Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hydro trên động cơ để cải thiện tính năng và phát thải (Luận án tiến sĩ)

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

PHẠM NGỌC ANH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Mã số: 62520116
NGHIÊN CỨU TẠO NHIÊN LIỆU GIÀU HYDRO TRÊN
ĐỘNG CƠ ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH NĂNG VÀ PHÁT THẢI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS HOÀNG ĐÌNH LONG
U
ẤN
HÀ NỘI – 2017


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-


Luận án đầy đủ ở file: Luận án full