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

LỜI MỞ ĐẦU
i. Xuất xứ đề tài
- Số lượng động cơ đốt trong ngày càng tăng gây nên ô nhiễm môi trường và cạn kiệt
nguồn nhiên liệu hóa thạch.
- Sử dụng nhiên liệu thay thế là giải pháp hiệu quả để giảm phát thải và đa dạng hóa
nguồn nhiên liệu.
- Nhiên liệu hyđrô cháy nhanh, trị số ốc tan cao, sản phẩm cháy tạo ra rất sạch và là
nguồn nhiên liệu tái tạo được.
- Nhiệt trị mole thấp và vấn đề an toàn, bảo quản ảnh hưởng đến việc sử dụng hyđrô
-

trên động cơ đốt trong.
Việc sử dụng hyđrô như một phụ gia nhiên liệu đang được quan tâm nghiên cứu: sử
dụng BXT tạo khí giàu hyđrô nhờ tận dụng nhiệt khí thải là giải pháp khả thi.
Hiện nay, BTX truyền thống sử dụng hệ xúc tác Ni/Al2O3, tuy nhiên nhiệt độ làm
việc của BXT này lớn hơn 7000C, không phù hợp với nhiệt độ khí thải của động cơ.
Yêu cầu: cải thiện hiệu suất bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô phù hợp với tất cả các
chế độ làm việc của động cơ.
Luận án thuộc đề tài cấp nhà nước mã số KC.05.24/11-15 của GS Lê Anh Tuấn.

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:
- Nâng cao hiệu quả chuyển hóa của bộ xúc tác lên trên 40% ở nhiệt độ phản ứng
thấp 550oC so với bộ xúc tác truyền thống mà không làm tăng giá thành bộ xúc tác.
- Bộ xúc tác mới khi lắp lên động cơ có thể cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu động cơ
lên đến 5%, thành phần phát thải CO và HC có thể giảm tới 20% so với động cơ sử
dụng bộ xúc tác cũ.
- Làm chủ công nghệ nghiên cứu phát triển bộ xúc tác tạo khí hyđrô trực tiếp trên
động cơ.
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 trên xe máy Piaggio Liberty được chọn làm đối tượng
nghiên cứu. Kết quả hoàn toàn có thể ứng dụng trên động cơ ô tô.
- Bộ xúc tác không sử dụng kim loại hiếm để giảm giá thành.
- Thử nghiệm trên động cơ 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.

1


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
nhân 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
Luận án đã nghiên cứu điều chế được vật liệu xúc tác mới Ni-Cu, để làm chất xúc tác
tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hyđrô trên động cơ, cho phép xác định được sản lượng và
hiệu suất tạo khí giàu hyđrô và các nhân 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 ngoài 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.

2


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
Nhiên liệu khí giàu hyđrô có rất nhiều ưu điểm: sản phẩm khi cháy tạo ra rất sạch; giới
hạn cháy rộng, trị số octan lớn. Tuy nhiên, hyđrô cũng có nhược điểm là tỷ trọng nhiên liệu
thấp nên việc vận chuyển, lưu trữ và bảo quản nhiên liệu hyđrô đủ để thay thế hoàn toàn cho
xăng và diesel khá là khó khăn.
1.1.1. Tính chất nhiên liệu khí giàu hyđrô
1.1.1.1. Tỷ trọng
1.1.1.2. Hệ số khuếch tán
1.1.1.3. Nhiệt trị và năng lượng cháy trong động cơ
1.1.1.4. Giới hạn cháy
1.1.1.5. Năng lượng tia lửa yêu cầu
1.1.1.6. Tốc độ cháy
1.1.1.7. Nhiệt độ tự cháy
1.1.1.8. Khoảng cách dập tắt màng lửa
1.1.2. Các phương pháp tạo khí giàu hyđrô
Gồm: Phương pháp điện phân nước, khí hóa sinh khối và nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô
carbon [4].
Phương pháp nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô carbon có ưu điểm: rẻ tiền, dễ sản xuất và hàm
lượng khí hyđrô tạo thành lớn tới 70%.
Các phương pháp nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô carbon:
- Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô carbon với hơi nước [5-10].

- Phản ứng ôxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn [11-16].
- Phản ứng nhiệt hóa hyđrô carbon với khí carbonic [16,17].
1.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng hỗn hợp khí giàu hyđrô cho động cơ đốt trong trên
thế giới và Việt Nam
1.2.1. Các nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô trên thế giới
- Radu Chiriac [19] thử nghiệm phun khí HHO vào động cơ ở chế độ tải nhỏ, hỗn
hợp đậm (λ=0,92-0,94) và hỗn hợp nhạt (λ=1,18-1,2) => Hiệu suất nhiệt có ích
tăng, phát thải CO, CO2 và HC giảm, tuy nhiên NOx lại tăng lên.
- T. D’Andrea [19]: Khi có oxy đi cùng với hyđrô, momen động cơ tăng 1-2 Nm,
phát thải NO tăng.
- GS. Changwei Ji [23]: khi bổ sung hyđrô-oxy, hiệu suất nhiệt chỉ thị động cơ tăng.
Phát thải HC thấp hơn động cơ nguyên bản khi λ < 1,21 và cao hơn khi λ > 1,21.
-

CO và NOx có xu hướng tăng với mọi giá trị λ.
Thorsten Allgeier [24]: khi bổ sung lượng lớn khí hyđrô sẽ làm công suất giảm
nhiều.

3


Tsolakis [25] và Alberto [26]: Sử dụng HHGH trên động cơ là biện pháp tốt để
giảm phát thải và khói bụi.
1.2.2.2. Các nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô ở Việt Nam
- PGS Hoàng Đình Long [27] nghiên cứu, mô phỏng tạo khí giàu hyđrô cung cấp cho
động cơ diesel: Giảm được hàm lượng muội, CO và HC.
- Đề tài mã số KC.05.TN05/11-15 của GS Lê Anh Tuấn, nghiên cứu tạo khí giàu
hyđrô bằng phương pháp điện phân cung cấp cho động cơ xe máy => Hiệu suất của
hệ thống tách khí giàu hyđrô còn chưa cao và chưa phù hợp với các chế độ làm việc
của động cơ.

-

1.3. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô
1.3.1. Hiện trạng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô
1.3.1.1. Hệ xúc tác Mo2C cho phản ứng nhiệt hóa iso-octane
1.3.1.2. Hệ xúc tác Ni/Al2O3
1.3.2. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên thế giới
1.3.2.1. Hệ xúc tác Ni-Pd/Al2O3
1.3.2.2. Hệ xúc tác Ni-Re/Al2O3
1.3.2.3. Hệ xúc tác Ni-Ce và Ni-Mo
1.3.2.4. Hệ xúc tác Cu/CeO2 và Ni-Cu
Jiann-Horng Lin [35] đã nghiên cứu và cho thấy khi thêm Cu vào hệ xúc tác Ni/CeLaOx
thì nhiệt độ phản ứng khử giảm xuống.
1.3.3. Các nghiên cứu nâng cao bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại Việt Nam
- PGS Hoàng Đình Long và TS Nguyến Thế Lương [39], trang bị bộ xúc tác biến đổi
nhiệt hóa nhiên liệu xăng, tuy nhiên mới chỉ đánh giá ảnh hưởng đến phát thải mà
chưa tính được lượng khí hyđrô tạo thành. Hơn nữa, khí giàu hyđrô cung cấp cho
động cơ chứa nhiều hàm lượng khí nitơ và carbonic nên công suất động cơ bị giảm
nhiều.
-

Phạm Ngọc Anh [41] nghiên cứu sử dụng bộ xúc tác Ni/Al2O3 tạo khí giàu hyđrô:
tại 100% tay ga, nhiệt độ BXT lớn hơn 700oC, Gnl giảm 11,53%, CO và HC lần
lượt giảm 74% và 29%.

1.3.4. Giải pháp áp dụng hiện nay
- Ni/Al2O3 và Mo2C bắt đầu đạt được hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu cao khi nhiệt
độ xúc tác lớn hơn 700oC.
- Thêm Pd vào hệ xúc tác Ni/Al2O3, hiệu suất chuyển hóa hyđrô đạt 92% và độ bền
bộ xúc tác tăng lên (gấp 10 lần so với Ni/Al2O3). Tuy nhiên, Pd là kim loại quý, rất

đắt.
-

Thêm Ce, Mo, Cu/CeO2 vào hệ Ni/Al2O3 giúp cải thiện hiệu quả chuyển hóa nhiên
liệu ở nhiệt độ thấp.

4


-

Nghiên cứu đánh giá các hệ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3, Ni-Ce/Al2O3, Ni-Mo/Al2O3,
từ đó lựa chọn hệ xúc tác phù hợp để chế tạo lắp lên xe.

1.3.5. Cách tiếp cận vấn đề của đề tài
- Đề tài được thực hiện trên cơ sở
ệ xúc tác nhiệt
hóa nhiên liệu với hơi nước.
- Kế thừa các kết quả
ại Viện Cơ khí động lực, Trường ĐHBK Hà Nội [30].
- Thừa hưởng các kết quả của đề tài cấp nhà nước mã số KC.05.24/11-15 của GS Lê
Anh Tuấn. Tham gia thực hiện đề tài có các NCS Phạm Ngọc Anh, Trần Văn
-

Hoàng và Lê Đăng Đông.
NCS đã tham khảo các bài báo và đề tài đã công bố, tiến hành thí nghiệm điều chế,
đánh giá đặc tính cấu trúc và hiệu quả xúc tác tìm ra vật liệu xúc tác mới có thể cải
thiện hiệu quả xúc tác.

1.4. Kết luận chƣơng 1

Qua nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải
cho động cơ, giải pháp dùng hyđrô như một phụ gia nhiên liệu giúp cải thiện quá trình cháy,
giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu và phát thải là có tính hiệu quả hơn cả.
Có rất nhiều phương pháp sản xuất khí hyđrô hoặc hỗn hợp khí giàu hyđrô đã được chỉ
ra như: điện phân, nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước, phản ứng oxy hóa nhiên liệu không hoàn
toàn, phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu với khí cacbonic, phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu với đồng
thời hơi nước, ôxy và cacbonic. Hầu hết các nghiên cứu đều chứng minh hiệu quả sản xuất
hyđrô.
Dựa trên một số kết quả của các công trình nghiên cứu được công bố rộng rãi trên toàn
thế giới, có thể thấy việc bổ sung khí hyđrô và hỗn hợp khí giàu hyđrô cho động cơ xăng là
một giải pháp tương đối khả thi để nâng cao hiệu suất cũng như giảm phát thải. Trên cơ sở đó,
phương pháp nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước đã được lựa chọn cho đề tài này.
Đề tài cũng đã tổng hợp được các hệ xúc tác nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước, hệ xúc
tác Ni-Cu có thể nâng cao được hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu với hơi nước ở nhiệt độ phản
ứng thấp hơn, đây là cơ sở quan trọng để tiến hành điều chế và đánh giá hiệu quả xúc tác được
thực hiện ở chương 2.

5


CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN HỆ XÚC TÁC MỚI NHẰM TĂNG HIỆU
QUẢ TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ
Trong chương 2, sẽ tìm hiểu cơ sở lý thuyết của tạo khí giàu hyđrô nhờ xúc tác, cơ chế
của các phản ứng xúc tác tạo khí giàu hyđrô từ nhiên liệu, tiếp đó tiến hành điều các chế hệ
xúc tác và đánh giá cấu trúc, hình dạng bề mặt, hiệu quả tạo chuyển hóa nhiên liệu thành khí
giàu hyđrô.
2.1. Cơ sở lý thuyết về các phản ứng xúc tác tạo khí giàu hyđrô từ nhiên liệu
Trong bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô, các phản ứng hóa học và quá trình truyền nhiệt
diễn ra rất phức tạp. Các phản ứng bao gồm xúc tác đồng thể và dị thể. Phản ứng xúc tác đồng
thể là phản ứng xảy ra giữa hai chất cùng pha. Phản ứng xúc tác dị thể là phản ứng xảy ra giữa

hai chất khác pha nhau.
2.1.1. Cơ chế của phản ứng xúc tác
2.1.1.1. Cơ chế phản ứng xúc tác đồng thể
2.1.1.2. Cơ chế phản ứng xúc tác dị thể
2.1.2. Cơ chế của các phản ứng xúc tác trong bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô
Các phản ứng hóa học trong bộ xúc tác nhiệt hóa nhiên liệu là các phản ứng dị thể.
Các bước diễn ra trong các phản ứng xúc tác bao gồm 5 giai đoạn:
- Sự di chuyển của các chất khí từ pha khí với số lượng lớn trên bề mặt.
-

Sự khuếch tán các chất khí vào các lỗ rỗng của xúc tác.
Sự hấp thụ của các chất khí lên trên bề mặt lớp.
Các phản ứng xúc tác diễn ra trên bề mặt.
Sự khuếch tán các sản phẩm vào môi trường.

Bảng 2.1 chỉ ra một số phản ứng xảy ra trong quá trình nhiệt hóa iso-octane với hơi
nước:
Bảng 2.1. Một số phản ứng xảy ra trong quá trình nhiệt hóa iso-octane với hơi nước [40]
C8H18 + 8H2O
C8H18 + 16H2O
C8H18

Ho= 1310 kj/mol

8CO + 17H2
8CO2 + 25H2

C8H18 + 8CO2
CO + H2O
CO + 3H2

CO2 + 4H2

(2 - 2)

o

(2 - 3)

o

(2 - 4)

o

(2 - 5)

o

(2 - 6)

o

H = - 165 kj/mol

(2 - 7)

H = 1684 kj/mol

8C + 9H2

H = 391 kj/mol

16CO + 9H2

H = 1639 kj/mol

CO2 + H2

H = - 41 kj/mol

CH4 + H2O

H = - 206 kj/mol

CH4 + 2H2O

(2 - 1)

o

C + 2H2

CH4

Ho= - 75 kj/mol

(2 - 8)

CO + C

CO2

Ho= - 172 kj/mol

(2 - 9)

CO + H2

Ho= 131 kj/mol

(2 - 10)

C + H2 O

6


2.2. Điều chế xúc tác
2.2.1. Các phương pháp tẩm trên chất mang
- Phương pháp nhúng.
- Tẩm kèm theo bay hơi dung dịch
- Tẩm muối nóng chảy
2.2.2. Điều chế vật liệu xúc tác
Quy trình điều chế hệ xúc tác:
Điều chế dung dịch muối của Ni, Cu, Ce, Mo

Thấm tẩm dung dịch muối lên chất mang Al2O3

Làm khô mẫu vật liệu xúc tác

Nhiệt phân mẫu vật liệu
Hình 2.4. Quy trình điều chế hệ xúc tác Ni-Cu/γ-Al2O3[42]
2.3. Đặc tính cấu trúc, hình dạng bề mặt và đánh giá hiệu quả xúc tác
ện tích bề mặt của vật liệu xúc tác
Diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ rỗng và đường kính lỗ rỗng giảm khi tăng tỷ lệ của
Ni0,5-Cu0,5 trong γ-Al2O3, và tăng khi thay thế dần Ni bởi Cu. Kết quả cũng chỉ ra diện tích bề
mặt riêng của mẫu 18% Ni0.5-Ce0.5/Al2O3 cao hơn so với mẫu xúc tác 18% Ni0.5-Mo0.5/Al2O3.
Bảng 2.2. Diện tích bề mặt riêng và cấu trúc lỗ rỗng của các mẫu xúc tác khác nhau
Mẫu mẫu xúc tác

Diện tích SBET
(m2/g)

Tổng thể tích
rỗng (cm3/g)

Đƣờng kính lỗ rỗng
trung bình (nm)

18% Ni/ -Al2O3

152,8

0,22

2,2

18%Ni0.9-Cu0.1/ -Al2O3

153,1

0,22

2,3

18%Ni0.7-Cu0.3/ -Al2O3

154,4

0,23

3,1

18%Ni0.5-Cu0.5/ -Al2O3

156,8

0,24

4,6

18%Ni0.3-Cu0.7/ -Al2O3

160,4

0,28

5,1

18% Cu/ -Al2O3

165,9

0,29

5,8

18% Ni0.5-Mo0.5/ -Al2O3

154,7

0,23

3,1

18% Ni0.5-Ce0.5/ -Al2O3

171,4

0,31

6,6

6%Ni0.5-Cu0.5/ -Al2O3

197,2

0,35

7,4

36% Ni0.5-Cu0.5/ -Al2O3

105,4

0,17

1,6

7


ủa các mẫu xúc tác
Giảm tỷ lệ CuO trong hỗn hợp với NiO, cường độ các đỉnh nhiễu xạ của CuO giảm.
Khi giảm tỷ lệ khối lượng của Ni0.5-Cu0.5, cường độ nhiễu xạ các đỉnh Ni0.5-Cu0.5 giảm.
Kết quả ảnh SEM cho thấy, các NiO-CuO có kích thước khoảng vài chục nano mét xuất
hiện trên bề mặt của chất mang Al2O3. Khi tăng dần tỷ lệ của Ni0.5-Cu0.5, kích thước các hạt
Ni-Cu tăng dần, các hạt có xu hướng kết tụ với nhau từ vài chục đến vài trăm nano mét.
Kết quả phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X cho thấy Cu và Ni phân bố đều trên nền
Al2O3. Kết hợp với kết quả phân tích XRD cho thấy quá trình điều chế đã thành công.
2.3.4. Đánh giá hiệu suất tạo khí giàu hyđrô
2.3.4.1. Xây dựng mô hình đánh giá

2
2
2

1
2

0

2
2

Hình 2.10. Sơ đồ thí nghiệm đánh giá hiệu quả xúc tác
1. Iso-octane; 2. Khí trơ (N2); 3. Nước; 4. Bơm xăng; 5. Van xăng; 6. Van khí; 7. Bơm nước; 8. Van nước; 9. Bộ
hóa hơi; 10. Tín hiệu nhiệt độ bộ hóa hơi; 11. Tín hiệu điều khiển; 12. Dây nguồn; 13. Bộ điều khiển bộ hóa hơi;
14. Cám biến nhiệt độ lò nung; 15. Chất xúc tác; 16. Bông thủy tinh; 17. Tín hiệu điều khiển; 18. Tín hiệu nhiệt
độ lò nung; 19. Bộ điều khiển lò nung; 20. Lò nung; 21. Buồng phản ứng, 22. Bộ ngưng tụ hơi nước; 23. Bộ
phân tích khí GC Thermo; 24. Bơm hút

Hình 2.12. Hệ thống đánh giá hoạt tính xúc tác sau khi lắp hoàn thiện

8


2.3.4.2. Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác
a. Trường hợp đo hiệu quả xúc tác
b. Trường hợp đo hoạt tính xúc tác thông qua đặc tính khử (TPR)
2.2.4.3. Phương pháp tính toán hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu
Phương pháp tính toán hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu: dựa trên phương pháp cân bằng
lưu lượng:
dauvao
dauvao
daura
dauvao
Ftong
x X chuan
= Ftong

x X chuan
(ml/phút)
(2-35)
Từ công thức trên, lưu lượng của một khí bất kì được tính theo công thức sau:

Fchuan

Fst . X idaura
(ml/phút)
daura
X chuan
Như vậy, công thức tính hiệu quả chuyển hóa như sau:
daura
Fi = Ftong
x X idaura =

Cisô-ốctan =

(2-36)

daura
daura
daura
FCO
FCO
FCH
2
4
dauvao
FHC

CH2O =

(2-37)

daura
daura
FCO
2 FCO
2
dauvao
FH 2O

(2-38)

2.3.4.4. Đặc tính khử theo nhiệt độ của các mẫu xúc tác (TPR)
Cường độ các đỉnh khử tại nhiệt độ thấp tăng dần khi thành phần Cu tăng. Điều này cho
thấy khi Cu được trộn với Ni giúp cải thiện hiệu quả khử ở nhiệt độ thấp.
Khi giảm tỷ lệ khối lượng Ni0,5-Cu0,5 thì cường độ các đỉnh khử có xu hướng giảm. Kết
quả cũng chỉ ra hoạt tính khử của xúc tác Ni-Cu/Al2O3 cao hơn so với xúc tác Ni-Mo/Al2O3
và Ni-Ce/Al2O3 ở nhiệt độ thấp.
2.3.4.5. Đánh giá hiệu quả tạo khí giàu hyđrô của hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3
a. Ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước/cacbon đến hiệu quả tạo khí giàu hyđrô của hệ xúc tác NiCu/Al2O3
Kết quả thực nghiệm cho thấy tỷ lệ về khối lượng S/C bằng 2 cho hiệu quả tốt nhất.
Bảng 2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ S/C về khối lượng tới sự phân bố thành phần hỗn hợp khí cho
phản ứng nhiệt hóa iso-octane trên xúc tác 18% Ni0,5-Cu0,5/Al2O3 ở nhiệt độ 550oC
Phân bố thành phần khí (%)
Tỷ lệ S/C
H2
CO

CO2
CH4
0,5

47,1

6,5

12,8

33,6

0,7

64,3

6,9

13,1

15,7

1

70,1

8,3

15,6

6

2

71,6

6,9

15,0

6,5

3

70,8

11

14,7

3,5

4

65,3

18,4

12,7

3,6

b. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả tạo khí giàu hyđrô của hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3
9


Khi tăng dần nhiệt độ, CO2 giảm, CO gần như không đổi, CH4 tăng và H2 giảm, tuy
nhiên, hiệu suất chuyển hóa iso-octane tăng.
120

Iso-octane conversion

100

H2

Hiệu suất chuyển hóa (%)

80

CO
CO2

60

CH4

40

20

0
500

550

600

650

700

750

o

Nhiệt độ ( C)

Hình 2.1. 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, iso-octane = 0,03 g/ph, S/C =2.

Hiệu suất chuyển hóa và phân bố thành phần khí (%)

c. Ảnh hưởng của thành phần Ni-Cu trong hỗn hợp với -Al2O3 tới hiệu quả chuyển hóa
Kết quả chỉ ra rằng hiệu quả chuyển hóa iso-octane tăng khi tăng tỷ lệ Ni-Cu.
80

H2

71.6

CO

CH4

CO2

70.6

Iso octane
69.2

70
60
50

45.7
42.6

40
32.8

30
20

15.5

15.3

13.8

9.9

10

6.7

7.4

6.2

7.1

6.7

0

6%

18%
Thành phần Cu0.5-Ni0.5

36%

Hình 2.2. Ảnh hưởng khi thay đổi tỷ lệ khối lượng Ni0,5-Cu0,5 trong hỗn hợp với γ-Al2O3 tới

Hiệu suất chuyển hóa và phân bố thành phần khí (%)

hiệu quả chuyển hóa: t =550 oC; N2 = 15 cm3/ph; iso-octane = 0,03 g/ph; S/C=2
Với tỷ lệ Cu0.5-Ni0.5 cho hiệu quả chuyển hóa hyđrô và Iso-octane là tốt nhất.
80

H2

70

CO

CO2

CH4

Iso octane

60
50
40
30
20
10
0

Cu

Cu0.7-Ni0.3
Cu0.5-Ni0.5
Tỷ lệ Cu

Cu0.3-Ni0.7

Ni

Hình 2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Cu tới hiệu quả chuyển hóa trên mẫu xúc tác 18% Cux-Ni1o
3
x/Al2O3: t =550 C; N2 = 15 cm /ph; iso-octane = 0,03 g/ph; S/C=2

10


Kết quả cho thấy hiệu quả chuyển hóa và thành phần khí hyđrô tạo thành của hệ xúc tác
18% Ni0,5-Cu0,5/ -Al2O3 cao hơn 18% Ni0,5-Mo0,5/ -Al2O3 và 18% Ni0,5-Ce0,5/ -Al2O3.
Bảng 2.4. Hiệu quả chuyển hóa và thành phần của phản ứng nhiệt hóa iso-octane với hơi nước
của các hệ xúc tác khác nhau, t=550oC, N2 = 15 cm3/min; iso-octane =0,03 g/ph; S/C =2
Hiệu suất chuyển
hóa (%)
Phân bố thành phần khí (%)
Mẫu xúc tác
Iso-octane

Nước

H2

CO

CO2

CH4

18 % Ni0,5-Cu0,5/ -Al2O3

42,6

12,2

70,6

7,4

15,3

6,7

18 % Ni0,5-Mo0,5/ -Al2O3

31,7

9,7

71,9

7,1

15,6

5,4

18 % Ni0,5-Ce0,5/ -Al2O3

28,3

8,2

72,0

7,6

16,1

4,4

2.4. Kết luận chƣơng 2
Hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3, Ni-Mo/ -Al2O3 và Ni-Ce/ -Al2O3 đã được điều chế và đánh
giá hiệu quả xúc tác ở nhiệt độ thấp. Kết quả phân tích cấu trúc và hình dạng bề mặt cho thấy
sự xuất hiện của các đỉnh ôxít kim loại xúc tác và kích thước hạt xúc tác trong khoảng vài
chục đến vài trăm nano mét.
Kết quả đo đặc tính khử TPR cho thấy, khi Ni được trộn với Cu giúp cải thiện sự phân
tán của Ni, qua đó cải thiện hoạt tính xúc tác ở nhiệt độ thấp, kết quả TPR cũng cho thấy hệ
xúc tác Ni-Cu/Al2O3 có hoạt tính khử cao hơn hệ xúc tác Ni-Mo/ -Al2O3 và Ni-Ce/ -Al2O3,
các đỉnh khử xuất hiện ở nhiệt độ thấp hơn.
Hiệu quả chuyển hóa của xúc tác Ni-Cu/Al2O3 khi thay đổi tỷ lệ nhiên liệu và hơi nước
nhiệt độ cũng được đánh giá. Theo đó, tỷ lệ S/C là 2:1 cho kết quả tỷ lệ hyđrô tạo thành cao
nhất, đạt 71,6%, và được lựa chọn cho quá trình tính lượng nhiên liệu và hơi nước cấp cho bộ
xúc tác. Khi thay đổi nhiệt độ thì hiệu quả chuyển hóa iso-octane có xu hướng tăng dần trong
khi H2 giảm dần. Tại 550oC, hiệu quả chuyển hóa iso-octane và H2 lần lượt đạt 42,6 và
71,6%. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của thành phần Ni-Cu cho thấy khi tăng tỷ lệ khối lượng
Ni0,5-Cu0,5 đến 18% trong Al2O3 thì hiệu suất chuyển hóa iso-octane tăng nhanh, tiếp tục tăng
thì hiệu suất tăng không đáng kể trong khi thành phần H2 giảm đi không nhiều. Kết quả khi
thay đổi tỷ lệ Cu trong hỗn hợp cũng cho thấy với hỗn hợp Ni0,5-Cu0,5 sẽ cho hiệu quả tạo khí
giàu hyđrô là tốt nhất, kết quả cũng chỉ ra rằng, hệ xúc tác Ni-Cu cho hiều quả chuyển hòa và
thành phần khí hy đrô cao hơn so với hệ xúc tác Ni/Al2O3.

Qua đó, hệ xúc tác 18 % Ni0,5-Cu0,5/ -Al2O3 được lựa chọn để phủ lên bộ xúc tác, sau
đó thử nghiệm đánh giá hiệu quả khi lắp trên xe trong các chương sau.

11


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
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là động cơ cỡ nhỏ phun xăng điện tử Piaggio Liberty 124,5 cm3.
3.2. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô trên xe máy
Hình 3.2 chỉ ra sơ đồ tổng thể bố trí hệ thống tạo khí giàu hyđrô lắp trên động cơ xe
máy. Trong quá trình làm việc, bộ xúc tác phải đảm bảo cung cấp đủ khí giàu hyđrô phù hợp
với các chế độ làm việc của động cơ, điều đó cần thiết phải tính toán thiết kế bộ xúc tác, hệ
thống cấp nhiên liệu, nước cho bộ xúc tác.

Hình 3.2. Bản vẽ thiết kế hệ thống cung cấp xăng và nước cho bộ xúc tác
3.2.1. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3
trên động cơ
3.2.1.1. Tính toán lượng nhiên liệu và nước cần thiết cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ làm
việc của động cơ
Khi bổ sung 3% lượng khí hyđrô so với lưu lượng thể tích khí nạp thì hiệu suất nhiệt
tăng và thành phần phát thải độc hại của động cơ giảm [45, 46].
NCS tiến hành nghiên cứu thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác và tính toán
lượng khí giàu hyđrô thu được tại 100% tay ga. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với tỷ lệ cấp 6%
lượng nhiên liệu cho bộ xúc tác tạo ra lượng khí giàu hyđrô phù hợp nhất.

12

Tiến hành thử nghiệm động cơ tại các chế độ 20%, 50%, 75% và 100% tay ga khi thay
đổi tốc độ động cơ để xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ tại mỗi chế độ. Từ đó, NCS tính được
lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác như chỉ ra trong bảng 3.5.
Bảng 3.1. Lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ khác nhau của xe
Tốc độ xe
(km/h)

20% tải

50% tải

75% tải

100% tải

Gnlbx (g/h)

Gnlbx (g/h)

Gnlbx (g/h)

Gnlbx (g/h)

30

54

40

61,2

93,6

97,2

100,8

50

64,8

108

115,2

126

60

72

118,8

126

136,8

126

140,4

151,2

70

Kết quả chương 2 chỉ ra hiệu suất phản ứng reforming đạt cao nhất khi tỷ lệ về khối
lượng S/C = 2. Do đó, NCS xác định được lượng nước cấp cho bộ xúc tác (Bảng 3.6).
Bảng 3.2. Lượng nước cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ khác nhau của xe
Tốc độ xe
(km/h)

20% tải

50% tải

Gncbx (g/h) Gncbx (g/h)

75% tải

100% tải

Gncbx (g/h)

Gncbx (g/h)

30

108

40

122,4

190,8

194,4

201,6

50

129,6

216

234

248,4

60

144

234

255,6

273,6

248,4

277,2

302,4

70

3.2.1.2. Tính toán thiết kế hệ thống cấp nước và xăng cho bộ xúc tác
a. Bơm xăng
Nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác được trích từ đường xăng chính của động cơ, vì vậy bơm
nhiên liệu của động cơ được sử dụng để cấp nhiên liệu cho bộ xúc tác. Loại bơm được sử
dụng là loại bơm tuabin, áp suất bơm 3 kG/cm2.
b. Bơm nước
NCS lựa loại bơm là bơm màng. Để đảm bảo cung cấp nước ổn định cho bộ xúc tác,
bơm nước được chọn có áp suất lớn nhất 7 kG/cm2, lưu lượng lớn nhất 7 lít/phút.
c. Vòi phun xăng và nước
Vòi phun hoạt động trên nguyên lý nâng hạ kim phun nhờ nam châm điện.
3.2.1.3. Mạch điều khiển
a. Cấu trúc bộ điều khiển khi động cơ sử dụng bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hyđrô
b. Thiết kế mạch nguyên lý của bộ điều khiển động cơ xe máy khi sử dụng bộ xúc tác tạo hỗn
hợp khí giàu hyđrô.
c. Thiết kế hoàn chỉnh mạch nguyên lý
13


3.2.2. Thiết kế bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3
3.2.2.1. Phủ lõi xúc tác Ni-Cu/Al2O3
NCS lựa chọn lõi xúc tác để phủ có các thông số như trong Bảng 3.9.
Bảng 3.3. Thông số lõi được chọn để phủ xúc tác
STT

Thông số
Giá trị
1

Đường kính lõi xúc tác (mm)

25

2

Chiều dài lõi xúc tác (mm)

60

3

Diện tích bề mặt (m2)

0,125

4

Số cell trên inch vuông

200

NCS sử dụng phương pháp sol-gel để phủ xúc tác lên lõi đã chọn.
a. Mô tả quy trình phủ

Hình 3.1. Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ NiO-CuO/ -Al2O3/FeCrAl

b. Các bước quy trình công nghệ phủ
Xử lý lõi kim loại
Điều chế lớp vật liệu trung gian
Điều chế lớp xúc tác
Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật của lõi xúc tác sau khi phủ
STT
Thông số
Giá trị
1

Khối lượng hoạt tính Ni (g)

1,4

2

Khối lượng hoạt tính Cu(g)

1,5

3

Đường kính lõi xúc tác (mm)

25

14


4

Chiều dài lõi xúc tác (mm)
2

72

5

Diện tích bề mặt (m )

0,125

6

Số cell trên inch vuông

200

3.2.2.2. Tính toán, thiết kế bộ xúc tác
a. Tính toán, thiết kế vỏ cho lõi xúc tác
Bộ xúc tác sẽ được đặt gần cổ xả, cách cổ xả 90 mm. Đoạn nối với vỏ bộ xúc tác đường
kính trong và đường kính ngoài lần lượt là 15 và 18 mm để phù hợp với cổ xả.

Hình 3.19. Hệ thống đường thải xe máy Piaggio Liberty trước khi lắp bộ xúc tác
Bộ xúc tác sau khi lắp đặt phải đảm bảo tiết diện lưu thông và tổn thất áp suất phải trong
khoảng cho phép [∑ΔP] = 0,1 m [49]. Tổn thất trên đường ống phụ thuộc vào đường kính
ống dẫn và vận tốc dòng khí. Vận tốc dòng khí thải được tính theo công thức [49]:
G
v 1,27 2
d1

(3-3)

Xác định được vận tốc dòng khí thải là 39,61 (m/s). Tiến hành xác định chế độ dòng
chảy của khí thải trong ống thông qua hệ số Reynolds [50]:
vd1
Re
(3-4)
u
Từ đó xác định được Re = 48056 > 104. Vì vậy, khí thải trong ống xả là dòng chảy rối.
Tổng tổn thất trên hệ thống thải gồm tổn thất trên tất cả các đoạn ống thẳng, các cản cục
bộ và cản tại bình tiêu âm:
Δp = ∑ΔpT + ∑ΔpC + Δpta

(3-5)

Dựa vào kết quả tính toán và không gian lắp đặt trên đường thải xe Liberty, chọn đường
kính trong và ngoài bộ xúc tác lần lượt là 0,044 và 0,047 m.
15


Để giảm tổn thất cục bộ, NCS sử dụng côn mở và côn thu 60o nối cổ xả với bộ xúc tác.
Từ đó, xác định tổng chiều dài của bộ xúc tác sau thiết kế là 122 mm (Hình 3.20 và 3.21).
Hình 3.21 chỉ ra bản vẽ chi tiết của vỏ bộ xúc tác.

Hình 3.2. Hệ thống đường thải xe máy Piaggio Liberty khi lắp bộ xúc tác

Hình 3.3. Bản vẽ thiết kế vỏ bộ xúc tác
b. Tính toán, thiết kế đường xăng và nước cấp cho bộ xúc tác
Lưu lượng được xác định theo công thức:

Q v.S

v.

.d 2
4

2

(3-10)

Từ đó, tính được d2 = 0,0032 m. Kết hợp các đường ống có sẵn trên trên thị trường,
NCS chọn đường ống cấp xăng và nước với đường kính trong và ngoài lần lượt là 3 và
5 mm.
c. Tính toán, thiết kế đường khí hyđrô
Đường kính ống dẫn khí hyđrô phải hợp lý sao cho toàn bộ khí hyđrô sinh ra được hút
vào trong đường nạp của động cơ.
Viết phương trình Bernouli cho 2 mặt cắt (1-1) và (2-2):
p1 v12 p2 v22
hw
2g
2g

16

(3-11)


Từ đó, tính được đường kính trong của đoạn dẫn khí hyđrô d = 0,00568 m. Nên chọn

d2 = 6 mm, đường kính ngoài là 8 mm.
Hình 3.23 chỉ ra kết cấu hoàn chỉnh của bộ xúc tác.

Hình 3.4. Đường khí hyđrô cấp cho cổ nạp

Hình 3.5. Bản vẽ thiết kế hoàn chỉnh bộ xúc tác
3.3. Chế tạo và lắp đặt hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3
3.3.1 Chế tạo vỏ bộ xúc tác
Hình 3.24 chỉ ra quá trình gia công bộ xúc tác từ phôi ban đầu cho đến khi hàn lên ống
thải xe máy. Hình 3.24 cũng cho thấy đường nước, xăng, đường khí giàu hyđrô sau khi lắp
trên đuờng thải xe máy.

Hình 3.6. Bộ xúc tác tận dụng năng lượng khí xả lắp trên đường thải xe máy
3.3.2 Lắp đặt hệ thống phun xăng và nước lên xe máy Piaggio Liberty
17


Hình 3.25 chỉ ra quá trình lắp đặt hệ thống cấp nước và xăng trên xe máy Liberty.

Hình 3.7. Quá trình lắp đặt hệ thống cấp nước, xăng trên động cơ xe máy Piaggio Liberty
Hình 3.26 chỉ ra hình ảnh hệ thống tạo khí giàu hyđrô lắp hoàn thiện trên xe Liberty.

Hình 3.8. Hình ảnh thực tế của hệ thống tạo khí giàu hyđrô lắp trên xe máy Piaggio Liberty
3.4. Kết luận chƣơng 3
Chương 3 đã tính toán được lượng khí giàu hyđrô tạo thành ứng với các chế độ làm việc
của động cơ, lượng khí giàu hyđrô lớn nhất đạt được là 756l/h tại 100% tay ga và tốc độ xe 70
km/h.
Tính toán lượng nhiên liệu và nước cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ làm việc của động
cơ, lượng nhiên liệu và nước lớn nhất cấp cho bộ xúc tác lần lượt là 151,2 g/h và 302,4 g/h tại
100% tay ga và tốc độ xe 70 km/h.

Chương 3 cũng tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống cấp nước và xăng cho bộ xúc tác,
bao gồm bơm, vòi phun và mạch điều khiển.
Lắp đặt thành công hệ thống tạo khí giàu hyđrô lắp trên xe máy Piaggio Liberty sử dụng
bộ xúc tác mới Ni0,5- Cu0,5/Al2O3.
18


CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ LẮP BỘ XÚC TÁC MỚI NICU/AL2O3
4.1. Phƣơng pháp, nhiên liệu và trang thiết bị thử nghiệm
4.1.1. Phương pháp thử nghiệm
Phương pháp thử nghiệm được thực hiện trên cơ sở so sánh đối chứng khi xe lắp bộ xúc
tác mới Ni-Cu/Al2O3 và bộ xúc tác cũ Ni/Al2O3 tạo khí giàu hyđrô. Động cơ xe Liberty được
lắp đặt lên băng thử CD 20”, chạy thử nghiệm với nhiên liệu xăng RON92. Xe được thử
nghiệm tại các vị trí 20%, 50%, 75% và 100% tay ga với tốc độ thay đổi từ 30-70 km/h.
Để đánh giá độ bền của bộ xúc tác, ta tiến hành so sánh đối chứng kết quả trước và sau
khi chạy bền 5000 km. Sau khi chạy bền, xe lại được lắp lên băng thử CD 20” và đo kiểm
nghiệm tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải như trước khi chạy bền tại vị trí 100% tay ga.
tốc độ từ 40 đến 70 km/h.

Hình 4.1. Xe Liberty thử nghiệm trên hiện trường
4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm
Nhiên liệu sử dụng là xăng RON92 được mua trên thị trường do Petrolimex cung cấp.
4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm
Trang thiết bị thử nghiệm bao gồm băng thử xe máy CD20’’, thiết bị phân tích khí thải
CEBII, thiết bị đo lượng tiêu hao nhiên liệu Fuel Balance 733S, cảm biến đo lamđa Bosch
LSU 4.9 và nhiệt độ bộ xúc tác.
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
4.2.1 Kết quả thử nghiệm và so sánh theo đặc tính tốc độ
4.2.1.1. Tại 20% tay ga

Khi bổ sung khí giàu hyđrô nhờ bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 so với động cơ nguyên bản,
công suất động cơ gần như không đổi, suất tiêu hao nhiên liệu giảm, phát thải CO và HC

19


giảm, CO2 và NOx tăng. Kết quả cho tương tự khi sử dụng bộ xúc tác Ni/Al2O3, tuy nhiên
suất tiêu hao nhiên liệu, CO và HC giảm không đáng kể so với khi sử dụng Ni-Cu/Al2O3.
4.2.1.2. Tại 50% tay ga
Kết quả công suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải tại 50% tay ga khi sử dụng
bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 và Ni/Al2O3 thu được tương tự như 20% tay ga.
4.2.1.3. Tại 75% và 100% tay ga
Kết quả công suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải tại 75% và 100% tay ga
khi sử dụng bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 và Ni/Al2O3 thu được tương tự như 50% tay ga. Tuy
nhiên, do nhiệt độ khí thải ở các chế độ này đã khá lớn nên hiệu suất bộ xúc tác Ni/Al2O3
được cải thiện, vì vậy sự sai khác về suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải CO, HC khi sử dụng
bộ xúc tác Ni/Al2O3 và bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 là không nhiều
4.2.1.4. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải trung bình tại các vị trí tay ga
Kết quả thử nghiệm khi sử dụng bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 cung cấp hyđrô cho động cơ
thì công suất thay đổi không nhiều. Suất tiêu thụ nhiên liệu trung bình khi thử nghiệm động
cơ có bổ sung khí giàu hyđrô giảm từ 7,89% đến 10,50%. Thành phần CO và HC trung bình
giảm khá mạnh, từ 24,14% đến 51,65% đối với CO và 12,51% đến 19,15% đối với HC. Trung
bình CO2 tăng từ 12,83% đến 20,31%. Trung bình NOx tăng từ 44,8% đến 163,8%. Phát thải
NOx tăng mạnh như vậy là do quá trình cháy tốt, dẫn đến nhiệt độ quá trình cháy lớn tạo điều
kiện hình thành NOx (Hình 4.8).

Hình 4.2. 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
Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy, công suất động cơ khi sử dụng bộ xúc tác NiCu/Al2O3 cao hơn so với Ni/Al2O3, tuy nhiên tăng không nhiều (luôn nhỏ hơn 1,05%). Suất
tiêu thụ nhiên liệu trung bình khi sử dụng bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 so với Ni/Al2O3 giảm từ

1,50% đến 5,63%. Thành phần CO và HC trung bình giảm khá mạnh, từ 6,03% đến 20,80%
đối với CO và 2,72% đến 10,11% đối với HC. Phát thải NOx và CO2 khi sử dụng bộ xúc tác
tạo khí giàu hyđrô Ni-Cu/Al2O3 cao hơn khi sử dụng Ni/Al2O3. Trung bình CO2 tăng từ 2,87%
đến 8,32%. Trung bình NOx tăng từ 7,9% đến 39,8% (Hình 4.9).

20


Hình 4.3. 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
4.2.2 Kết quả thử nghiệm và so sánh theo vị trí tay ga tại 50 km/h
Kết quả thử nghiệm cho thấy công suất trung bình động cơ khi sử dụng bộ xúc tác NiCu/Al2O3 cao hơn so với động cơ nguyên bản là 0,86% (Hình 4.12), và cao hơn khi sử dụng
bộ xúc tác Ni/Al2O3 là 0,52% (Hình 4.13), suất tiêu hao nhiên liệu trung bình khi sử dụng bộ
xúc tác Ni-Cu/Al2O3 thấp hơn nhiều so với động cơ nguyên bản là 9,24% (Hình 4.12), và thấp
hơn khi sử dụng bộ xúc tác Ni/Al2O3 là 3,71% (Hình 4.13).

Hình 4.4. 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
Thành phần CO và HC trung bình khi sử dụng bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 thấp hơn so với
động cơ nguyên bản, lần lượt là 36,72% và 17,01% (Hình 4.12), và thấp hơn so với khi sử
dụng bộ xúc tác Ni/Al2O3 lần lượt là 11,58% và 6,58% (Hình 4.13). Phát thải NOx và CO2
trung bình khi sử dụng bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 cao hơn so với động cơ nguyên bản, lần lượt
là 18,62% và 147,7% (Hình 4.12), và cao hơn so với khi sử dụng bộ xúc tác Ni/Al2O3 lần lượt
là 5,42% và 24,0% (Hình 4.13).

21


Hình 4.5. 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
4.2.3 Kết quả thử nghiệm sau khi chạy bền 5000 km với bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3
Hình 4.16 cũng cho thấy sau khi chạy hiện trường thì công suất động cơ trung bình
giảm 1,82%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 2,02%, phát thải CO, HC trung bình lần lượt tăng
1,89% và 1,84%, phát thải NOx, CO2 trung bình lần lượt giảm 1,98% và 1,90% so với trước
khi chạy hiện trường.

Hình 4.6. So sánh hiệu quả 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
Nguyên nhân giảm công suất có thể do hiệu suất bộ xúc tác giảm, có thể do sự kết muội
nhiên liệu trên bề mặt bộ xúc tác, xuất phát từ vấn đề trên NCS đi kiểm tra tình trạng kết muội
trên bề mặt xúc tác, phân bố kích thước hạt trước và sau khi chạy bền. Kết quả phân tích cho
thấy sau khi chạy bền, các hạt kim loại Ni, Cu, Al có xu hướng lớn hơn. Chính điều này làm
giảm diện tích phản ứng dẫn đến làm giảm hiệu suất bộ xúc tác. Ảnh chụp kính hiển vi điện tử
cũng cho thấy trên bề mặt của bộ xúc tác đọng bám các hạt carbon kết tủa. Chính các hạt
carbon này làm giảm khả năng chuyển hóa nhiên liệu thành khí hyđrô của bộ xúc tác.

22


4.3. Kết luận chƣơng 4
Chương 4 đã lắp đặt, thử nghiệm thành công động cơ khi lắp bộ xúc tác tạo khí giàu
hyđrô sử dụng bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 và Ni/Al2O3. Kết quả thử nghiệm cho thấy, khi sử
dụng bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 so với động cơ nguyên bản, suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm
đến 10,5% mà công suất động cơ gần như không đổi. Bên cạnh đó, phát thải CO và HC giảm
lần lượt 51,65% và 19,15%. Kết quả thử nghiệm cũng chỉ ra bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 cho hiệu
suất cao hơn Ni/Al2O3, khi suất tiêu hao nhiên liệu, CO, HC của Ni-Cu/Al2O3 lần lượt nhỏ
hơn Ni/Al2O3 là 5,63%, 20,80% và 10,11%.
Hiệu quả kinh kế kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng bộ xúc tác giàu hyđrô NiCu/Al2O3 đã được đánh giá và so sánh trước và sau khi chạy bền 5.000km. Kết quả chỉ ra

rằng, công suất của xe máy sau khi chạy thử nghiệm hiện trường giảm không đáng kể so với
trước khi chạy hiện trường. Cụ thể, khi chạy đặc tính tốc độ ở 100 % tải, công suất trung bình
sau khi chạy bền giảm 1,82% so với trước khi chạy bền, ở các chế độ thử nghiệm khác thì
công suất đều giảm trên dưới 2%, suất tiêu thụ nhiên liệu trung bình sau khi chạy bền tăng
2,02%. Kết quả thử nghiệm cho thấy phát thải CO và HC của xe máy tăng lên so với trước khi
chạy hiện trường lần lượt là 1,89% và 1,84%, đồng thời phát thải CO2 và NOx trung bình
giảm xuống lần lượt là 1,90% và 1,98%. Đây là hiện tượng giảm bình thường của động cơ sau
khi chạy bền 5000 km.
Kết quả thử nghiệm bền 5000 km bộ xúc tác cho thấy, các hạt kim loại xúc tác có xu
hướng tăng lên nhưng không nhiều, trên bề mặt bộ xúc tác có đọng bám các hạt carbon kết
tủa, điều này có thể được xử lý bằng phương pháp đơn giản là đốt ở nhiệt độ cao. Như vậy bộ
xúc tác vẫn làm việc tốt ở 5000 km.

23


KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận
Luận án đã nghiên cứu các phương pháp tạo khí giàu hyđrô cung cấp cho động cơ, giải
pháp dùng hyđrô như một phụ gia nhiên liệu giúp cải thiện quá trình cháy, giảm lượng tiêu
thụ nhiên liệu và phát thải là có tính hiệu quả hơn cả. Trên cơ sở đó, phương pháp nhiệt hóa
nhiên liệu với hơi nước đã được lựa chọn.
Luận án cũng đã tổng hợp được các hệ xúc tác nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước, đây là
cơ sở quan trọng để lựa chọn hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 .
Hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3, Ni-Mo/ -Al2O3 và Ni-Ce/ -Al2O3 đã được điều chế và đánh
giá hiệu quả xúc tác ở nhiệt độ thấp. Kết quả cũng chỉ ra rằng, hệ xúc tác Ni-Cu cho hiệu quả
chuyển hóa và thành phần khí hyđrô cao hơn so với hệ xúc tác Ni truyền thống cũng như các
hệ xúc tác Ni-Mo/ -Al2O3 và Ni-Ce/ -Al2O3.
Luận án thiết kế, chế tạo và lắp đặt thành công hệ thống tạo khí giàu hyđrô lắp trên xe
máy Piaggio Liberty sử dụng bộ xúc tác mới Ni0,5-Cu0,5/Al2O3.

Lắp đặt, thử nghiệm thành công động cơ khi lắp bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô sử dụng
bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 và Ni/Al2O3. Kết quả thử nghiệm cho thấy, khi sử dụng bộ xúc tác
Ni-Cu/Al2O3 so với động cơ nguyên bản, suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm đến 10,5%
trong khi công suất động cơ gần như không đổi. Bên cạnh đó, phát thải CO và HC giảm lần
lượt 51,65% và 19,15%. Kết quả thử nghiệm cũng chỉ ra rằng, động cơ sử dụng bộ xúc tác NiCu/Al2O3 có suất tiêu hao nhiên liệu, CO và HC thấp hơn động cơ sử dụng bộ xúc tác
Ni/Al2O3 lần lượt là 5,63%, 20,80% và 10,11%.
Hiệu quả kinh kế kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng bộ xúc tác giàu hyđrô NiCu/Al2O3 đã được đánh giá và so sánh trước và sau khi chạy bền 5.000km. Kết quả chỉ ra
rằng, công suất của xe máy sau khi chạy thử nghiệm hiện trường giảm không đáng kể so với
trước khi chạy hiện trường. Cụ thể, khi chạy đặc tính tốc độ ở 100 % tải, công suất trung bình
sau khi chạy bền giảm 1,82% so với trước khi chạy bền, ở các chế độ thử nghiệm khác thì
công suất đều giảm trên dưới 2%, suất tiêu thụ nhiên liệu trung bình sau khi chạy bền tăng
2,02%. Kết quả thử nghiệm cho thấy phát thải CO và HC của xe máy tăng lên so với trước khi
chạy hiện trường lần lượt là 1,89% và 1,84%, đồng thời phát thải CO2 và NOx trung bình
giảm xuống lần lượt là 1,90% và 1,98%.
Hướng phát triển
Trên cơ sở những vấn đề đã giải quyết được trong nội dung của đề tài, NCS đưa ra một
số hướng phát triển của đề tài như sau:
- Nghiên cứu phát triển lắp đặt hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác NiCu/Al2O3 lên động cơ ôtô.
-

Nghiên cứu phát triển hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3
khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn E5 - E100.
Nghiên cứu phát triển lắp đặt hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác NiCu/Al2O3 lên động cơ diesel.
24