Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hydro trên động cơ để cải thiện tính năng và phát thải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
đề tài nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, tháng 09 năm 2017
Nghiên cứu sinh

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học,
Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí
Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long đã hướng dẫn tôi hết sức tận
tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ
đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều
kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm các thành viên trong đề tài
KC.05.TN05/11-15 đã cho tôi sử dụng kết quả nghiên cứu để làm luận án.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng nghề cơ khí nông nghiệp, Lãnh
đạo khoa động lực và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá
trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng
chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận
án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã
động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công

trình này.
Nghiên cứu sinh

Phạm Ngọc Anh

ii


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ ix
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. x
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ - 1 i. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................... - 1 ii. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. - 1 iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ - 1 iv. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... - 2 v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu .......................................... - 2 vi. Điểm mới của luận án ............................................................................................ - 2 -

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. - 3 1.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong ............................ - 3 1.1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong .......................................... - 3 1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại ............................................................. - 4 1.2 Nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong ............................................................. - 6 1.2.1 Tính chất của khí hydro ................................................................................... - 6 1.2.2 Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hydro ............................................... - 9 1.2.3 Động cơ đốt trong bổ sung hydro .................................................................. - 15 1.2.4 Động cơ đốt trong bổ sung khí giàu hydro .................................................... - 20 1.2.5 Kết luận về sử dụng hydro và khí giàu hydro trên động cơ .......................... - 22 1.3 Các phương pháp sản xuất hydro và khí giàu hydro ...................................... - 23 1.3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................ - 23 1.3.2 Điện phân nước ............................................................................................. - 23 1.3.3 Khí hóa sinh khối .......................................................................................... - 24 1.3.4 Biến đổi nhiệt hóa cồn hoặc nhiên liệu hydrocarbons .................................. - 24 1.4 Tích trữ, vận chuyển và cung cấp hydro và khí giàu hydro cho động cơ đốt
trong - 28 iii


1.4.1 Vấn đề tích trữ và vận chuyển hydro ............................................................ - 28 1.4.2 Tạo hydro và khí giàu hydro ngay trên xe .................................................... - 29 1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................... - 29 -

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT
HÓA NHIÊN LIỆU XĂNG ................................................................................. - 31 2.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. - 31 2.2 Các phản ứng hóa học của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng ...... - 32 2.2.1 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước (SR)................................................... - 32 2.2.2 Ô xi hóa không hoàn toàn xăng (PO) ............................................................ - 35 2.2.3 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước và ô xy ở trạng thái tự cân bằng về nhiệt
(ATR) ..................................................................................................................... - 37 2.3 Tốc độ của phản ứng xúc tác ............................................................................. - 40 2.3.1 Chất xúc tác ................................................................................................... - 40 2.3.2 Trạng thái cân bằng hóa học của phản ứng biến đổi nhiệt hóa ..................... - 43 2.3.3 Biểu thức tốc độ động học phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng ..... - 46 2.4 Tốc độ thay đổi hàm lượng thành phần khí trong BXT .................................. - 51 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................... - 52 -

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỰ TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRONG BXT BIẾN
ĐỔI NHIỆT HÓA XĂNG TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ
HONDA WAVE- ............................................................................................... - 53 3.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. - 53 3.1.1 Mục đích tính toán......................................................................................... - 53 3.1.2 Nhiệt khí thải của động cơ và khả năng tận dụng ......................................... - 53 3.1.3 Sơ đồ BXT biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải ................. - 54 3.2 Mô hình tính toán ............................................................................................... - 58 3.2.1 Mô hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT ................................................ - 58 3.2.2 Mô hình tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu trong BXT .......... - 61 3.3 Kết quả tính toán và bàn luận ........................................................................... - 65 3.3.1 Các thông số vào ........................................................................................... - 65 3.3.2 Kết quả tính toán quá trình SR tận dụng nhiệt khí thải ................................. - 67 3.3.3 Kết quả tính toán quá trình PO ...................................................................... - 72 iv

3.3.4 Kết quả tính toán quá trình ATR ................................................................... - 74 3.3.5 Kết hợp SR và PO tận dụng nhiệt khí thải .................................................... - 77 3.4 Kết luận chương 3 ............................................................................................... - 81 -

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.................................................. - 82 4.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. - 82 4.1.1 Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm ............................................ - 82 4.1.2 Đối tượng, chế độ và điều kiện thử nghiệm .................................................. - 83 4.1.3 Nhiên liệu thử nghiệm ................................................................................... - 83 4.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo và cấp khí giàu H2 trên động cơ..................... - 83 4.2.1 Thiết kế chế tạo BXT .................................................................................... - 83 4.2.2 Thiết kế lắp đặt hệ thống tạo và cung cấp khí giàu H2 trên động cơ ............ - 85 4.3 Trang thiết bị thử nghiệm .................................................................................. - 86 4.3.1 Phanh thuỷ lực .............................................................................................. - 87 4.3.2 Cảm biến tốc độ động cơ .............................................................................. - 88 4.3.3 Thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ ............................................................. - 88 4.3.4 Tủ phân tích khí thải AVL CEB II ............................................................... - 89 4.3.5 Chương trình thử nghiệm .............................................................................. - 94 4.4 Kết quả thử nghiệm ............................................................................................ - 96 4.4.1 Đánh giá độ tin cậy của mô hình tính toán biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu ..... - 96 4.4.2 Tính năng làm việc của động cơ ở 70% tải ................................................... - 98 4.4.3. Tính năng làm việc của động cơ ở toàn tải ................................................ - 101 4.5 Kết luận chương 4 ............................................................................................. - 103 -

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... - 104 Kết luận .................................................................................................................... - 104 Hướng phát triển..................................................................................................... - 104 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 105
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................. 112
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 113
Phụ lục 1. Chương trình tính toán mô phỏng quá trình phản ứng biến đổi nhiệt
hóa xăng ........................................................................................................................ 113
v


Phụ lục 2. Kết quả tính toán quá trình SR ................................................................ 120
Phụ lục 3. Một số hình ảnh thử nghiệm ..................................................................... 121

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục ký hiệu
Ký hiệu

Tên gọi

CO

Oxit cacbon

HC

Hydro cacbon

NOx

Oxit nitơ

SO2

Oxit lưuhuynh

N2

Nitơ

CO2

Cacbonnic

H2O

Nước

α

Hệ số dư lượng không khí

N2O

Protoxit

C2H6O

Ethanol

CH4

Metan

H2

Hydro

vii


Danh mục chữ viết tắt
BSEC

Suất tiêu hao năng lượng có ích

BTL

Bio-mass To Liquid

BXT

Bộ xúc tác

CEB-II

Hệ thống phân tích khí thải

CHK

Chế hòa khí

CKĐL

Cơ khí động lực

CNG

Khí thiên nhiên nén

CR

Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với khí các bon níc

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

ĐHBK HN

Đại học Bách khoa Hà Nội

DME

Dimethyl ether

ETB

Băng thử động lực học cao

FAME

Fatty Acid Methyl Ester

HCNG

Hỗn hợp nhiên liệu hydro/CNG

HVO

Hydrotreating Vegetable Oil

LNG

Khí thiên nhiên hóa lỏng

LPG

Dầu mỏ hóa lỏng

NG

Khí thiên nhiên

NGV

Xe chạy nhiên liệu khí thiên nhiên

PO

Ô xi hóa không hoàn toàn nhiên liệu

SR

Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước

ATR

Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước và ô xi ở trạng thái tự cân bằng
về nhiệt

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Một số tính chất của hydro, mê-tan, xăng [39, 101] ..................................................... - 7 Bảng 2.1 Năng lượng tạo thành (enthalpy of formation) của một số chất ở 298K [33, 36] ......... - 34 Bảng 2.2. Ưu nhược điểm của các phương pháp tạo ra hydro ..................................................... - 40 Bảng 2.3 Các hằng số động học phản ứng

[87] .......................................... - 50 -

Bảng 2.4 Các hằng số cân bằng [49, 75] ...................................................................................... - 50 Bảng 2.5 Các hằng số hấp thụ [49, 75] ........................................................................................ - 50 Bảng 3.1 Đặc tính kỹ thuật của chất xúc tác Ni-0309S ................................................................ - 55 Bảng 3.2. Các thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm Honda Wave- ................................. - 57 Bảng 3.3 Các thông số vào của BXT (xác định từ thực nghiệm) ................................................. - 66 Bảng 3.4 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro ...................................................................... - 69 Bảng 3.5 Nhiệt độ BXT và tỷ suất tạo H2 ở các chế độ tải (Số liệu đồ thị Hình 3.11) ................ - 72 Bảng 3.6 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro của quá trình PO .......................................... - 73 Bảng 3.7 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro ...................................................................... - 75 Bảng 3.8 Thông số khí thải vào BXT........................................................................................... - 78 Bảng 3.9 Kết quả tính toán kết hợp SR vàPO có tận dụng nhiệt khí thải .................................... - 78 Bảng 4.1 Các thông số cấp nguyên liệu của BXT ........................................................................ - 95 Bảng 4.2 Kết quả tính toán và thực nghiệm quá trình SR ............................................................ - 97 Bảng 4.3 Thành phần H2 và khí giàu H2 trong khí nạp của động cơ .......................................... - 98 Bảng 4.4 Đặc tính động cơ chạy xăng nguyên bản và bổ sung khí giàu hydro ở 70% tải ........... - 98 Bảng 4.5 Đặc tính động cơ chạy xăng nguyên bản và bổ sung khí giàu hydro ở 100% tải ....... - 101 -

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Giới hạn cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [44]................................................. - 8 Hình 1.2 Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [12] ............................................................... - 9 Hình 1.3 Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT [46] ........................................................... - 10 Hình 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của động cơ hydro và động cơ xăng [98] .............................. - 11 Hình 1.5 So sánh hiệu suất có ích của động cơ H2 với bướm ga (BG) mở 100% (thay đổi ), động
cơ H2 và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) duy trì mô men 80 Nm ở tốc độ khác nhau [93] .. 12 Hình 1.6 So sánh hiệu suất có ích của động cơ H2 với bướm ga (BG) mở 100% và 50% (thay đổi )
và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) để duy trì mô men 20 Nm ở các tốc độ khác nhau [93] . 12 Hình 1.7 Phát thải NOx của động cơ H2 ở 1500v/p, bướm ga mở hoàn toàn [93] ....................... - 13 Hình 1.8 So sánh hiệu suất của động cơ khi bổ sung và không bổ sung hydro ở 1400 v/p) ở tải
trọng (MAP) khác nhau [19] ........................................................................................................ - 15 Hình 1.8 So sánh hiệu suất của động cơ khi bổ sung và không bổ sung hydro ở 1400 v/p) ở các điều
kiện tải trọng (MAP) khác nhau [18] ........................................................................................... - 16 Hình 1.9 Hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ lệ năng lượng H2 thay thế ở không tải [19] ............ - 16 Hình 1.10 Diễn biến hàm lượng phát thải của động cơ theo  khi bổ sung hydro với các tỷ lệ khác
nhau [18] ...................................................................................................................................... - 17 Hình 1.11 Áp suất có ích trung bình của động cơ bổ sung H2 ở 1400v/p) với hỗn hợp có  khác
nhau [18] ...................................................................................................................................... - 18 Hình 1.12 So sánh hiệu suất có ích và phát thải của động cơ khi chạy chỉ diesel và khi chạy hydrodiesel [78] ..................................................................................................................................... - 19 Hình 1.13 Hiệu suất chỉ thị và áp suất có ích trung bình của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro
(syngas) [21]................................................................................................................................. - 20 Hình 1.14 Phát thải HC và NOx của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21] .......... - 21 Hình 1.15 Phát thải CO của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21] ....................... - 21 Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý điện phân nước tạo hydro ................................................................. - 23 Hình 2.1 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước, SR ..................... - 32 Hình 2.2 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình ô xi hóa không hoàn toàn xăng, PO ............................... - 35 Hình 2.3 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu với ô xy và hơi nước tự cân
bằng về nhiệt, ATR ...................................................................................................................... - 37 Hình 2.4 Các dạng lõi phần tử xúc tác ......................................................................................... - 42 x


Hình 2.5 Sơ đồ quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu ở trạng thái cân bằng ............................. - 43 Hình 3.1 Các thành phần cân bằng nhiệt của đông cơ đốt trong (ĐCĐT) ................................... - 53 Hình 3.2 Sơ đồ BXT biến đổi nhiệt hóa xăng tận dụng nhiệt khí thải ....................................... - 54 Hình 3.3 Mô hình truyền nhiệt sấy nóng BXT ............................................................................. - 59 Hình 3.4 Mô hình 2 chiều của bộ xúc tác..................................................................................... - 62 Hình 3.5 Diễn biến thay đổi nhiệt độ khí thải và nhiệt độ trung bình của hạt xúc tác dọc theo chiều
dài BXT trong quá trình SR ở chế độ toàn tải của động cơ, tỷ lệ khối lượng N/X = 3 ................ - 67 Hình 3.6 Diễn biến thay đổi hàm lượng thể tích các thành phần khí ẩm trong BXT dọc theo chiều
dài của nó trong quá trình SR ở chế độ toàn tải của động cơ , tỷ lệ khối lượng N/X=3 .............. - 68 Hình 3.7 Diễn biến thay đổi hàm lượng thể tích của các thành phần khí khô trong BXT dọc theo
chiều dài của nó trong quá trình SR ở chế độ toàn tải của động cơ ............................................. - 68 Hình 3.8 Quan hệ giữa hàm lượng sản phẩm khô của quá trình SR với tỷ lệ khối lượng N/X ở chế
độ toàn tải của động cơ................................................................................................................. - 69 Hình 3.9 So sánh tỷ số biến đổi nhiên liệu của quá trình SR theo tỷ lệ khối lượng N/X khi có tận
dụng và không tận dụng nhiệt khí thải ở chế độ toàn tải của động cơ ......................................... - 70 Hình 3.10 So sánh tỷ suất tạo hydro của quá trình SR theo tỷ lệ nước/xăng ở các chế độ 100% tải,
70% tải và 50% tải của động cơ ................................................................................................... - 71 Hình 3.11 Ảnh hưởng của chế độ tải đến nhiệt độ BXT và tỷ suất tạo H2 (mol H2/1g xăng) của quá
trình SR ở tỷ lệ N/X tối ưu ........................................................................................................... - 71 Hình 3.12 Quan hệ giữa các hàm lượng thành phần sản phẩm khô và tỷ lệ K/X của quá trình PO.... 73 Hình 3.13 Quan hệ giữa tỷ suất tạo H2 và CO và nhiệt dư với tỷ lệ K/X của quá trình PO ........ - 73 Hình 3.14 Sự thay đổi của hàm lượng thể tích khí khô CO, H2 theo tỷ lệ nước/xăng ở các tỷ lệ
không khí/xăng (K/X) khác nhau của quá trình ATR .................................................................. - 76 Hình 3.15 Sự thay đổi của tỷ suất tạo CO, H2 theo tỷ lệ nước/xăng ở các tỷ lệ không khí/xăng
(K/X) khác nhau của quá trình ATR ............................................................................................ - 76 Hình 3.16 Tỷ suất tạo H2 của BXT ở các chế độ tải của động cơ ............................................... - 79 Hình 3.17. Tỷ suất tạo H2 của BXT ở các chế độ tải của ĐC với tỷ lệ cấp nguyên liệu tối ưu ... - 80 Hình 4.1 Cụm BXT và ống trao đổi nhiệt ................................................................................... - 83 Hình 4.2 Bản vẽ chi tiết BXT ...................................................................................................... - 84 Hình 4.3 Mô hình bố trí BXT reforming nhiên liệu xăng theo quá trình SR tận dụng nhiệt khí thải 85 Hình 4.4 Sơ đồ băng thử nghiệm các tính năng của động cơ ...................................................... - 86 Hình 4.5 Phanh thuỷ lực Didacta T101D .................................................................................... - 87 xi


Hình 4.6 Bộ chuyển đổi tín hiệu và máy tính hiển thị................................................................. - 87 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của hệ thống cảm biến tốc độ động cơ................ - 88 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S ............................. - 88 Hình 4.9 Giao diện trên máy tính hệ thống cân nhiên liệu AVL 733S ....................................... - 89 Hình 4.10 Sơ đồ của tủ AVL CEBII ............................................................................................ - 90 Hình 4.11 Sơ đồ cấu tạo của bộ đo CO ........................................................................................ - 90 Hình 4.12 Sự ảnh hưởng của H2O đến CO.................................................................................. - 91 Hình 4.13 Sơ đồ cấu tạo bộ phân tích NO và NOx ...................................................................... - 92 Hình 4.14. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC ................................................................................... - 93 Hình 4.15 So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm SR ở 70% tải............................................. - 97 Hình 4.16 So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm SR ở 100% tải........................................... - 97 Hình 4.17 Công suất động cơ tại 70% độ mở bướm ga .............................................................. - 99 Hình 4.18 Suất tiêu hao nhiên liệu tại 70% độ mở bướm ga........................................................ - 99 Hình 4.19 Diễn biến các thành phần phát thải tại 70% bướm ga ............................................... - 100 Hình 4.20 Công suất động cơ tại vị trí bướm ga mở hoàn toàn ................................................. - 101 Hình 4.21 Suất tiêu hao nhiên liệu tại vị trí bướm ga mở hoàn toàn.......................................... - 102 Hình 4.22 Diễn biến các thành phần phát thải tại 100% bướm ga ............................................. - 103 -

xii


MỞ ĐẦU

i. Lý do chọn đề tài
Trong sự phát triển của bất kỳ quốc gia nào trên thế giới, động cơ đốt trong (ĐCĐT)
luôn giữ một vai trò vô cùng quan trọng trong nền kinh tế xã hội và có mặt ở mọi lĩnh vực
như nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, quốc phòng và các lĩnh vực khác.
Không một nước phát triển nào lại không có ngành ĐCĐT phát triển. Hiện nay, sự gia tăng
nhanh về số lượng ĐCĐT đang khiến cho mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch truyền thống
tăng cao gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu này và làm môi trường bị ô nhiễm
ngày càng trầm trọng không chỉ ở các quốc gia phát triển trên thế giới mà cả ở Việt Nam.
Do đó, cần phải có các giải pháp cấp bách để khắc phục vấn đề này. Việc nghiên cứu phát
triển các nguồn nhiên liệu thay thế có mức phát thải thấp và sử dụng hiệu quả nguồn nhiên
liệu sẵn có sẽ là giải pháp căn cơ có tầm ảnh hưởng toàn cầu, đảm bảo an ninh năng lượng
của các quốc gia và sự phát triển bền vững cho nhân loại. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa phát
triển được nguồn nhiên liệu mới sạch có tiềm năng đủ để thay thế hoàn toàn nhiên liệu
truyền thống trên ĐCĐT nên trước mắt, việc nghiên cứu tối ưu hoá, nâng cao hiệu quả quá
trình cháy của động cơ để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải độc hại vẫn luôn được
quan tâm hàng đầu.
Một trong những biện pháp hữu hiệu để nâng cao hiệu quả quá trình cháy trên các
động cơ hiện hành mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu động cơ là bổ sung một lượng
nhỏ khí hydro hoặc khí giàu hydro vào động cơ. Hydro có đặc điểm khuếch tán nhanh, dễ
bắt cháy và cháy nhanh nên khi được bắt cháy trong hỗn hợp với nhiên liệu hóa thạch
truyền thống trong xi lanh động cơ nó sẽ làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu và
giúp nhiên liệu cháy kiệt, nhờ đó làm tăng hiệu quả quá trình cháy và giảm phát thải độc
hại của động cơ.
Tuy nhiên, hydro có nhược điểm lớn so với nhiên liệu truyền thống là tồn tại ở dạng
khí và có tỷ trọng rất thấp nên việc tích trữ, bảo quản và vận chuyển khí này để đủ cung
cấp liên tục cho động cơ trên các phương tiện vận tải gặp khá nhiều khó khăn và tốn kém.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu tạo ra và cung cấp khí hydro hoặc khí giàu hydro cho động
cơ ở ngay trên động cơ để cải thiện quá trình cháy, nâng cao hiệu suất và giảm phát thải
cho động cơ sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Công nghệ này sẽ khắc phục được
các khó khăn về tích trữ, bảo quản và vận chuyển nói trên. Đây cũng chính là lý do của

việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hyddro trên động cơ để cải thiện tính
năng và phát thải”.

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

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng tạo khí giàu hydro
-1-


trong bộ xúc tác (BXT) và thiết kế chế tạo BXT tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hydro
trên động cơ xe máy Honda Wave- và đánh giá tính năng của động cơ sử dụng khí giàu
hydro này. Việc nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm
Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực (CKĐL), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

iv. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết
và nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể là:
Phần nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các phương pháp tạo
khí giàu hydro trên động cơ và mô hình hóa tính toán quá trình tạo khí giàu hydro trong
BXT tận dụng nhiệt khí thải nhằm xác định được các phương pháp tạo khí giàu hydro phù
hợp và các thông số làm việc tối ưu của BXT ở các chế độ làm việc của động cơ.
Phần nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán lý
thuyết quá trình tạo khí giàu hydro và đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của
động cơ được bổ sung khí giàu hydro tạo ra trên động cơ.

v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Luận án đã phân tích và lựa chọn phương án tạo khí giàu hydro từ nhiên liệu xăng
qua quá trình biến đổi nhiệt hóa với sự hỗ trợ của chất xúc tác. Đã xây dựng được mô hình
mô phỏng và tính toán các thông số làm việc của bộ xúc tác làm cơ sở cho việc thiết kế và
chế tạo bộ xúc tác nhiệt hóa tận dụng nhiệt khí thải cho động cơ xe máy Wave – α. Kết quả
thử nghiệm bộ xúc tác cho thấy những cải thiện đáng kể về tính năng làm việc và phát thải
của động cơ. Đồng thời luận án đã giải quyết được khó khăn vè tích trữ và cung cấp khí
giàu hydro cho động cơ bằng cách tạo ra hydro ngay trên phương tiện.

vi. Điểm mới của luận án
Luận án đã xây dựng thành công mô hình tính toán quá trình tạo khí giàu hydro từ
nhiên liệu xăng bằng phương pháp biến đổi nhiệt hóa tận dụng nhiệt khí thải động cơ. Từ
đó tính toán được tỷ lệ nước/nhiên liệu cấp vào bộ xúc tác cho hiệu suất tạo khí giàu hydro
cao.
Đã thiết kế, chế tạo lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống cung cấp khí giàu
hydro sử dụng bộ xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước cho động cơ xe máy Wave
– α. Kết quả đã cải thiện đáng kể tính năng và phát thải của động cơ ở 70% tải và 100% tải.

vii. Nội dung của luận án
Mở đầu
Chương1. Tổng quan
Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng
Chương 3. Tính toán sự tạo khí giàu hydro trong bộ xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng
tận dụng nhiệt khí thải trên động cơ Honda Wave-
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
Kết luận chung và phương hướng phát triển

-2-

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong
1.1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong là nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường. Các thành phần độc hại
chính phát thải từ động cơ gồm ô xít các bon (CO), hydrocacbon (HC), ô xít ni tơ (NOx), ô
xít lưu huỳnh (SO2), khói đen và các chất thải dạng hạt khác. Các thành phần chất thải này
không những gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe con người mà về lâu về dài còn phá hoại cả
thế giới sinh vật đang nuôi sống con người. Theo số liệu thống kê ở Mỹ năm 1997, các
chất ô nhiễm phát thải từ các phương tiện vận tải trang bị động cơ đốt trong sử dụng nhiên
liệu hóa thạch chiếm 4050% tổng hàm lượng HC trong không khí, 50% tổng hàm lượng
NOX và 8090% tổng hàm lượng CO ở khu vực thành phố [40]. Ở các nước phát triển
khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng xảy ra vấn đề tương tự. Trong những năm gần đây,
số lượng phương tiện vận tải ngày càng tăng cao, trung bình hàng năm thế giới sản xuất và
đưa vào sửa dụng thêm trên 40 triệu chiếc động cơ, nên càng làm vấn đề ô nhiễm môi
trường thêm trầm trọng.
Các thành phần độc hại phát ra từ động cơ có thể từ 3 nguồn. Thứ nhất là khí thải
trên đường ống xả. Đó là những khí độc hại phát sinh trong quá trình cháy nhiên liệu trong
động cơ và thải ra ngoài thông qua đường ống xả. Khí thải bao gồm những thành phần
chính là Ni tơ (N2) và hơi nước chiếm khoảng 83%, các khí còn lại là ô xít carbon (CO),
các bon níc (CO2), carbuahydro (HC), và các loại ô xít ni tơ (NOx). Thứ hai là các khí rò
lọt bao gồm những khí rò lọt qua khe hở giữa pít tông và xi lanh, chủ yếu là N2 và O2
chiếm tới 90% phần còn lại là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng nhỏ CO và NOx. Thứ
ba là các khí bay hơi gồm chủ yếu là hơi xăng (HC) bay hơi từ các thiết bị nhiên liệu.
Trong ba nguồn này thì khí thải từ đường ống thải là nguồn gây ô nhiễm chính của động cơ
với các thành phần độc hại là CO, HC, NOx, khói và chất thải rắn. Với động cơ xăng, các
thành phần phát thải độc hại chủ yếu gồm CO, HC, NOx. Đối với nguồn khí rò lọt và khí
bay hơi, thành phần độc hại chủ yếu là HC chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng phát thải HC của
động cơ nên thường không được quan tâm nhiều.
Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ liên quan đến quá trình cháy và

đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình
ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và quá trình này diễn ra trong buồng cháy động
cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như thành
phần giữa không khí và nhiên liệu, điều kiện cháy v.v... Ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy
hoàn toàn của nhiên liệu Hydrocacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh ra sản phẩm cháy
không độc hại như là CO2, H2O. Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý
tưởng đối với sự cháy hoàn toàn có thể nói là không bao giờ xảy ra, bởi vì thời gian cho
quá trình ôxy hoá bị giới hạn và sự thiếu đồng nhất ở trạng thái hơi của nhiên liệu trong
không khí. Kết quả là trong sản vật cháy, ngoài các sản phẩm cháy hoàn toàn còn có các
thành phần độc hại CO và HC. Thêm nữa, quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ cao trong môi
trường có ô xy và ni tơ nên sẽ sinh ra chất độc hại NOx trong khí thải.
-3-


Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại động cơ, và
đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ [5]. Hàm lượng CO tăng khi hệ số dư
lượng không khí  giảm. Nồng độ CO cao hơn với hỗn hợp giàu nhiên liệu hơn. Một
nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa nhiên liệu và không khí hoặc nhiên liệu
không hoàn toàn ở trạng thái hơi. Do vậy, mặc dù  chung có thể >1 nhưng vẫn có những
khu vực cháy trong xi lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO.
Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn toàn của nhiên
liệu trong xylanh động cơ gây ra. Nguồn chính của khí thải HC là do nhiên liệu thoát khỏi
sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe
hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình
nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời
kỳ giãn nở khi áp suất giảm. Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí
thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá
trình giãn nở. Một phần Hydrocacbon này được ôxy hoá khi được trộn với khí đã cháy
trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải ra ngoài cùng với khí thải nên gây
ra sự phát thải HC. Mức độ ôxy hóa HC phụ thuộc vào các điều kiện và chế độ vận hành

động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa... Sự
đánh lửa muộn hơn thích hợp để ôxy hoá HC sau quá trình cháy. Nguồn phát sinh khác của
HC là sự cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc là
đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng đốt cháy kém.
Hàm lượng HC chưa cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên
liệu. Nồng độ của chúng tăng khi hỗn hợp đậm hơn, đặc biệt là với  <1. Đối với hỗn hợp
quá nghèo khí xả HC cũng tăng do đốt cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ lửa trong
một phần của các chu kỳ vận hành động cơ.
Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O được gọi chung dưới cái
tên NOX trong đó NO chiếm đa phần trên 80%. Khí thải NOx được hình thành ở nhiệt độ
cháy cao. Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và
tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ phận NOX hình thành phía sau màng lửa, tức là
sau khi hỗn hợp bị đốt cháy. Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt
độ, ôxy và thời gian. Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NO X sẽ cao, tức là khi
động cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp và  =1,051,1 thì NOX lớn.
1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại
Việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp hữu hiệu để giảm phát thải cho động cơ đã
được quan tâm từ lâu. Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng
hiện nay có thể được chia thành ba nhóm [5].
Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm nồng độ độc hại khí thải từ xi lanh bằng
cách tối ưu hoá chất lượng tạo hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu thông qua việc tối ưu hoá
kết cấu động cơ. Các biện pháp công nghệ của nhóm này bao gồm cải tiến hệ thống phun
nhiên liệu và tạo hỗn hợp, áp dụng hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ, điều chỉnh
chính xác tỉ lệ không khí-nhiên liệu và thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp trong động cơ
xăng, tối ưu kết cấu buồng cháy, luân hồi khí thải, và một số công nghệ khác. Nhìn chung
-4-


các động cơ hiện đại đều đã được tối ưu hóa kết cấu với việc sử dụng các thành tựu khoa
học công nghệ tiên tiến cho phép giảm tối thiểu thành phần phát thải độc hại khí thải thoát

ra khỏi xi lanh động cơ. Tuy nhiên, hàm lượng phát thải độc hại của động cơ vẫn chưa thể
đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo trong khi khó có thể giảm thêm được
bằng cách áp dụng các biện pháp cải tiến kết cấu động cơ.
Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi các thành phần
độc hại của khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các
phương pháp xử lý xúc tác trung hòa khí thải. Ở phương pháp này, các thành phần độc hại
CO, HC được ô xi hóa tiếp trong các bộ xử lý xúc tác ô xi hóa; còn NOx được chuyển
thành N2 trong bộ xủa lý xúc tác giảm NOx hoặc việc ô xi hóa CO, HC, và giảm NOx được
thực hiện đồng thời trong cùng một bộ xử lý xúc tác 3 chức năng trên động cơ xăng; khói
bụi thì được xử lý trong các bộ xử lý xúc tác đặc biệt. Việc xử lý xúc tác khí thải cho phép
giảm đến trên 95% hàm lượng các thành phần độc hại [81]. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý xúc
tác này chỉ đạt được ở chế độ làm việc ổn định của động cơ khi bộ xử lý xúc tác đã nóng
hoàn toàn. Ở chế độ khởi động lạnh, chạy ấm máy, chạy không tải và chế độ chuyển tiếp,
hiệu quả của bộ xủa lý xúc tác rất thấp làm tăng lượng phát thải độc hại vào môi trường.
Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu (pha
phụ gia cải thiện nhiên liệu) và sử dụng nhiên liệu thay thế. Hiện nay, việc nghiên cứu sử
dụng nhiên liệu thay thế trên các động cơ hiện hành ngày càng được quan tâm nhằm mục
đích vừa để bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt do nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn
kiệt và vừa để giảm phát thải cho động cơ. Do đó, yêu cầu đối với nhiên liệu thay thế là
phải có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có khả năng cháy tốt, cháy kiệt và có
nồng độ phát thải độc trong khí thải thấp.
Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành hai nhóm, nhóm nhiên liệu có nguồn gốc
hóa thạch và nhóm có nguồn gốc tái tạo. Nhóm nhiên liệu thay thế có nguồn gốc hóa thạch
có thể gồm khí thiên nhiên (khí thiên nhiên nén CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG), khí
dầu mỏ hóa lỏng (LPG), dimethyl ether (DME) và một số khí khác. Các loại khí này có tỷ
lệ các bon (C/H) nhỏ nên sản vật cháy chứa ít thành phần độc hại CO, HC và CO2 hơn so
với khí thải của xăng và diesel [6, 11]. Nhóm nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo có thể gồm
khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio-methanol),
hydro, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME – Fatty Acid
Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa (HVO – Hydrotreating Vegetable Oil)

và sinh khối hóa lỏng (BTL – Bio-mass To Liquid). Các nhiên liệu tái tạo có ưu điểm nổi
bật là có thể nuôi trồng chế biến được nên không bao giờ cạn, mặt khác các nhiên liệu này
cũng có hàm lượng C nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng và diesel và đặc biệt là khí hydro
không chứa C nên phát thải độc hại thấp hơn.
Trong các loại nhiên liệu thay thế, khí hydro (H2) là loại khí có nhiệt trị khối lượng
cao và khi cháy không gây phát thải các thành phần độc hại HC và CO như các loại nhiên
liệu gốc hóa thạch, mặt khác, hydro có trữ lượng gần như vô tận trong thiên nhiên nên hiện
nay được coi là nhiên liệu của tương lai và là nhiên liệu thay thế rất tiềm năng cho động cơ
đốt trong [37].
-5-


1.2 Nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong
1.2.1 Tính chất của khí hydro
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ và tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất với
các nguyên tố khác. Hydro từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn cho
động cơ đốt trong (ĐCĐT). Khác với các loại nhiên liệu nguồn gốc hóa thạch, đây là
nguồn nhiên liệu không gây ô nhiễm khí thải, có thể tái tạo và có thể được sản xuất từ
nguồn nước vô tận. Một số tính chất điển hình của hydro so với khí mê tan và xăng được
chỉ ra trong Bảng 1.1 [37, 98]. Hydro có thể được sử dụng như một đơn nhiên liệu trên
ĐCĐT đốt cháy cưỡng bức [98] hoặc làm nhiên liệu bổ sung trên cả động cơ xăng [18] và
động cơ diesel [88]. Hydro khi phản ứng với không khí tạo ra sản phẩm sạch, chủ yếu nước
và không có thành phần ô nhiễm CO và HC nên không gây ô nhiễm môi trường và không
gây hiệu ứng nhà kính như khi sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch. Thêm nữa, nhiên liệu
này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốc tan cao (trên 130), chống kích nổ tốt, nên cho phép
động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó có thể tăng công suất và
hiệu suất của động cơ. Giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng
(=0,1410) nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, góp phần làm tăng tính
kinh tế của động cơ. Mặc dù vậy, nhiên liệu hydro cũng có một số nhược điểm so với
nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ

khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hydro cấp
vào đường ống nạp thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều. Các tính chất vật lý và tính
chất cháy của khí hydro ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sử dụng khí này làm nhiên liệu
trong động cơ đốt trong đã được trình bày một cách chi tiết trong các tài liệu tham khảo
[12,37,44, 98].
a) Tỷ trọng
Số liệu trong bảng cho thấy hydro có tỷ trọng nhỏ chỉ bằng khoảng 11% so với mê
tan và 1,6% so với hơi xăng, tức là nhẹ hơn 8,7 lần so với mê tan và 63,2 lần so với hơi
xăng ở cùng điều kiện áp suất. Trong bảng tuần hoàn hoá học, hydro có khối lượng phân tử
là 2,016 và là nguyên tố nhẹ nhất; tỉ trọng của nó nhỏ hơn 14 lần so với không khí ở điều
kiện áp suất tiêu chuẩn. Hydro tồn tại ở dạng lỏng tại nhiệt độ dưới 20,3K. Tỷ trọng của
hydro nhỏ sẽ làm giảm mật độ năng lượng của nhiên liệu này.
b) Hệ số khuếch tán
Hydro có hệ số khuyếch tán cao gấp hơn 3 lần mê tan và hơn 12 lần xăng nên khả
năng tạo hỗn hợp đồng nhất với không khí trong động cơ tốt hơn nhiều so với mê tan và
xăng. Thêm nữa, vì có hệ số khuếch tán cao cộng với tỷ trọng nhỏ nên hydro khi bị rò rỉ ra
môi trường ngoài sẽ rất dễ dàng phát tán và bay lên chứ không tập trung gần mặt nền như
khí mê tan và xăng nên nguy cơ xảy ra cháy nổ và hỏa hoạn thấp hơn rất nhiều so với hai
nhiên liệu kia [44].
c) Nhiệt trị và năng lượng cháy trong động cơ
Hydro có nhiệt trị khối lượng cao nhất so với tất cả các loại nhiên liệu khác của động
cơ. Nhiệt trị của hydro là 119,7 MJ/kg gấp gần ba lần so với xăng. Tuy nhiên, do tỷ trọng
-6-


của hydro nhỏ nên mật độ năng lượng của nó nhỏ hơn so với mê tan và xăng và thành phần
thể tích nhiên liệu trong hỗn hợp với không khí lại lớn hơn so với trường hợp hai nhiên liệu
kia nên công suất động cơ hydro có thể sẽ thấp hơn động cơ chạy khí mê tan và xăng nếu
động cơ có cùng dung tích xi lanh và cấp nhiên liệu vào đường ống nạp. Vấn đề này cần
phải được lưu lý khi thiết kế động cơ hydro để đảm bảo công suất yêu cầu của động cơ.

Trong động cơ phun nhiên liệu trực tiếp nếu cùng tốc độ và dung tích xi lanh thì động cơ
hydro sẽ có công suất lớn hơn.
Bảng 1.1 Một số tính chất của hydro, mê-tan, xăng [37, 98]

Tính chất

Hydro

Mê-tan

Hơi xăng

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

0,082

0,717

5,11

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

0.61

0.189

0.05

Giá trị nhiệt trị thấp (MJ/kg)

119,7

45,8

44,79

Mật độ năng lượng (kJ/m3)
- Ở áp suất 1 atm, 15oC
- 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
29,53
stoichiometric với không khí (% thể tích)

9,48

1,65

Tỷ lệ khối lượng không khí/nhiên liệu của
34,5
hỗn hợp stoichiometric

17,2

14,8

Lượng không khí lý thuyết (kg/kg nhiên liệu)

14,5

14,7

Nhiệt cháy của hỗn hợp nhiên liệu với 1 kg
3,37
không khí ở stoichiometric (MJ/kg không khí)

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

34,5

d) Giới hạn cháy
Giới hạn cháy là phạm vi cháy đặc trưng cho khả năng có thể cháy của nhiên liệu với
không khí ở những tỉ lệ nhiên liệu/không khí nhất định. Hydro có phạm vi cháy rất rộng,
-7-


nằm giữa 4% đến 75% thể tích hydro có trong hỗn hợp nhiên liệu-không khí (tương đương
=1,4  10), trong khi đó khí thiên nhiên có phạm vi cháy từ 5,3% - 15% (=0,6  2,5) và
xăng 2% - 6% (=0,25  1,4), tức là hydro có thể làm việc được với hoà khí rất nghèo.
Giới hạn cháy của hydro một số nhiên liệu khác được thể hiện trên Hình 1.1.

Hình 1.1. Giới hạn cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [44]

Thông thường, khi hỗn hợp có giới hạn cháy càng nghèo thì nhiên liệu sẽ cháy kiệt
hơn vì thế nâng cao được tính kinh tế. Thêm nữa, cháy nghèo sẽ làm nhiệt độ cuối quá
trình cháy thấp hơn làm giảm bớt hàm lượng ô nhiễm NOx trong khí thải. Khi động cơ làm
việc với hỗn hợp nghèo thì công suất động cơ thấp do mật độ của nhiên liệu có trong của
hỗn hợp không khí nhiên liệu thấp. Do đó, trong động cơ hydro có thể điều chỉnh thành
phần hỗn hợp theo tải để có thể đảm bảo động cơ làm việc kinh tế ở tải nhỏ và công suất
lớn ở tải lớn.
e) Năng lượng tia lửa yêu cầu
Năng lượng đánh lửa yêu cầu để đốt cháy nhiên liệu hydro thấp hơn nhiều so với
năng lượng đánh lửa yêu cầu để đốt cháy khí mê tan và xăng (Bảng 1.2) nên ưu điểm của
động cơ hydro là hệ thống đánh lửa đơn giản và giá thành thấp. Tuy nhiên, đặc điểm này
có thể gây khó kiểm soát vấn đề tự cháy của nhiên liệu. Những đốm lửa trong thành xylanh có thể dễ dàng đốt cháy nhiên liệu ngay cả khi van nạp chưa kịp đóng, dẫn đến hiện
tượng cháy ngược lại cổ hút hoặc tạo ra sự tăng áp đột ngột trong xi lanh trong động cơ cấp
hydro vào đường nạp tạo nên tiếng gõ gây hư hỏng cho động cơ. Vấn đề này cần phải được
quan tâm trong thiết kế động cơ chạy nhiên liệu hydro.
g) Tốc độ cháy
Hydro có tốc độ cháy cao, tốc độ lan tràn màng lửa của hydro nhanh hơn so với
xăng. Khi λ=1 thì tốc độ cháy của hỗn hợp (không khí và hydro) cao gấp 6 lần so với tốc
độ cháy của hỗn hợp (không khí-mê tan) và 10 lần so với hỗn hợp (không khí –xăng).
Nhưng với λ càng lớn (hỗn hợp nghèo) thì tốc độ ngọn lửa giảm đáng kể vì lúc này mật độ
nhiên liệu giảm nên khoảng cách giữa các phần tử nhiên liệu gia tăng sẽ làm cản trở đến
tốc độ lan tràn màng lửa trong buồng đốt. Ngoài ra, tốc độ cháy nhanh còn làm cho đặc
tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hydro ít nhạy với sự thay đổi hình dạng của buồng
-8-


cháy, sự chảy rối và xoáy của đường ống nạp. Tốc độ cháy cao và khả năng dễ cháy lớn

còn giúp cho động cơ có khả năng khởi động tốt hơn. Đồ thị Hình 1.2 thể hiện sự thay đổi
của tốc độ cháy theo hệ số dư lượng không khí của một số loại nhiên liệu.

Hình 1.2 Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [12]

Tốc độ cháy nhanh sẽ giúp dễ dàng cháy kiệt làm tăng hiệu quả quá trình cháy nhưng
lại làm cho áp suất và nhiệt độ cháy cao trong suốt quá trình cháy của động cơ. Do vậy, khi
động cơ làm việc ở gần tỉ lệ hoà khí tối ưu dẫn tới nhiệt độ khí cháy cao và dễ dàng hình
thành NOx. Ngoài ra nó có thể gây ra tiếng ồn và rung vì sự gia tăng áp suất quá nhanh
trong buồng đốt.
h) Nhiệt độ tự cháy
Nhiệt độ tự cháy là một thông số vô cùng quan trọng, nó quyết định đến tỉ số nén của
động cơ tức là quyết định đến hiệu suất nhiệt có ích của động cơ. Hydro có nhiệt độ tự
cháy cao nên có thể nâng cao tỉ số nén mà không sợ bị cháy kích nổ, góp phần nâng cao
hiệu suất của động cơ. Tỉ số nén càng cao thì động cơ có thể làm việc với hoà khí nghèo
mà vẫn cho hiệu suất và công suất cao. Nhiệt độ tự cháy của hydro cao (858oC) gấp đôi
của xăng nên đây là một ưu điểm lớn của nhiên liệu hydro.
i) Khoảng cách dập tắt màng lửa
Khoảng cách dập tắt màng lửa là khoảng cách từ màng lửa bị dập tắt đến bề mặt
thành buồng cháy. Nhiên liệu hydro có khoảng dập tắt màng lửa nhỏ hơn xăng (của hydro
là 0,6 mm của xăng là 2,0 mm). Do vậy ngọn lửa hydro tiến sát gần với thành xi-lanh hơn
so với ngọn lửa của các loại nhiên liệu khác trước khi bị dập tắt, vì thế trong động cơ
hydro, sự cháy có thể diễn ra với các phần nhiên liệu tại các vị trí mà ngọn lửa trong động
cơ xăng không thể đến được, như vậy nhiên liệu sẽ được đốt kiệt hơn tạo ra công suất lớn
hơn, nâng cao tính kinh tế và đặc biệt là ít ô nhiễm môi trường hơn do thành phần nhiên
liệu không cháy được từ khu vực màng lửa bị dập tắt thoát vào khí thải giảm xuống [44].
1.2.2 Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hydro
a) Các phương pháp cung cấp nhiên liệu trong động cơ hydro
Do hydro có trị số ốc tan cao và nhiệt độ tự cháy cao như chỉ ra trên Bảng 1.1 nên
hydro rất thích hợp để làm nhiên liệu trong động cơ đốt cháy cưỡng bức. Cũng như trong

động cơ xăng hay động cơ chạy nhiên liệu khí, việc cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong
-9-


động cơ hydro cũng có thể được thực hiện bằng cách cấp hydro vào đường ống nạp hay
phun trực tiếp vào trong xi lanh động cơ. Tuy nhiên, trong động cơ xăng việc cấp nhiên
liệu vào đường nạp hay phun trực tiếp vào trong xi lanh không ảnh hưởng nhiều đến lượng
không khí nạp do nhiên liệu xăng khi cấp vào vẫn tồn tại ở thể lỏng và có tỷ trọng lớn hơn
nhiên liệu khí. Còn trong động cơ hydro thì khác hẳn, phương pháp cấp hydro vào động cơ
ảnh hưởng rất lớn đến lượng khí nạp và do đó sẽ ảnh hưởng lớn đến công suất động cơ
[46]. Sơ đồ Hình 1.3 giới thiệu một số phương pháp cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong
động cơ hydro và ảnh hưởng của chúng đến lượng khí nạp trong điều kiện hỗn hợp không
khí-nhiên liệu có hệ số dư lượng không khí lambda bằng 1 so với động cơ xăng tạo hỗn
hợp trong đường ống nạp.

(a)

(b)

(c)

(d)

a) Động cơ xăng cấp xăng vào đường ống nạp, b) Phun hydro dạng khí vào đường ống nạp,
c) Phun H2 lỏng vào đường ống nạp, d) Phun H2 dạng khí áp suất cao vào buồng đốt
Hình 1.3 Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT [46]

Giả sử các trường hợp các sơ đồ động cơ (a), (b), (c) và (d) trên Hình 1.3 là cùng
dung tích xi lanh (ví dụ 1 lít) và lần lượt ứng với động cơ xăng cấp nhiên liệu vào đường
nạp, động cơ hydro cấp khí hydro vào đường nạp, động cơ hydro phun hydro lỏng vào

đường nạp và động cơ hydro phun trực tiếp khí hydro áp suất cao vào trong xi lanh động
cơ. Với hệ số dư lượng không khí lambda bằng 1 có thể dễ dàng tính toán được lượng hỗn
hợp không khí và nhiên liệu nạp đầy vào xi lanh ở điều kiện lý tưởng và từ đó dựa vào số
liệu Bảng 1.1 sẽ tính được lượng nhiệt đưa vào động cơ.
Với động cơ xăng cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong đường ống nạp (Hình 1.3a),
thể tích hỗn hợp khí nạp stoichiometric gồm 1,65% thể tích nhiên liệu và 98,35% thể tích
không khí. Nếu 1 lít thể tích hỗn hợp khí nạp nói trên ở nhiệt độ 25oC và áp suất khí trời 1
atm (khối lượng không khí khi đó vào khoảng 1,22g) thì sẽ sinh ra năng lượng nhiệt khi
cháy hoàn toàn là khoảng 3,5 kJ.
Động cơ hydro cấp khí hydro vào đường nạp (Hình 1.3b) có hệ thống cung cấp nhiên
liệu rẻ. Tuy nhiên, thể tích khí hydro trong hỗn hợp chiếm tỷ lệ tới 29,53% và thể tích
không khí còn lại là 70,47%. Với thể tích hỗn hợp khí nạp ở điều kiện nhiệt độ và áp suất
như ở động cơ xăng nói trên thì năng lượng nhiệt sinh ra khi cháy hoàn toàn chỉ bằng
khoảng 84% so với động cơ xăng.
- 10 -


Với động cơ hydro phun hydro lỏng vào đường nạp (Hình 1.3c), hydro hầu hết vẫn ở
dạng lỏng trong xi lanh trước khi xu páp nạp đóng nên thể tích khí nạp bị giảm không
nhiều, chỉ khoảng 3,5%, tức là thể tích khí nạp chiếm khoảng 96,5% thể tích xi lanh. Do đó
trong trường hợp này với thành phần hỗn hợp stoichiometric thì khối lượng nhiên liệu
hydro trong xi lanh nhiều hơn trường hợp (b) nên công suất lớn hơn. Nếu so với động cơ
xăng trường hợp (a) thì do hydro có nhiệt trị khối lượng cao hơn nên công suất động cơ
hydro trong trường hợp này sẽ lớn hơn khoảng 15%.
Với động cơ phun hydro trực tiếp vào xi lanh thì không ảnh hưởng gì đến lượng
không khí nạp, tức thể tích không khí nạp bằng đúng thể tích xi lanh. Khối lượng không
khí nạp trong trường hợp này là 1,24g, từ đó tính được năng lượng đưa vào động cơ là
4,2kJ, lớn hơn của động cơ xăng 21%.
Nói tóm lại, động cơ hydro với phương pháp cung cấp khí hydro vào đường nạp
thường được sử dụng vì hệ thống cung cấp nhiên liệu đơn giản, giá thành rẻ. Tuy nhiên,

phải chấp nhận công suất động cơ giảm 15% so với chạy xăng.
b) Hiệu suất nhiệt của động cơ hydro
Về mặt lý thuyết, hiệu suất nhiệt th của động cơ đốt trong được xác định theo công

Trong đó, V1/V2 là tỷ số nén,  là
tỷ số tỷ nhiệt đẳng áp và tỷ nhiệt đẳng
tích của môi chất, =Cp/Cv.
Do đó, có thể thấy chắc chắn hiệu
suất nhiệt của động cơ hydro lớn hơn
hiệu suất nhiệt của động cơ xăng vì
hydro có trị số ốc tan cao hơn nên cho
phép tăng tỷ số nén lên cao hơn của
động cơ xăng. Mặt khác, tỷ số tỷ nhiệt 
của hydro là 1,4 trong khi tỷ số tỷ nhiệt
của xăng là 1,1.

Hiệu suất nhiệt

thức:

o


—

Động cơ hydro,  =14,5
Động cơ hydro,  =12,5
Động cơ hydro,  =9
Động cơ xăng,  =9

Tỷ lệ tải so với tải
- max của động cơ xăng

Hình 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của động cơ
hydro và động cơ xăng [98]

Theo nghiên cứu của White và các cộng sự [98], khi so sánh hiệu suất nhiệt của các
động cơ hydro cùng dung tích với các tỷ số nén khác nhau và động cơ hydro với động cơ
xăng cùng tỷ số nén cho thấy hiệu suất có ích của động cơ hydro cao hơn đáng kể so với
hiệu suất của động cơ xăng ở cùng chế độ tải và khi tăng tỷ số nén thì hiệu suất tăng lên
(đồ thị Hình 1.4). Theo các tác giả này, động cơ hydro có thể tăng được tỷ số nén tới
14,5:1 và đó có thể là tỷ số nén tối ưu để cho hiệu suất cao nhất. Chính vì vậy, cùng với
thực tế là nhiệt trị khối lượng của nhiên liệu hydro cao gấp hơn 2,7 lần nhiệt trị của xăng
nên suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ hydro thấp hơn đến 63% so với động cơ xăng theo
kết quả nghiên cứu của Pourkhesalian và cộng sự [11].
- 11 -


Hiệu suất có ích (%)

Nhiều công trình nghiên cứu khác
cũng đã chỉ ra rằng hiệu suất cực đại
của động cơ hydro trong dải chế độ làm
việc thường lớn hơn hiệu suất cực đại
của động cơ xăng. Hiệu suất có ích của
động cơ xăng thường là 25-30% trong
H2 BG=100%
khi hiệu suất có ích cực đại của động cơ
H2 =1
Xăng =1

hydro phun trực tiếp có thể đến 45%
[97]. Các động cơ cấp hydro vào đường
nạp cũng có hiệu suất khá cao. Tang và
Tốc độ động cơ (v/p)
cộng sự [85] nghiên cứu thực nghiệm
Hình 1.5 So sánh hiệu suất có ích của động cơ H2
với bướm ga (BG) mở 100% (thay đổi ), động cơ
đo công suất, tiêu hao nhiên liệu và diễn
H2 và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) duy
biến áp suất trong xi lanh của một động
trì mô men 80 Nm ở tốc độ khác nhau [93]
cơ nghiên cứu chạy hydro ở các tỷ số
nén và tốc độ khác nhau để tính toán hiệu suất của động cơ đã chỉ ra rằng hiệu suất chỉ thị
cực đại của động cơ đạt đến 52% và hiệu suất có ích cực đại đạt đến 38%. Natkin và cộng
sự [68] cũng có kết luận tương tự khi nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ hydro tăng áp.
Các tác giả còn chỉ ra rằng ở tải thấp, phương pháp điều chỉnh tải bằng cách thay đổi 
(bướm ga mở hoàn toàn) có thể giúp tăng hiệu suất có ích thêm đến 15% so với khi điều
chỉnh tải bằng cách thay đổi độ mở bướm ga.

Hiệu suất có ích (%)

Nghiên cứu của Verhelst và cộng
sự [93] trên động cơ Volvo 4 xi lanh,
1,8 lít, tỷ số nén 10,3:1 được trang bị
H2 BG=100%
thêm hệ thống phun hydro đa điểm vào
H2 BG=50%
đường nạp để có thể chạy chỉ với xăng
Xăng =1
hoặc chỉ với hydro để so sánh hiệu suất

của động cơ khi chạy hai nhiên liệu
này. Kết quả nghiên cứu khi duy trì
thành phần hỗn hợp =1 và mô men
Tốc độ động cơ (v/p)
không đổi (80Nm) trên toàn dải tốc độ
Hình 1.6 So sánh hiệu suất có ích của động cơ H2
(thay đổi độ mở bướm ga và lực
với bướm ga (BG) mở 100% và 50% (thay đổi )
phanh) cho thấy hiệu suất của động cơ
và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) để duy
khi chạy H2 luôn luôn lớn hơn hiệu suất
trì mô men 20 Nm ở các tốc độ khác nhau [93]
của động cơ khi chạy xăng. Ở tốc độ
thấp (1500v/p), mức chênh lệch đến 28%, còn ở tốc độ cao (3500v/p), mức chênh lệch gần
10%. Ở chế độ mô men này khi động cơ hydro thay đổi công suất bằng cách thay đổi 
(=1,2 – 1,8) còn bướm ga luôn mở hoàn toàn thì hiệu suất cao hơn 24-36% so với hiệu
suất của động cơ khi chạy xăng (Hình 1.5).
Kết quả nghiên cứu của Verhelst và cộng sự [93] cũng cho thấy động cơ H2 khi giảm
tải thì hiệu suất động cơ giảm nhiều, khi tăng tốc độ thì hiệu suất động cơ cũng giảm. Tuy
nhiên, ở cùng chế độ mô men và tốc độ với động cơ xăng thì hiệu suất của động cơ H2 vẫn
lớn hơn nhiều. Ở mô men 20 Nm, hiệu suất của động cơ H2 cao hơn động cơ xăng đến
- 12 -


67% (Hình 1.6). Ở độ mở bướm ga 50% thì cần thay đổi  từ 4 đến 2 để tăng tốc độ động
cơ từ 1050v/p lên 4500v/p; còn khi mở hoàn toàn bướm ga thì cần điều chỉnh  trong
khoảng 4-5.
c) Phát thải
Sự cháy của hydro với ô xi tạo ra sản phẩm chỉ có nước. Tuy nhiên, trong động cơ
đốt trong sử dụng nhiên liệu hydro thì hydro cháy với không khí nên ngoài nước, sản phẩm

cháy có thể còn có các loại ô xít ni tơ NOx:
H2 + O2 + N2 = H2O + N2 + NOx

(1-1)

(ppm)

Hàm lượng NOx tạo thành trong động
cơ hydro phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như
thành phần hỗn hợp (hệ số dư lượng không
khí lam đa), phương pháp cấp hydro và tạo
hỗn hợp, tỷ số nén, góc đánh lửa sớm, tốc độ
của động cơ, và tỷ lệ luân hồi khí thải nếu áp
dụng.

Phát thải NOx

NOx được tạo ra trong buồng cháy do ni tơ phản ứng với ô xi ở nhiệt độ cao trong
quá trình cháy của nhiên liệu. Thêm nữa, khí xả của động cơ có thể còn có ô xít các bon
CO, khí các bon níc CO2 và hydro các bon HC do sự cháy dầu bôi trơn trong buồng cháy.
Tuy nhiên, các nghiên cứu về phát thải của động cơ hydro [59, 104] cho thấy NOx là thành
phần phát thải chủ yếu của động cơ hydro, chiếm trên 95% tổng khối lượng phát thải độc
hại sinh ra của động cơ.

Phương pháp phun trực tiếp khí hydro
áp suất thấp vào xi lanh sẽ làm giảm đáng kể
Hệ số dư lượng không khí 
phát thải NOx ở tải nhỏ so với phương pháp
Hình 1.7 Phát thải NOx của động cơ H2 ở
cấp hydro dạng khí vào đường ống nạp. Còn

1500v/p, bướm ga mở hoàn toàn [93]
ở tải trung bình và tải lớn thì phương pháp phun trực tiếp khí hydro áp suất cao vào trong
xi lanh động cơ và phun hydro dạng lỏng vào đường ống nạp lần lượt có hàm lượng phát
thải NOx thấp hơn [79,104].
Tuy nhiên tỷ lệ thành phần hỗn hợp (hệ số dư lượng không khí ) là nhân tố có ảnh
hưởng mạnh nhất. Ở tỷ lệ không khí/nhiên liệu gần với tỷ lệ lý thuyết (1) thì quá trình
cháy rất mãnh liệt, nhiệt độ cao nên hàm lượng NOx lớn, và còn lớn hơn cả trong động cơ
xăng [11]. Tuy nhiên, với hỗn hợp nhạt (lam đa >1) thì hàm lượng NOx thấp hơn, đặc biệt
là khi >2 thì hàm lượng NOx rất nhỏ [82, 90, 93, 98, 104]. Đồ thị Hình 1.7 biểu diễn kết
quả nghiên cứu của Verhelst và cộng sự [93] về sự thay đổi của hàm lượng phát thải NOx
của động cơ hydro theo  cho thấy khi  >1 và tăng dần, hàm lượng NOx giảm rất nhanh
và khi >2 thì hàm lượng phát thải NOx rất nhỏ, không đáng kể. Nghiên cứu thực nghiệm
trên động cơ Volkswagen Polo 1.4, Sopena và cộng sự [82] cũng chỉ ra kết luận tương tự
rằng với >1,8 thì phát thải NOx<75ppm nhưng khi =1,6 thì phát thải NOx tăng lên trên
550ppm, còn nếu >1,3 thì NOx>10000ppm. Do đó động cơ hydro thường được thiết kế
hoạt động với hỗn hợp nhạt (>2) để giảm phát thải NOx.
- 13 -