- Lý do chọn đề tài Do sự gia tăng nhanh về số lượng động cơ đốt trong (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. - 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 giúp nhiên liệu cháy trong xylanh 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. - 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”. - 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. - Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng tạo khí giàu hydro trong bộ xúc tác (BXT) và thiết kế chế tạo BXT tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hydro trên động cơ xe máy Honda Wave- và đánh giá tính năng của động cơ sử dụng khí giàu hydro này. - Việc nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực (CKĐL), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. - Phƣơng pháp nghiên cứu - 2 - Phần nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các phương pháp tạo khí giàu hydro trên động cơ và mô hình hóa tính toán quá trình tạo khí giàu hydro trong BXT tận dụng nhiệt khí thải nhằm xác định được các phương pháp tạo khí giàu hydro phù hợp và các thông số làm việc tối ưu của BXT ở các chế độ làm việc của động cơ. - Phần nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán lý thuyết quá trình tạo khí giàu hydro và đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ được bổ sung khí giàu hydro tạo ra trên động cơ. - Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu * Ý nghĩa khoa học Luận án xây dựng được mô hình mô phỏng tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hydro trên động cơ cho phép xác định được tỷ suất và hiệu suất tạo khí giàu hydro và các nhân tố ảnh hưởng, làm cơ sở cho việc chọn chế độ làm việc thích hợp của BXT phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ. - Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án đã giải quyết được khó khăn của vấn đề tích trữ, bảo quản và cung cấp khí giàu hydro cho động cơ, có thể phát triển và ứng dụng rộng rãi để nâng cao tính kinh tế và giảm phát thải cho động cơ. - Điểm mới của luận án Đưa ra giải pháp công nghệ thích hợp để biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng tạo khí giàu hydro ngay trên động cơ để giảm phát thải cho động cơ. - Tính toán được tỷ lệ nươc/nhiên liệu cấp vào bộ xúc tác tạo lượng khí giàu hydro cấp cho động cơ honda - Wave α tại một số chế độ tải giúp cải thiện tính năng kinh tế và giảm phát thải động cơ. - 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. - TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong 1.1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường. - Các thành phần độc hại chính phát thải từ động cơ gồm ô xít các bon (CO), hydrocacbon (HC), ô xít ni tơ (NOx), ô xít lưu huỳnh (SO2), khói đen và các chất thải dạng hạt khác. - 1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm nồng độ độc hại khí thải từ xi lanh bằng cách tối ưu hoá chất lượng tạo hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động cơ.. - Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu (pha phụ gia cải thiện nhiên liệu) và sử dụng nhiên liệu thay thế. - Trong các loại nhiên liệu thay thế, khí hydro (H2) là loại khí có nhiệt trị khối lượng cao và khi cháy không gây phát thải các thành phần độc hại HC và CO như các loại nhiên liệu gốc hóa thạch, mặt khác, hydro có trữ lượng gần như vô tận trong thiên nhiên nên hiện nay được coi là nhiên liệu của tương lai và là nhiên liệu thay thế rất tiềm năng cho động cơ đốt trong [37]. - 1.2 Nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong 1.2.1 Tính chất của khí hydro Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ và tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác. - Hydro có thể được sử dụng như một đơn nhiên liệu trên ĐCĐT đốt cháy cưỡng bức [98] hoặc làm nhiên liệu bổ sung trên cả động cơ xăng [18] và động cơ diesel [88]. - Hydro khi phản ứng với không khí tạo ra sản phẩm sạch, chủ yếu nước và không có thành phần ô nhiễm CO và HC nên không gây ô nhiễm môi trường 1.2.2 Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hydro Các phương pháp cung cấp nhiên liệu trong động cơ hydro - 4 - (a) (b) (c) (d) Hình 1.3 Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT Động cơ đốt trong bổ sung hydro Việc sử dụng khí hydro làm nhiên liệu bổ sung trong động cơ đốt trong là sử dụng một tỷ lệ nhỏ hydro kết hợp với nhiên liệu truyền thống để cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. - Trong động cơ chạy nhiên liệu lỏng như xăng và dầu diesel, việc bổ sung hydro thường được thực hiện bằng cách cấp hydro vào đường ống nạp của động cơ để tạo hỗn hợp với không khí nạp đi vào xi lanh, trong khi nhiên liệu chính vẫn được cấp theo cách bình thường nhưng với lưu lượng được điều chỉnh giảm để không làm hỗn hợp cháy đậm lên [20, 88]. - 1.2.3.1 Động cơ xăng bổ sung hydro Với động cơ xăng khi bổ sung hydro, giới hạn cháy nghèo được mở rộng đáng kể [18, 92] và thời gian cháy hết nhiên liệu được rút ngắn một cách hiệu quả ở mọi chế độ làm việc của động cơ [17-20]. - Điều này tạo điều kiện cho hỗn hợp nhiên liệu cháy kiệt, giúp tăng hiệu suất nhiệt, nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải của động cơ so với khi không bổ sung hydro. - 1.2.3.2 Động cơ gas bổ sung hydro Dimopoulos và cộng sự [29] và Ma và cộng sự [65] đã nghiên cứu thực nghiệm bổ sung hydro trên động cơ khí thiên nhiên nén và chỉ ra rằng tính kinh tế nhiên liệu được cải thiện và phát thải CO, HC và CO2 giảm đáng kể so với động cơ khi chạy thuần túy khí thiên nhiên nén, CNG. - Đặc biệt là với hỗn hợp nhạt, bổ sung H2 sẽ làm tăng tính kinh tế nhiên liệu và mức giảm phát thải nhiều hơn. - Tuy nhiên, phát thải NOx trong động cơ H2-khí thiên nhiên tăng so với khi chạy thuần túy nhiên liệu gốc. - 1.2.3.3 Động cơ diesel bổ sung hydro - Hydro được sử dụng như một nhiên liệu bổ sung với tỷ lệ - 5 - hydro sử dụng tương tự trong động cơ xăng – hydro, trong đó hydro thường được cấp vào đường nạp tạo hỗn hợp trước với khí nạp, còn diesel được phun bình thường nhưng với lưu lượng được điều chỉnh giảm tương ứng với phần H2 bổ sung . - Hydro được sử dụng là nhiên liệu chính (chiếm tỷ lệ lớn) còn nhiên liệu diesel được phun mồi khởi tạo quá trình cháy. - Các kết quả nghiên cứu bổ sung hydro vào đường nạp trên động cơ diesel cho thấy hiệu suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ được cải thiện đáng kể. - Theo Toru Miyamoto và cộng sự [88], khi bổ sung hydro kết hợp điều chỉnh thời điểm phun diesel muộn đi một chút có thể giảm phát thải khói xuống 0% và NO xuống thấp hơn nhiều so với khi chạy chỉ với diesel trong khi công suất động cơ không giảm. - 1.2.4 Động cơ đốt trong bổ sung khí giàu hydro Khí giàu hydro là khí tổng hợp hay còn gọi là khí syngas, một sản phẩm thô trong quá trình sản xuất hydro, được tạo ra từ quá trình khí hóa sinh khối, khí hóa than đá hay nhiệt phân cồn và nhiệt phân các loại nhiên liệu hydrocarbon. - Trong động cơ đốt trong, hydro được trộn lẫn với nhiên liệu gốc và khí đã cháy còn sót lại cũng như các khí tạp chất khác trong xi lanh mà vẫn cháy tốt. - Nghiên cứu thực nghiệm động cơ Huyndai 1,6 lít ở chế độ tải trung bình khi bổ sung khí giàu hydro chứa 50-60% H2 và 20-30% CO trong khi duy trì hệ số dư lượng không khí =1, Changwei và cộng sự [21] chỉ ra rằng hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng tỷ lệ tuyến tính với tỷ lệ thể tích khí giàu hydro bổ sung trong khi áp suất có ích trung bình được cải thiện ở tỷ lệ bổ sung nhỏ (Hình 1.13). - Khi tăng mức bổ sung khí giàu hydro từ 0 đến 2,5%, hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng tuyến tính từ 34,5% khi chạy chỉ với xăng lên 39,5% khi chạy xăng bổ sung 2,5% khí giàu hydro. - Với tỷ lệ bổ sung khí giàu hydro đến 1,5%, áp suất chỉ thị trung bình được cải thiện so với động cơ khi chạy chỉ với xăng, nhưng nếu tăng tỷ lệ bổ sung khí giàu hydro lớn hơn 1,5% thì áp suất có ích trung bình giảm xuống thấp hơn trường hợp chạy với xăng, càng tăng tỷ lệ bổ sung khí giàu hydro thêm nữa thì áp suất có ích trung bình càng giảm. - Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy phát thải HC và NOx giảm (Hình 1.14), trong khi phát thải CO tăng (Hình 1.15) khi tăng tỷ lệ - 6 - khí giàu hydro bổ sung trong thành phần thể tích khí nạp. - Sự giảm phát thải NOx và tăng phát thải CO (ngược so với trường hợp bổ sung hydro tinh khiết) là do thành phần khí giàu hydro chứa hàm lượng CO và CO2 cao. - Thành CO2 lớn trong khí giàu hydro không tham gia quá trình cháy và có nhiệt dung riêng lớn sẽ làm nhiệt độ cháy giảm nên phát thải NOx giảm. - Việc bổ sung khí giàu hydro có hiệu quả tương tự như khi bổ sung hydro tinh khiết về sự làm việc ổn định ở hỗn hợp nhạt và mở rộng giới hạn cháy nghèo nhờ đó mà tăng được chỉ tiêu kinh tế của động cơ. - Phát thải của động cơ bổ sung khí giàu hydro phụ thuộc vào thành phần khí giàu hydro và tỷ lệ bổ sung. - Khi thành phần khí giàu hydro chứa hàm lượng CO và các thành phần CO2 và N2 cao cao, việc bổ sung khí này có tác dụng như luân hồi khí thải, làm giảm phát thải NOx trong khi làm tăng phát thải [14, 99]. - John và cộng sự [50, 51] chỉ ra rằng bổ sung khí giàu hydro từ sản phẩm của quá trình ô xi hóa không hoàn toàn xăng vào động cơ trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy có thể giúp giảm đến 73% phát thải HC và giảm tới 50 lần phát thải phát thải NOx so với khi động cơ chạy chỉ với xăng. - Thorsten Allgeier [86] cũng có kết quả nghiên cứu tương tự khi chỉ ra rằng bổ sung khí giàu hydro từ sản phẩm biến đổi nhiệt hóa xăng cho động cơ kết hợp với luân hồi khí xả có thể giảm HC và NOx đến gần không, tuy nhiên phát thải CO tăng một chút so với phát thải của động cơ khi chạy chỉ với xăng. - Tuy nhiên, bổ sung tỷ lệ lớn khí giàu hydro sẽ làm công suất động cơ giảm nhiều. - Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng động cơ chạy với 100% khí giàu hydro của tác giả chỉ ra rằng áp suất có ích trung bình cũng như mô men động cơ giảm đến 45%. - Tsolakis [89] và Alberto [9] nghiên cứu sử dụng khí giàu hydro trên động cơ diesel cũng khẳng định bổ sung khí giàu hydro là biện pháp tốt để giảm phát thải khói bụi và NOx trong động cơ diesel. - 7 - 1.2.5 Kết luận về sử dụng hydro và khí giàu hydro trên động cơ Động cơ chạy đơn nhiên liệu hydro có hiệu suất cao, phát thải CO và HC gần như bằng không. - Tuy nhiên, phát thải NOx cao và trong động cơ cấp hydro vào đường nạp thì công suất động cơ thấp hơn so với động cơ chạy nhiên liệu truyền thống cùng dung tích. - Việc vận chuyển cung cấp đủ hydro để động cơ làm việc liên tục cũng là vấn đề khó khăn vì hydro có mật độ năng lượng kJ/m3 rất nhỏ, chỉ bằng khoảng 30% so với khí thiên nhiên và hơn 4% so với hơi xăng. - Phương pháp sử dụng nhiên liệu kép kết hợp hydro và nhiên liệu truyền thống với việc bổ sung chỉ một tỷ lệ nhỏ hydro sẽ giải quyết được khó khăn về lượng cung cấp hydro trong khi vẫn tăng được hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ, đồng thời công suất động cơ không thay đổi nhiều. - 1.3 Các phương pháp sản xuất hydro và khí giàu hydro 1.3.1 Giới thiệu chung 1.3.2 Điện phân nước 1.3.3 Khí hóa sinh khối 1.3.4 Biến đổi nhiệt hóa cồn hoặc nhiên liệu hydrocarbons 1.3.4.1 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước (SR) CnHmOr + aH2O + Q bCO + cCO2 + dH Ôxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu (PO) CnHmOr + a(0,21O2 + 0,79N2. - bCO + cCO2 + dH2 + eN2 + Q Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hydro với CO2 (CR) CnHmOr + aCO2 + Q bCO + cH Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước kết hợp ô xi hóa không hoàn toàn (ATR) CnHmOr + aH2O + b(0,21O2 + 0,79N2. - cCO + dCO2 + eH2 + gN Tích trữ, vận chuyển và cung cấp hydro và khí giàu hydro cho động cơ đốt trong 1.4.1 Vấn đề tích trữ và vận chuyển hydro Làm lạnh hydro đến nhiệt độ -253oC để hóa lỏng hydro, Ở dạng khí nén cao áp có thể ở áp suất 250 bar, 350 bar hoặc 700 bar, Phương pháp tích trữ hydro nhờ hấp thụ của các vật liệu rắn - 8 - hydride Cả 3 phương pháp tích trữ hydro nói trên đều tốn kém, thiết bị cồng kềnh, Do đó giải pháp hữu hiệu nhất cho việc cung cấp hydro và khí giàu hydro cho các phương tiện vận tải là sản xuất hydro ngay trên xe. - 1.4.2 Tạo hydro và khí giàu hydro ngay trên xe 1.5 Kết luận chƣơng 1 1. - Nghiên cứu tạo ra khí giàu hydro ngay trên xe và bổ sung hydro làm một phần nhiên liệu như một nhiên liệu xúc tác cùng với nhiên liệu lỏng đang dùng (xăng và dầu diesel) để tăng tốc độ cháy, giúp cháy kiệt để nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải cho động cơ mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn hơn là sử dụng hoàn toàn nhiên liệu hydro và khí giàu hydro cho động cơ. - Việc biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu sử dụng trên xe như xăng và dầu diesel mang tính thực tế hơn. - Nội dung của luận án này sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp tạo khí giàu hydro trên động cơ bằng phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải để giảm phát thải cho động cơ. - Luận án sẽ nghiên cứu cụ thể công nghệ biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng trên động cơ xăng và thực hiện nghiên cứu trên động cơ Honda Wave. - Nội dung nghiên cứu chính bao gồm: -Nghiên cứu mô hình hóa quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng tận dụng nhiệt khí thải trên động cơ để tạo khí giàu hydro và xác định điều kiện vận hành hợp lý cho BXT ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ. - Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá đặc tính làm việc của BXT và của động cơ được cấp khí giàu hydro từ BXT biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng. - CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA NHIÊN LIỆU XĂNG 2.1 Giới thiệu chung Việc nghiên cứu lý thuyết quá trình phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng tạo khí giàu hydro trong BXT là để làm cơ sở nghiên cứu tính toán tối ưu hóa quá trình phản ứng xúc tác và tối ưu hóa thiết kế BXT để nâng cao hiệu suất, hệ số biến đổi nhiên liệu và năng suất tạo khí giàu hydro. - Mục đích của chương này là làm rõ cơ sở lý thuyết của quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng, các phản ứng hóa - 9 - học và tốc độ phản ứng trong các điều kiện khác nhau phục vụ nghiên cứu tính toán và thực nghiệm nâng cao hệ số biến đổi nhiên liệu và năng suất tạo khí giàu hydro. - 2.2 Các phản ứng hóa học của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 2.2.1 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước (SR. - Phản ứng của nhiên liệu với hơi nước trực tiếp tạo ra CO và H2 (phản ứng thu nhiệt) như sau: C8H18 + 8H2O 8CO + 17H2 (H298 = 1310 kJ/mol Ô xi hóa không hoàn toàn xăng (PO) 8 18 2 2C H 4O 8CO 9H. - 2.2.3 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước và ô xy ở trạng thái tự cần bằng về nhiệt (ATR) ATR có thể bao gồm 5 phản ứng được biểu diễn bởi các phương trình phản ứng được trình bày sau đây: C8H18 + 12,5O2 8CO2 + 9H2O (H kJ/mol) (2.13) C8H18 + 8H2O 8CO + 17H2 (H298 = 1310 kJ/mol) (2.14) C8H18 + 8CO2 16CO + 9H2 (H298 = 1639 kJ/mol) (2.15) C8H18 + 16H2O 8CO2 + 25H2 (H298 = 980 kJ/mol) (2.16) CO + H2O CO2 + H2 (H298 = -41 kJ/mol Tốc độ của phản ứng xúc tác 2.3.1 Chất xúc tác 2.3.1.1 Giới thiệu chung Chất xúc tác là một chất thêm tham gia vào các phản ứng hóa học để làm thay đổi tốc độ của một phản ứng hóa học của một hay nhiều chất phản ứng nhưng không bị tiêu hao vào các phản ứng này 2.3.1.2 Các loại vật liêu xúc tác cho phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu hydro các bon Vật liệu xúc tác là các kim loại quý rất đắt nên khi nghiên cứu phát chất xúc tác người ta luôn đặt ra mục tiêu sử dụng khối lượng vật liêu xúc tác ít nhất nhưng đạt được hiệu quả xúc tác tốt nhất. - 2.3.2 Trạng thái cân bằng hóa học của phản ứng biến đổi - 10 - nhiệt hóa 2.3.3 Biểu thức tốc độ động học phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu 2.3.3.1 Giới thiệu chung 2.3.3.2 Biểu thức tốc độ động học phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 1. - Phản ứng ô xi hóa hoàn toàn nhiên liệu: C8H18 + 12,5O2 8CO2 + 9H2O 21 1 8iC OR k P P (2.27) 2. - Phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước tạo CO và H2: C8H18 + 8H2O 8CO + 17H H 8 8/(1 / )iC H O H COCO CO H H iC iC H O H O HP P P P KkRP K P K P K P K P P. - Phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với CO2 tạo CO và H2: C8H18 + 8CO2 16CO + 9H CO HiC COiC COPPR k P PK P P. - Phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước tạo CO2 và H2: C8H18 + 16H2O 8CO2 + 25H H 8 8/(1 / )iC H O H COCO CO H H iC iC H O H O HP P P P KkRp K P K P K P K P P. - Phản ứng water-gas shift: CO + H2O CO2 + H2 Nhiên liệu, Không khí, Hơi nước Sản phẩm Phản ứng biến đổi nhiệt hóa đạt cân bằng trong BXT (T, P) Hình 2.5 Sơ đồ quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu ở trạng thái cân bằng H 8 8/(1 / )CO H O H COCO CO H H iC iC H O H O HP P P P KkRp K P K P K P K P P. - Quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu trong BXT có thể diễn ra theo các quá trình SR (phản ứng thu nhiệt), PO (phản ứng tỏa nhiệt) hoặc ATR (phản ứng cân bằng về nhiệt) tùy thuộc vào điều kiện cấp nhiên liệu và cấp nhiệt vào BXT. - Nếu cấp liên tục nhiên liệu, nước và đủ nhiệt thì quá trình SR diễn ra, còn khi cấp nhiên liệu và không khí với nhiệt độ ban đầu của BXT đủ lớn thì quá trình PO diễn ra, trong khi quá trình PO diễn ra nếu cấp thêm nước với tỷ lệ thích hợp thì có thể duy trì quá trình ATR. - Các phản ứng biến đổi nhiệt hóa thường khó đạt được trạng thái cân bằng hóa học nên việc tính toán các thành phần sản phẩm phải dựa trên lý thuyết về động học quá trình phản ứng gồm xác định các phương trình phản ứng và xây dựng biểu thức tốc độ phản ứng. - Theo khuyến cáo của tác giả, các biểu thức này có thể được áp dụng để tính toán cho các loại nhiên liệu khác cùng họ nếu sử dụng cùng loại vật liệu xúc tác của tác giả đưa ra biểu thức tốc độ động học phản ứng. - Ở các điều kiện làm việc xác định của BXT, hàm lượng các thành phần sản phẩm của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu không những phụ thuộc vào tốc độ động học của các phản ứng mà còn phụ thuộc vào quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong BXT. - Do đó, phương pháp hữu hiệu để tính toán xác định các hàm lượng thành phần sản phẩm là mô hình hóa quá trình biến đổi nhiệt hóa trong BXT với nội dung gồm. - Xây dựng mô hình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong BXT với các phương trình biểu diễn các quá trình với điều kiện biên xác định. - TÍNH TOÁN SỰ TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRONG BXT BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA XĂNG TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ HONDA WAVE- 3.1 Giới thiệu chung 3.1.1 Mục đích tính toán Đánh giá khả năng tận dụng nhiệt khí thải và xác định chế độ làm việc của BXT (SR, PO hay ATR) dùng cho biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tạo khí giàu hydro cung cấp cho động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ. - Xác định được sản lượng khí giàu H2 tạo ra và tỷ lệ nước/không khí/nhiên liệu hợp lý ở các chế độ làm việc của BXT khi tận dụng nhiệt khí thải ở các chế độ tải khác nhau của động cơ, làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo BXT và chọn chế độ thử nghiệm phù hợp cho BXT trong nghiên cứu thực nghiệm. - 3.1.2 Nhiệt khí thải của động cơ và khả năng tận dụng Hình 3.1 Các thành phần cân bằng nhiệt của đông cơ đốt trong 3.1.3 Sơ đồ BXT biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải 3.2 Mô hình tính toán 3.2.1 Mô hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT 3.2.1.1 Các phương trình cơ bản Phương trình bảo toàn năng lượng kt kt kt tbktkt pkt ktT T qut z c V. - 3.3 Kết quả tính toán và bàn luận 3.3.1 Các thông số vào - Lượng nhiên liệu cấp vào BXT bằng 5-10% lưu lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ ở chế độ toàn tải. - Theo tính toán ở trên, lưu lượng nhiên liệu cấp vào BXT ở chế độ toàn tải được lấy bằng 75g/h. - Lưu lượng nước: được thay đổi theo tỷ lệ từ 1 đến 5 gam nước cho 1 giam nhiên liệu vì theo Xu và Froment [47], tỷ lệ nước/nhiên liệu không nên lớn hơn 2,5 lần tỷ lệ lý thuyết (tỷ lệ nước vừa đủ để quá trình biến đổi nhiệt hóa không thừa nước và cũng không thừa nhiên liệu). - Đối với quá trình SR, tỷ lệ nước/xăng lý thuyết vào khoảng 2 g/g. - Lưu lượng không khí: được điều chỉnh thay đổi theo tỷ lệ từ 0,1 đên 0,4 mol không khí cho một gam nhiên liệu vì tỷ lệ này không được lớn hơn tỷ lệ lý thuyết để cháy hết nhiên liệu. - Đối với xăng giới hạn này là 0,52 mol không khí cho 1 gam nhiên liệu. - Bảng 3.3 Các thông số vào của BXT (xác định từ thực nghiệm) Chế độ tải của ĐC Thông số 100% tải 70% tải 50% tải Lưu lượng khối lượng khí thải (g/s Lưu lượng thể tích khí thải (lít/s Nhiệt độ khí thải tại cửa vào BXT (độ C Lưu lượng nhiên liệu cấp vào BXT (g/h) 75 60 50 Tỷ lệ khối lượng nước/xăng Thay đổi từ 1 đến 5 Tỷ lệ không khí / xăng (mol / g) Thay đổi từ 0,1 đến 0,4 3.3.2 Kết quả tính toán quá trình SR tận dụng nhiệt khí thải Quá trình biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước (SR) được tính toán ứng với sự cấp nhiệt của khí thải ở 3 chế độ tải của động cơ là 100%, 70% và 50% tải. - Để đánh giá tính kinh tế của việc biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tạo khí giàu hydro, người ta thường dùng khái niệm hiệu suất biến đổi được xác định như sau. - Tổng hóa năng của sản phẩm (nhiệt sinh ra khí cháy) Nhiệt cấp vào BXT + hóa năng của nhiên liệu đưa vào BXT - 15 - Đồ thị Hình 3.9 mô tả diễn biến thay đổi của tỷ số biến đổi nhiên liệu của quá trình SR theo tỷ lệ nước/xăng của BXT khi có tận dụng nhiệt khí thải ở chế độ toàn tải của động cơ và khi phải cấp nhiệt từ bên ngoài cho BXT. - Có thể thấy tỷ số biến đổi nhiên liệu đạt cao nhất tại tỷ lệ N/X=3. - Khi kể đến nhiệt cấp cho BXT thì tỷ số biến đổi nhiên liệu của quá trình SR đạt 0,85 trong khi nếu tận dụng được nhiệt khí thải cho quá trình này mà không cần cấp nhiệt thì tỷ số biến đổi nhiên liệu đạt tới 1,23. - Do đó, động cơ trang bị BXT SR tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hydro cấp cho động cơ sẽ không những cải thiện được khí thải của động cơ mà còn tăng hiệu suất động cơ. - Hình 3.9 So sánh tỷ số biến đổi nhiên liệu của quá trình SR theo tỷ lệ khối lượng N/X khi có tận dụng và không tận dụng nhiệt khí thải ở chế độ toàn tải của động cơ Tỷ lệ nước/xăng (g/g)Tỷ số biến đổi nhiên liệuTận dụng nhiệt khí thảiCấp nhiệt cho BXT Tỷ lệ nước/xăng (g/g)Tỷ suất tạo CO, H2 (mol/g xăng)H2 (100% Nemax) CO (100% Nemax)H2 (70% Nemax) CO (70% Nemax)H2 (50% Nemax) CO (50% Nemax) Hình 3.10 So sánh tỷ suất tạo hydro của quá trình SR theo tỷ lệ nước/xăng ở các chế độ 100% tải, 70% tải và 50% tải của động cơ Kết quả tính toán quá trình truyền nhiệt của khí thải với BXT ở các chế độ tải 100%, 70% và 50% của động cơ tương ứng là 580W, 416W và 163W. - tải cực đại)Nhiệt độ BXT (độ C Tỷ suất tạo H2 (mol/g xăng)Nhiệt độ BXTTỷ suất tạo H2 Hình 3.11 Ảnh hưởng của chế độ tải đến nhiệt độ BXT và tỷ suất tạo H2 (mol H2/1g xăng) của quá trình SR ở tỷ lệ N/X tối ưu 3.3.3 Kết quả tính toán quá trình PO
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt