Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về máy phát nhiệt điện trên ô tô 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, ô tô sử dụng động cơ đốt trong là phương tiện di chuyển chủ yếu của con người với số lượng ngày càng phát triển. Điều đó có nghĩa là con người đang sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch với mức độ ngày càng tăng.
Nhưng nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới ngày càng cạn kiệt trong khi hiệu suất của động cơ ô tô chưa được cao. Theo ước tính trung bình hiệu suất động cơ chỉ đạt khoảng 30%, phần còn lại phát thải 40% qua khí xả và 30% qua hệ thống làm mát [4]. Như vậy, hằng ngày chúng ta uổng phí tới 40% tổng lượng nhiên liệu. Phần năng lượng phát thải này đã được đốt cháy hoàn toàn chuyển thành nhiệt năng và thải ra ngoài môi trường.
Bên cạnh đó, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, phụ tải điện trên ô tô ngày càng tăng và đòi hỏi tỷ lệ nhiên liệu hóa thạch chuyển thành điện năng khá lớn. Chính vì thế việc nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt phát thải từ động cơ khi xe vận hành để chuyển thành điện năng cung cấp cho phụ tải là một vấn đề cấp bách và hết sức cần thiết trong thời kỳ hiện nay. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trong nước hầu như chưa có công trình nào nghiên cứu chế tạo máy phát điện trên ô tô sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ. Tuy nhiên, trong lĩnh vực hàng hải đã có những công trình nghiên cứu thu hồi nhiệt khí thải sử dụng với mục đích cấp nhiệt cho nồi hơi và tính toán chạy máy lạnh.
Năm 2010, PGS-TS Lê Viết Lượng cùng cộng sự [1] đã nghiên cứu đề xuất sử dụng nồi hơi kiểu MODUYN thu hồi nhiệt phát thải trên động cơ tàu thủy. Kết quả thử nghiệm cho thấy với nồi hơi có kích thước 1750x1250x1100, khi động cơ hoạt động 15 phút, áp suất nồi hơi đã đạt 6 kg/cm2, nhiệt độ khí xả chênh lệch khi đi qua nồi hơi là 100 oC. Như vậy, nhiệt độ khí thải có thể thu hồi tái sử dụng với tiềm năng khá cao. Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 1 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-23TĐ Năm 2013, Nguyễn Hà Hiệp và cộng sự [2] đã thí nghiệm và thu thập thông số của một mô-đun nhiệt điện với kết quả cho thấy như Bảng 1.1: Kết quả thử nghiệm TEG trên động cơ Toyota 7KE[2] tg,o C tw,o C ∆t = tg – tw,o C U,V I,A 185 38,7 146,3 3,2 0,26 190 39,0 151,0 3,4 0,28 200 39,5 160,5 3,5 0,30 210 40,0 170,0 3,6 0,31 220 41,2 178,8 3,8 0,32 224 42,0 182,0 3,9 0,33 230 45,0 185,0 3,9 0,33 260 47,5 212,5 4,0 0,35 270 49,0 221,0 4,1 0,37 282 51,0 231,0 4,2 0,39 Theo kết quả đã công bố, ta thấy rằng khi nhiệt độ chênh lệch giữa mặt nóng và mặt lạnh của mô-đun TEG đạt trên 200 OC TEG bắt đầu cho điện áp từ 4,0V đến 4,2V.
Như vậy với nhiệt độ này chúng ta có thể mắc nối tiếp nhiều mô-đun TEG để có được mức điện áp cao hơn sử dụng cho các phụ tải trên ô tô. Gần đây, trên thế giới bắt đầu nghiên cứu các phương án thu hồi nhiệt phát thải trên ô tô nhằm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Năm 2004, bộ năng lượng Hoa Kỳ bắt đầu quan tâm đến lượng nhiệt phát thải trên ô tô. Chính vì thế họ đưa ra một chương trình phát triển công nghệ thu nhiệt từ khí xả động cơ ô tô kéo dài cho các phòng thí nghiệm, các trường đại học và viện nghiên cứu quốc gia.
Cuối năm 2012 đã nghiệm thu với hai công trình tiêu biểu. Thứ nhất, Douglas T. và cộng sự [3] đã chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực tiếp nhiệt thành điện cung cấp cho phụ tải trên ô tô. Cấu trúc của máy phát điện như Hình 1.1: Mặt cắt cấu trúc bộ thu nhiệt[3] Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 2 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-23TĐ Công trình này được đầu tư với kinh phí đến 12 triệu USD trong đó vốn từ DOE là 7 triệu USD, 5 triệu USD còn lại đến từ các nguồn đầu tư khác trong đó có BMW và Ford.
Kết quả thu được có đặc tính như Hình 1.2: Đặc tuyến kết quả nghiên cứu của Douglas T. [3] Công trình này chủ yếu tập trung phát triển cơ chế thu hồi nhiệt phát thải bằng cách chế tạo máy phát nhiệt điện đặt trên đường ống xả, sử dụng cặp vật liệu bán dẫn và dùng chất lỏng làm mát và được thử nghiệm trên xe Ford Lincoln và BMW X6. Kết quả như Hình 1.2 cho thấy, công suất máy phát điện đạt 700W, nhiệt độ đầu nóng của cặp nhiệt điện đạt 500 oC và hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu tăng 10%. Tuy nhiên, công trình này chỉ mới nằm trong phòng thí nghiệm, tốn kinh phí lớn và tuổi thọ chỉ đạt khoảng 6 tháng.
Kết cấu của vật liệu bán dẫn phức tạp kéo dài theo sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trên đường ống xả. Cùng nằm trong đề án này, Gregory P. Meisner [4] chế tạo bộ thu hồi nhiệt với các mô-đun nhiệt điện tách rời. Máy phát điện kiểu này có cấu trúc như Hình 1.3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện của Meisner [4] Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 3 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-23TĐ Công trình này tham gia hội thảo ứng dụng nhiệt điện lần thứ 3 ngày 21/03/2012 ở Baltimore, Maryland và bộ năng lượng Mỹ đầu tư với kinh phí 12 triệu USD.
Công trình này sử dụng một bộ thu hình hộp nhỏ, dẹt có bề rộng lớn đặt trên đường ống xả để làm chậm vận tốc khí xả tăng thời gian trao đổi nhiệt. Mặt ngoài của bộ trao đổi nhiệt được bố trí nhiều dãy các mô-đun nhiệt điện được chế tạo từ vật liệu Skutterudite và Bi-Te, mặt nóng tiếp xúc với bộ thu nhiệt, mặt lạnh tiếp xúc với nước làm mát như Hình 1. Các mô-đun nhiệt điện được chế tạo có thông số khác nhau bố trí theo giải phân bố nhiệt độ để bảo đảm thu được điện áp bằng nhau tránh sự chênh áp theo mật độ phân bố nhiệt độ trên bộ thu. Dọc theo chiều dài bộ thu nhiệt bố trí 2 vùng cặp nhiệt điện tùy theo đặc tính kỹ thuật của vật liệu bán dẫn.
Vùng gần cửa vào có nhiệt độ cao hơn nên bố trí các mô-đun vật liệu Skutterudite và vùng cuối gần cửa ra bố trí các mô-đun vật liệu Bi-Te có đặc tuyến làm việc như Hình 1.4: Đặc tuyến làm việc của các chất bán dẫn[4] Kết quả như trong Hình 1.5 cho thấy khi dòng khí vào bộ thu có nhiệt độ 550 oC nhiệt độ bên nóng của bộ Skutterudite đạt 450 oC và 250 o C với bộ Bi-Te và tổng công suất của 24 cặp Skutterudite và 18 cặp Bi-Te đạt 250W.5: Bố trí cặp nhiệt điện và phân bố nhiệt độ khí xả[4] Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 4 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-23TĐ Tuy nhiên, Meisner chủ yếu tập trung nghiên cứu phát triển cặp nhiệt điện bán dẫn phù hợp với dải nhiệt độ khí xả mà chưa quan tâm nhiều tới phương án thu nhiệt. Kinh phí thực hiện cao, công suất máy phát chưa đủ cung cấp cho phụ tải điện ô tô, sản phẩm chỉ mới trong phòng thí nghiệm mà chưa thể sản xuất đại trà do quy trình công nghệ phức tạp. Haidar [5] nghiên cứu lý thuyết về vật liệu cặp nhiệt điện, khảo sát phân bố nhiệt lượng và hiệu suất sử dụng trong động cơ đốt trong như Hình 1. Đồng thời đưa ra thông số thực nghiệm trên động cơ Ruston Diesel 37kW.6: Phân phối năng lượng trên động cơ đốt trong[5] Kết quả đề tài này cho thấy nhiệt lượng ở dòng khí xả khá cao, chiếm 34 - 45(%) với động cơ xăng và 22-35(%) với động cơ Diesel.7: Đặc tuyến công suất theo nhiệt độ[5] Nhiệt độ khí xả đạt trên 500 oC với mức tải 88% cánh bướm ga và tốc độ 1.
Bộ thu nhiệt được thiết kế kiểu ống trụ, trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. Tuy nhiên, chỉ bố trí sử dụng 98 cặp nhiệt điện nên công suất mới đạt 45W ở mức điện áp 14V. Theo đó, các cặp nhiệt điện bố trí dài trên đường ống nên không đồng nhất về nhiệt độ làm việc. Srinivasan và cộng sự [6] sử dụng nguồn nhiệt khí xả cấp nhiệt cho nồi hơi chạy turbine kéo máy phát điện như được mô tả ở Hình 1.
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 5 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-23TĐ Hình 1.8: Bố trí thí nghiệm và thông số kỹ thuật[5] Kết quả cho thấy với động cơ Diesel 10,6 kW chạy toàn tải ở tốc độ 2700 RPM, nhiệt độ vào bộ sinh hơi thu được là 550 oC và ra khỏi bộ sinh hơi là 350 oC, Turbine đạt công suất 2kW. Mặc dù công suất thu được khá cao nhưng việc chế tạo Turbine cỡ nhỏ như vậy là rất khó và có hiệu suất thấp. Nhiệt lượng thu được từ khí xả không chuyển trực tiếp qua điện năng mà cần phải qua một chu trình trung gian là giảm hiệu suất thu được từ khí thải. Bên cạnh đó, Turbine hoạt động với áp suất cao trong khi ô tô chuyển động với những chấn động lớn hay va chạm gây nổ bình chứa hơi nên mức độ an toàn thấp.
Những vấn đề còn tồn tại Trong thời điểm hiện tại, mặc dù đã có một số đề tài trong và ngoài nước nghiên cứu về các vấn đề liên quan và đã đạt được một số thành công nhất định. Tuy nhiên, các đề tài đó còn có nhiều giới hạn mà chưa thể ứng dụng kết quả lên trên các xe hiện hành. Với các đề tài sử dụng mô-đun TEG của bộ năng lượng Hoa Kỳ mặc dù cho kết quả tương đối khả quan nhưng chỉ mang tính chất trong phòng thí nghiệm, vấn đề giải quyết chỉ là vật liệu TEG mà chưa có thông số ứng dụng trên các động cơ cụ thể và tỷ lệ thu hồi so với tiềm năng chưa cao. Bên cạnh đó kinh phí và thời gian nghiên cứu rất nhiều.
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 6 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2014-23TĐ Với phương án sử dụng một chu trình hơi nước để thu hồi nhiệt mặc dù đạt được kết quả thu hồi cao nhưng vấn đề bảo đảm an toàn về cháy nổ trên xe không được đề cập. Với phươn án này chỉ phù hợp cho động cơ tỉnh tại và động cơ trên các phương tiện giao thông đường thuỷ.