Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI HỮU HÙNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG HYĐRÔ THÊM
VÀO ĐƯỜNG NẠP ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ PHÁT THẢI CỦA
ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên
ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số:
8520116

Thái Nguyên - 2019
i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép
tôi thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô
và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và
làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi
hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn
thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác
đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy
trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu
để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè,
những
người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập.
Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản
thân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự
góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn.
Học viên

Bùi Hữu Hùng

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................viii
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài ....................................................................................... 3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 3
* Ý nghĩa khoa học: ....................................................................................... 3
* Ý nghĩa thực tiễn:........................................................................................ 3
4. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 4
5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 4
6. Phạm vi nghiên cứu....................................................................................... 4
7. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 6
1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường ................................

6
1.2. Nhiên liệu thay thế ..................................................................................... 7
1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí ................................................................ 8
1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng .............................................................. 9
1.3. Nhiên liệu hyđrô dùng cho động cơ đốt trong ......................................... 12
1.3.1. Khái niệm chung ................................................................................ 12
1.3.2. Tính chất của khí hyđrô ..................................................................... 14
1.3.3. Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hyđrô .................................. 19
1.3.4. Động cơ đốt trong bổ sung hyđrô ...................................................... 23
1.3.5. Tồn chứa và vận chuyển hyđrô .......................................................... 25
1.4. Nghiên cứu sử dụng hyđrô cho động cơ đốt trong dưới dạng lưỡng nhiên
liệu ................................................................................................................... 27
3


1.4.1. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy do nén .......................... 27
1.4.2. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy cưỡng bức.................... 29
1.5. Kết luận chương 1 .................................................................................... 30
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ... 31
SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU ................................................................ 31
2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong ................... 31
2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong ........................... 31
2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại............................................... 34
2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong................... 36
2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô .................................. 40
2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng.......................................... 41
2.4.1. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ.................................. 41



Lựa chọn mô hình cháy
........................................................................ 42
 Lựa chọn mô hình truyền nhiệt ............................................................
45
 Tính nhiệt lượng tỏa ra khi cháy trong xi lanh ....................................
47
2.4.2. Mô hình đường ống thải..................................................................... 49
2.4.3. Mô hình đường ống nạp..................................................................... 49
2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng phần mềm GT-Power............................... 50
2.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power ........................................ 50
2.5.2. Các phần tử chính của mô hình động cơ khảo sát............................. 51
2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................... 59
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU ................... 60
DIESEL - HYĐRÔ ......................................................................................... 60
3.1. Tính toán các thông số nhiệt động động cơ diesel V12 ........................... 60
3.1.1. Mô hình hóa động cơ V12.................................................................. 60
3.1.2. Mô phỏng động cơ V12 nguyên bản .................................................. 65
3.1.3. Mô phỏng động cơ V12 khi chuyển sang vận hành lưỡng nhiên liệu 67
4


3.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 69

5


3.2.1. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến áp suất môi chất................... 69
3.2.2. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến nhiệt độ môi chất ................. 71
3.2.3. Ảnh hưởng của lượng hyđrô đến dòng nhiệt ..................................... 72
3.2.4. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến đặc tính phát ........................ 73

3.3. Kết luận chương 3 .................................................................................... 76
KẾT LUẬN CHUNG...................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 77

6


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

CNG

Khí nén thiên nhiên

LPG

Khí dầu mỏ hóa lỏng

GTL

Khí hóa lỏng

CTL

Than đá hóa lỏng

PM

Chất ô nhiễm dạng hạt

THC

Tổng phát thải hyđrô các bon chưa cháy

D80E20 Nhiên liệu pha trộn 80% diesel và 20% ethanol
D100
FTP-75
HW
NEDC

Nhiên liệu diesel khoáng
Chu trình thử cho xe con chạy trong thành phố
của Mỹ
Chu trình thử trên xa lộ của Mỹ
Chu trình thử của Châu Âu

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

7


Bảng 1.1. Một số tính chất của hyđrô ............................................................. 14
Bảng 3.1. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình, [52].. 61
Bảng 3.2. Độ nâng xu páp theo góc quay trục khuỷu, [19] ............................ 63
Bảng 3.3. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 .............. 65
Bảng 3.4. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất ............. 66
theo đặc tính ngoài động cơ V12 .................................................................... 66

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các phương án cung cấp hyđrô cho ĐCĐT .................................... 20
Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế....................................................... 36
Hình 2.2. Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô, [17] ...................... 41
Hình 2.3. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán ................ 47
theo phương trình của Woschni và Hohenberg............................................... 47
Hình 2.4. Hình dáng quy luật tỏa nhiệt khi cháy theo Vibe ........................... 48
Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh........................ 52
Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu......................................................... 54
cho phần tử cơ cấu phân phối khí ................................................................... 54
Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun...................... 55
Hình 2.8. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ.. 56
Hình 2.9. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống .................. 57
Hình 2.10. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia ......... 58
Hình 3.1. Sơ đồ khối các bước thực hiện mô hình hóa động cơ..................... 60
Hình 3.2. Độ nâng xu páp nạp, thải theo góc quay trục khuỷu, [19] .............. 64
Hình 3.3. Mô hình động cơ V12 ..................................................................... 65
Hình 3.4. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu............................. 67
của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài của động cơ V12 ..................................
67
Hình 3.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun hyđrô ........... 68
vào đường nạp của động cơ ............................................................................ 68
Hình 3.6. Khoảng thời gian phun hyđrô theo góc quay trục khuỷu................ 69
Hình 3.7. Mô hình 1 nhánh cụm đường ống nạp động cơ V12 ...................... 69
khi bố trí vòi phun hyđrô vào đường nạp........................................................ 69
Hình 3.8. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ khi
thay đổi lượng phun hy đrrô vào đường nạp................................................... 70

Hình 3.9. Áp suất cực đại (a) và tốc độ tăng áp suất trung bình (b) ...............
71 của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô...................................................
71
Hình 3.10. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ ........ 72
8


lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô ....................................................................... 72

9


Hình 3.11. Nhiệt độ cực đại môi chất công tác trong xi lanh động cơ ........... 72
lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô ....................................................................... 72
Hình 3.12. Dòng nhiệt từ môi chất truyền cho thành vách buồng cháy ......... 73
của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô................................................... 73
Hình 3.13. Phát thải CO2 của động cơ diesel V12 ..........................................
74 khi bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp.........................................................
74
Hình 3.14. Phát thải NOx của động cơ diesel V12.......................................... 74
khi bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp......................................................... 74
Hình 3.15. Phát thải PM của động cơ diesel V12 ...........................................
75 khi bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp.........................................................
75
Hình 3.16. Phát thải CO của động cơ diesel V12 ........................................... 75
khi bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp......................................................... 75

10

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng
ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện.
Nguồn ô nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con
người, đặc biệt là ở các thành phố lớn. Trong sự phát triển của bất kỳ quốc gia
nào trên thế giới, động cơ đốt trong (ĐCĐT) luôn giữ một vai trò vô cùng
quan trọng trong nền kinh tế xã hội và có mặt ở mọi lĩnh vực như nông
nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, quốc phòng và các lĩnh vực khác.
Không một nước phát triển nào lại không có ngành ĐCĐT phát triển. Hiện
nay, sự gia tăng nhanh về số lượng ĐCĐT đang khiến cho mức tiêu thụ nhiên
liệu hóa thạch truyền thống tăng cao gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên
liệu này và làm môi trường bị ô nhiễm ngày càng trầm trọng không chỉ ở các
quốc gia phát triển trên thế giới mà cả ở Việt Nam.
Do đó, cần phải có các giải pháp cấp bách để khắc phục vấn đề này.
Việc nghiên cứu phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế có mức phát thải
thấp và sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu sẵn có sẽ là giải pháp căn cơ có
tầm ảnh hưởng toàn cầu, đảm bảo an ninh năng lượng của các quốc gia và sự
phát triển bền vững cho nhân loại. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa phát triển được
nguồn nhiên liệu mới sạch có tiềm năng đủ để thay thế hoàn toàn nhiên liệu
truyền thống trên ĐCĐT nên trước mắt, việc nghiên cứu tối ưu hoá, nâng cao
hiệu quả quá trình cháy của động cơ để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải
độc hại vẫn luôn được quan tâm hàng đầu.
Môi trường sống của nhân loại đang ngày càng bị ô nhiễm nặng do
chính các chất thải từ các hoạt động của con người gây ra, mà một trong các
nguồn chất thải đó là khí thải của các phương tiện giao thông cơ giới. Trong
quá trình hoạt động các phương tiện giao thông phát thải vào không khí một
khối lượng lớn các loại khói, khí độc như CO, CO2, hyđrôcacbon (HC), NOx,
SO2, khói đen, chì và các chất thải dạng hạt khác. Các thành phần chất thải
này không

1


những gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe con người mà về lâu về dài còn phá
hoại cả thế giới sinh vật đang phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống con
người. Tùy theo loại động cơ và loại nhiên liệu sử dụng mà khối lượng các
thành phần chất thải độc hại chiếm các tỷ lệ khác nhau. Theo số liệu thống kê
ở Mỹ, các chất ô nhiễm phát thải từ các phương tiện này chiếm 40 ÷ 50% tổng
hàm lượng HC, 50% tổng hàm lượng NOx và 80 ÷ 90% tổng hàm lượng CO ở
khu vực thành phố. Ở các nước phát triển khác như Châu âu và Nhật Bản cũng
xảy ra vấn đề tương tự.
Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế
đang là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ
thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm
tác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ cháy
do nén (động cơ diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông
nghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất
cao; tuy nhiên trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con
người và môi trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chấy ô nhiễm dạng hạt
(PM - Particulate Matter).
Một trong những biện pháp hữu hiệu để nâng cao hiệu quả quá trình
cháy trên các động cơ hiện hành mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu động
cơ là bổ sung một lượng nhỏ khí hyđrô hoặc khí giàu hyđrô vào động cơ.
Hyđrô có đặc điểm khuếch tán nhanh, dễ bắt cháy và cháy nhanh nên khi
được bắt cháy trong hỗn hợp với nhiên liệu hóa thạch truyền thống trong xi
lanh động cơ nó sẽ làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu và giúp nhiên
liệu cháy kiệt, nhờ đó làm tăng hiệu quả quá trình cháy và giảm phát thải độc
hại của động cơ.
Với những ưu điểm vượt trội đặc biệt là phần giảm tải ô nhiễm khí thải
nhiên liệu hyđrô còn có những nhược điểm như giá trị nhiệt thấp, việc lưu

chứa nhiên liệu hyđrô hóa lỏng khá khó khăn cho nên nhiên liệu hyđrô chỉ
được sử dụng nhiều như một phụ gia thêm vào nhiên liệu xăng hoặc diesel sử


dụng trên động cơ đốt trong truyền thống. Với phương pháp này thì chỉ cần sử
dụng một


lượng hyđrô nhất định để thêm vào đường nạp hòa trộn cùng hỗn hợp nhiên
liệu chính để gia tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu, khiến quá trình cháy trong
xylanh diễn ra đều do vậy sẽ làm giảm lượng khí độc thải ra ngoài môi trường.
Chính vì vậy, học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng
hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel”
làm đề tài luận văn cao học của mình.
2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu các tính chất, cách tồn chứa của nhiên liệu hyđrô trên
phương
tiện.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc thêm nhiên liệu hyđrô vào đường nạp
đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel thông qua mô phỏng.
- So sánh hiệu suất và tỷ lệ phát thải giữa động cơ đốt trong sử dụng
nhiên liệu diesel truyền thống với động cơ diesel sử dụng thêm hyđrô.
- Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:
Luận văn đã góp phần vào việc chỉ ra các ưu điểm nổi trội của việc
thêm hyđrô vào đường nạp trong động cơ sử dụng nhiên liệu diesel. Với đặc
tính làm tăng công suất của động cơ, tăng tính kinh tế nhiên liệu, tăng hiệu
suất của động cơ đặc biệt là giảm sự phát thải các thành phần độc hại trong
khí xả động cơ diesel truyền thống.

Đã thiết lập được mô hình mô phỏng động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu
diesel - hyđrô có độ tin cậy và chính xác bằng phần mềm mô phỏng động cơ
chuyên dụng GT-Power. Mô hình này có thể sử dụng để nghiên cứu về động
cơ phun hyđrô vào đường nạp cho các mục đích khác nhau.

* Ý nghĩa thực tiễn:


- Các mô hình xây dựng, tính toán trong luận văn có thể tham khảo cho
quá trình chế tạo động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel - hyđrô.
- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả
thực nghiệm khi nghiên cứu hiệu suất và chỉ số phát thải giữa động cơ sử dụng
nhiên liệu diesel truyền thống và động cơ sử dụng thêm hyđrô vào đường nạp.
- Trên cơ sở mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô đã thiết
lập được, có thể khảo sát nghiên cứu thêm quy luật phun hyđrô trên toàn vùng
làm việc từ đó làm cơ sở để thiết kế chế tạo ECU điều khiển phun hyđrô vào
đường nạp.
4. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ diesel V12
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng thêm
hyđrô vào đường nạp bằng phần mềm mô phỏng động cơ 1D chuyên dụng
GT- Power.
6. Phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu về lý thuyết đến đặc tính cháy (tốc độ tỏa nhiệt, hệ
số truyền nhiệt…), các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel
khi phun thêm hyđrô trên đường nạp bằng phần mêm mô phỏng một chiều
nhiệt động GT-Power (Gama Technology-Power của Mỹ); trên cơ sở kết quả
thu được có thể đánh giá được ảnh hưởng của lượng phun hyđrô ở các chế độ
khảo sát đến đặc tính cháy và phát thải của động cơ.

Chế độ tính toán: chế độ công suất định mức.


7. Nội dung nghiên cứu
Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng
nhiên liệu
- Chương 3. Mô phỏng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô
- Kết luận và kiến nghị


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường
Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô
trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang
phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo
dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể
đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát
hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển,
nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về
nhiên liệu ngày càng tăng lên.
Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng
dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu
mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm
những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm
nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng
dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu
về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu

trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở
các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng
dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá
dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát
triển như Việt Nam.
Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ
dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường,
phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân
thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc
sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và


ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay
thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong.
1.2. Nhiên liệu thay thế
Theo nguồn gốc nhiên liệu có thể chia thành hai nhóm là nhiên liệu hóa
thạch và nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu có thể thay thế nhiên liệu truyền thống
từ dầu mỏ như xăng và diesel gọi là nhiên liệu thay thế. Hiện nay dầu mỏ
chiếm hơn 35% tổng mức tiêu thụ nhiên liệu thương mại chủ yếu của toàn thế
giới. Xếp thứ hai là than đá (chiếm khoảng 23%) và khí thiên nhiên đứng thứ
3 (chiếm 21%). Những loại nhiên liệu hóa thạch này là nguồn phát thải khí
nhà kính chủ yếu gây nóng lên toàn cầu và làm biến đổi khí hậu.
Các loại nhiên liệu có nguồn gốc sinh học gọi là nhiên liệu sinh học
(NLSH) là một dạng nhiên liệu thay thế, chiếm 10% tổng mức tiêu thụ năng
lượng chủ yếu trên toàn cầu, NLSH gồm nhiên liệu rắn như gỗ, củi, khí sinh
học, nhiên liệu lỏng như ethanol sinh học và các diesel sinh học chế biến từ
các loại cây trồng như cây mía đường, các loại cỏ năng lượng hoặc từ gỗ
nhiêu liệu, than củi, chất thải nông nghiệp và các sản phẩm phụ, những phế
thải rừng, phân vật nuôi và các sản phẩm khác. NLSH có nhiều ưu điểm nổi

bật so với các loại nhiên liệu hóa thạch (dầu khí, than đá...) [3]:
+ Tính chất thân thiện với môi trường: sinh ra ít khí gây hiệu ứng nhà
kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít khí gây ô nhiễm môi
trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống.
+ Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này chế biến từ hoạt động
sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào
nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống (than đá, dầu mỏ).
NLSH đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp
và nhập khẩu nhiên liệu, do có các ưu điểm vượt trội khác: nguyên liệu để sản
xuất NLSH rất phong phú, có khả năng sản xuất và cung cấp với số lượng lớn
để thay thế khi giá xăng dầu khoáng ngày càng tăng. NLSH không chứa các


chất gây độc hại như dầu mỏ, khả năng phân hủy sinh học cao. Sử dụng
NLSH thuận tiện đơn giản bên cạnh các dạng nhiên liệu khác, ví dụ có thể sử
dụng xăng pha ethanol, mà không cần thay đổi, hoán cải các động cơ và mạng
lưới phân phối hiện có.
Công nghệ sản xuất ethanol, dầu mỡ động thực vật và pha chế NLSH
không phức tạp như công nghệ lọc hoá dầu với đầu tư thấp hơn nhiều, có thể
sản xuất với các quy mô khác nhau. Chính vì vậy, hiện nay, NLSH đang được
các quốc gia nói trên định hướng sử dụng rộng rãi.
Tuy nhiên hiện nay NLSH mới chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong cán
cân năng lượng thế giới do giá thành cao và gây ra những nguy cơ đến vấn đề
an ninh lương thực, nhất là đối với những nước đang phát triển. Chính vì thế,
các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp khắc
phục những hạn chế của NLSH.
Như trên đã trình bày, NLSH là một dạng nhiên liệu thay thế bên cạnh
các nhiên liệu thay thế khác. Theo trạng thái, nhiên liệu thay thế cho động cơ
đốt trong tồn tại ở hai dạng:
- Nhiên liệu thay thế dạng khí;

- Nhiên liệu thay thế dạng lỏng.
1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí
Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng khí tương đối phổ
biến dùng cho động cơ đốt trong.



Khí nén thiên nhiên (CNG - Compressed
Natural Gas)
CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng
1950ºC và nhẹ hơn không khí. Thành phần chủ yếu của CNG gồm các
hyđrôcarbon, trong đó metan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10%
cùng một lượng nhỏ propan, butan và các khí khác.
Theo [1] “Đặc điểm cháy của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu
Diesel-CNG (Trong trường hợp sử dụng Acid béo methyl esters phun mồi)”


cho thấy, khi tỷ lệ CNG thay thế tới 75% thì hiệu suất nhiệt là tương tự như
động cơ sử dụng diesel gốc. Khi tỷ lệ CNG thay thế lớn hơn 75% thì hỗn hợp
công tác khó cháy hơn và hiệu suất nhiệt giảm đáng kể, cũng như phát thải HC
và NOx tăng lên nhiều.



Hyđrô và khí giàu
hyđrô
Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrôcacbon hóa thạch, từ nước
và từ sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, oxy hóa
không hoàn toàn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi H2 từ quá trình reforming
và điện phân nước [3].

Hyđrô có thể được sử dụng trực tiếp trên động cơ đốt trong ở dạng
hyđrô lỏng (nhiệt độ hóa lỏng là -253oC ở điều kiện khí quyển) hoặc ở dạng
nén (áp suất bình chứa lên tới 700 bar). Vấn đề tồn chứa hyđrô một cách hiệu
quả, an toàn vẫn đang nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu và
doanh nghiệp. Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu để
sản sinh điện năng. Mặc dù còn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ
và giá thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu
được xem như là vô hạn nên hiện tại hyđrô được xem là “nhiên liệu của
tương lai”
[3].
Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và một số khí khác như oxy
(trong khí HHO), CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác. Khí
giàu hyđrô thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệu
bằng cách bổ sung khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảm
phát thải ô nhiễm [3].
1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng
Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng lỏng tương đối phổ
biến dùng cho động cơ đốt trong.



Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas)


LPG là sản phẩm của quá trình hoá lỏng khí đồng hành thu được trong
quá trình chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là propan, C3H8 và
butan, C4H10 [3]. LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ
đánh lửa cưỡng bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén như là
một phụ gia nhiên liệu.
Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp:

khoảng 2,2 bar đối với C4H10 tại 20oC, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 55oC
[2]. Thông thường LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ
propan/butan khoảng 60%/40%.
Khi sử dụng LPG cho động cơ đốt trong nhận thấy [3]:
- Phát thải HC giảm hơn ba lần và phát thải NOx ít hơn khi phun trực
tiếp vào buồng cháy.
-Tổng lượng tiêu hao nhiên liệu giảm khi tăng tỷ lệ LPG thay thế khi
tốc độ động cơ lớn hơn 2000 vg/ph, khi tốc độ động cơ lớn hơn 2400 vg/ph
suất tiêu hao năng lượng giảm rõ rệt, đồng thời phát thải HC và NOx tăng
nhiều trong khí phát thải CO và soot giảm. Bên cạnh đó các nghiên cứu về sử
dụng LPG cho động cơ đốt trong, cũng cho thấy cần phải giảm góc phun sớm
để đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải.

 Than hóa lỏng (CTL - Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL - Gas To
Liquid)
Than sau quá trình khí hoá, tạo ra syngas và thực hiện quá trình FischerTropsch (FT) để tạo thành FT diesel (CTL). Trong khi đó, GTL được điều chế
từ khí methane, CH4 (có thể từ nguồn gốc tái tạo như biogas hoặc từ nguồn
gốc hoá thạch như khí thiên nhiên). Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ
khí methane gồm methanol, DME hoặc FT diesel [3].

 Dimethyl Ether (DME)


Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiên
liệu có thể làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy
do nén nhờ có trị số xêtan cao. DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn
khác nhau như nhiên liệu gốc hoá thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối
[3].

 Biodiesel

Trong những năm gần đây, việc quan tâm sử dụng biodiesel thay thế
cho diesel khoáng ngày càng được quan tâm. Vấn đề ảnh hưởng của việc sử
dụng trực tiếp biodiesel đến quá trình phun nhiên liệu, quá trình cháy, cũng
như đặc tính động cơ, ô nhiễm môi trường và tính kinh tế nhiên liệu đang
được các nhà khoa học quan tâm, và các kết quả đã chỉ ra rằng sự ảnh hưởng
này phụ thuộc vào tính chất hóa học, tính chất vật lý của biodiesel và thông số
động cơ, cũng như điều kiện làm việc của động cơ, …
Theo hầu hết các nghiên cứu cho thấy công suất động cơ, mô men động
cơ, phát thải dạng hạt PM, phát thải CO và phát thải HC chưa cháy nhìn chung
đều giảm khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng. Tuy nhiên phát thải
NOx lại tăng.
Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng. Do đó, nếu hiệu suất cháy
như nhau thì tiêu hao nhiên liệu sẽ cao hơn khi sử dụng biodiesel thay thế
diesel khoáng.

 Ethanol
Cồn là nhiên liệu sinh học được chế biến từ bã mía, than củi, giấy vụn,
thân và lá bắp, rơm rạ, mùn cưa, phế phẩm lâm nghiệp, phế phẩm bông sợi …
có thể tái sinh được, vừa giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường,
vừa hạn chế dùng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch. Cồn có công thức hoá
học chung là CnH2n+1OH được xem là nhiên liệu phù hợp nhất để sử dụng cho
động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane cao và tính chất vật lý, hoá
học tương tự như xăng. Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn thể là ethanol (C2H5OH),
methanol (CH3OH), butanol (C4H9OH) và propanol (C3H7OH), tất cả đều là


chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol và butanol đều rất độc, đặc biệt là
butanol. Hơn nữa, giá thành sản xuất butanol khá cao so với giá thành sản xuất
ethanol và methanol. Vì vậy hiện tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho
các phương tiện giao thông vận tải [3].

1.3. Nhiên liệu hyđrô dùng cho động cơ đốt trong
1.3.1. Khái niệm chung
Hyđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ nhưng không tồn tại ở
các mỏ, như các mỏ dầu khí gốc khoáng mà thường liên kết với nguyên tố
khác như ô xy hay cacbon tạo thành phân tử của các chất khác nhau. Cần sử
dụng nguồn năng lượng để tách được hyđrô từ các phân tử này, sau đó có thể
sử dụng hyđrô làm nhiên liệu cho quá trình đốt cháy hoặc trong pin nhiên liệu.
Đây được coi là nguồn năng lượng sạch và bền vững, có thể ứng dụng cho
phương tiện giao thông và các nguồn động lực tĩnh tại, qua đó giúp đa dạng
hóa các nguồn nhiên liệu và giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ truyền thống. Khí
hyđrô thường được tạo ra từ 2 nguồn chính là từ nước và từ nhiên liệu hóa
thạch.
- Tạo hyđrô từ nước:
Hyđrô được tạo ra bằng phương pháp tách nước thực hiện bằng nhiều
quá trình khác nhau như điện phân nước, quang phân, quang sinh học và phân
ly nước ở nhiệt độ cao. Phương pháp điện phân nước cần nguồn điện năng để
tách nước thành hyđrô và ôxy:
H2O + điện năng  H2 + 1/2O2
Theo phương pháp này nguồn nhiên liệu là vô tận nhưng tiêu hao điện
năng lớn, trong khi điện năng lại thường được tạo ra bởi các nguồn nhiên liệu
hóa thạch. Nhiệt độ nước tăng lên thì điện năng cần cung cấp cho phản ứng
giảm xuống, do vậy có thể sử dụng nguồn nhiệt thải từ các quá trình khác để
làm nóng nước giảm tiêu thụ điện năng. Có thể sử dụng năng lượng của các
chu trình sẵn có trong tự nhiên để sản xuất hyđrô từ các nguồn tái tạo. Ví dụ
như khi tách hyđrô từ nước bằng quá trình nhiệt hóa thì sử dụng một số hóa


chất và nhiệt, nếu bằng quang phân thì sử dụng ánh sáng mặt trời và một số
chất xúc tác, nếu bằng quá trình sinh học và quang sinh học thì sử dụng ánh
sáng mặt trời và các sinh vật sinh học.

- Tạo hyđrô từ nhiên liệu hóa thạch:
Hyđrô có thể được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch bằng nhiều cách khác
nhau như reforming hơi nước (thường sử dụng đối với khí thiên nhiên CH4),
khí hóa than... Sản xuất hyđrô từ khí thiên nhiên được thực hiện theo ba quá
trình hóa học khác nhau gồm reforming hơi nước, ô xy hóa một phần và quá
trình reforming kết hợp. Quá trình reforming hơi nước diễn ra ở nhiệt độ
khoảng
700 ÷ 850 0C, áp suất 3 ÷ 25 bar, sản phẩm chứa khoảng 12% CO sau đó được
chuyển thành CO2 và H2 bởi phản ứng dịch chuyển nước - khí:
CH4 + H2O + nhiệt  CO + 3H2
CO + H2O  CO2 + H2 +
nhiệt
Quá trình ô xy hóa một phần khí thiên nhiên tạo ra CO, H2 và sinh nhiệt,
đây là phản ứng tỏa nhiệt nên không cần nguồn nhiệt cấp từ bên ngoài.
CH4 + 1/2O2  CO + 2H2 +
nhiệt
Lượng CO sinh ra được chuyển thành H2 bở phản ứng dịch chuyển nước
- khí như trên.
Quá trình reforming kết hợp gồm cả hai quá trình reforming hơi nước
và ô xy hóa một phần khí thiên nhiên. Reforming kết hợp là quá trình tỏa
nhiệt, nhiệt độ ra khỏi buồng phản ứng khoảng 950 đến 1100 0C, áp suất tới
100 bar.
Hyđrô có thể được tạo ra bằng phương pháp khí hóa than, thường than
được chuyển thành CO và H2 với sự có mặt của hơi nước và nhiệt.
C (rắn) + H2O + nhiệt  CO +
H2
Ngoài ra, hyđrô cũng được tạo ra từ nguồn nhiên liệu sinh khối bằng
các quá trình chuyển đổi nhiệt hóa, sinh hóa hoặc tách cơ học. Công nghệ tạo