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 LỤ
C
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. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................2
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.............................................................2
vi.

Bố

cục

của

luận

án

................................................................................................3
CHƯƠNG 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 chương 1.............................................................................................24
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN HỆ XÚC TÁC MỚI NHẰM TĂNG
-3-


HIỆU QUẢ TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ .....................................................................26

-4-


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 chương 2.............................................................................................56
CHƯƠNG 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 tượng 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 chương 3.............................................................................................86
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ LẮP BỘ XÚC TÁC
MỚI NI-CU/AL2O3 ......................................................................................................87
4.1. Phương 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
-5-


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

-6-


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

Tiếng Anh

Diễn giải

Đơn vị

Lambda

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

-

ge
Ne
ε
S/C

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

Steam/carbon

n
GTVT

g/kW.h
kW
v/ph

ppm

Part per million

Giao thông vận tải
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

ECU

Electronic Control Unit

CD 20”

MCH

Chassis dynamometer 20’’ X-ray Photoelectron
Spectroscopy
Methylcy-clohexane

S/O/C

Steam Oxygen Gasoline

RON

Research Octan Number

XPS

Rj

Phương pháp đánh giá
đặc tính khử của vật liệu
theo nhiệt độ
Bộ điều khiển điện tử
Băng thử xe máy
Sử dụng tia X để phân
tích cấu trúc vật liệu
C6H11CH3
Tỷ lệ hơi nước, ôxy và
xăng
Trị số ốctan nghiên cứu
Tốc độ động học của
phản ứng

-

mol/(g cat s)
3

R

Hằng số khí

-

m ·Pa·mol
1

·K

-1

δ

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

A1

Tiết diện ống đầu vào

mm

A2
VXL

Tiết diện ống đầu ra

mm

outlet
Ftotal

X outlet
st
inlet
Ftotal

X inlet
st

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
TxD

Transmitted Data

Chân xung nhịp của vi
điều khiển
Chân truyền dữ liệu

RxD

Received Data

Chân nhận dữ liệu

PC

Máy tính để bàn
- vii -

ml/ph
% thể tích
ml/ph
% thể tích
2
2


COMx

Communication

RxD

Received data

Cổng kết nối số x
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 t ỷ lệ S/C tại
o
850 C [31]......................................................................................................................16
Hình 1.5. Sản phẩm của hệ xúc tác Mo2C theo vận tốc không gian tại nhiệt độ
o
850 C[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
-1

h [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
-1
tác Ni-Re/Al2O3 tại vận tốc không gian là 3 h [33].....................................................19
Hình 1.11. Sự thay đổi hiệu suất của phản ứng và độ chọn lọc sản phẩm của hệ xúc tác
3
Cu/CeO2 theo nhiệt độ (pi-C8H8=1.5 kPa, pH2O=36 kPa, mcat=250mg, Ft=150 cm /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

-9-


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
3
hỗn hợp khí trên mẫu xúc tác 18 % Ni0,5-Cu0,5/ -Al2O3, N2 = 15 cm /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 γo

3

Al2O3 tới hiệu quả chuyển hóa: T=550 C; N2 = 15 cm /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%
o
3
Cux-Ni1-x/Al2O3: T=550 C; N2 = 15 cm /ph; isô-ốctan = 0,03 g/ph; S/C=2 ................56
Hình 3.1. Kết cấu xe máy Piaggio Liberty nguyên bản ................................................59
- 10 -


Hình 3.2. Bản vẽ thiết kế hệ thống cung cấp xăng và nước cho bộ xúc tác
..................60

- 11 -


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
- 12 -


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
- 13 -


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

- 14 -

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số tính chất của hyđrô, metan và hơi xăng ..............................................5
o

Bảng 1.2. Hiệu quả của các vật liệu xúc tác tạo hỗn hợp khí ở nhiệt độ 550 C và vận
-1
tốc không gian là 4h , 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
o
-1
tác Ni/CeZSM-5 ở nhiệt độ 550 C và GHSV là 4h [14] .............................................21
Bảng 2.1. Một số phản ứng xảy ra trong quá trình nhiệt hóa isô-ốctan với hơi nước
[40].................................................................................................................................30
j

Bảng 2.2. Các hằng số động học phản ứng k j k oj e RTE .............................................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
o
550 C .............................................................................................................................53
Bảng 2.7. Hiệu quả chuyển hóa và phân bố thành phần của phản ứng nhiệt hóa isôo
3
ốctan với hơi nước của các hệ xúc tác khác nhau, t=550 C, N2 = 15 cm /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 cơ62
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

- 15 -


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


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 tnh 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 tch 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
o
hiệu suất cao khi nhiệt độ khí thải lớn hơn 700 C 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
o

550 C 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.
1


ii. Mục têu nghiên cứu
Mục tiêu luận án nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên
động cơ xăng nhằm:

2


-

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
o

phản ứng thấp 550 C 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. Phương 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 tnh 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 tễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học
3


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 tễn
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 tnh 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 tnh 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 tnh 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

4


CHƯƠNG 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 tnh 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 tnh 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
5

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 tnh chất điển hình của hyđrô

6


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 o
252,7 C. 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

Tính chất

Hyđrô

Mê tan

Hơi xăng

0,082

0,717

5,11

0,61

0,189

0,05

141900

45800

44790

10050

32560

228495

1825000

6860000

-

8491000

20920400

31150000

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

4-75

4,3-15,0

1,4-7,6

o

3

Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 27 C (kg/m )
2

Hệ số khuếch tán vào không khí (cm /s)
Nhiệt trị thấp (kJ/kg)
3

Mật độ năng lượng (kJ/m )
o

Ở áp suất 1 atm,15 C
o

Ở áp suất 200 atm, 15 C
Ở trạng thái lỏng
Thành phần thể tích trong hỗn hợp
stoichiometric(cân bằng hóa học) với không

khí (% thể tch)

Giới hạn cháy (lambda)
Giới hạn cháy (% thể tch hơi nhiên liệu)

7


Năng lượng đánh lửa tối thiểu yêu cầu (mJ)

8

0,02

0,28

0,25