Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel

Luận văn thạc sĩ phân tích ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải động cơ diesel, mang lại góc nhìn khoa học sâu sắc.

• Tác giả: Bùi Hữu Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trung Kiên
• Trường học: Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ khoa học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường
• 1.2. Nhiên liệu thay thế
• 1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí
• 1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng
• 1.3. Nhiên liệu hyđrô dùng cho động cơ đốt trong
• 1.3.1. Khái niệm chung
• 1.3.2. Tính chất của khí hyđrô
• 1.3.3. Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hyđrô
• 1.3.4. Động cơ đốt trong bổ sung hyđrô
• 1.3.5. Tồn chứa và vận chuyển hyđrô
• 1.4. Nghiên cứu sử dụng hyđrô cho động cơ đốt trong dưới dạng lưỡng nhiên liệu
• 1.4.1. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy do nén
• 1.4.2. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy cưỡng bức
• 1.5. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU
• 2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong
• 2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong
• 2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại
• 2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong
• 2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô
• 2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng
• 2.4.1. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ
• 2.4.1.1. Lựa chọn mô hình cháy
• 2.4.1.2. Lựa chọn mô hình truyền nhiệt
• 2.4.1.3. Tính nhiệt lượng tỏa ra khi cháy trong xi lanh
• 2.4.2. Mô hình đường ống thải
• 2.4.3. Mô hình đường ống nạp
• 2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng phần mềm GT-Power
• 2.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power
• 2.5.2. Các phần tử chính của mô hình động cơ khảo sát
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL - HYĐRÔ
• 3.1. Tính toán các thông số nhiệt động động cơ diesel V12
• 3.2. Mô hình hóa động cơ V12
• 3.2.1. Mô phỏng động cơ V12 nguyên bản
• 3.2.2. Mô phỏng động cơ V12 khi chuyển sang vận hành lưỡng nhiên liệu
• 3.3. Kết quả mô phỏng
• 3.3.1. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến áp suất môi chất
• 3.3.2. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến nhiệt độ môi chất
• 3.3.3. Ảnh hưởng của lượng hyđrô đến dòng nhiệt
• 3.3.4. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến đặc tính phát thải
• 3.4. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hiệu suất động cơ diesel

Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện hiệu suất động cơ diesel thông qua việc bổ sung nhiên liệu hyđrô vào đường nạp. Kết quả mô phỏng cho thấy, việc thêm hyđrô giúp tăng tốc độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu, dẫn đến tăng hiệu suất nhiệt và tối ưu hóa quá trình cháy. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu mà còn giảm thiểu năng lượng bị lãng phí trong quá trình vận hành.

1.1. Tác động của hyđrô đến quá trình cháy

Hyđrô có đặc tính khuếch tán nhanh và dễ bắt cháy, giúp hỗn hợp nhiên liệu cháy kiệt hơn. Khi được bổ sung vào động cơ diesel, nó làm tăng áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ. Mô phỏng cho thấy, lượng hyđrô tối ưu giúp tăng công suất động cơ lên đến 10% so với động cơ truyền thống.

1.2. So sánh hiệu suất giữa động cơ diesel và động cơ sử dụng hyđrô

Kết quả mô phỏng so sánh giữa động cơ diesel truyền thống và động cơ sử dụng hyđrô cho thấy, động cơ sử dụng hyđrô có hiệu suất cao hơn đáng kể. Đặc biệt, ở chế độ công suất định mức, hiệu suất nhiệt tăng từ 35% lên 40%, đồng thời giảm tiêu thụ nhiên liệu khoảng 5-7%.

II. Phát thải động cơ diesel

Nghiên cứu cũng tập trung vào việc giảm phát thải khí thải từ động cơ diesel thông qua việc sử dụng nhiên liệu hyđrô. Kết quả cho thấy, việc bổ sung hyđrô giúp giảm đáng kể các chất ô nhiễm như NOx, CO, và PM trong khí thải. Điều này góp phần giảm ô nhiễm môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt.

2.1. Giảm phát thải NOx và CO

Khi hyđrô được bổ sung vào động cơ diesel, quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn, giảm lượng NOx và CO trong khí thải. Mô phỏng cho thấy, lượng NOx giảm khoảng 15-20%, trong khi CO giảm đến 25%. Điều này giúp động cơ đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải Euro 6 và các quy định môi trường khác.

2.2. Giảm phát thải PM

Chất ô nhiễm dạng hạt (PM) là một trong những vấn đề lớn của động cơ diesel. Việc sử dụng hyđrô giúp giảm đáng kể lượng PM trong khí thải, nhờ quá trình cháy hoàn toàn và giảm lượng nhiên liệu chưa cháy. Kết quả mô phỏng cho thấy, lượng PM giảm đến 30% so với động cơ truyền thống.

III. Ứng dụng hyđrô trong động cơ diesel

Nghiên cứu đã chỉ ra tiềm năng lớn của việc ứng dụng hyđrô trong động cơ diesel. Việc sử dụng nhiên liệu hyđrô không chỉ cải thiện hiệu suất và giảm phát thải mà còn mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ động cơ xanh. Đây là giải pháp hữu hiệu để đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu sạch và giảm ô nhiễm môi trường.

3.1. Công nghệ động cơ lưỡng nhiên liệu

Nghiên cứu đã xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô bằng phần mềm GT-Power. Mô hình này cho phép khảo sát các thông số nhiệt động và phát thải, từ đó tối ưu hóa quá trình vận hành. Đây là cơ sở quan trọng để phát triển công nghệ động cơ xanh trong tương lai.

3.2. Tiềm năng phát triển nhiên liệu sạch

Việc sử dụng hyđrô như một nhiên liệu sạch không chỉ giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này là tiền đề cho các dự án phát triển nhiên liệu thay thế và công nghệ động cơ bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu hóa và công nghiệp hóa mạnh mẽ, ngành giao thông vận tải đang đối mặt với thách thức kép về cạn kiệt tài nguyên hóa thạch và ô nhiễm không khí nghiêm trọng. Toàn thế giới hiện sản xuất và đưa vào vận hành hơn 40 triệu động cơ đốt trong mỗi năm, tiêu thụ trên 3,6 tỷ tấn dầu mỏ hàng năm trong tổng trữ lượng đã khảo sát khoảng 150 tỷ tấn. Các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống ước tính chỉ đủ đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong khoảng 40 đến 50 năm tới. Tại các khu vực đô thị lớn, khí thải từ phương tiện cơ giới chiếm từ 40% đến 50% tổng lượng hydrocacbon, 50% tổng oxit nitơ và khoảng 80% đến 90% nồng độ cacbon monoxit trong không khí.

Đứng trước yêu cầu cấp bách về bảo vệ môi trường và bảo đảm an ninh năng lượng, đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel được thực hiện bởi học viên Bùi Hữu Hùng dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Trung Kiên. Luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, mã số 8520116, được hoàn thành năm 2019 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên.

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng mô hình nhiệt động và mô phỏng chu trình làm việc của động cơ diesel V12 cỡ lớn khi vận hành ở chế độ lưỡng nhiên liệu diesel kết hợp hyđrô. Nghiên cứu đánh giá sự biến thiên của các thông số áp suất, nhiệt độ, quá trình tỏa nhiệt, đồng thời so sánh các chỉ tiêu phát thải độc hại giữa động cơ nguyên bản và động cơ bổ sung hyđrô tại chế độ công suất định mức. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn, mở ra hướng ứng dụng phụ gia khí sạch giúp cải thiện hiệu suất cháy và giảm phát thải khí nhà kính mà không đòi hỏi thay đổi lớn về kết cấu cơ khí động cơ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng nhiệt động lực học kỹ thuật và lý thuyết cháy hỗn hợp trong động cơ đốt trong nhằm mô tả chu trình làm việc lưỡng nhiên liệu. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh được xây dựng dựa trên phương pháp cân bằng năng lượng vi phân kết hợp phương trình bảo toàn khối lượng và phương trình trạng thái môi chất công tác. Quy luật tỏa nhiệt của quá trình cháy được mô hình hóa theo hàm toán học Vibe, trong khi hiện tượng trao đổi nhiệt giữa dòng khí cháy và vách buồng xi lanh được xác định theo mô hình bán thực nghiệm của Woschni và Hohenberg.

Hệ thống lý thuyết tập trung vào các đặc tính hóa lý ưu việt của hyđrô so với nhiên liệu diesel khoáng truyền thống:

• Nhiệt trị khối lượng thấp của hyđrô đạt 119,7 MJ/kg, cao gấp gần 3 lần so với nhiên liệu xăng và diesel khoáng (khoảng 44 MJ/kg).
• Tỷ trọng của hyđrô ở điều kiện tiêu chuẩn chỉ đạt 0,082 kg/m3, nhẹ hơn không khí khoảng 14 lần và nhẹ hơn khí mêtan 8,7 lần.
• Hệ số khuếch tán trong không khí đạt 0,61 cm2/s, cao gấp 3 lần mêtan và gấp 12 lần hơi xăng, tạo điều kiện hình thành hỗn hợp đồng nhất cực nhanh.
• Giới hạn bốc cháy trong không khí rất rộng, dao động từ 4% đến 75% theo thể tích, tương ứng với hệ số dư lượng không khí lambda từ 0,14 đến 10.
• Năng lượng đánh lửa tối thiểu chỉ cần 0,02 mJ cùng nhiệt độ tự cháy cao lên tới 858 K và chỉ số octane vượt mức 130.
• Khoảng cách dập tắt màng lửa rất hẹp, chỉ 0,6 mm so với 2,0 mm của xăng, cho phép màng lửa tiến sát bề mặt vách xi lanh để đốt kiệt nhiên liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số một chiều nhiệt động thông qua phần mềm chuyên dụng GT-Power của Gamma Technologies. Toàn bộ đối tượng khảo sát là cụm động cơ diesel V12 nhiều xi lanh công suất lớn được số hóa chi tiết từ cơ cấu phân phối khí, quy luật nâng xu páp nạp và thải theo 720 độ góc quay trục khuỷu, đường ống phân nhánh nạp, hệ thống cấp nhiên liệu diesel trực tiếp kết hợp vòi phun khí hyđrô lắp đặt tại họng nạp trước xu páp.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập dựa trên hệ thống 12 xi lanh động cơ với chuỗi dữ liệu tính toán chu trình công tác liên tục ở độ phân giải góc quay trục khuỷu dưới 0,1 độ. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào chế độ vận hành công suất định mức toàn tải của động cơ, phân cấp khảo sát theo từng dải lưu lượng phun bổ sung hyđrô vào đường nạp.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng 1D trên phần mềm GT-Power là khả năng giải chính xác hệ phương trình vi phân phi tuyến về động lực học dòng khí và truyền nhiệt, giúp rút ngắn thời gian tính toán và tiết kiệm hơn 90% chi phí nghiên cứu so với việc lắp đặt trực tiếp hệ thống đo đạc trên băng thử động cơ V12 nguyên mẫu. Mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm chứng đối chuẩn với đặc tính ngoài công bố của nhà sản xuất động cơ với độ sai lệch dưới 5%, đảm bảo độ tin cậy khoa học cao trong suốt timeline thực hiện luận văn năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích nhiệt động động cơ diesel V12 lưỡng nhiên liệu diesel và hyđrô mang lại các kết quả nổi bật:

• Diễn biến áp suất môi chất công tác: Khi tăng tỷ lệ phun hyđrô vào đường nạp, áp suất cực đại trong xi lanh tăng rõ rệt và điểm cực đại dịch chuyển sớm hơn về phía điểm chết trên. Tốc độ tăng áp suất trung bình trong buồng cháy gia tăng do vận tốc màng lửa của hyđrô đạt từ 3,2 m/s đến 4,4 m/s, nhanh gấp 6 đến 10 lần so với nhiên liệu hóa thạch thông thường.
• Diễn biến nhiệt độ và dòng nhiệt: Nhiệt độ môi chất cực đại trong buồng cháy gia tăng cùng với lượng hyđrô bổ sung. Dòng nhiệt truyền từ khí cháy sang thành vách buồng cháy tăng từ 15% đến 25% tại các chế độ tải cao do nhiệt độ cháy lý thuyết của hyđrô đạt trên 2200°C.
• Cắt giảm mạnh phát thải gốc carbon: Lượng phát thải CO2 giảm từ 15% đến 30%, phát thải CO giảm trên 35%, và tổng lượng hydrocacbon chưa cháy giảm đáng kể. Đặc biệt, hàm lượng hạt muội than PM trong khí thải giảm sâu trên 40% do hyđrô là nhiên liệu không chứa nguyên tử carbon và hỗ trợ đốt cháy triệt để các giọt sương diesel.
• Xu hướng phát thải oxit nitơ: Khí thải NOx có xu hướng tăng từ 10% đến 35% tại các điểm tải cao do nhiệt độ cực đại trong buồng cháy vượt ngưỡng 1800 K, kích hoạt mạnh mẽ cơ chế nhiệt hóa hình thành NOx theo phương trình Zeldovich.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu mô phỏng khi được thể hiện qua đồ thị biểu diễn biến thiên áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu (p-phi) và bảng tổng hợp cân bằng nhiệt cho thấy: việc phun hyđrô vào đường nạp tạo ra hỗn hợp nạp trước giàu tính phản ứng. Khi lượng diesel phun mồi bắt cháy, hyđrô nhanh chóng bắt lửa và đẩy nhanh tốc độ lan tràn màng lửa khắp toàn bộ thể tích buồng cháy. Quá trình tỏa nhiệt diễn ra tập trung ở giai đoạn đầu của hành trình giãn nở, nâng cao hiệu suất nhiệt chỉ thị của chu trình thêm từ 2% đến 6%.

Khoảng cách dập tắt màng lửa cực nhỏ 0,6 mm của hyđrô giúp ngọn lửa quét sạch nhiên liệu ở các khe kẽ sát vách xi lanh, giải thích nguyên nhân sụt giảm sâu nồng độ HC và CO chưa cháy. So sánh với các nghiên cứu thực nghiệm quốc tế trên động cơ thử nghiệm của Saravanan (nâng hiệu suất nhiệt từ 23,59% lên 29%, giảm độ khói từ 4,8 BSN xuống 0,3 BSN) và Koten, kết quả mô phỏng trên động cơ V12 hoàn toàn tương đồng về mặt xu thế quy luật. Đồ thị tốc độ giải phóng nhiệt lượng (ROHR) thể hiện đỉnh cháy sắc nét, khẳng định vai trò chất xúc tác thúc đẩy quá trình oxy hóa diesel của hyđrô. Mặc dù sự gia tăng NOx là một điểm đánh đổi nhiệt động, vấn đề này hoàn toàn có thể kiểm soát được bằng các biện pháp kỹ thuật bổ trợ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng nhiệt động, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm tối ưu hóa động cơ diesel sử dụng phụ trợ hyđrô:

• Hiệu chỉnh chiến lược phun nhiên liệu: Điều chỉnh góc phun sớm của vòi phun diesel chính muộn lại từ 2 đến 4 độ góc quay trục khuỷu. Giải pháp này do các kỹ sư điều khiển động cơ thực hiện nhằm hạ thấp áp suất đỉnh và nhiệt độ cực đại trong xi lanh, giúp cắt giảm từ 15% đến 25% lượng phát thải NOx mà vẫn duy trì công suất định mức.
• Tích hợp hệ thống luân hồi khí xả làm mát: Ứng dụng công nghệ EGR làm mát với tỷ lệ hồi lưu khí thải từ 10% đến 18% nhằm đưa khí trơ vào buồng cháy, giảm nồng độ oxy dư và kiềm chế nhiệt độ ngọn lửa cục bộ. Đề xuất hoàn thành thử nghiệm thiết kế hệ thống trong vòng 6 đến 9 tháng.
• Thiết kế hệ thống phun hyđrô đa điểm độc lập: Lắp đặt cụm vòi phun khí hyđrô điều khiển điện tử trực tiếp trên từng nhánh ống nạp ngay trước xu páp nạp với dải áp suất phun ổn định từ 2 đến 5 bar. Trang bị van an toàn một chiều và lưới dập lửa nhằm ngăn chặn tuyệt đối hiện tượng cháy ngược ra đường nạp.
• Chế tạo bộ điều khiển điện tử chuyên dụng: Giao nhiệm vụ cho các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm tự động hóa thiết kế phần mềm vi điều khiển ECU trong thời gian 12 tháng. ECU có chức năng tự động định lượng lưu lượng hyđrô tương ứng theo từng dải tốc độ từ 800 đến 2200 vòng/phút và các mức tải trọng khác nhau.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho nhiều nhóm đối tượng:

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Máy Động lực và Năng lượng: Tài liệu cung cấp phương pháp luận chuẩn mực về mô hình hóa chu trình nhiệt động 1D trên phần mềm GT-Power, tính toán truyền nhiệt Woschni và cân bằng năng lượng buồng cháy động cơ cỡ lớn.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển tại các nhà máy chế tạo, hoán cải động cơ: Tận dụng các sơ đồ bố trí vòi phun nạp, thông số phân phối khí và giải thuật bù trừ nhiên liệu để triển khai các dự án nâng cấp động cơ diesel công nghiệp, máy phát điện hoặc tàu thủy sang chạy chế độ lưỡng nhiên liệu.
• Các nhà hoạch định chính sách năng lượng và tiêu chuẩn khí thải: Khai thác số liệu về tỷ lệ cắt giảm khí nhà kính CO2 và muội than PM làm căn cứ khoa học xây dựng tiêu chuẩn phát thải và lộ trình ứng dụng năng lượng hyđrô trong giao thông vận tải xanh.
• Doanh nghiệp vận tải hạng nặng và logistics: Tham khảo giải pháp cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu diesel khoáng, giúp giảm chi phí vận hành và đáp ứng các quy định bảo vệ môi trường đô thị.

Câu hỏi thường gặp

• Việc bổ sung hyđrô vào đường nạp giúp cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel như thế nào? Hyđrô sở hữu vận tốc lan tràn màng lửa cực nhanh từ 3,2 đến 4,4 m/s và hệ số khuếch tán cao 0,61 cm2/s. Khi hòa trộn cùng không khí nạp, hyđrô tạo môi trường bắt cháy đồng nhất, thúc đẩy màng lửa lan tỏa nhanh, giúp các giọt diesel bay hơi và cháy triệt để hơn, từ đó tăng công suất và áp suất chỉ thị.

• Tại sao phát thải NOx lại có xu hướng gia tăng khi nạp thêm hyđrô vào động cơ diesel? Nhiệt độ cháy của hỗn hợp hyđrô và không khí rất cao, có thể đạt tới 2207°C, khiến nhiệt độ cục bộ trong xi lanh vượt mức 1800 K. Ở nhiệt độ cao kết hợp lượng oxy dư lớn của động cơ diesel, phản ứng giữa nitơ và oxy bị kích hoạt mạnh mẽ theo cơ chế Zeldovich tạo ra nhiều NOx hơn.

• Công cụ mô phỏng GT-Power đóng vai trò gì trong việc giải quyết bài toán của luận văn? GT-Power giải quyết hệ phương trình vi phân bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng 1 chiều, tích hợp mô hình cháy Vibe và mô hình truyền nhiệt Woschni. Công cụ này cho phép khảo sát chính xác diễn biến áp suất, nhiệt độ trên toàn bộ 12 xi lanh mà giảm 90% chi phí thử nghiệm thực tế.

• Năng lượng đánh lửa tối thiểu thấp của hyđrô gây ra thách thức kỹ thuật gì và cách khắc phục ra sao? Với năng lượng đánh lửa chỉ 0,02 mJ, hyđrô rất dễ bị kích cháy sớm bởi các điểm nóng trong xi lanh hoặc xupáp nạp, gây hiện tượng cháy ngược ra cổ hút. Vấn đề này được khắc phục bằng cách phun hyđrô dạng xung ngắt quãng bằng vòi phun điện tử vào thời điểm xupáp nạp đã mở.

• Động cơ diesel V12 có cần phải hoán cải cấu trúc cơ khí bên trong khi chuyển sang chạy lưỡng nhiên liệu không? Động cơ hoàn toàn không cần thay đổi kết cấu pít tông, thanh truyền, trục khuỷu hay buồng cháy. Người vận hành chỉ cần lắp thêm cụm vòi phun hyđrô tại họng nạp, bổ sung đường ống dẫn khí áp suất thấp và tích hợp bộ điều khiển ECU phụ trợ để định lượng dòng khí nạp.

Kết luận

• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình mô phỏng nhiệt động 1 chiều cho động cơ diesel V12 sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel và hyđrô trên phần mềm GT-Power với độ tin cậy và độ chính xác cao.
• Khẳng định bổ sung hyđrô vào đường nạp làm gia tăng áp suất cháy cực đại, tăng tốc độ tăng áp suất trung bình và cải thiện hiệu suất nhiệt động lực học của động cơ.
• Chứng minh khả năng giảm thiểu vượt trội các thành phần phát thải độc hại chứa carbon, bao gồm cắt giảm trên 15% lượng CO2, trên 35% lượng CO và giảm sâu phát thải muội than PM.
• Nhận diện rõ quy luật gia tăng phát thải oxit nitơ NOx ở dải tải cao và thiết lập cơ sở lý thuyết cho việc kết hợp điều chỉnh góc phun trễ cùng hệ thống luân hồi khí xả EGR.
• Hoàn thiện nguồn dữ liệu tham khảo giá trị để chế tạo bộ điều khiển ECU và tiến hành các thử nghiệm thực tế trên động cơ lưỡng nhiên liệu trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới. Hãy liên hệ và chia sẻ bài viết để cùng thúc đẩy các nghiên cứu chuyển đổi năng lượng xanh trong ngành cơ khí động lực!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 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 6 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. 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 7 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.

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)” 8 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].

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) 9 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.

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) 10 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.