BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM NGỌC ANH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Mã số: 62520116
NGHIÊN CỨU TẠO NHIÊN LIỆU GIÀU HYDRO TRÊN
ĐỘNG CƠ ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH NĂNG VÀ PHÁT THẢI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS HOÀNG ĐÌNH LONG
U
ẤN
HÀ NỘI – 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
đề tài nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, tháng 09 năm 2017
Nghiên cứu sinh

i



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ ix
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. x
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ - 1 i. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................... - 1 ii. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. - 1 iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ - 1 iv. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... - 2 v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu .......................................... - 2 vi. Điểm mới của luận án ............................................................................................ - 2 -

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. - 3 1.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong ............................ - 3 1.1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong .......................................... - 3 1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại ............................................................. - 4 1.2 Nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong ............................................................. - 6 1.2.1 Tính chất của khí hydro ................................................................................... - 6 1.2.2 Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hydro ............................................... - 9 1.2.3 Động cơ đốt trong bổ sung hydro .................................................................. - 15 1.2.4 Động cơ đốt trong bổ sung khí giàu hydro .................................................... - 20 1.2.5 Kết luận về sử dụng hydro và khí giàu hydro trên động cơ .......................... - 22 1.3 Các phương pháp sản xuất hydro và khí giàu hydro ...................................... - 23 1.3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................ - 23 1.3.2 Điện phân nước ............................................................................................. - 23 1.3.3 Khí hóa sinh khối .......................................................................................... - 24 1.3.4 Biến đổi nhiệt hóa cồn hoặc nhiên liệu hydrocarbons .................................. - 24 1.4 Tích trữ, vận chuyển và cung cấp hydro và khí giàu hydro cho động cơ đốt
trong - 28 iii


1.4.1 Vấn đề tích trữ và vận chuyển hydro ............................................................ - 28 1.4.2 Tạo hydro và khí giàu hydro ngay trên xe .................................................... - 29 1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................... - 29 -

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT
HÓA NHIÊN LIỆU XĂNG ................................................................................. - 31 2.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. - 31 2.2 Các phản ứng hóa học của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng ...... - 32 2.2.1 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước (SR)................................................... - 32 2.2.2 Ô xi hóa không hoàn toàn xăng (PO) ............................................................ - 35 2.2.3 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước và ô xy ở trạng thái tự cân bằng về nhiệt
(ATR) ..................................................................................................................... - 37 2.3 Tốc độ của phản ứng xúc tác ............................................................................. - 40 2.3.1 Chất xúc tác ................................................................................................... - 40 2.3.2 Trạng thái cân bằng hóa học của phản ứng biến đổi nhiệt hóa ..................... - 43 2.3.3 Biểu thức tốc độ động học phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng ..... - 46 2.4 Tốc độ thay đổi hàm lượng thành phần khí trong BXT .................................. - 51 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................... - 52 -

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN SỰ TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRONG BXT BIẾN
ĐỔI NHIỆT HÓA XĂNG TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ
HONDA WAVE- ............................................................................................... - 53 3.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. - 53 3.1.1 Mục đích tính toán......................................................................................... - 53 3.1.2 Nhiệt khí thải của động cơ và khả năng tận dụng ......................................... - 53 3.1.3 Sơ đồ BXT biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải ................. - 54 3.2 Mô hình tính toán ............................................................................................... - 58 3.2.1 Mô hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT ................................................ - 58 3.2.2 Mô hình tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu trong BXT .......... - 61 3.3 Kết quả tính toán và bàn luận ........................................................................... - 65 3.3.1 Các thông số vào ........................................................................................... - 65 3.3.2 Kết quả tính toán quá trình SR tận dụng nhiệt khí thải ................................. - 67 3.3.3 Kết quả tính toán quá trình PO ...................................................................... - 72 iv


3.3.4 Kết quả tính toán quá trình ATR ................................................................... - 74 3.3.5 Kết hợp SR và PO tận dụng nhiệt khí thải .................................................... - 77 3.4 Kết luận chương 3 ............................................................................................... - 81 -

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.................................................. - 82 4.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. - 82 4.1.1 Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm ............................................ - 82 4.1.2 Đối tượng, chế độ và điều kiện thử nghiệm .................................................. - 83 4.1.3 Nhiên liệu thử nghiệm ................................................................................... - 83 4.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo và cấp khí giàu H2 trên động cơ..................... - 83 4.2.1 Thiết kế chế tạo BXT .................................................................................... - 83 4.2.2 Thiết kế lắp đặt hệ thống tạo và cung cấp khí giàu H2 trên động cơ ............ - 85 4.3 Trang thiết bị thử nghiệm .................................................................................. - 86 4.3.1 Phanh thuỷ lực .............................................................................................. - 87 4.3.2 Cảm biến tốc độ động cơ .............................................................................. - 88 4.3.3 Thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ ............................................................. - 88 4.3.4 Tủ phân tích khí thải AVL CEB II ............................................................... - 89 4.3.5 Chương trình thử nghiệm .............................................................................. - 94 4.4 Kết quả thử nghiệm ............................................................................................ - 96 4.4.1 Đánh giá độ tin cậy của mô hình tính toán biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu ..... - 96 4.4.2 Tính năng làm việc của động cơ ở 70% tải ................................................... - 98 4.4.3. Tính năng làm việc của động cơ ở toàn tải ................................................ - 101 4.5 Kết luận chương 4 ............................................................................................. - 103 -

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... - 104 Kết luận .................................................................................................................... - 104 Hướng phát triển..................................................................................................... - 104 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 105
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................. 112
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 113
Phụ lục 1. Chương trình tính toán mô phỏng quá trình phản ứng biến đổi nhiệt

Oxit lưuhuynh

N2

Nitơ

CO2

Cacbonnic

H2O

Nước

α

Hệ số dư lượng không khí

N2O

Protoxit

C2H6O

Ethanol

CH4

Metan


Cơ khí động lực

CNG

Khí thiên nhiên nén

CR

Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với khí các bon níc

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

ĐHBK HN

Đại học Bách khoa Hà Nội

DME

Dimethyl ether

ETB

Băng thử động lực học cao

FAME

Fatty Acid Methyl Ester


Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước

ATR

Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước và ô xi ở trạng thái tự cân bằng
về nhiệt

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Một số tính chất của hydro, mê-tan, xăng [39, 101] ..................................................... - 7 Bảng 2.1 Năng lượng tạo thành (enthalpy of formation) của một số chất ở 298K [33, 36] ......... - 34 Bảng 2.2. Ưu nhược điểm của các phương pháp tạo ra hydro ..................................................... - 40 Bảng 2.3 Các hằng số động học phản ứng

[87] .......................................... - 50 -

Bảng 2.4 Các hằng số cân bằng [49, 75] ...................................................................................... - 50 Bảng 2.5 Các hằng số hấp thụ [49, 75] ........................................................................................ - 50 Bảng 3.1 Đặc tính kỹ thuật của chất xúc tác Ni-0309S ................................................................ - 55 Bảng 3.2. Các thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm Honda Wave- ................................. - 57 Bảng 3.3 Các thông số vào của BXT (xác định từ thực nghiệm) ................................................. - 66 Bảng 3.4 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro ...................................................................... - 69 Bảng 3.5 Nhiệt độ BXT và tỷ suất tạo H2 ở các chế độ tải (Số liệu đồ thị Hình 3.11) ................ - 72 Bảng 3.6 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro của quá trình PO .......................................... - 73 Bảng 3.7 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro ...................................................................... - 75 Bảng 3.8 Thông số khí thải vào BXT........................................................................................... - 78 Bảng 3.9 Kết quả tính toán kết hợp SR vàPO có tận dụng nhiệt khí thải .................................... - 78 Bảng 4.1 Các thông số cấp nguyên liệu của BXT ........................................................................ - 95 Bảng 4.2 Kết quả tính toán và thực nghiệm quá trình SR ............................................................ - 97 Bảng 4.3 Thành phần H2 và khí giàu H2 trong khí nạp của động cơ .......................................... - 98 Bảng 4.4 Đặc tính động cơ chạy xăng nguyên bản và bổ sung khí giàu hydro ở 70% tải ........... - 98 Bảng 4.5 Đặc tính động cơ chạy xăng nguyên bản và bổ sung khí giàu hydro ở 100% tải ....... - 101 -

ix


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Giới hạn cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [44]................................................. - 8 Hình 1.2 Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [12] ............................................................... - 9 Hình 1.3 Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT [46] ........................................................... - 10 Hình 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của động cơ hydro và động cơ xăng [98] .............................. - 11 Hình 1.5 So sánh hiệu suất có ích của động cơ H2 với bướm ga (BG) mở 100% (thay đổi ), động
cơ H2 và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) duy trì mô men 80 Nm ở tốc độ khác nhau [93] .. 12 Hình 1.6 So sánh hiệu suất có ích của động cơ H2 với bướm ga (BG) mở 100% và 50% (thay đổi )
và động cơ xăng thay đổi độ mở BG (=1) để duy trì mô men 20 Nm ở các tốc độ khác nhau [93] . 12 Hình 1.7 Phát thải NOx của động cơ H2 ở 1500v/p, bướm ga mở hoàn toàn [93] ....................... - 13 Hình 1.8 So sánh hiệu suất của động cơ khi bổ sung và không bổ sung hydro ở 1400 v/p) ở tải
trọng (MAP) khác nhau [19] ........................................................................................................ - 15 Hình 1.8 So sánh hiệu suất của động cơ khi bổ sung và không bổ sung hydro ở 1400 v/p) ở các điều
kiện tải trọng (MAP) khác nhau [18] ........................................................................................... - 16 Hình 1.9 Hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ lệ năng lượng H2 thay thế ở không tải [19] ............ - 16 Hình 1.10 Diễn biến hàm lượng phát thải của động cơ theo  khi bổ sung hydro với các tỷ lệ khác
nhau [18] ...................................................................................................................................... - 17 Hình 1.11 Áp suất có ích trung bình của động cơ bổ sung H2 ở 1400v/p) với hỗn hợp có  khác
nhau [18] ...................................................................................................................................... - 18 Hình 1.12 So sánh hiệu suất có ích và phát thải của động cơ khi chạy chỉ diesel và khi chạy hydrodiesel [78] ..................................................................................................................................... - 19 Hình 1.13 Hiệu suất chỉ thị và áp suất có ích trung bình của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro
(syngas) [21]................................................................................................................................. - 20 Hình 1.14 Phát thải HC và NOx của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21] .......... - 21 Hình 1.15 Phát thải CO của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21] ....................... - 21 Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý điện phân nước tạo hydro ................................................................. - 23 Hình 2.1 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước, SR ..................... - 32 Hình 2.2 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình ô xi hóa không hoàn toàn xăng, PO ............................... - 35 Hình 2.3 Sơ đồ bộ xúc tác và quá trình phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu với ô xy và hơi nước tự cân
bằng về nhiệt, ATR ...................................................................................................................... - 37 Hình 2.4 Các dạng lõi phần tử xúc tác ......................................................................................... - 42 x

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.
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 hydro hoặc khí giàu hydro vào động cơ. Hydro 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.
Tuy nhiên, hydro có nhược điểm lớn so với nhiên liệu truyền thống là tồn tại ở dạng
khí và có tỷ trọng rất thấp nên việc tích trữ, bảo quản và vận chuyển khí này để đủ cung
cấp liên tục cho động cơ trên các phương tiện vận tải gặp khá nhiều khó khăn và tốn kém.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu tạo ra và cung cấp khí hydro hoặc khí giàu hydro cho động
cơ ở ngay trên động cơ để cải thiện quá trình cháy, nâng cao hiệu suất và giảm phát thải
cho động cơ sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Công nghệ này sẽ khắc phục được
các khó khăn về tích trữ, bảo quản và vận chuyển nói trên. Đây cũng chính là lý do của
việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hyddro trên động cơ để cải thiện tính
năng và phát thải”.

ii. Mục đích nghiên cứu
Đưa ra và phát triển được giải pháp công nghệ thích hợp để tạo khí giàu hydro trên
động cơ xăng đảm bảo tỷ suất và hiệu suất tạo hydro cao nhất, phù hợp với các chế độ làm
việc của động cơ.
Đánh giá được tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ được bổ sung khí
giàu hydro tạo ra trên động cơ.


vi. Điểm mới của luận án
Luận án đã xây dựng thành công mô hình tính toán quá trình tạo khí giàu hydro từ
nhiên liệu xăng bằng phương pháp biến đổi nhiệt hóa tận dụng nhiệt khí thải động cơ. Từ
đó tính toán được tỷ lệ nước/nhiên liệu cấp vào bộ xúc tác cho hiệu suất tạo khí giàu hydro
cao.
Đã thiết kế, chế tạo lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống cung cấp khí giàu
hydro sử dụng bộ xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước cho động cơ xe máy Wave
– α. Kết quả đã cải thiện đáng kể tính năng và phát thải của động cơ ở 70% tải và 100% tải.

vii. Nội dung của luận án
Mở đầu
Chương1. Tổng quan
Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng
Chương 3. Tính toán sự tạo khí giàu hydro trong bộ xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng
tận dụng nhiệt khí thải trên động cơ Honda Wave-
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
Kết luận chung và phương hướng phát triển

-2-


Luận án đầy đủ ở file: Luận án full