Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hydro trên động cơ để cải thiện tính năng và phát

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 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm các thành viên trong đề tài KC.TN05/11-15 đã cho tôi sử dụng kết quả nghiên cứu để làm luận án.

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng nghề cơ khí nông nghiệp, Lãnh đạo khoa động lực và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Phạm Ngọc Anh ii MỤC LỤC MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.

vii DANH MỤC BẢNG BIỂU. ix DANH MỤC HÌNH VẼ. Lý do chọn đề tài. Mục đích nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Điểm mới của luận án .1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong .1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong .2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại .2 Nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong .1 Tính chất của khí hydro .2 Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hydro .3 Động cơ đốt trong bổ sung hydro .4 Động cơ đốt trong bổ sung khí giàu hydro .5 Kết luận về sử dụng hydro và khí giàu hydro trên động cơ .3 Các phương pháp sản xuất hydro và khí giàu hydro .1 Giới thiệu chung .2 Điện phân nước .3 Khí hóa sinh khối .4 Biến đổi nhiệt hóa cồn hoặc nhiên liệu hydrocarbons .4 Tích trữ, vận chuyển và cung cấp hydro và khí giàu hydro cho động cơ đốt trong - 28 - iii 1.1 Vấn đề tích trữ và vận chuyển hydro .2 Tạo hydro và khí giàu hydro ngay trên xe .5 Kết luận chương 1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA NHIÊN LIỆU XĂNG .1 Giới thiệu chung .2 Các phản ứng hóa học của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng .1 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước (SR).2 Ô xi hóa không hoàn toàn xăng (PO) .3 Biến đổi nhiệt hóa xăng với hơi nước và ô xy ở trạng thái tự cân bằng về nhiệt (ATR) .3 Tốc độ của phản ứng xúc tác .2 Trạng thái cân bằng hóa học của phản ứng biến đổi nhiệt hóa .3 Biểu thức tốc độ động học phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng .4 Tốc độ thay đổi hàm lượng thành phần khí trong BXT .5 Kết luận chương 2. TÍNH TOÁN SỰ TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRONG BXT BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA XĂNG TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ HONDA WAVE- .1 Giới thiệu chung .1 Mục đích tính toán.2 Nhiệt khí thải của động cơ và khả năng tận dụng .3 Sơ đồ BXT biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải .2 Mô hình tính toán .1 Mô hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT .2 Mô hình tính toán quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu trong BXT .3 Kết quả tính toán và bàn luận .1 Các thông số vào .2 Kết quả tính toán quá trình SR tận dụng nhiệt khí thải .3 Kết quả tính toán quá trình PO .4 Kết quả tính toán quá trình ATR .5 Kết hợp SR và PO tận dụng nhiệt khí thải .4 Kết luận chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.1 Giới thiệu chung .1 Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm .2 Đối tượng, chế độ và điều kiện thử nghiệm .3 Nhiên liệu thử nghiệm .2 Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo và cấp khí giàu H2 trên động cơ.1 Thiết kế chế tạo BXT .2 Thiết kế lắp đặt hệ thống tạo và cung cấp khí giàu H2 trên động cơ .3 Trang thiết bị thử nghiệm .1 Phanh thuỷ lực .2 Cảm biến tốc độ động cơ .3 Thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ .4 Tủ phân tích khí thải AVL CEB II .5 Chương trình thử nghiệm .4 Kết quả thử nghiệm .1 Đánh giá độ tin cậy của mô hình tính toán biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu .2 Tính năng làm việc của động cơ ở 70% tải. Tính năng làm việc của động cơ ở toàn tải .5 Kết luận chương 4.

- 103 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. - 104 - Hướng phát triển. - 104 - TÀI LIỆU THAM KHẢO. 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.

Chương trình tính toán mô phỏng quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa xăng. Kết quả tính toán quá trình SR. Một số hình ảnh thử nghiệm. 121 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu Ký hiệu Tên gọi CO Oxit cacbon HC Hydro cacbon NOx Oxit nitơ SO2 Oxit lưuhuynh N2 Nitơ CO2 Cacbonnic H2O Nước α Hệ số dư lượng không khí N2O Protoxit C2H6O Ethanol CH4 Metan H2 Hydro vii Danh mục chữ viết tắt BSEC Suất tiêu hao năng lượng có ích BTL Bio-mass To Liquid BXT Bộ xúc tác CEB-II Hệ thống phân tích khí thải CHK Chế hòa khí CKĐL 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 HCNG Hỗn hợp nhiên liệu hydro/CNG HVO Hydrotreating Vegetable Oil LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng LPG Dầu mỏ hóa lỏng NG Khí thiên nhiên NGV Xe chạy nhiên liệu khí thiên nhiên PO Ô xi hóa không hoàn toàn nhiên liệu SR 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] .1 Năng lượng tạo thành (enthalpy of formation) của một số chất ở 298K [33, 36].

Ưu nhược điểm của các phương pháp tạo ra hydro .3 Các hằng số động học phản ứng [87] .4 Các hằng số cân bằng [49, 75] .5 Các hằng số hấp thụ [49, 75] .1 Đặc tính kỹ thuật của chất xúc tác Ni-0309S. Các thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm Honda Wave- .3 Các thông số vào của BXT (xác định từ thực nghiệm) .4 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro .5 Nhiệt độ BXT và tỷ suất tạo H2 ở các chế độ tải (Số liệu đồ thị Hình 3.6 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro của quá trình PO .7 Hàm lượng và tỷ suất tạo khí giàu hydro .8 Thông số khí thải vào BXT.9 Kết quả tính toán kết hợp SR vàPO có tận dụng nhiệt khí thải .1 Các thông số cấp nguyên liệu của BXT .2 Kết quả tính toán và thực nghiệm quá trình SR .3 Thành phần H2 và khí giàu H2 trong khí nạp của động cơ .4 Đặc tính động cơ chạy xăng nguyên bản và bổ sung khí giàu hydro ở 70% tải .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. Giới hạn cháy của hydro và một số loại nhiên liệu [44].2 Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [12] .3 Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT [46] .4 So sánh hiệu suất nhiệt của động cơ hydro và động cơ xăng [98] .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] .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] .7 Phát thải NOx của động cơ H2 ở 1500v/p, bướm ga mở hoàn toàn [93] .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] .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] .9 Hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ lệ năng lượng H2 thay thế ở không tải [19] .10 Diễn biến hàm lượng phát thải của động cơ theo  khi bổ sung hydro với các tỷ lệ khác nhau [18] .11 Áp suất có ích trung bình của động cơ bổ sung H2 ở 1400v/p) với hỗn hợp có  khác nhau [18] .12 So sánh hiệu suất có ích và phát thải của động cơ khi chạy chỉ diesel và khi chạy hydro- diesel [78] .13 Hiệu suất chỉ thị và áp suất có ích trung bình của động cơ xăng bổ sung khí giàu hydro (syngas) [21].