2014


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...............................................................8
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 10
2. Mục đích,đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................... 12
3. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu. ................................................................. 12
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ CÁC
BIỆN PHÁP KIỂM SOÁT PHÁT THẢI .................................................................13
1.1. Đặc điểm phát thải của động cơ xăng ................................................................ 13
1.1.1. Giới thiệu chung ......................................................................................13

1.1.2. Đặc điểm các thành phần phát thải độc hại .............................................14
1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng ................................... 16
1.2.1. Tối ƣu hóa kết cấu ...................................................................................17
1.2.2. Sử dụng các biện pháp xử lý khí thải ......................................................18
1.2.3. Dùng nhiên liệu thay thế có nồng độ phát thải độc hại thấp ...................20
Chƣơng 2. NHIÊN LIỆU HYDRO VÀ PHƢƠNG PHÁP SẢN XUẤT ..................23
2.1. Đặc điểm của nhiên liệu hy-đrô ......................................................................... 23
2.1.1. Tính chất vật lý của nhiên liệu hy-đrô .....................................................23
2.1.2. Tính chất cháy của nhiên liệu hy-đrô ......................................................24
2.2. Các phƣơng pháp tạo ra nhiên liệu hy-đrô ......................................................... 28
2.2.1. Điện phân nƣớc (EW) ..............................................................................28
2.2.2. Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với hơi nƣớc (SR) ...........29
2.2.3. Ô-xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu các- bua- hy-đrô (PO) .................29
2.2.4. Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hy-đrô với CO2 (CR) ................30

1


2.2.5. Kết hợp ô-xy-hóa không hoàn toàn và phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên
liệu các-bua-hy-đrô với hơi nƣớc (ATR) ...........................................................30
2.3. Phƣơng pháp cung cấp và đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hy-đrô...... 32
2.3.1. Hy-đrô đƣợc cung cấp từ ngoài động cơ .................................................32
2.3.2. Khí giàu hydrô đƣợc tạo ra và cung cấp ngay trên động cơ ....................43
Chƣơng 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRÊN ĐỘNG CƠ
NHỜ BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA XĂNG VÀ NƢỚC .................................................45
3.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 45
3.2. Thiết kế bố trí chung hệ thống ........................................................................... 46
3.3. Tính toán lƣợng nhiên liệu cấp vào bộ xúc tác .................................................. 47
3.3.1. Tính toán tỷ lệ hydro/xăng cấp vào động cơ ..........................................48
3.3.2. Tính toán tỷ lệ xăng cấp vào bộ xúc tác ..................................................51

3.4. Thiết kế hệ thống cấp nhiên liệu và nƣớc cho bộ xúc tác .................................. 52
3.4.1. Yêu cầu của việc cấp nhiên liệu và nƣớc vào bô xúc tác ........................52
3.4.2. Hệ thống cấp khí giàu hydro vào động cơ ..............................................53
3.5. Thiết kế BXT ...................................................................................................... 53
3.5.1. Cơ sở thiết kế ...........................................................................................53
3.5.2. Lựa chọn kích thƣớc ................................................................................55
3.5.3. Bản vẽ thiết kế .........................................................................................55
Chƣơng 4: THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ VỚI KHÍ GIÀU HYDRO ĐƢỢC TẠO RA
TRÊN ĐỘNG CƠ .....................................................................................................57
4.1. Mục đích, nội dung và phƣơng pháp thử nghiệm .............................................. 57
4.1.1. Mục đích ..................................................................................................57
4.1.2. Nội dung ..................................................................................................57
4.1.3. phƣơng pháp thử nghiệm .........................................................................57
4.2. Trang thiết bị thử nghiệm ................................................................................... 57
4.2.1. Động cơ thử nghiệm ................................................................................57
4.2.2. Nhiên liệu thử nghiệm .............................................................................58
4.2.3. Băng thử xe máy CD20 ...........................................................................58

2


4.2.4. Băng thử Didacta .....................................................................................60
4.2.5. Thiết bị đo ................................................................................................62
4.2.6. Thiết bị phân tích khí thải: .......................................................................63
4.3. Quy trình thử nghiệm ......................................................................................... 64
4.3.1. Chạy ở các chế độ trên đƣờng đặc tính tốc độ .........................................65
4.3.2. Chạy theo chu trình thử ECE-R40 ...........................................................65
4.4 Kết quả thử nghiệm ............................................................................................. 67
4.4.1. Kết quả thử nghiệm theo đặc tính tốc độ .................................................67
4.4.2. Kết quả thử nghiệm theo chu trình ECE R40 ..........................................69

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP .....................................................73
1. Kết luận ................................................................................................................. 73
2. Hƣớng nghiên cứu tiếp .......................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................75

3


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong các công trình
nào khác!

Hà Nội, ngày

tháng 0 năm 2014
Tác giả

Lê Công Vũ

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CO

: Khí mô-nô-xít – các- bon

CO2

: Khí các-bô-níc

CH4

: Khí mê-tan

HC

: Hy- đrô- các-bon

NOx

: Các loại ô-xít ni-tơ

H2

: Khí hy-đrô

N2

: Khí Ni- tơ

O2

: Khí ô-xy

CH

: Gốc nhiên liệu hóa thạch hy-đrô-các-bua

CNG : Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas)
LNG : Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas)
LPG : Khí dầu mỏ hoá lỏng (Liquefied Petroleum Gas)
EGR : Bộ luân hồi khí thải (Exhaust Gas Recirculation)
αz

: Góc đánh lửa sớm

IMEP : Áp suất chỉ thị trung bình có ích (Indicated Mean Effective Pressure)
BTE : Hiệu suất nhiệt có ích (Brake temperature Effective)
BSFC : Suất tiêu hao nhiên liệu có ích(Brake Specific Fuel Consumption)
Ppm : Một phần triệu (parts per million)
λ

: Hệ số dƣ lƣợng không khí

W/F

: Tỉ lệ nƣớc-nhiên liệu

NTP : Điều kiện nhiệt độ 20 oC, 1at (Normal Temperature and Pressure)
SFC : Suất tiêu hao nhiên liệu (Specific Fuel Consumption)

5


ESA : Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng máy tính
BMEP : áp suất có ích trung bình (Brake Mean Effective Pressure)

EW

: Điện phân nƣớc

SR

: Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với hơi nƣớc

PO

: Ô xy-hóa không hoàn toàn nhiên liệu các- bua- hy-đrô

CR

: Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hy-đrô với CO2

ATR : Kết hợp oxyhoas không hoàn toàn và phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu cácbua-hydro với hơi nƣớc
BXT : Bộ xúc tác
ĐCT : Điểm chết trên
Rpm : Vòng/phút
BCN : Chỉ số đo độ khói
H-e

: Động cơ sử dụng nhiên liệu hy-đrô

G-e

: Động cơ sử dụng nhiên liệu xăng

D-e

: Động cơ sử dụng nhiên liệu diesel

GH-e : Động cơ sử dụng nhiên liệu xăng và hyđrô
DH-e : Động cơ sử dụng nhiên liệu diesel và hydro
BĐNH: Biến đổi nhiệt hóa
GHSV: Tốc độ không gian (gas-hourly-space velocity)
TPSP : Thành phần sản phẩm

6


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Tính chất vật lý của hy-đrô, mê-tan, xăng[3] ...........................................23
Bảng 2.2. Tính chất cháy của của hy-đrô, mê-tan, xăng[3] ......................................24
Bảng 2.3. Ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp sản xuất hy-đrô ............................31
Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật của động cơ thí nghiệm ..........................................58
Bảng 4.2 Các giai đoạn của quá trình thử ................................................................66
Bảng 4.3 Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 ......................................70

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. Các nguồn phát thải trên động cơ xăng[1] ...................................................15
Hình 2.1. Phạm vi cháy của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [3] ............................24
Hình 2.2. Nhiệt độ tự cháy của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [3] ......................25
Hình 2.3. Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [3] ...........................................26
Hình 2.4. Năng lƣợng đánh lửa của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [3] ...............27

Hình 2.5. Các phƣơng pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô [21] ....................................28
Hình 2.6. Các phƣơng án cung cấp hy-đrô cho ĐCĐT [21] .....................................32
Hình 2.7. BTE theo tốc độ động cơ của H-e và G-e [24] ........................................34
Hình 2.8. Mô men theo tốc độ động cơ của H-e và G-e[24].....................................34
Hình 2.9. Công suất theo tốc độ động cơ của H-e và G-e[24] ..................................35
Hình 2.10. BSFC của H-e và G-e ở chế độ toàn tải [24] .........................................35
Hình 2.11. IMEP của H-e khi thay đổi phƣơng pháp phun nhiên liệu [21] ............36
Hình 2.12. Mô-men và công suất của H-e khi sử dụng CHK và vòi phun [21] ......37
Hình 2.13. Kết cấu cụm ống hút của động cơ GH-e .................................................37
Hình 2.14. BMEP của GH-e khi thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp[16] .....................38
Hình 2.15. BTE của GH-e khi thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp ...............................38
Hình 2.16. Mô-men theo tốc độ của GH-e khi thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp ......39
Hình 2.17. SFC theo tốc độ của GH-e khi thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp [21] .....40
Hình 2.18. Phát thải của GH-e khi thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp[21] ..................40
Hình 2.19. BMEP của DH-e khi thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp ............................41
Hình 2.20. BTE và phát thải trên D-e và DH-e[41] ..................................................42
Hình 2.21. Mô-men theo tốc độ động cơ của D-e và DH-e [21] ..............................42
Hình 2.22. SFC theo tốc độ động cơ của D-e và DH-e [25] .....................................43
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống tạo và cấp khí giàu hydro trên động cơ ...........................46
Hình 3.2. Ảnh hƣởng của sự thay đổi tỷ lệ cấp H2 đến tổng nhiệt cấp vào của động
cơ với điều kiện hệ số dƣ lƣợng không khí chung không đổi, =1 ..........................49

8


Hình 3.3. Ảnh hƣởng của tỷ lệ H2 cấp vào động cơ đến tỷ lệ xăng cần giảm và tổng
nhiệt cấp vào của động cơ .........................................................................................51
Hình 3.4. Tỷ lệ xăng cần cấp vào BXT ứng với các tỷ lệ khối lƣợng H2 thay thế
khác nhau...................................................................................................................52
Hình 3.5. Bản vẽ cấu tạo BXT ..................................................................................55

Hình 3.6. Bản vẽ kích thƣớc BXT ............................................................................56
Hình 4. 1. Băng thử CD 20” ......................................................................................59
Hình 4.2. Phanh thuỷ lực Didacta T101D .................................................................61
Hình 4.3. Bộ chuyển đổi tín hiệu và máy tính hiển thị .............................................61
Hình 4.4.Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của hệ thống cảm biến tốc độ động cơ
...................................................................................................................................62
Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống 733S .........................................63
Hình 4.6. Tủ phân tích khí thải CEBII ......................................................................64
Hình 4.7. Sự tăng hiêu suất động cơ khi cấp khí giàu hydro vào động cơ từ BXT ..68
Hình 4.8. Tỷ lệ giảm phát thải CO và HC của động cơ khi cấp khí giàu hydro vào
động cơ từ BXT .........................................................................................................69
Hình 4.9. Động cơ và bộ xúc tác khí giàu hyđrô trên xe máy ..................................69
Hình 4.10. Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 đối với HC, NOx, và
tiêu hao nhiên liệu (FC).............................................................................................70
Hình 4.11. Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 đối với CO, và CO2 .71

9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Động cơ đốt trong ra đời đã mở ra một kỷ nguyên mới cho sự phát triển kinh
tế, khoa học kỹ thuật của loài ngƣời, tuy nhiên nó cũng gây ra không ít tác động xấu
đến sức khoẻ con ngƣời và môi trƣờng sinh thái bởi khí thải độc hại.
Theo Trung tâm Hóa học Công nghệ và Môi trƣờng ( ECHEMTECH ) nhận
định thế kỷ 21 là thế kỷ mở đầu của thời đại kinh tế dựa vào hydro vì đây là nguồn
năng lƣợng sạch, an toàn và có trữ lƣợng vô tận. Nguồn nguyên liệu để sản xuất
hydro là nƣớc, còn nguồn năng lƣợng để sản xuất hydro là bức xạ của ánh nắng mặt
trời. Nhƣ vậy để sản xuất hydro chỉ cần nƣớc và ánh nắng mặt trời. Quá trình hóa
học xảy ra đơn giản: một phân tử nƣớc (H2O) có thể phân rã thành một phân tử

hydro(H2) và 0,5 phân tử ôxy (O2), với điều kiện phải cung cấp năng lƣợng. Đó
chính là năng lƣợng bức xạ của ánh nắng mặt trời. Đó là nguồn nhiên liệu và năng
lƣợng có vô tận, vĩnh hằng và tồn tại khắp nơi trên trái đất này. Vì vậy hydro là
nguồn nhiên liệu vô tận, sử dụng từ thế kỷ này qua thế kỷ khác mà không sợ cạn
kiệt, không thể có khủng hoảng năng lƣợng, và không một quốc gia nào sở hữu
hoặc tranh dành nguồn năng lƣợng này nhƣ đã từng xảy ra với năng lƣợng hóa
thạch. Sự xuất hiện nền kinh tế hydro trong đời sống loài ngƣời buộc phải có sự
thay đổi tận gốc những hạ tầng cơ sở của nền kinh tế hóa thạch và các hoạt động
của con ngƣời. Phƣơng thức sản xuất nguồn năng lƣợng mới không còn là tìm kiếm,
thăm dò khai thác nhƣ tài nguyên hóa thạch vì ở đâu có nƣớc và ánh nắng mặt trời,
ở đó đều có thể sản xuất hydro để tạo ra nguồn năng lƣợng cho mọi nhu cầu.
Phƣơng thức tồn chứa, vận chuyển, cung ứng năng lƣợng cho các nhu cầu tiêu
thụ, nghĩa là hạ tầng cơ sở, đã tồn tại hàng thế kỷ của nền kinh tế hóa thạch sẽ
không còn thích hợp cho nền kinh tế hydro, buộc phải cấu trúc xây dựng mới, phá
bỏ hạ tầng cơ sở cũ. Các phƣơng tiện giao thông vận tải phải đƣợc thay thế bằng
động cơ chế tạo theo nguyên lý phù hợp với nguồn năng lƣợng hydro. Các tiêu

10


chuẩn kỹ thuật, các quy định an toàn, luật lệ pháp lý khi sử dụng nguồn năng lƣợng
mới sẽ phải xây dựng lại, việc giáo dục đào tạo, nghiên cứu khoa học phục vụ cho
nền kinh tế hydro hoàn thiện và phát triển, sẽ phải có những nội dung mới, cơ sở vật
chất mới hoàn toàn khác so với nền kinh tế hóa thạch hiện nay. Những vấn đề về
môi trƣờng ô nhiễm do sử dụng năng lƣợng hydro gây ra sẽ không còn là đề tài
nghiên cứu tiêu hao tiền của và sức lao động của các nhà khoa học, không còn là
đầu đề của các hội nghị quốc tế triền miên về biến đổi khí hậu toàn cầu nhƣ khi sử
dụng năng lƣợng hóa thạch. Đây thực sự là một cuộc cách mạng sâu sắc trong tiến
trình phát triển của xã hội loài ngƣời và đƣợc đánh giá có ý nghĩa nhƣ cuộc cách
mạng công nghiệp trƣớc đây, khi phát minh ra đầu máy hơi nƣớc với việc sử dụng

nhiên liệu than đá.
Để tối ƣu hoá quá trình làm việc của động cơ thì việc sử dụng nhiên liệu hyđrô là một hƣớng đang rất đƣợc quan tâm. Nhiên liệu hy-đrô có ƣu điểm so với
nhiên liệu truyền thống là cháy nhanh, trị số ốc-tan cao nên cho phép động cơ có thể
làm việc ở tốc độ rất cao, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ. Thêm nữa,
khí thải của động cơ hy-đrô rất sạch, giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả
năng cháy tốt rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, góp phần
làm tăng tính kinh tế sử dụng động cơ.
Tuy nhiên, nhiên liệu hy-đrô có nhƣợc điểm so với nhiên liệu truyền thống 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 hy-đrô thì công suất
động cơ sẽ bị giảm nhiều. Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ, bảo
quản nhiên liệu hy-đrô đủ để thay thế hoàn toàn nhiên liệu truyền thống khá khó
khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp.
Chính vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hy-đrô nhƣ
một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống. Với phƣơng pháp này, chỉ cần
cấp một tỷ lệ nhỏ hy-đrô vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu. Nhờ đặc tính
cháy nhanh, hy-đrô sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu chính tốt hơn nên giảm

11


đƣợc thành phần độc hại khí thải. Vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hy-đrô ổn
định và tiện lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu
nói trên.
Vì vậy em chọn đề tài “ Nghiên cứu ảnh hƣởng của khí giàu hy-đrô đến đặc
tính phát thải của động cơ xăng ” với nguồn khí giàu hydro đƣợc tạo ra ngay trên
động cơ và cung cấp cho động cơ, làm cơ sở cho việc phát triển công nghệ mới này
về giảm phát thải của động cơ.
2. Mục đích,đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
a) Mục đích nghiên cứu

- Đƣa ra phƣơng pháp tạo hydro và phát triển một hệ thống thiết bị tạo và cung
cấp khí giàu hydro trên động cơ bằng phƣơng pháp biến đổi nhiệt hóa một phần
nhiên liệu xăng với hơi nƣớc nhờ tận dụng nhiệt khí thải của động cơ.
- Đánh giá ảnh hƣởng của khí giàu hydro đến công suất, tiêu hao nhiên liệu và
phát thải của động cơ xăng.
b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: động cơ xe máy và áp dụng cho xe máy Wave-α 97cc
của hãng Honda.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm trên
một xe máy.
3. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu.
a) Nội dung:
+ Nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu hydro, khí giàu hydro và phƣơng pháp
sản xuất và sử dụng nhiên liệu này trên động cơ.
+ Nghiên cứu thực nghiệm tạo ra và cung cấp khí giàu hydro trên động cơ
xăng.
+ Thực nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của khí giàu hydro đến đặc tính công suất,
tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ.
b) Phương pháp nghiên cứu: thực nghiệm – phân tich – tổng hợp kết quả thu đƣợc
và nhận xét, đánh giá.

12


Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ CÁC
BIỆN PHÁP KIỂM SOÁT PHÁT THẢI
1.1. Đặc điểm phát thải của động cơ xăng
1.1.1. Giới thiệu chung
Trong sự phát triển của bất kỳ quốc gia nào trên thế giới, động cơ đốt trong
(ĐCĐT) giữ một vai trò vô cùng quan trọng và có mặt ở mọi các lĩnh vực khác nhau

nhƣ trong nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải cũng nhƣ nhiều ngành kinh
tế khác... Không một nƣớc phát triển lại không có nghành ĐCĐT phát triển. Các
trang thiết bị động lực nói chung hầu hết đều trang bị động cơ đốt trong, đó chính là
trái tim là nguồn động lực của các loại phƣơng tiện giao thông cơ giới. Động cơ đốt
trong là động cơ nhiệt mà trong đó các chất tham gia phản ứng cháy (môi chất công
tác) thực hiện biến đổi nhiệt năng thành công cơ năng. Năng lƣợng do động cơ đốt
trong cung cấp chiếm khoảng 80% tổng số năng lƣợng động lực trên trái đất. Tuy
nhiên, vì động cơ đốt trong đốt nhiên liệu hóa thạch đẻ sinh công nên bên cạnh việc
cung cấp nguồn động lực lớn, động cơ đốt trong cũng là một trong những thủ phạm
là nguồn gốc gây ô nhiễm môi trƣờng do sự phát thải các chất khí độc hại từ quá
trình cháy chƣa đƣợc hoàn hảo [1].
Tại Việt Nam nói riêng và tại các quốc gia trên thế giới nó chung, sự gia tăng
nhanh về số lƣợng ĐCĐT sử dụng đã khiến cho môi trƣờng ngày càng ô nhiễm do
khí thải độc hại, nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt [1]. Chính vì vậy vấn đề đặt ra
cho các nhà nghiên cứu là xác định nguyên nhân gia tăng ô nhiễm và làm thế nào để
giảm đƣợc ô nhiễm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu trong quá trình sử dụng động cơ.
Đây là một một vấn đề có tầm ảnh hƣởng toàn cầu, nó liên quan tới an ninh năng
lƣợng của các quốc gia và đảm bảo sự phát triển bền vững cho nhân loại. Trong khi
vẫn chƣa tìm ra đƣợc nguồn nhiên liệu thay thế mới và hiệu quả cho động cơ truyền
thống thì tối ƣu hoá quá trình làm việc của động cơ nhằm tiết kiệm nhiên liệu và
chống ô nhiễm môi trƣờng vẫn là một trong những đề tài mang tính cấp thiết hàng
đầu đối với ngành ĐCĐT.

13


1.1.2. Đặc điểm các thành phần phát thải độc hại
Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ôxy hoá nhiên liệu, giải
phóng nhiệt năng diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức
tạp và chịu ảnh hƣởng của nhiều thông số. Trong quá trình cháy đã sinh ra các hợp

chất trung gian rất phức tạp.
Ở điều kiện lý tƣởng sự đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Hydrocacbon với ôxy
trong không khí sẽ sinh ra các sản phẩm cháy không độc hại nhƣ CO2, H2O đƣợc
chỉ ra ở phƣơng trình phản ứng cháy sau đây:
CnH2n+2 +

3n 1
2

O2 → n CO2 + ( n+1 ) H2O + Q

(1.1)

Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý tƣởng đối với sự cháy
là khó có thể thảiy ra bởi vì thời gian cho quá trình oxi hoá rất ngắn. Hơn nữa, sự
thiếu đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu, sự thay đổi rất nhanh của nhiệt độ và ảnh
hƣởng của các yếu tố khác cũng dẫn đến sinh ra quá trình ôxy hoá không hoàn toàn.
Do đó, trong sản phẩm cuối cùng của khí thải sẽ chứa các chất sau: CO2, H2O, H2,
CO, O2 (dƣ), C-H-O (an-đê -hít), CmHn (nhiên liệu không cháy hết), NOx, các chất
thải dạng hạt (Particulale Matter viết tắt là P-M), và các hợp chất chứa chì Pb (đối
với động cơ dùng xăng pha chì), các hợp chất chứa lƣu huỳnh (đối với động cơ
diesel). Trong số các chất này, có một số chất có tính độc hại đối với môi trƣờng và
ảnh hƣởng đến sức khỏe của con ngƣời nên đƣợc gọi là thành phần độc hại.
Hiện nay không chỉ ở nƣớc ta mà trên thế giới đã cấm sử dụng các loại xăng
có pha chì (Pb) – một chất phụ gia làm tăng chỉ số octan có tính độc tố cao. Ngoài
việc gây ô nhiễm trực tiếp, các chất thải này khi phát tán vào không khí sẽ bị phân
tích hoặc tổng hợp tạo ra các hợp chất khác nhau có thể gây ung thƣ cho con ngƣời
và làm thay đổi môi trƣờng sinh thái, khí hậu
Để đánh giá mức độ ảnh hƣởng của từng thành phần khí thải, ngƣời ta chia
làm 2 nhóm:

14


Các chất ô nhiễm thông thƣờng: Bao gồm HC, CO, NOx, chất thải dạng hạtPM (Particulates Matter). Trong một số trƣờng hợp thì CO2 cũng đƣợc đƣa vào
nhóm này do nó là khí hình thành dƣới tác động của hiệu ứng nhà kính.
Các chất ô nhiễm đặc trƣng: Mặc dù các chất này chiếm tỷ lệ khá nhỏ trong
khí thải nhƣng chúng có thể là các tiền chất gây ung thƣ hoặc biến đổi gen. Tại các
nƣớc phát triển, ngƣời ta còn quan tâm chi tiết đến các thành phần khác có trong khí
thải nhƣ andehit, hydrocarbon thơm nhiều nhân - PAH (polynuclear aromatic
hydrocarbon) và một số hợp chất độc hại khác (buta-l,3-diene; formaldehyde,...).
Các thành phần độc hại chính trong khí thải trên động cơ xăng không trang bị
hệ thống kiểm soát khí thải gồm có NOx, CO và HC đƣợc phát sinh từ ba nguồn
phát thải với tỉ lệ phần trăm là:
100% NOx, CO và 60% HC đƣợc phát sinh ở khí thải động cơ do quá trình
đốt cháy sinh công của nhiên liệu.
Khoảng 20% HC đƣợc phát sinh bởi hiện tƣợng lọt khí cháy từ buồng đốt
xuống các-te động cơ.
Khoảng 20% HC còn lại đƣợc phát sinh do bốc hơi từ hệ thống nhiên liệu nhƣ:

Thành phần phần trăm

thùng chứa xăng, đƣờng ống nhiên liệu,....
100
90
80
70
60
50
40

30
20
10
0

Nox
CO
HC

Khí thải động cơ

Lọt khí ở các-te

Bốc hơi trong HTNL

Nguồn phát thải

Hình 1. Các nguồn phát thải trên động cơ xăng[1]
* NOx: oxit nitơ là sản phẩm oxy hóa nito có trong không khí (một thành phần
của khí nạp mới vào động cơ) trong điều kiện nhiệt độ cao. Do nito có nhiều hóa trị

15


nên oxit nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, đƣợc gọi chung là NOx. Trong khí thải
của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO.
*CO: monoxit cacbon là sản phầm cháy của C trong nhiên liệu trong điều kiện
thiếu oxy. Monoxit cacbon ở dạng khí không màu, không mùi. Khi kết hợp với sắt
có sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ oxy của
hemoglobin trong máu, làm giảm khả năng cung cấp oxy cho các tế bào trong cơ

thể. Monoxit cacbon rất độc, chỉ với một hàm lƣợng nhỏ trong không khí có thể gây
cho con ngƣời tử vong. Hàm lƣợng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3.
*HC: (hydrocacbon, đôi khi còn đƣợc ký hiệu là CmHm) là các loại
hydrocacbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí
thải. Hydrocacbon có rất nhiều loại. Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau, ví dụ
parafin và naphtalin có thể coi là vô hại. Trái lại, các loại hydrocacbon thơm thƣờng
rất độc nhƣ hydrocacbon có nhân benzen có thể gây ung thƣ ( Total Hydrocacbon
viết tắt là TH ). Hydrocacbon tồn tại trong khí quyển còn gây ra sƣơng mù, gây tác
hại cho mắt và niêm mạc đƣờng hô hấp.
*Thành phần phát thải
CO: 0,2 đến 5% thể tích nhiên liệu tiêu thụ
HC: 300 đến 6000 ppmc1 (một phần triệu theo phƣơng pháp ion hóa FIA hoặc
FID),
NOx: từ 50 đến 2000 ppm.
Phát thải CO cao ở chế độ không tải và toàn tải, khi động cơ làm việc với hòa
khí giàu, HC phát thải cao ở chế độ không tải, trong quá trình hâm nóng động cơ,
tải nhỏ, khi tăng tốc và giảm tốc, NOx phát thải lớn nhất khi động cơ chạy đầy tải.
1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng
Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải độc hại đƣợc chia thành ba nhóm:

16


Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm tối thiểu nồng độ độc hại bằng
cách tối ƣu hoá chất lƣợng đốt cháy nhiên liệu thông qua việc tối ƣu hoá kết cấu
động cơ.
Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi khí thải
thành khí trơ trƣớc khi thải ra ngoài môi trƣờng bằng cách sử dụng các phƣơng
pháp xử lý xúc tác.
Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên

liệu truyền thống và sử dụng nhiên liệu thay thế.
1.2.1. Tối ƣu hóa kết cấu
* Điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí-nhiên liệu
Sự tiêu thụ nhiên liệu đồng nghĩa với sự phát thải, lƣợng tiêu thụ nhiên liệu
càng nhiều thì sự phát thải càng lớn. Để giảm phát thải thì trên ôtô hiện đại có lắp
thêm cảm biến ô-xy để nhận biết nồng độ khí thải và giúp cho máy tính điều chỉnh
lƣợng phun hợp lý nhằm đảm bảo sao cho tỉ lệ hòa khí gần với lý tƣởng nhất.
*Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp
Để đảm bảo cho động cơ giảm phát thải thì nhiên liệu phải đƣợc đốt cháy hoàn
toàn, muốn vậy thì thời điểm đánh lửa phải luôn thay đổi theo tốc độ của động cơ và
năng lƣợng đánh lửa tại đầu bugi phải lớn. Ngoài ra để tăng năng lƣợng đánh lửa thì
sử dụng bugi có kết cấu mới cũng đƣợc áp dụng.
* Tối ưu kết cấu buồng cháy, vị trí bugi, xu-páp
Thí nghiệm của Bosch trên G-e cho kết quả rằng: nếu vị trí bugi đặt ở trung
tâm của buồng đốt thì lƣợng tiêu hao nhiên liệu và phát sinh HC nhỏ hơn so với
bugi đặt không ở vị trí trung tâm. Động cơ có 4 xu-páp thì lƣợng HC sẽ giảm mạnh
so với 2 xu-páp, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm hơn khi λ <1,25.
* Luân hồi khí thải

17


Để giảm quá trình hình thành NOx trong khí thải khi nhiệt độ buồng đốt cao,
van EGR cho hồi lƣu một phần khí thải với mục đích giảm nhiệt độ quá trình cháy,
ngoài ra trên động cơ cũng có thể thiết kế góc trùng điệp lớn để tạo luân hồi nội tại.
Khi tỉ lệ EGR càng lớn thì NOx giảm nhƣng HC sẽ tăng lên.
1.2.2. Sử dụng các biện pháp xử lý khí thải
Xu hƣớng chung trên thế giới là các tiêu chuẩn kiểm soát khí thải ngày càng
ngặt nghèo hơn để bảo vệ môi trƣờng. Để thỏa mãn các tiêu chuẩn hiện hành và tiêu
chuẩn tƣơng lai của châu Âu, Mỹ và Nhật gần nhƣ bắt buộc phải sử dụng các biện

pháp xử lý khí thải. Dƣới đây là một số biện pháp thông dụng
a) Hỗ trợ phản ứng trên đường thải
Thực chất của phƣơng pháp này là cung cấp thêm oxy để oxy hóa tiếp tục các
thành phần độc hại nhƣ CO, HC. Không khí đƣợc đƣa vào ngay sau xupap thải, nơi
đây khí thải có nhiệt độ cao nhất tạo điều kiện cho phản ứng oxy hóa tiếp . Không
khí có thể đƣa vào bằng hai cách. Cách thứ nhất bằng máy nén cƣỡng bức. Một số
động cơ ít xylanh có thể bố trí van một chiều trên đƣờng ống thải. Nhờ áp suất thấp
trong chu kỳ dao động áp suất trong đƣờng ống, van một chiều mở ra bổ sung
không khí vào đƣờng thải. Phƣơng pháp này không giảm đƣợc NOx
b) Xử lý nhiệt
Nguyên tắc của phƣơng pháp này là lƣu giữ khí thải khá lâu ở trạng thái nhiệt
độ cao để kéo dài thơi gian phản ứng oxy hóa các thành phần độc hại nhƣ CO và
HC. Để đạt đƣợc hiệu quả, buồng phản ứng phải đủ lớn, đƣợc cách nhiệt và bố trí
ngay sau xupap thải nhằm bảo đảm nhiệt độ cao.
c) Các biện pháp xử lý khí thải bằng bộ xúc tác:
Nhờ những chất trung gian gọi là các chất xúc tác, tốc độ các phản ứng oxy
hóa hoặc khử các thành phần độc hại tăng lên mà không cần nhiệt độ cao hơn 1000
K. Do đó, bộ xử lý không cần bố trí sát cửa thải. Tùy theo cấu tạo và cách bố trí mà

18


phân biệt các loại bộ xử lý khác nhau để xử lý đồng thời ba thành phần độc hại
chính của động cơ xăng là CO, HC và NOx, cụ thể nhƣ sau:
Bộ xử lý xúc tác hai đƣờng ( Two- Ways Catalytic Converter): Thực chất của
bộ xử lý hai đƣờng gồm hai bộ xử lý xúc tác nối tiếp nhau, hình 4-12. Khí thải đến
từ động cơ trƣớc hết vào bộ xử lý khử NOx. Sau đó, khí thải với thành phần NOx đã
đƣợc giảm thiểu đi tiếp vào bộ xử lý oxy hóa để giảm CO và HC.
Bộ xử lý xúc tác ba đƣờng: Bộ xử lý ba đƣờng ( Three – Ways Ctalytic
Converter) có tính chất rất ƣu việt là có thể đồng thời xử lý tới 90% các chất độc hại

chính là CO, HC và NOx nên đƣợc dùng rộng rãi.
Cấu tạo bộ xúc tác gồm vỏ làm bằng thép. Giữa vỏ và lõi có một lớp đệm
bằng sợi vô cơ hoặc phoi théo để bù trừ giãn nở vì nhiệt. Lõi thƣờng bằng gốm rỗng
với chiều dày vách khoảng 0,2 mm và mật độ khoảng 80 lỗ/ cm2 hoặc bằng thép lá
cuộn lại để tạo ra các rãnh lƣu thông cho khí thải lƣu động qua. Ngƣời ta phủ trên
bề mặt của rãnh một lớp vật liệu trung gian (wash – coast) bằng γ-Al2O3 có tác
dụng làm tăng độ lồi lõm của bề mặt do đó tăng diện tích tham gia phản ứng (diện
tích tiếp xúc đạt tới 15-25 m2/ cm3). Bên trên lớp trung gian là lớp vật liệu xúc tác
bằng kim loại hiếm là platin và rodium với mật độ khoảng 1,5 đến 2 gam cho 1 dm3
thể tích lõi. Platin có tác dụng xúc tác tăng cƣờng quá trình oxy hóa con rodium
tăng cƣờng quá trình khử.
Quá trình oxy hóa gồm có các phản ứng sau:
CO + ½ O2 = CO2
CmHn + (m + n/4) O2 = m CO2 + n/2 H2O
Còn quá trình khử, ví dụ nhƣ đối với NO:
NO + CO = ½ N2 + CO2
Tuy nhiên cƣờng độ các phản ứng nói trên phụ thuộc rất nhiều vào mức độ
đậm nhạt của hỗn hợp công tác của động cơ và còn phụ thuộc vào nhiệt độ và các
thành phần khác trong khí thải. Vùng nhiệt độ làm việc của bộ xử lý từ 300 đến

19


9000C. Nếu trong sản phẩm cháy có phức tạp chất hoặc các chất phụ gia trong xăng
hoặc dầu bôi trơn bám trên bề mặt hấp thụ của bộ xử lý thì hiệu quả xử lý sẽ giảm
rất nhiều. Cụ thể, động cơ có bộ xử lý ba đƣờng không đƣợc dùng xăng pha chì.
Nhƣ đã trình bày, bộ xử lý ba đƣờng có hiệu quả xử lý rất cao nên đƣợc coi là
phƣơng pháp xử lý hoàn hảo nhất hiện nay đối với động cơ xăng. Từ lâu, Mỹ đã bắt
buộc các xe đời mới phải trang bị bộ xử lý ba đƣờng. Châu Âu cũng quy định bắt
buộc đối với những động cơ xăng cho ô tô từ đời xe 2000 trở đi. Còn Trung Quốc

cũng quy định tƣơng tự cho ô tô sản xuất tính từ năm 2001.
1.2.3. Dùng nhiên liệu thay thế có nồng độ phát thải độc hại thấp
Hiện nay, với sự khan hiếm của dầu mỏ, các nƣớc bắt đầu quan tâm mạnh mẽ
đến các loại nhiên liệu thay thế xăng truyền thống. Tuy nhiên, ở khía cạnh ô nhiễm
do khí xả, các nhiên liệu thay thế còn đƣợc đánh giá thân thiện hơn với môi trƣờng.
Có đƣợc điều này là do:
Thành phần của chúng có tỉ lệ C/H trong cấu trúc phân tử thấp;
Không có Ni-tơ, lƣu huỳnh, chì;
Giới hạn bắt lửa rộng, tốc độ lan truyền nhanh.
Vì thế, khí thải ít độc hại. Mặt khác, hàm lƣợng phát thải CO2 cũng thấp hơn
nếu so với xăng dầu truyền thống, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính. Các loại nhiên liệu
thay thế thƣờng dùng trên động cơ xăng gồm:
* Cồn:
Các loại cồn thƣờng đƣợc sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho xăng là:
Ethanol (C2H5OH), Methanol (CH3OH). Phethanol vào xăng với tỷ lệ 5% (E5)
hoặc 10% (E10) sẽ đƣợc xăng có phẩm chất cao không ảnh hƣởng tới đặc tính làm
việc và tuổi thọ của động cơ mà nồng độ khí thải còn giảm so với động cơ xăng
thông thƣờng.

20


* Khí hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas)
Đây là loại nhiên liệu thu đƣợc từ hóa lỏng các khí đồng hành của các túi dầu
mỏ. Thành phần của LPG chủ yếu là propane C3H8 (60%) và bu-tan C4H10 (40%).
Trên một số thử nghiệm động cơ chạy bằng LPG, cho thấy các chất thải độc hại
đƣợc giảm nhƣ sau: HC giảm 30-50%, CO giảm 70-90%, NOx giảm 20-30%.
* Khí thiên nhiên hóa lỏng (CNG, LNG)
CNG và LNG có thành phần chính là khí mê-tan (81%-98%), chỉ khác nhau ở
công nghệ để tồn trữ. Do tỉ lệ C/H có trong nhiên liệu thấp, vì thế khi cháy phát thải

ít CO2, lƣợng nhiên liệu cháy thừa thải trong khí xả ra môi trƣờng chủ yếu là CH4, ít
độc hại đến con ngƣời, khí thiên nhiên đã đƣợc ứng dụng nhiều trong động cơ chạy
nhiên liệu kép nhƣ xăng/CNG trên Ta-xi Dầu khí.
* Khí sinh học (biogas).
Bi-ô-ga thu đƣợc từ quá trình lên men yếm khí của các chất hữu cơ nhƣ: xác
động, thực vật, rác thải, chất thải chăn nuôi, chất thải sinh hoạt..có thành phần chủ
yếu là CH4 (60-68%), CO2 (20-32%), còn lại là các chất khí khác nhƣ H2S, hơi
nƣớc. Bi-ô-ga đang đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ để làm nhiên liệu cho ĐCĐT do phát
thải ít CO2. Mặt khác, sử dụng bi-ô-ga còn gián tiếp bảo vệ môi trƣờng từ việc sản
xuất bi-ô-ga bằng chất thải hữu cơ trong sinh hoạt, trong chăn nuôi, giảm lƣợng thải
CH4 vào khí quyển gây hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, cần phải áp dụng nhiều biện
pháp tinh lọc các tạp chất có trong bi-ô-ga trƣớc khi dùng.
* Nhiên liệu Hy-đrô
Bên cạnh các loại nhiên liệu thay thế nói trên, hy-đrô từ lâu đã đƣợc xem nhƣ
một loại nhiên liệu mong muốn cho ĐCĐT [2, 3, 21]. Khác với các loại nhiên liệu
truyền thống, đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và có thể đƣợc sản xuất từ
nguồn nƣớc vô tận và có khả năng sử dụng cho cả G-e và D-e. Hy-đrô khi phản ứng
với ô-xy tạo ra sản phẩm sạch, chỉ có nƣớc và không có thành phần ô nhiễm nào (kể
cả CO2) nên không gây ô nhiễm môi trƣờng và không gây hiệu ứng nhà kính nhƣ

21


khi sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch. Thêm nữa, nhiên liệu này có ƣu điểm là
cháy nhanh, trị số ốc tan cao, chống kích nổ tốt, nên cho phép động cơ có thể làm
việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ. Giới
hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng nên động cơ có thể
làm việc với hỗn hợp rất loãng, =1 4, Do đó động cơ có thể chạy hỗn hợp nghèo
để giảm NOx và góp phần làm tăng tính kinh tế sử dụng động cơ. Mặc dù vậy, nhiên
liệu hy-đrô cũng có một số nhƣợc 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 hy-đrô thì công suất động cơ sẽ
bị giảm nhiều. Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu
hy-đrô đủ để thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel khá khó khăn và tốn kém do nhiên
liệu có tỷ trọng rất thấp [27].
* Khí giàu hy-đrô
Chính vì một số nhƣợc điểm của nhiên liệu hy-đrô nói trên nên nhiều nhà
nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hy-đrô nhƣ một thành phần phụ gia cho
nhiên liệu truyền thống [13, 17, 23, 26]. Với phƣơng pháp này, hy-đrô chỉ đƣợc cấp
một tỷ lệ nào đó vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là xăng, diesel,
hoặc khí thiên nhiên để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hy-đrô (có hy-đrô ở trạng thái
tự do trong hỗn hợp). Nhờ đặc tính cháy nhanh, hy-đrô sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp
nhiên liệu chính tốt hơn nên giảm đƣợc thành phần độc hại khí thải, mở rộng giới
hạn cháy và tăng tính chống kích nổ cho động cơ trong khi không thay đổi kết cấu
động cơ so với khi dùng xăng hoặc diesel. Vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp
hy-đrô ổn định và tiện lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp
nhiên liệu nói trên.

22


Chƣơng 2. NHIÊN LIỆU HYDRO VÀ PHƢƠNG PHÁP SẢN XUẤT

2.1. Đặc điểm của nhiên liệu hy-đrô
2.1.1. Tính chất vật lý của nhiên liệu hy-đrô
Hy-đrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất
thông thƣờng theo khối lƣợng và trên 90% theo số lƣợng nguyên tử. Tuy vậy, trên
Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích). Hy-đrô là chất khí không
màu, không mùi, khối lƣợng phân tử là 2,016. Hy-đrô là nguyên tố nhẹ nhất trong
bảng tuần hoàn hoá học. Tỉ trọng của nó nhỏ hơn 14 lần so với không khí (0,08367

kg/m3 ở điều kiện và áp suất tiêu chuẩn). Hy-đrô ở dạng lỏng tại nhiệt độ dƣới
20,30K. hy-đrô có nhiệt trị cao nhất trên một đơn vị khối lƣợng trong tất cả các loại
nhiên liệu. Nhiệt trị của hy-đrô là 141,9 MJ/kg gấp gần ba lần so với xăng.
Tính chất vật lý đặc trƣng của hy-đrô thì có sự khác biệt so với các loại nhiên
liệu thông dụng là chúng không độc hại và nguy hiểm, chỉ có một số tính chất về
mặt lý thuyết thì có thể gây ra sự nguy hiểm trong quá trình bảo quản và sử dụng.
Một số tính chất vật lý quan trọng của hy-đrô đƣợc thể thiện ở bảng 2.1 dƣới đây:
Bảng 2.1. Tính chất vật lý của hy-đrô, mê-tan, xăng[3]
Tính chất

Hy-đrô

Mê-tan

Xăng

Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 300 K (kg/m3)

0,082

0,717

5,11

Hệ số khuyếch tán trong không khí (cm2/s)

29,53

9,48

1,65

Giá trị nhiệt trị thấp (kJ/kg)

119,7

46,72

44,79

Nội năng (kJ/kg)

2648.3

23


2.1.2. Tính chất cháy của nhiên liệu hy-đrô
Khi nghiên cứu hy-đrô là một loại phụ gia nhiên liệu để cải thiện quá trình
cháy của động cơ thì nhiên liệu hy-đrô có một số tính chất cháy quan trọng đƣợc liệt
kê trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Tính chất cháy của của hy-đrô, mê-tan, xăng[3]
Tính chất

Hy-đrô

Mê-tan

Xăng

Phạm vi cháy rộng (% thể tích)

4-75

5,3-15,0

1,2-6,0

Năng lƣợng đánh lửa thấp nhất (MJ)

0,02

0,28

0,25

Tốc độ màng lửa (m/s)

1,90

0,83

0,37-0,43

Nhiệt độ tự cháy (K)

858

813

500-700

* Phạm vi cháy rộng
Phạm vi cháy đặc trƣng cho khả năng có thể cháy ở của nhiên liệu với không
khí ở những tỉ lệ nhất định, hy-đrô có phạm vi cháy nằm giữa 4% đến 75% lƣợng
hy-đrô có trong hỗn hợp (tỉ lệ cháy tối ƣu là 29%), tức là có thể làm việc đƣợc với
hoà khí nghèo. Trong khi đó một số loại nhiên liệu khác thì có phạm vi cháy thấp
hơn nhƣ khí tự nhiên là 5.3%-15%, propane là 2.1%-10% và xăng là 2%-6% .

Hình 2.1. Phạm vi cháy của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [3]

24