Luận án nghiên cứu chế tạo bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 nâng cao hiệu quả động cơ xăng

LỜI MỞ ĐẦU i. Xuất xứ đề tài Động cơ đốt trong (ĐCĐT) luôn giữ vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải cũng như nhiều ngành kinh tế khác. Số lượng động cơ đốt trong ngày càng tăng là nguyên nhân chính gây nên ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, bên cạnh đó nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Chính vì vậy vấn đề đặt ra cho các nhà nghiên cứu là tìm ra các giải pháp giảm được ô nhiễm khí thải và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Một trong các giải pháp hiệu quả để giảm ô nhiễm và giúp đa dạng hóa nguồn nhiên liệu là sử dụng nhiên liệu thay thế. Một trong những nhiên liệu thay thế là nhiên liệu hyđrô. Nhiên liệu hyđrô có ưu điểm so với nhiên liệu truyền thống là cháy nhanh, trị số ốc-tan cao nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ. Ngoài ra khí thải của động cơ sử dụng nhiên liệu hyđrô rất sạch, giới hạn cháy rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất nghèo, góp phần làm tăng tính năng kinh tế của động cơ.

Tuy nhiên, nhiên liệu hyđrô có nhược điểm so với nhiên liệu truyền thống là nhiệt trị mole rất thấp. Do đó, khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang chạy hoàn toàn bằng hyđrô thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều nên cần thay đổi động cơ về kết cấu cho phù hợp. Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ, bảo quản nhiên liệu hyđrô đủ để thay thế hoàn toàn nhiên liệu truyền thống khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp. Chính vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hyđrô như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống bằng cách bổ sung khí giàu hyđrô tạo ra từ phân giải nhiên liệu nhờ bộ xúc tác tận dụng nhiệt khí thải.

Giải pháp này cho thấy các kết quả khả quan, suất tiêu hao nhiên liệu và thành phần phát thải độc hại của động cơ giảm trong khi công suất thay đổi không đáng kể. Tuy nhiên, bộ xúc tác phân giải nhiên liệu thường dùng cho đến nay Ni/Al2O3 chỉ đạt hiệu suất cao khi nhiệt độ khí thải lớn hơn 700oC ứng với chế độ tải lớn, trong khi nhiệt độ khí thải động cơ ở các chế độ tải thấp và trung bình chỉ đạt khoảng 450 - 550oC nên hiệu quả tạo khí giàu hyđrô thấp. Do vậy, vấn đề đặt ra là cần phải cải thiện hiệu suất bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ. Luận án này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước mã số KC.25/11-15 với tên “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hydro trên động cơ xăng” nhằm góp phần giải quyết vấn đề nêu trên.

Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên động cơ xăng nhằm: 1 - Làm chủ công nghệ nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ xúc tác tạo khí hyđrô trực tiếp trên động cơ. - Tìm ra vật liệu xúc tác mới cải thiện hiệu quả chuyển hóa của bộ xúc ở nhiệt độ phản ứng thấp 550oC phù hợp với nhiệt độ khí thải động cơ. - Bộ xúc tác mới có hiệu suất chuyển hóa cao hơn so với bộ xúc tác cũ ở nhiệt độ phản ứng thấp. - Bộ xúc tác mới khi lắp lên động cơ có suất tiêu hao nhiên liệu, thành phần phát thải CO và HC thấp hơn so với động cơ sử dụng bộ xúc tác cũ.

Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu trên động cơ phun xăng điện tử. Để giảm chi phí về động cơ, nhiên liệu thử nghiệm, động cơ cỡ nhỏ lắp trên xe máy Piaggio Liberty được chọn làm đối tượng nghiên cứu. - Luận án nghiên cứu mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để tìm ra vật liệu xúc tác mới có hiệu suất chuyển hóa hyđrô cao hơn vật liệu xúc tác cũ. - Thiết kế, chế tạo bộ xúc tác mới lắp trên động cơ xe máy và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ khi lắp bộ xúc tác mới và so sánh với bộ xúc tác cũ.

- Luận án cũng nghiên cứu đánh giá bền bộ xúc tác khi lắp trên xe và trên phương tiện trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Phần nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các phương pháp tạo khí giàu hyđrô trên động cơ và lập mô hình tính toán sản lượng và hiệu suất tạo hyđrô và các yếu tố ảnh hưởng. Trên cơ sở đó chọn phương pháp phù hợp và các thông số tối ưu tạo khí giàu hyđrô phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ phục vụ nghiên cứu thực nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm khi động cơ được trang bị thêm hệ thống cung cấp hỗn hợp khí giàu hyđrô. Trong đó, bao gồm các thử nghiệm tiến hành trong phòng thí nghiệm cũng như các thử nghiệm thực hiện trên đường. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học 2 Luận án đã nghiên cứu điều chế được vật liệu xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 để làm chất xúc tác tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hyđrô trên động cơ. Từ đó xác định được sản lượng và hiệu suất tạo khí giàu hyđrô cũng như các yếu tố ảnh hưởng, làm cơ sở cho việc chọn chế độ làm việc thích hợp của bộ xúc tác phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.

* Ý nghĩa thực tiễn Bộ xúc tác mới (vật liệu xúc tác mới) có giá thành rẻ và hiệu quả chuyển hóa cao hơn bộ xúc tác truyền thống đã được thử bền trên hiện trường, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn. Kết quả này mở ra cơ hội có thể ứng dụng sản phẩm trong thực tế nhằm nâng cao tính kinh tế và giảm phát thải cho động cơ. Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận và hướng phát triển, cụ thể như sau: Mở đầu: Giới thiệu tính cấp thiết, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Tổng quan về nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Chương 2.

Nghiên cứu lựa chọn hệ xúc tác mới nhằm tăng hiệu quả tạo khí giàu hyđrô Chương 3. Nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng hệ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 Chương 4. Nghiên cứu thử nghiệm động cơ lắp bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 Kết luận và hướng phát triển 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ 1. Tổng quan về nhiên liệu khí giàu hyđrô Khí giàu hyđrô là hỗn hợp khí hyđrô kết hợp với các khí CO, HC và CO2, trong đó lượng khí hyđrô chiếm tỷ lệ lớn trên 60%, khí giàu hy đrô là sản phẩm của quá trình trình cracking hoặc nhiệt hóa nhiên liệu xăng hoặc diesel với hơi nước.

Nhiên liệu khí giàu hyđrô có rất nhiều ưu điểm và là nguồn nhiên liệu tiềm năng cho động cơ đốt trong như: sản phẩm của khí hyđrô khi cháy tạo ra rất sạch; giới hạn cháy rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng giúp tăng tính kinh tế của động cơ; hyđrô có trị số ốctan lớn nên có thể tăng tỷ số nén của động cơ giúp tăng hiệu suất động cơ. Tuy nhiên khí hyđrô có nhược điểm là nhiệt trị trên một đơn vị thể tích nhỏ, tỷ trọng nhiên liệu thấp nên việc sản xuất, vận chuyển và lưu trữ bảo quản nhiên liệu hyđrô đủ để thay thế hoàn toàn cho xăng và diesel khá là khó khăn. Sau đây sẽ trình bày chi tiết về các tính chất của nhiên liệu khí giàu hyđrô, qua đó để đưa ra giải pháp khả thi để sản xuất và nâng cao hiệu quả tạo khí giàu hyđrô cho động cơ. Tính chất nhiên liệu khí giàu hyđrô Hyđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ và tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác.

Hyđrô từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn cho ĐCĐT. Khác với các loại nhiên liệu truyền thống, đây là nguồn nhiên liệu không gây ô nhiễm khí thải, có thể tái tạo và có thể được sản xuất từ nguồn nước vô tận. Hyđrô có thể được sử dụng như một đơn nhiên liệu trên ĐCĐT đốt cháy cưỡng bức hoặc làm nhiên liệu bổ sung trên cả động cơ xăng và động cơ diesel. Hyđrô khi phản ứng với oxy tạo ra sản phẩm sạch, chỉ có nước và không có thành phần ô nhiễm nào nên không gây ô nhiễm môi trường và không gây hiệu ứng nhà kính như khi sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch.

Thêm nữa, nhiên liệu này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốctan cao (trên 130), chống kích nổ tốt, nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ. Giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, =0,15 10. Do đó động cơ có thể chạy hỗn hợp nghèo để giảm NOx và góp phần làm tăng tính kinh tế sử dụng động cơ. Mặc dù vậy, nhiên liệu hyđrô cũng có một số nhược điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hyđrô cấp vào đường ống nạp thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều.

Các tính chất vật lý và tính chất cháy của hyđrô ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sử dụng hyđrô làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong đã được trình bày một cách chi tiết trong các tài liệu tham khảo [1-4]. Một số tính chất điển hình của hyđrô 4 so với khí mê tan và xăng được chỉ ra trong Bảng 1.1 và được phân tích thêm dưới đây [1-4]. Tỷ trọng Số liệu trong Bảng 1.1 cho thấy hyđrô có tỷ trọng nhỏ chỉ bằng khoảng 11% so với mê tan và 1,6% so với hơi xăng, tức là nhẹ hơn 8,7 lần so với mê tan và 63,2 lần so với hơi xăng ở cùng điều kiện áp suất.