Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên động cơ xăng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng
một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp nhà nước
“Nghiên cứu phát triển công nghệ tạo khí giàu hyđrô để bổ sung cho động cơ xăng
nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải cho động cơ” mã số
KC.05.24/11-15 do GS Lê Anh Tuấn là chủ nhiệm đề tài và tổ chức chủ trì là Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một
phần kết quả của đề tài cấp nhà nước vào việc viết luận án.
Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong các công trình nào khác.
Hà Nội, tháng …..năm 2019
Tập thể giáo viên hướng dẫn

Nghiên cứu sinh

GS Phạm Minh Tuấn TS. Nguyễn Thế Lương

Trần Văn Hoàng

-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, Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong đã
cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn đã cho phép tôi sử dụng một phần kết
quả của đề tài để hoàn thành luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Nguyễn Thế
Lương đã chu đáo tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án.

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những nguời đã luôn
động viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội.

Nghiên cứu sinh

Trần Văn Hoàng

- ii -


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ..........................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...............................................................................ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................xiv
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
i. Xuất xứ đề tài .........................................................................................................1
ii. Mục tiêu nghiên cứu ..............................................................................................1
iii. Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................2
iv. Phƣơng pháp nghiên cứu .....................................................................................2
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.............................................................2
vi. Bố cục của luận án ................................................................................................3
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC TẠO
KHÍ GIÀU HYĐRÔ ......................................................................................................4
1.1. Tổng quan về nhiên liệu khí giàu hyđrô ...........................................................4
1.1.1. Tính chất nhiên liệu khí giàu hyđrô ...............................................................4
1.1.2. Các phương pháp tạo khí giàu hyđrô.............................................................9
1.1.2.1. Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô carbon với hơi nước ........................9
1.1.2.2. Phản ứng ôxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn ........................................10

1.1.2.3. Phản ứng nhiệt hóa hyđrô carbon với khí carbonic ..................................11
1.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô trên thế giới và Việt Nam ..11
1.2.1. Các nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô trên thế giới .................................11
1.2.2. Các nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô ở Việt Nam ..................................14
1.3. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô......................15
1.3.1. Hiện trạng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô ....................................................15
1.3.2. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên thế giới 17
1.3.3. Các nghiên cứu nâng cao bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại Việt Nam .......23
1.3.4. Giải pháp áp dụng hiện nay .........................................................................23
1.3.5. Cách tiếp cận vấn đề của đề tài ...................................................................24
1.4. Kết luận chƣơng 1.............................................................................................24
CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN HỆ XÚC TÁC MỚI NHẰM TĂNG
HIỆU QUẢ TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ .....................................................................26

- iii -


2.1. Cơ sở lý thuyết về các phản ứng xúc tác tạo khí giàu hyđrô từ nhiên liệu .26
2.1.1. Cơ chế của phản ứng xúc tác .......................................................................26
2.1.2. Cơ chế của các phản ứng xúc tác trong bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô .......29
2.2. Điều chế xúc tác ................................................................................................ 36
2.2.1. Các phương pháp tẩm trên chất mang .........................................................37
2.2.2. Điều chế vật liệu xúc tác .............................................................................38
2.3. Đặc tính cấu trúc, hình dạng bề mặt và đánh giá hiệu quả xúc tác .............40
ện tích bề mặt của vật liệu xúc tác ............................................41
ủa các mẫu xúc tác ..........................................41
......................................................44
2.3.4. Đánh giá hiệu suất tạo khí giàu hyđrô .........................................................46
2.4. Kết luận chƣơng 2.............................................................................................56
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ

THỐNG TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ SỬ DỤNG HỆ XÚC TÁC NI-CU/AL2O3 ....58
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu .......................................................................................58
3.2. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô trên xe máy ........................58
3.2.1. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác mới NiCu/Al2O3 trên động cơ ...........................................................................................60
3.2.2. Thiết kế bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 .................................................................72
3.3. Chế tạo và lắp đặt hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác mới NiCu/Al2O3 ...................................................................................................................83
3.4. Kết luận chƣơng 3.............................................................................................86
CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ LẮP BỘ XÚC TÁC
MỚI NI-CU/AL2O3 ......................................................................................................87
4.1. Phƣơng pháp, nhiên liệu và trang thiết bị thử nghiệm .................................87
4.1.1. Phương pháp thử nghiệm.............................................................................87
4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm .................................................................................88
4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm ............................................................................88
4.2. Kết quả thử nghiệm và so sánh đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải của
động cơ khi sử dụng bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 và bộ xúc tác Ni/Al2O3 .........88
4.2.1. Kết quả thử nghiệm và so sánh theo đặc tính tốc độ ...................................92
4.2.2. Kết quả thử nghiệm và so sánh theo vị trí tay ga tại 50 km/h .....................99
4.2.3. Kết quả thử nghiệm sau khi chạy bền 5000 km với bộ xúc tác mới NiCu/Al2O3 ..............................................................................................................101

- iv -


4.3. Kết luận chƣơng 4...........................................................................................106
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...............................................................107
Kết luận ...................................................................................................................107
Hướng phát triển ....................................................................................................107
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................109
PHỤ LỤC TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM ................................................... PL1

-v-

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Ký
hiệu/Viết tắt

Tiếng Anh

Diễn giải

Đơn vị

λ

Lambda

Hệ số dư lượng không khí
Suất tiêu thụ nhiên liệu có
ích

-

ge

g/kW.h

Ne

Công suất có ích

kW

ε

-

n

Tỷ số nén
Tỷ lệ giữa hơi nước và
cacbon
Tốc độ động cơ

v/ph

GTVT

Giao thông vận tải

-

S/C

Steam/carbon

-

ppm

Part per million

Hệ thống phân tích khí
thải
Một phần triệu

LPG

Liquefied Petroleum Gas

Khí hóa lỏng

-

CNG

Compressed Natural Gas
Hydrogen/ Compressed Natural
Gas

Khí thiên nhiên nén
Hỗn hợp nhiên liệu
hyđrô/CNG
Nhiệt hóa nhiên liệu với
khí carbonic

-

Động cơ đốt trong

-

Bộ sắc kí khí
Oxi hóa không hoàn toàn
nhiên liệu
Nhiệt hóa nhiên liệu với
hơi nước
Vận tốc không gian

-

CEBII

HCNG
CR

Carbon Reforming

ĐCĐT
GC

Gas Chromatography

PO

Partial Oxidation

SR

Stream Reforming

GHSV

Gas Hourly Space Velocity

HRG

Hydrogen Rich Gas

BET

Brunauer-Emmett-Teller

SEM

Scanning electron microscope
Energy Dispersive
Spectroscopy

EDS
XRD

X-Ray Diffraction
- vi -

Khí giàu hyđrô
Phương pháp đo diện tích
bề mặt
Kính hiển vi điện tử
Phân tích thành phần hóa
học của vật rắn nhờ tia X

Sử dụng nhiễu xạ tia X để
phân tích cấu trúc vật liệu

-

-

1/lít

-


TPR

Temperature programe
reduction

Phương pháp đánh giá
đặc tính khử của vật liệu
theo nhiệt độ

-

ECU

Electronic Control Unit

Bộ điều khiển điện tử

-

CD 20”

Chassis dynamometer 20’’ X-ray Photoelectron
Spectroscopy

Băng thử xe máy
Sử dụng tia X để phân
tích cấu trúc vật liệu

-

MCH

Methylcy-clohexane

C6H11CH3

-

S/O/C

Steam Oxygen Gasoline

Tỷ lệ hơi nước, ôxy và
xăng

RON

Research Octan Number

XPS

Rj

Trị số ốctan nghiên cứu
Tốc độ động học của
phản ứng

-

mol/(g cat s)

R

Hằng số khí

m3·Pa·mol1 -1
·K

outlet
Ftotal

Tổng lưu lượng khí đầu
ra

ml/ph

X stoutlet

Nồng độ khí mang đầu ra

% thể tích

δ

Tổng lưu lượng khí đầu
vào
Nồng độ khí mang đầu
vào
Hệ số cản cục bộ

A1

Tiết diện ống đầu vào

mm2

A2

Tiết diện ống đầu ra

mm2

VXL

inlet
Ftotal

X stinlet

G

Gate

Vi xử lý
Cực điều khiển của
moffet

MOSFET

Metal-Oxide Semiconductor
Field-Effect Transistor)
transistor

Trường oxit kim loại –
bán dẫn

XCK

Chân xung nhịp của vi
điều khiển

TxD

Transmitted Data

Chân truyền dữ liệu

RxD

Received Data

Chân nhận dữ liệu
Máy tính để bàn

PC

- vii -

ml/ph
% thể tích


COMx

Communication

Cổng kết nối số x

RxD

Received data

Jack kết nối của cổng
com có số chân x
Phát hiện sóng mang dữ
liệu
Dữ liệu nhận

TxD

Transmitted data

Dữ liệu truyền

DTR

Data terminal ready

DTE sẵn sàng làm việc

GND

Ground

Nối đất (0V)

DSR

Data set ready

RTS

Request to send

CTS

Clear to send

RI

Ring indicator

DCE sẵn sàng làm việc
DTE yêu cầu truyền dữ
liệu
DCE sẵn sàng nhận dữ
liệu
Báo chuông

RS232

Recommended Standard 232

Chuẩn giao tiếp 232

DBx
DCD

- viii -


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Giới hạn cháy của hyđrô và một số loại nhiên liệu [4] ...................................7
Hình 1.2. Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [3] ..................................................8
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý chung của động cơ sử dụng hồn hợp khí giàu hyđrô dưới tác dụng
của chất xúc tác.........................................................................................................................12

Hình 1.4. Hiệu suất chuyển hóa iso ốctan theo vận tốc không gian và tỷ lệ S/C tại

850oC [31]......................................................................................................................16
Hình 1.5. Sản phẩm của hệ xúc tác Mo2C theo vận tốc không gian tại nhiệt độ
850oC[31].......................................................................................................................16
Hình 1.6. Hiệu quả chuyển hóa n-ốctan và tỷ lệ H2 trong sản phẩm khi H2O/C=3.0 [32]
.......................................................................................................................................17
Hình 1.7. Hiệu quả chuyển hóa n-ốctan và tỷ lệ H2 trong sản phẩm của hệ xúc tác PdNi/Al2O3 khi: ( ) O2/C8H18 = 1.0, H2O/C = 3.0; (0) O2/C8H18 = 2.0, H2O/C = 3.0 [32]
.......................................................................................................................................18
Hình 1.8. Độ bền xúc tác của mẫu Ni-Pd/Al2O3 [32]....................................................18
Hình 1.9. Hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu xăng thành hỗn hợp khí giàu hyđrô của xúc
tác Ni-Re/Al2O3 theo nhiệt độ khi carbon (S:C) tỷ lệ 1.7:1 và vận tốc không gian là 12
h-1 [33] ...........................................................................................................................19
Hình 1.10. Hiệu suất chuyển hóa theo nhiệt độ và theo tỷ lệ S/O/C và S/C của hệ xúc
tác Ni-Re/Al2O3 tại vận tốc không gian là 3 h-1 [33].....................................................19
Hình 1.11. Sự thay đổi hiệu suất của phản ứng và độ chọn lọc sản phẩm của hệ xúc tác
Cu/CeO2 theo nhiệt độ (pi-C8H8=1.5 kPa, pH2O=36 kPa, mcat=250mg, Ft=150 cm3/min)
[34].................................................................................................................................21
Hình 1.12. Đặc tính khử theo nhiệt độ của các mẫu xúc tác Ni-Cu [35] ......................22
Hình 1.13. Tốc độ phản ứng của các mẫu xúc tác Ni-Cu [35] ......................................22
Hình 2.1. Biểu đồ năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không chất xúc tác và khi có
mặt chất xúc tác đồng thể ..............................................................................................27
Hình 2.2. Biểu đồ năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không chất xúc tác và khi có
mặt chất xúc tác dị thể theo thuyết hấp thụ ...................................................................28

- ix -


Hình 2.3. Sơ đồ của phản ứng xúc tác nhiên liệu và hơi nước nhờ tận dụng nhiệt khí
thải .................................................................................................................................32
Hình 2.4. Quy trình điều chế hệ xúc tác Ni-Cu/γ-Al2O3 [42] .......................................38
Hình 2.5. Kết quả XRD của các mẫu xúc tác 18% Ni1-x-Cux/Al2O3 (x= (a) 1; (b) 0,7;

(c) 0,5; (d) 0,3; (e) 0,1; (f) 0) .........................................................................................42
Hình 2.6. Kết quả XRD của mẫu Ni0,5-Cu0,5/Al2O3 khi thay đổi tỷ lệ Ni-Cu về khối
lượng trong hỗn hợp xúc tác (a) 36%; (b) 18%; (c) 6%; (d) 0% ...................................43
Hình 2.7. Kết quả XRD của các mẫu xúc tác khác nhau (a) 18% Ni0.5-Cu0.5/Al2O3; (b)
18% Ni0.5-Ce0.5/Al2O3; (c) 18% Ni0.5-Mo0.5/Al2O3 ........................................................44
Hình 2.8. Ảnh SEM của các mẫu xúc tác khi thay đổi tỷ lệ Ni0,5-Cu0,5 trong hỗn hợp
với γ-Al2O3 ....................................................................................................................45
Hình 2.9. Hình ảnh SEM và EDS của mẫu xúc tác 18% Ni0,5-Cu0,5/ -Al2O3 ...............45
Hình 2.10. Sơ đồ thí nghiệm đánh giá hiệu quả xúc tác ................................................46
Hình 2.11. Một số chi tiết chính của hệ thống đánh giá hoạt tính xúc tác ....................47
Hình 2.12. Hệ thống đánh giá hoạt tính xúc tác sau khi lắp hoàn thiện ........................48
Hình 2.13. Đặc tính TPR của các mẫu xúc tác 18% Ni1-x-Cux/Al2O3 (x= (a) 0; (b) 0,1;
(c) 0,3; (d) 0,5; (e) 0,7; (f) 1) .........................................................................................51
Hình 2.14. Đặc tính TPR của các mẫu xúc tác khác (a) 18% Ni0.5-Mo0.5/ -Al2O3, (b)
18% Ni0.5-Ce0.5/ -Al2O3, (c) 36 % Ni0.5-Cu0.5/ -Al2O3, (d), 18 % Ni0.5-Cu0.5/ -Al2O3,
(e) 6 % Ni0.5-Cu0.5/ -Al2O3 ............................................................................................52
Hình 2.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả chuyển hóa và phân bố thành phần
hỗn hợp khí trên mẫu xúc tác 18 % Ni0,5-Cu0,5/ -Al2O3, N2 = 15 cm3/ph, isô-ốctan =
0,03 g/ph, S/C =2. ..........................................................................................................54
Hình 2.16. Ảnh hưởng khi thay đổi tỷ lệ khối lượng Ni0,5-Cu0,5 trong hỗn hợp với γAl2O3 tới hiệu quả chuyển hóa: T=550 oC; N2 = 15 cm3/ph; isô-ốctan = 0,03 g/ph;
S/C=2 .............................................................................................................................55
Hình 2.17. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Cu tới hiệu quả chuyển hóa trên mẫu xúc tác 18%
Cux-Ni1-x/Al2O3: T=550 oC; N2 = 15 cm3/ph; isô-ốctan = 0,03 g/ph; S/C=2 ................56
Hình 3.1. Kết cấu xe máy Piaggio Liberty nguyên bản ................................................59
Hình 3.2. Bản vẽ thiết kế hệ thống cung cấp xăng và nước cho bộ xúc tác ..................60
-x-


Hình 3.3. Cấu tạo bơm xăng ..........................................................................................64
Hình 3.4. Nguyên lý hoạt động của bơm nước.............................................................65

Hình 3.5. Vòi phun xăng và nước .................................................................................65
Hình 3.6. Đặc tính phun nhiên liệu của vòi phun xăng và nước ...................................66
Hình 3.7. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ xe máy sử dụng bộ xúc tác ...........67
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý mạch khối cấp nguồn .........................................................67
Hình 3.9. Mạch điện điều khiển vòi phun nhiên liệu, nước cung cấp cho bộ xúc tác ..68
Hình 3.10. Sơ đồ mạch tạo xung nhịp ...........................................................................68
Hình 3.11. Sơ đồ mạch reset..........................................................................................68
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối với máy tính theo chuẩn RS232 .................70
Hình 3.13. Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ điều khiển ....................................................71
Hình 3.14. Mạch in hoàn thành sau khi sắp xếp linh kiện và chạy dây ........................71
Hình 3.15. Mạch điều khiển hoàn thành sau khi hàn các linh kiện ...............................72
Hình 3.16. Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ NiO-CuO/ -Al2O3/FeCrAl ...............73
Hình 3.17. Chiều dầy lớp vật liệu trung gian sau 25 lần phủ ........................................74
Hình 3.18. Lõi xúc tác sau khi phủ lớp vật liệu trung gian và lớp xúc tác....................75
Hình 3.19. Hệ thống đường thải xe máy Piaggio Liberty trước khi lắp bộ xúc tác ......76
Hình 3.20. Hệ thống đường thải xe máy Piaggio Liberty khi lắp bộ xúc tác ................80
Hình 3.21. Bản vẽ thiết kế vỏ bộ xúc tác.......................................................................81
Hình 3.22. Đường khí hyđrô cấp cho cổ nạp.................................................................82
Hình 3.23. Bản vẽ thiết kế hoàn chỉnh bộ xúc tác .........................................................83
Hình 3.24. Bộ xúc tác tận dụng năng lượng khí xả lắp trên đường thải xe máy ...........84
Hình 3.25. Quá trình lắp đặt hệ thống cấp nước, xăng trên động cơ xe máy Piaggio
Liberty ...........................................................................................................................85
Hình 3.26. Hình ảnh thực tế của hệ thống tạo khí giàu hyđrô lắp trên xe máy Piaggio
Liberty ...........................................................................................................................85
- xi -


Hình 4.1. Xe Liberty thử nghiệm trên hiện trường .......................................................88
Hình 4.2. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ khi sử dụng hệ xúc tác NiCu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại 20% tay ga ..93
Hình 4.3. Khí thải động cơ khi sử dụng hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử

dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại 20% tay ga .......................................................93
Hình 4.4. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ khi sử dụng hệ xúc tác NiCu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại 50% tay ga ..94
Hình 4.5. Khí thải động cơ khi sử dụng hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử
dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại 50% tay ga .......................................................95
Hình 4.6. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ khi sử dụng hệ xúc tác NiCu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại (a) 75% tay ga
và (b) 100% tay ga .........................................................................................................95
Hình 4.7. Khí thải động cơ khi sử dụng hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử
dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại (a) CO và CO2 tại 75% tay ga, (b) HC và NOx
tại 75% tay ga, (c) CO và CO2 tại 100% tay ga và (d) HC và NOx tại 100% tay ga ..96
Hình 4.8. So sánh công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải trung bình của động
cơ khi sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Ni-Cu/Al2O3 với khi không cung cấp khí
giàu hyđrô ......................................................................................................................97
Hình 4.9. So sánh công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải trung bình của động
cơ khi sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Ni-Cu/Al2O3 với bộ xúc tác truyền thống
Ni/ Al2O3........................................................................................................................98
Hình 4.10. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ có sử dụng và không sử dụng
bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô theo vị trí tay ga tại 50 km/h ..........................................99
Hình 4.11. Khí thải động cơ có sử dụng và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu
hyđrô theo vị trí tay ga tại 50 km/h ...............................................................................99
Hình 4.12. So sánh công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải trung bình của động
cơ tại 50 km/h khi sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Cu- Ni/Al2O3 với khi không
cung cấp khí giàu hyđrô ..............................................................................................100
Hình 4.13. So sánh công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải trung bình của động
cơ tại 50 km/h khi sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Ni-Cu/Al2O3 với bộ xúc tác
truyền thống Ni/ Al2O3 ................................................................................................101

- xii -


Hình 4.14. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu

hyđrô Ni-Cu/Al2O3 trước và sau khi chạy bền 5000 km ở 100% tay ga .....................102
Hình 4.15. Khí thải động cơ sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Ni-Cu/Al2O3 trước
và sau khi chạy bền 5000 km ở 100% tay ga ..............................................................102
Hình 4.16. So sánh hiệu quả động cơ sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô NiCu/Al2O3 trước và sau khi chạy bền 5000 km ở 100% tay ga ....................................103
Hình 4.17. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử SEM và EDX bề mặt bộ xúc tác Cu Ni/ Al2O3 trước khi chạy bền.......................................................................................104
Hình 4.18. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử SEM và EDX bề mặt bộ xúc tác Ni-Cu/
Al2O3 sau khi chạy bền ................................................................................................105

- xiii -


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số tính chất của hyđrô, metan và hơi xăng ..............................................5
Bảng 1.2. Hiệu quả của các vật liệu xúc tác tạo hỗn hợp khí ở nhiệt độ 550oC và vận
tốc không gian là 4h-1, S/C/O =1,7/1/0,3 [14] ...............................................................20
Bảng 1.3. Tác động của tỷ lệ S/C/O đối với hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu của bộ xúc
tác Ni/CeZSM-5 ở nhiệt độ 550 oC và GHSV là 4h-1[14] .............................................21
Bảng 2.1. Một số phản ứng xảy ra trong quá trình nhiệt hóa isô-ốctan với hơi nước
[40].................................................................................................................................30
Ej

Bảng 2.2. Các hằng số động học phản ứng k j

koj e RT ............................................. 31

Bảng 2.3. Các hằng số cân bằng ....................................................................................32
Bảng 2.4. Các hằng số hấp thụ ......................................................................................32
Bảng 2.5. Diện tích bề mặt riêng và cấu trúc lỗ rỗng của các mẫu xúc tác khác nhau .41
Bảng 2.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ S/C về khối lượng tới sự phân bố thành phần hỗn hợp
khí cho phản ứng nhiệt hóa isô-ốctan trên xúc tác 18% Ni0,5-Cu0,5/Al2O3 ở nhiệt độ

550oC .............................................................................................................................53
Bảng 2.7. Hiệu quả chuyển hóa và phân bố thành phần của phản ứng nhiệt hóa isôốctan với hơi nước của các hệ xúc tác khác nhau, t=550oC, N2 = 15 cm3/min; isô-ốctan
=0,03 g/ph; S/C =2 ........................................................................................................56
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ Liberty ........................................................58
Bảng 3.2. Đặc tính kinh tế kỹ thuật của động cơ xe Piaggio Liberty tại 100% tay ga..61
Bảng 3.3. Thành phần khí giàu hyđrô thu được khi sử dụng 6% lượng nhiên liệu tiêu
thụ cấp cho bộ xúc tác tại 100% tay ga. ........................................................................61
Bảng 3.4. Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu và nhiệt độ khí thải tại các chế độ của động cơ 62
Bảng 3.5. Lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ khác nhau của xe ........62
Bảng 3.6. Lượng nước cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ khác nhau của xe ................63
Bảng 3.7. Địa chỉ các cổng COM trên máy tính PC1 ...................................................69
Bảng 3.8. Các tín hiệu của các chân đầu nối DB9 trên máy tính PC ............................70

- xiv -


Bảng 3.9. Thông số lõi được chọn để phủ xúc tác .......................................................72
Bảng 3.10. Thông số kỹ thuật của lõi xúc tác ...............................................................75
Bảng 3.11. Tổn thất của ống nối côn [50] .....................................................................79
Bảng 4.1. Kết quả phân tích xăng RON92 ....................................................................88
Bảng 4.2. Công suất, lượng tiêu hao nhiên liệu, khí thải và lamđa của động cơ nguyên
bản .................................................................................................................................89
Bảng 4.3. Công suất, lượng tiêu hao nhiên liệu, khí thải và nhiệt độ bộ xúc tác của
động cơ khi sử dụng bộ xúc tác Ni/Al2O3 .....................................................................90
Bảng 4.4. Công suất, lượng tiêu hao nhiên liệu, khí thải và nhiệt độ bộ xúc tác của
động cơ khi sử dụng bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 .......................................................91
Bảng 4.5. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải của động cơ khi sử dụng bộ
xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 tại 100% tay ga trước khi chạy bền 5000 km ......................91
Bảng 4.6. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải của động cơ khi sử dụng bộ
xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 tại 100% tay ga sau khi chạy bền 5000 km ..........................92

- xv -


LỜI MỞ ĐẦU
i. Xuất xứ đề tài
Động cơ đốt trong (ĐCĐT) luôn giữ vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như
nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải cũng như nhiều ngành kinh tế khác. Số
lượng động cơ đốt trong ngày càng tăng là nguyên nhân chính gây nên ô nhiễm môi
trường ngày càng nghiêm trọng, bên cạnh đó nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt.
Chính vì vậy vấn đề đặt ra cho các nhà nghiên cứu là tìm ra các giải pháp giảm được ô
nhiễm khí thải và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Một trong các giải pháp hiệu
quả để giảm ô nhiễm và giúp đa dạng hóa nguồn nhiên liệu là sử dụng nhiên liệu thay
thế. Một trong những nhiên liệu thay thế là nhiên liệu hyđrô. Nhiên liệu hyđrô có ưu
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. Ngoài
ra khí thải của động cơ sử dụng nhiên liệu hyđrô rất sạch, giới hạn cháy rộng nên động
cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất nghèo, góp phần làm tăng tính năng kinh tế của
động cơ.
Tuy nhiên, nhiên liệu hyđrô có nhược điểm so với nhiên liệu truyền thống là nhiệt
trị mole rất thấp. Do đó, khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang chạy hoàn
toàn bằng hyđrô thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều nên cần thay đổi động cơ về
kết cấu cho phù hợp. Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ, bảo quản nhiên
liệu hyđrô 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 hyđrô như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống bằng cách
bổ sung khí giàu hyđrô tạo ra từ phân giải nhiên liệu nhờ bộ xúc tác tận dụng nhiệt khí
thải. Giải pháp này cho thấy các kết quả khả quan, suất tiêu hao nhiên liệu và thành
phần phát thải độc hại của động cơ giảm trong khi công suất thay đổi không đáng kể.
Tuy nhiên, bộ xúc tác phân giải nhiên liệu thường dùng cho đến nay Ni/Al2O3 chỉ đạt

hiệu suất cao khi nhiệt độ khí thải lớn hơn 700oC ứng với chế độ tải lớn, trong khi
nhiệt độ khí thải động cơ ở các chế độ tải thấp và trung bình chỉ đạt khoảng 450 550oC nên hiệu quả tạo khí giàu hyđrô thấp. Do vậy, vấn đề đặt ra là cần phải cải thiện
hiệu suất bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ. Luận
án này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước mã số KC.05.25/11-15 với
tên “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hydro trên động cơ xăng”
nhằm góp phần giải quyết vấn đề nêu trên.
ii. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu luận án nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên
động cơ xăng nhằm:
1


-

Làm chủ công nghệ nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ xúc tác tạo khí hyđrô trực
tiếp trên động cơ.
Tìm ra vật liệu xúc tác mới cải thiện hiệu quả chuyển hóa của bộ xúc ở nhiệt độ
phản ứng thấp 550oC phù hợp với nhiệt độ khí thải động cơ.
Bộ xúc tác mới có hiệu suất chuyển hóa cao hơn so với bộ xúc tác cũ ở nhiệt độ
phản ứng thấp.
Bộ xúc tác mới khi lắp lên động cơ có suất tiêu hao nhiên liệu, thành phần phát
thải CO và HC thấp hơn so với động cơ sử dụng bộ xúc tác cũ.

iii. Phạm vi nghiên cứu
Luận án nghiên cứu trên động cơ phun xăng điện tử. Để giảm chi phí về động cơ,
nhiên liệu thử nghiệm, động cơ cỡ nhỏ lắp trên xe máy Piaggio Liberty được chọn làm
đối tượng nghiên cứu.
-

-

Luận án nghiên cứu mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để tìm ra vật
liệu xúc tác mới có hiệu suất chuyển hóa hyđrô cao hơn vật liệu xúc tác cũ.
Thiết kế, chế tạo bộ xúc tác mới lắp trên động cơ xe máy và đánh giá hiệu quả
kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ khi lắp bộ xúc tác mới và so sánh với
bộ xúc tác cũ.
Luận án cũng nghiên cứu đánh giá bền bộ xúc tác khi lắp trên xe và trên phương
tiện trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường.

iv. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và
nghiên cứu thực nghiệm.
Phần nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các phương pháp
tạo khí giàu hyđrô trên động cơ và lập mô hình tính toán sản lượng và hiệu suất tạo
hyđrô và các yếu tố ảnh hưởng. Trên cơ sở đó chọn phương pháp phù hợp và các thông
số tối ưu tạo khí giàu hyđrô phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ phục vụ
nghiên cứu thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm khi động cơ được trang bị thêm hệ thống
cung cấp hỗn hợp khí giàu hyđrô. Trong đó, bao gồm các thử nghiệm tiến hành trong
phòng thí nghiệm cũng như các thử nghiệm thực hiện trên đường.
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học

2


Luận án đã nghiên cứu điều chế được vật liệu xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 để làm
chất xúc tác tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hyđrô trên động cơ. Từ đó xác định
được sản lượng và hiệu suất tạo khí giàu hyđrô cũng như các yếu tố ảnh hưởng, làm cơ
sở cho việc chọn chế độ làm việc thích hợp của bộ xúc tác phù hợp với các chế độ làm

việc của động cơ.
* Ý nghĩa thực tiễn
Bộ xúc tác mới (vật liệu xúc tác mới) có giá thành rẻ và hiệu quả chuyển hóa cao
hơn bộ xúc tác truyền thống đã được thử bền trên hiện trường, đảm bảo hoạt động ổn
định và an toàn. Kết quả này mở ra cơ hội có thể ứng dụng sản phẩm trong thực tế
nhằm nâng cao tính kinh tế và giảm phát thải cho động cơ.
vi. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận và hướng phát triển, cụ
thể như sau:
Mở đầu: Giới thiệu tính cấp thiết, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, phương pháp
nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.
Chương 1. Tổng quan về nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô
Chương 2. Nghiên cứu lựa chọn hệ xúc tác mới nhằm tăng hiệu quả tạo khí giàu
hyđrô
Chương 3. Nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống tạo khí giàu hyđrô
sử dụng hệ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3
Chương 4. Nghiên cứu thử nghiệm động cơ lắp bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3
Kết luận và hướng phát triển

3


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC TẠO
KHÍ GIÀU HYĐRÔ
1.1. Tổng quan về nhiên liệu khí giàu hyđrô
Khí giàu hyđrô là hỗn hợp khí hyđrô kết hợp với các khí CO, HC và CO2, trong
đó lượng khí hyđrô chiếm tỷ lệ lớn trên 60%, khí giàu hy đrô là sản phẩm của quá trình
trình cracking hoặc nhiệt hóa nhiên liệu xăng hoặc diesel với hơi nước. Nhiên liệu khí
giàu hyđrô có rất nhiều ưu điểm và là nguồn nhiên liệu tiềm năng cho động cơ đốt
trong như: sản phẩm của khí hyđrô khi cháy tạo ra rất sạch; giới hạn cháy rất rộng nên

động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng giúp tăng tính kinh tế của động cơ;
hyđrô có trị số ốctan lớn nên có thể tăng tỷ số nén của động cơ giúp tăng hiệu suất
động cơ. Tuy nhiên khí hyđrô có nhược điểm là nhiệt trị trên một đơn vị thể tích nhỏ,
tỷ trọng nhiên liệu thấp nên việc sản xuất, vận chuyển và lưu trữ bảo quản nhiên liệu
hyđrô đủ để thay thế hoàn toàn cho xăng và diesel khá là khó khăn. Sau đây sẽ trình
bày chi tiết về các tính chất của nhiên liệu khí giàu hyđrô, qua đó để đưa ra giải pháp
khả thi để sản xuất và nâng cao hiệu quả tạo khí giàu hyđrô cho động cơ.
1.1.1. Tính chất nhiên liệu khí giàu hyđrô
Hyđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ và tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất
với các nguyên tố khác. Hyđrô từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn
cho ĐCĐT. Khác với các loại nhiên liệu truyền thống, 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.
Hyđrô có thể được sử dụng như một đơn nhiên liệu trên ĐCĐT đốt cháy cưỡng bức
hoặc làm nhiên liệu bổ sung trên cả động cơ xăng và động cơ diesel. Hyđrô khi phản
ứng với oxy tạo ra sản phẩm sạch, chỉ có nước và không có thành phần ô nhiễm nào
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 ốctan 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 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, =0,15 10. 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 hyđrô 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 hyđrô cấp vào đường ống nạp thì công suất động cơ sẽ bị
giảm nhiều. Các tính chất vật lý và tính chất cháy của hyđrô ảnh hưởng trực tiếp đến
khả năng sử dụng hyđrô làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong đã được trình bày một
cách chi tiết trong các tài liệu tham khảo [1-4]. Một số tính chất điển hình của hyđrô
4

so với khí mê tan và xăng được chỉ ra trong Bảng 1.1 và được phân tích thêm dưới
đây [1-4].
1.1.1.1. Tỷ trọng
Số liệu trong Bảng 1.1 cho thấy hyđrô 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, hyđrô 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. Hyđrô tồn tại ở dạng lỏng tại nhiệt độ 252,7oC. Tỷ trọng của hyđrô nhỏ sẽ làm giảm mật độ năng lượng của nhiên liệu này.
Bảng 1.1. Một số tính chất của hyđrô, mêtan và hơi xăng

Hyđrô

Mê tan

Hơi xăng

Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 27 oC (kg/m3)

0,082

0,717

5,11

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

0,61

0,189

0,05

141900

45800

44790

10050

32560

228495

Ở áp suất 200 atm, 15 oC

1825000

6860000

-

Ở trạng thái lỏng

8491000

20920400

31150000

Thành phần thể tích trong hỗn hợp
stoichiometric(cân bằng hóa học) với không
khí (% thể tích)

29,53

9,48

1,65

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

34,5

14,5

14,7

Nhiệt cháy của hỗn hợp nhiên liệu với 1 kg
không khí ở stoichiometric(cân bằng hóa học)
(MJ/kg không khí)

3,37

2,9

2,83

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

Tính chất

Nhiệt trị thấp (kJ/kg)
Mật độ năng lượng (kJ/m3)
Ở áp suất 1 atm,15 oC

Giới hạn cháy (lambda)

5

Tốc độ màng lửa (m/s)

3,2-4,4

0,83

0,41

Trị số ốctan

>130

110-120

90-100

Nhiệt độ tự cháy (oC)

585

540

200-400

Khoảng cách dập tắt màng lửa (mm)

0,64

2,03

2,0

1.1.1.2. Hệ số khuếch tán
Hyđrô có hệ số khuếch tán cao gấp hơn 3 lần mêtan 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 hyđrô 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 [4].
1.1.1.3. Nhiệt trị và năng lượng cháy trong động cơ
Hyđrô có nhiệt trị khối lượng cao nhất so với tất cả các loại nhiên liệu khác của
động cơ. Nhiệt trị của hyđrô là 141,9 MJ/kg gấp gần ba lần so với xăng. Tuy nhiên, do
tỷ trọng của hyđrô 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 hyđrô 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 ý khi thiết kế động cơ hyđrô để đảm bảo công
suất yêu cầu của động cơ.
Với nhiệt trị khối lượng cao nên năng lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hỗn hợp
stoichiometric(cân bằng hóa học) (hỗn hợp có thành phần nhiên liệu-không khí về mặt
lý thuyết đảm bảo cháy hoàn toàn nhiên liệu và không thừa không khí) của nhiên liệu
hyđrô với 1 kg không khí lớn hơn so với trường hợp nhiên liệu mê tan và xăng. Do đó,
trong động cơ phun nhiên liệu trực tiếp nếu cùng tốc độ và dung tích xi lanh thì động
cơ hyđrô sẽ có công suất lớn hơn.
1.1.1.4. 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. Hyđrô có phạm vi cháy rất
rộng, nằm giữa 4% đến 75% thể tích hyđrô có trong hỗn hợp, trong khi đó khí tự nhiên

có phạm vi cháy 5,3%-15% và xăng 2%-6%. tức là có thể làm việc được với hoà khí
nghèo từ rất nghèo. Giới hạn cháy trên tính theo hệ số dư lượng không khí lambda của
6


hyđrô là từ 0,14 đến 10, so với của mê tan 0,6 đến 2,5 và của xăng 0,25 đến 1,4. So
sánh phạm vi cháy của hyđrô và một số nhiên liệu khác được thể hiện trên Hình 1.1.
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 hyđrô 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.

Hình 1.1. Giới hạn cháy của hyđrô và một số loại nhiên liệu [4]

1.1.1.5. Năng lượng tia lửa yêu cầu
Năng lượng đánh lửa yêu cầu để đốt cháy nhiên liệu hyđrô thấp hơn nhiều so
với năng lượng đánh lửa yêu cầu để đốt cháy khí mê tan hoặc xăng (Bảng 1.1) nên ưu
điểm của động cơ hyđrô 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 xy-lanh 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 hyđrô 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 hyđrô.
1.1.1.6. Tốc độ cháy
Hyđrô có tốc độ cháy cao, tốc độ ngọn lửa của hyđrô nhanh hơn so với xăng. Khi
λ=1 thì tốc độ cháy của hỗn hợp không khí và hyđrô gấp 6 lần tốc độ cháy của hỗn hợp
không khí-mê tan và 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
7


buồng đốt. Ngoài ra, tốc độ cháy nhanh còn làm cho đặc tính của động cơ sử dụng
nhiên liệu hyđrô ít nhạy với sự thay đổi hình dạng của buồng 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. 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.
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.

Hình 1.2. Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [3]

1.1.1.7. 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. Hyđrô 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 hyđrô (585oC)
cao gấp đôi của xăng nên đây là một ưu điểm lớn của nhiên liệu hyđrô.
1.1.1.8. 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 hyđrô có khoảng dập tắt màng lửa nhỏ hơn xăng (của
hyđrô là 0,6 mm của xăng là 2,0 mm). Do vậy ngọn lửa hyđrô 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 hyđrô, 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
8


hơn do thành phần nhiên liệu không cháy được từ khu vực màng lửa bị dập tắt thoát
vào khí thải giảm xuống [4].
1.1.2. Các phƣơng pháp tạo khí giàu hyđrô
Hyđrô là một trong số các nguyên tố được thấy nhiều nhất trên trái đất. Tuy nhiên
vì hyđrô là khí nhẹ nên rất ít gặp ở trạng thái tự do trong lớp khí quyển. Hyđrô chủ yếu
tồn tại ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác như trong nước, trong các mô động,
thực vật, trong cồn, dầu mỏ, khí thiên nhiên và các hợp chất khác. Chính vì vậy, để có
được khí hyđrô và khí giàu hyđrô cần phải tách hyđrô ra từ các hợp chất chứa hyđrô
nói trên. Các công nghệ phổ biến được áp dụng để thực hiện việc này gồm điện phân
nước, khí hóa sinh khối, reforming cồn và nhiên liệu hyđrôcarbon [4].
Các phương pháp biến đổi (reforming) nhiệt hóa nhiên liệu chứa hyđrô CmHnOr
(cồn hoặc nhiên liệu nguồn gốc hóa thạch) là các phương pháp rẻ tiền và dễ dàng sản
xuất khí tổng hợp chứa CO, H2 và CO2 với hàm lượng thể tích H2 khá cao, từ 15% đến
70%. Phương pháp này được áp dụng phổ biến với các loại nhiên liệu nguồn gốc dầu
mỏ như xăng và dầu diesel, khí thiên nhiên.
1.1.2.1. Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô carbon với hơi nước
Dưới tác dụng của nhiệt độ cao và các chất xúc tác, phản ứng nhiệt hóa xảy ra
phân giải nhiên liệu thành hỗn hợp khí giàu hyđrô. Các phản ứng hóa học chính trong
quá trình biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu hyđrôcacbon với hơi nước được biểu diễn
bởi các phương trình sau:
CnHm + nH2O = nCO + (m/2+n)H2
CO + H2O

= CO2 + H2

CnHm + 2nH2O = nCO2 + (m/2+2n)H2

(1 - 1)
(1 - 2)
(1 - 3)

Phản ứng trên là phản ứng thu nhiệt, xảy ra ở điều kiện cấp nhiệt vào bộ xúc tác
và duy trì nhiệt độ 250-650oC với cồn [5] và 450-900oC với khí thiên nhiên, xăng và
dầu diesel [6, 7]. Với phương pháp nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước (SR), nguyên liệu
đưa vào bộ xúc tác chỉ có nhiên liệu và nước với tỷ lệ nhất định, sản phẩm gồm CO,
CO2 và H2 và một phần nhiên liệu chưa phản ứng. Hàm lượng các thành phần này phụ
thuộc vào nguyên liệu cấp vào và nhiệt độ xúc tác trong lò. Nếu tỷ lệ nước cấp vào cao
thì hàm lượng CO trong sản phẩm thấp vì phần lớn CO khi đó sẽ tác dụng với nước tạo
thành CO2 và H2.
Nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước cần phải cấp nhiệt vào bộ xúc tác nhưng đây là
phương pháp có hiệu quả và năng suất tạo hyđrô cao nhất so với các phương pháp
9


nhiệt hóa khác trong khi sự kết muội than là thấp nhất; tỷ lệ hyđrô trong khí sản phẩm
có thể đạt trên 70% [8]. Trong các loại nhiên liệu đầu vào thường dùng thì khí thiên
nhiên (CH4) cho năng suất tạo hyđrô cao nhất và tạo các bon ít nhất nên bộ xúc tác
hoạt động được lâu. Hàm lượng hyđrô trong sản phẩm cũng cao nhất, có thể đạt trên
75% [6]. Do đó, phương pháp SR khí thiên nhiên thường được sử dụng trong sản xuất
hyđrô ở quy mô công nghiệp hiện nay. Tuy nhiên, đối với các thiết bị tạo hyđrô di
động trên các phương tiện vận tải thì việc sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cấp
vào sẽ không thích hợp vì nhiên liệu khí có mật độ năng lượng thấp hơn rất nhiều so
với nhiên liệu lỏng, làm cho việc tích trữ, vận chuyển và cung cấp nhiên liệu cho bộ
xúc tác gặp nhiều khó khăn.

Nhiệt hóa cồn với hơi nước có ưu điểm là tốn ít năng lượng nhiệt, có thể thực
hiện được ở nhiệt độ thấp, chỉ từ 250-650oC, có năng suất cao, hàm lượng hyđrô trong
sản phẩm đạt trên 70% [4-6]. Mặt khác cồn là nhiên liệu lỏng nên không gặp khó khăn
trong tích trữ, và vận chuyển khi cung cấp cho các bộ xúc tác di động so với nhiên liệu
khí thiên nhiên. Tuy nhiên, việc sản xuất cồn còn đắt, sản lượng hiện nay nhỏ nên chưa
thay thế hoàn toàn được nhiên liệu truyền thống nên nếu dùng cồn làm nhiên liệu sản
xuất hyđrô trên các phương tiện vận tải thì ngoài hệ thống cung cấp xăng hay diesel lại
phải trang bị thêm hệ thống cung cấp cồn nên thiết bị sẽ cồng kềnh phức tạp. Mật độ
năng lượng của cồn thấp, chỉ bằng 60% so với xăng, nên chi phí tích trữ và vận chuyển
sẽ tốn kém hơn so với xăng dầu.
Nhiệt hóa xăng và dầu desel với hơi nước đòi hỏi nhiệt cấp vào nhiều và duy trì ở
nhiệt độ cao, 450-900oC [9-10]. Tuy nhiên, nhiên liệu này có mật độ năng lượng cao
và năng suất và hàm lượng hyđrô trong sản phẩm của quá trình nhiệt hóa cũng cao, có
thể đạt gần tới giá trị hàm lượng hyđrô ở trạng thái cân bằng hóa học. Mặt khác không
cần thêm một hệ thống cung cấp khác. Chính vì vậy, nhiên liệu xăng và diesel rất thích
hợp làm nguyên liệu cung cấp cho việc sản xuất khí giàu hyđrô trên các phương tiện
vận tải.
1.1.2.2. Phản ứng ôxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn
Đây là quá trình đốt cháy thiếu ôxy của nhiên liệu chứa hyđrô trong bộ xúc tác
với chất xúc tác platin hoặc rodium và nickel. Các loại nhiên liệu dùng cho sản xuất
hyđrô theo phương pháp nhiệt hóa với hơi nước nói trên gồm cồn, khí thiên nhiên,
xăng và dầu diesel đều sử dụng được để sản xuất hyđrô theo phương pháp oxy hóa
không hoàn toàn (PO) [11-14]. Sản phẩm của phản ứng PO được tổng hợp trong
phương trình phản ứng chung như sau:
CnHm + 0,5nO2 = nCO +0,5mH2
10

(1 - 4)