Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU HYDRO ĐỂ CẢI
THIỆN HIỆU SUẤT VÀ GIẢM Ô NHIỄM KHÍ THẢI TRONG CÔNG NGHỆ
NHIÊN LIỆU KÉP TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG
A REVIEW OF THE APPLICABILITY OF HYDRO FUEL TO IMPROVE THE ENGINE
PERFORMANCE AND REDUCE ENGINE EMISSIONS IN DUAL-FUEL
TECHNOLOGY OF GASOLINE ENGINE
Võ Xuân Thành1a, Đỗ Văn Dũng1b, Hoàng An Quốc1c, Lê Thanh Phúcad
1
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
a
, ,
c
,
TÓM TẮT
Ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch thúc đẩy thế giới
ngày nay đang tìm kiếm các loại nhiên liệu thay thế bền vững phù hợp để làm giảm khí thải ô
nhiễm và tăng hiệu suất động cơ. Nhiên liệu hydro là một loại nhiên liệu thay thế có đặc tính
phù hợp có thể sử dụng như một nhiên liệu thứ hai trên hệ thống nhiên liệu kép của động cơ
xăng. Trên hệ thống nhiên liệu kép, hydro có thể cung cấp dưới dạng HHO trực tiếp từ bình
điện phân hoặc sử dụng kim phun. Bài viết này phân tích và đánh giá khả năng ứng dụng
hydro trên động cơ xăng, các phương pháp ứng dụng nhiên liệu hydro, các kết quả về hiệu
suất và hàm lượng khí thải của động cơ nhiên liệu kép hydro-xăng của các công trình nghiên
cứu trên thế giới hiện nay. Với tỉ lệ nhiên liệu hydro từ 1% đến 4,5% áp dụng trên các mô
hình khác nhau, các kết quả nghiên cứu trong hầu hết các điều kiện thí nghiệm so với động cơ
chỉ sử dụng xăng cho thấy quá trình cháy diễn ra nhanh hơn, áp suất cực đại của buồng đốt
tăng, BTE có thể tăng đến 7%. Hàm lượng khí thải HC và CO giảm đáng kể. Hàm lượng NOx
giảm ở điều kiện cháy nghèo và tăng ở các điều kiện bình thường.
Từ khóa: nhiên liệu kép, hydro, HHO, hiệu suất động cơ, khí thải
ABSTRACT

Sản lượng (%)

Chi phí(USD/MMBtu)

Khí thiên nhiên

48

20

Dầu

30

15

Than đá

18

12

Điện phân nước

4

5

Nguồn gốc



358


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.3. Nhiên liệu hydro dạng hỗn hợp hydro và oxy (HHO)
Oxyhydrogen (HHO) là một hỗn hợp khí hydro (H2) và khí ôxy (O2). Dựa vào bảng 2,
hydro và HHO có các đặc tính gần giống nhau. Tỉ lệ hòa khí được tính theo công thức
(2)[8][9][19]



ma
mg .AFR gst

(2)

Trong đó: ma : khối lượng không khí hút vào xylanh trong 1 giây (g/s); mg : khối lượng xăng
phun vào xylanh trong 1 giây (g/s); AFR gst :tỉ lệ không khí/nhiên liệu lí tưởng của xăng (14,6).
Trong đó, trong phản ứng cháy của HHO với tỉ lệ 2:1, lượng hydro và oxy trong chính
nhiên liệu đã là tỉ lệ lý tưởng để xảy ra phản ứng cháy H2 + O2 = H2O. Do đó, AFR HHOst  0 ,
đây chính là tỉ lệ hòa khí trên động cơ xăng [8].
Bảng 2. Tính chất của các nhiên liệu [27]
Tính chất

H2

HHO

Xăng


500 – 750

Nhiệt độ cháy (K)

2,933

3,073

2,282

Giá trị nhiệt trị thấp (MJ/kg)

119,96

120,9

44,79

Chỉ số ốc tan (RON)

120

120

91-99

Tỷ lệ A/F lý thuyết

34,3

4.1. Suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC)
4.1.1. Ảnh hưởng của nhiên liệu hydro lên BSFC
Khi so sánh BSFC của hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng với động cơ chỉ chạy xăng:
nghiên cứu của Pana C. và các cộng sự [25] BSFC giảm đến 14%; nghiên cứu của Changwei
J. và các cộng sự [5] cho thấy khi tăng tỉ lệ thành phần khối lượng hydro lên đến 18,09% thì
tốc độ tiêu thụ năng lượng ( Etotalfuel ) tương ứng giảm tới 25,17%, Etotalfuel tại tốc độ cầm chừng
chỉ để thắng các thành phần tiêu hao và giúp động cơ hoạt động ổn định, khi Etotalfuel giảm điều
đó có nghĩa là hiệu suất động cơ tăng đồng nghĩa với BSFC giảm; nghiên cứu của Lê Anh
Tuấn và các cộng sự [20]cho thấy BSFC giảm đến 23,07%.
4.1.2. Nhận xét
Từ những kết quả nghiên cứu trên, rõ ràng rằng BSFC giảm khi gia tăng thành phần
khối lượng nhiên liệu hydro trong hỗn hợp hòa khí so với động cơ chỉ sử dụng xăng. Nhiệt trị
cao và tốc độ cháy nhanh của hydro có thể giải thích cho kết quả trên. Bởi vì, lượng nhiệt sinh
ra nhiều hơn trên cùng một đơn vị khối lượng làm tăng lượng công có ích thu được. Bên cạnh
đó, quá trình cháy trong động cơ diễn ra nhanh trong buồng đốt dẫn đến sự thất thoát nhiệt ít.
Đó là hai nguyên nhân cơ bản dẫn đến BSFC giảm [5][24][25].
4.2. Hiệu suất nhiệt (BTE)
4.2.1. Ảnh hưởng của nhiên liệu hydro lên BTE
Các nghiên cứu về BTE trên hệ thống nhiên liệu kép sử dụng hydro so với động cơ chỉ sử
dụng xăng: nghiên cứu của Changwei Ji và các cộng sự [9][14][15] cho thấy rằng BTE lên đến
6,39%; nghiên cứu của Shuofeng Wang và các cộng sự [9] so sánh hai loại nhiên liệu hydro và
HHO, BTE của nhiên liệu HHO cao hơn; nghiên cứu của B.Rajendra và các cộng sự [23] cho
thấy BTE tăng đến 10%; Lê Anh Tuấn và các cộng sự [19][20] cho thấy BTE tăng đến 6%.
4.2.2. Nhận xét
Từ những kết quả nghiên cứu trên, rõ ràng rằng khi sử dụng hydro cùng với xăng có
làm ảnh hưởng đến BTE. Việc gia tăng BTE, đặc biệt tại trạng thái cháy nghèo trong các điều
kiện tải được giải thích như sau:
(1) Hydro là một nhiên liệu có giới hạn cháy nghèo lớn hơn xăng nên nếu tăng tỉ lệ
thành phần khối lượng hydro làm tăng giới hạn cháy nghèo từ 1,45 đối với xăng lên 2,55 đối
với hỗn hợp nhiên liệu có hydro chiếm 4,5% khối lượng [10]. Điều này làm cho khi tăng λ,


HC(ppm)

NOx (ppm)

Changwei [5]

H2

RPM=790

1,0

0÷14,44

5750÷3750

3200÷2700

67÷45

1,45

0

840

5490

52

200

2750

4

0

850÷825

3800÷3900

1000÷4000

3

710÷650

2600÷3000

1200÷5200

0

800÷750

3900÷5900

0÷1000


0

1876

9780

23

1,36

3

1218

2915

18

1,2

0

1145

3958

866

1,2


0

2500

2850

3500

1,0

3

2100

2000

4000

1,2

0

750

2800

2500

1,2


0÷3

2850÷3000

3400÷2200

2950÷3150

1,0

0÷3

2850÷2200

3400÷2400

2950÷3600

2,0

600÷1000

2300÷11000

4000÷0

4,0

600÷1400


CABTDC=14÷50

1,2

1,4

RPM=790
Changwei Ji
[17]

H2
RPM=1400

Changwei Ji
[18]

H2

H2
Shuofeng W.
[8]

HHO

HHO
Shuofeng W.
[9]
H2

RPM=1400,

5.2.1. Ảnh hưởng của nhiên liệu hydro lên CO
Dựa trên những kết quả nghiên cứu trên về hàm lượng CO, hàm lượng CO giảm khi gia
tăng tỉ lệ khối lượng nhiên liệu hydro trong hỗn hợp hòa khí. Mặt khác, hàm lượng CO cũng
giảm khi tăng λ [5-18].
5.2.2. Nhận xét
Các kết quả nghiên cứu trong bảng 3 có thể nhận xét như sau:
(1) Nhiên liệu hydro có tốc độ cháy cao hơn xăng [3] nên khi tăng tỉ lệ khối lượng hydro
dẫn đến quá trình cháy diễn ra nhanh hơn, sự thoát nhiệt qua thành xylanh giảm, dẫn đến nhiệt
độ trong xylanh cao hơn, quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn nên hàm lượng CO giảm.
(2) Nhiên liệu hydro có giới hạn cháy nghèo lớn hơn xăng [3] nên khi tăng tỉ lệ mh làm
tăng giới hạn cháy nghèo, lúc này hàm lượng carbon trong hỗn hợp giảm dẫn đến hàm lượng
CO giảm đáng kể.
(3) Đối với nhiên liệu hydro nguyên chất và HHO, trong cùng một điều kiện hoạt động,
lượng CO phát thải với động cơ sử dụng nhiên liệu HHO luôn thấp hơn vì bản chất HHO là sự
kết hợp của hydro và oxy theo tỉ lệ 2:1, khi tăng tỉ lệ nhiên liệu HHO, lượng oxy trong hỗn
hợp gia tăng, giúp CO tiếp tục đốt cháy trở thành CO2 và do đó lượng CO giảm.
5.3. Khí thải HC
5.3.1. Ảnh hưởng của nhiên liệu hydro lên HC
Các nghiên cứu về hàm lượng khí thải HC cho thấy hàm lượng HC có xu hướng thay
đổi tương tự CO như trình bày trong bảng 3 [5-18].
5.3.2. Nhận xét
(1) Nhiên liệu hydro có tốc độ cháy cao hơn xăng nên khi tăng tỉ lệ khối lượng hydro
dẫn đến quá trình cháy diễn ra nhanh hơn, sự thoát nhiệt qua thành xylanh giảm, dẫn đến nhiệt
độ trong xylanh cao hơn, quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn nên hàm lượng HC giảm.
(2) Nhiên liệu hydro có giới hạn cháy nghèo lớn hơn xăng nên khi tăng tỉ lệ mh làm tăng
giới hạn cháy nghèo, làm hỗn hợp nghèo hơn làm giảm lượng HC hình thành.
6. KẾT LUẬN
Nhiên liệu hydro được sản xuất từ các nguồn tái tạo đang được chú ý như là một nhiên
liệu thay thế trong tương lai. Phương pháp hòa trộn hydro vào xăng trên hệ thống nhiên liệu
động cơ xăng là một phương pháp hiệu quả để cải thiện các đặc tính của động cơ và vấn đề

[2] IEA. Technology roadmap: hydrogen and fuel cells. Paris: International Energy Agency;
2013. p. 80.
[3] Michael Frank H Ordeski. Alternative fuels the future of hydrogen, Michael Frank
Hordeski 2006041264; 2007.
[4] T. Bak, J. Nowotny, M.Rekas, C.C.Sorrell. Photo-electrochemical hydrogen generation
from water using solar energy. Materials-related aspects. International Journal of
Hydrogen Energy 27(2002) 991–1022.
[5] Changwei Ji, Shuofeng Wang. Effect of hydrogen addition on the idle performance of a
spark ignited gasoline engine at stoichiometric condition. International Journal of
Hydrogen Energy 34 (2009) 3546–3556.
[6] Xiaolong Liu, Changwei Ji, Binbin Gao, Shuofeng Wang, Jinxin Yang. A quasidimensional model for hydrogen-enriched gasoline engines with a new laminar flame speed
expression. The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014. 327 – 330.
[7] Shuofeng Wang, Changwei Ji, Bo Zhang, Xiaolong Zhou. Analysis on combustion of a
hydrogen-blended gasoline engine at high loads and lean conditions. The 6th
International Conference on Applied Energy – ICAE2014. 323 – 326.
[8] Shuofeng Wang, Changwei Ji,Jian Zhang,Bo Zhang. Comparison of the performance of a
spark-ignited gasoline engine blended with hydrogen and hydrogeneoxygen mixtures.
Energy 36 (2011) 5832-5837.
[9] Shuofeng Wang, Changwei Ji. Improving the performance of a gasoline engine with the
addition of hydrogeneoxygen mixtures. International Journal of Hydrogen Energy 36
(2011) 11164-11173.
[10] Changwei Ji, Shuofeng Wang. Experimental study on combustion and emissions
performance of a hybrid hydrogen–gasoline engine at lean burn limits. International
Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 1453–1462.
363


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[11] Shuofeng Wang, Changwei Ji. Cyclic variation in a hydrogen-enriched spark-ignition
gasoline engine under various operating conditions. International Journal of Hydrogen

Mustaq Ahmed. Hydrogen operated internal combustion engines – a new generation fuel.
International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering 2012. 22502459. Vol. 2.
[24] Taylor C.F.. The internal-combustion engine in theory and practice. Massachusetts
Institute of Technology. Vol. 2. 1985.
[25] Constantin Pana, Niculae Negurescu, Marcel Ginu Popa. An investigation of the
hydrogen addition effects to gasoline fueled spark ignition engine. SAE Technical Paper
Series 01-1468. 2007.
[26] Mohd Aswad Bin Abd Wahab. Addition of hydrogen to gasoline-fuelled 4 stroke si
engine using 1-dimensional analysis. Universiti Malaysia Pahang. 11-2009.
364