Nghiên cứu chế tạo hệ thống tích hợp giữa EGR với việc bổ sung khí hydro trên đường nạp cho động cơ diesel tàu thủy, nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại
Cập nhật vào: Thứ tư - 03/07/2024 13:09
Cỡ chữ
Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động cơ cũng như các thông số vận hành. Mặc dù, động cơ diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng do quá trình cháy khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng không khí cao, trong sản phẩm cháy có chứa bồ hóng, PM và NOx, những chất ô nhiễm như CO, HC mà việc xử lí nó ngày nay vẫn còn nhiều vướng mắc về mặt kĩ thuật. Vấn đề cải tiến kết cấu nhằm hạn chế sự hòa trộn giữa khí cháy và khí chưa cháy, đặc biệt đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, nhưng vẫn không tránh khỏi sự thất thoát một bộ phận khí mới làm tăng sự phát sinh HC, CO và làm giảm tính năng kinh tế kĩ thuật của động cơ đốt trong.
Với tốc độ cạn kiệt của nhiên liệu không tái tạo ngày càng lớn, việc tìm kiếm một loại nhiên liệu thay thế phù hợp đã trở thành động lực nghiên cứu chính của các nhà khoa học. Mặc dù động cơ diesel là nguồn năng lượng đáng tin cậy nhất trong ngành vận tải nói chung và vận tải biển nói riêng, tuy nhiên các chỉ tiêu phát thải ngày càng nghiêm ngặt và sự cạn kiệt nhanh chóng các nguồn tài nguyên dầu mỏ, đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu nỗ lực để nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel. Hydrogen là một trong những lựa chọn thay thế tốt nhất cho nhiên liệu truyền thống. Hydrogen có những lợi ích và hạn chế riêng trong việc sử dụng làm nhiên liệu thay thế trong hệ thống động cơ tàu thủy.
H2 chỉ là một trong nhiều loại nhiên liệu thay thế có thể có nguồn gốc từ tài nguyên thiên nhiên như than đá, đá phiến dầu và uranium hoặc từ các tài nguyên tái tạo. H2 có thể được sản xuất thương mại từ quá trình điện phân nước và chưng cất than đá. Một số phương pháp khả thi khác như phân hủy nhiệt hóa học của nước và quang điện mặt trời, nhưng hiện được sử dụng ở cấp độ phòng thí nghiệm thay vì sử dụng thương mại. Các phương tiện sử dụng nhiên liệu H2 được sản xuất bằng công nghệ hiện tại khó cạnh tranh với các loại xăng tổng hợp hoặc methanol nếu xét đến mức độ tiêu thụ nhiên liệu hoặc chi phí nhiên liệu. Tuy nhiên, với sự phát triển của các bộ chuyển đổi H2 sử dụng thực tế và hiệu quả cao như pin nhiên liệu sẽ giảm đáng kể chi phí và cải thiện hiệu quả sản xuất H2, an toàn và thuận tiện khi lưu trữ trên tàu.
Mặt khác, 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. Hơn nữa, nhiên liệu hydro là nhiên liệu không phát thải khi đốt bằng oxy, nếu coi nước không phải là khí thải. Nó thường sử dụng các tế bào điện hóa, hoặc động cơ đốt trong, để tạo nguồn điện cho xe điện và các thiết bị điện. Nó cũng được sử dụng trong việc phóng tàu vũ trụ và có thể được sản xuất hàng loạt và được thương mại hóa cho các phương tiện vận chuyển hành khách và máy bay. Hydrogen nằm trong nhóm đầu tiên và giai đoạn đầu tiên trong bảng tuần hoàn, tức là nó là thành phần đầu tiên của bảng tuần hoàn. Thực tế cho thấy, 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 thủy gặp khá nhiều khó khăn và tốn kém. Chính vì vậy, các nghiên cứu trên thế giới đã khẳng định rằng việc cung cấp khí hydro hoặc khí giàu hydro cho động cơ tàu thủy ở ngay trên đường nạp động cơ thông qua hệ thống tuần hoàn khí thải EGR để cải thiện quá trình cháy, nâng cao hiệu suất và giảm phát thải cho động cơ. Công nghệ này sẽ khắc phục được các khó khăn về tích trữ, bảo quản và vận chuyển nói trên. Bên cạnh đó, kết quả các nghiên cứu ngoài nước khi sử dụng công nghệ tuần hoàn khí thải đã được chứng minh là có tác dụng giảm phát thải NOx độc hại. Như vậy việc sử dụng đồng thời khí hydro và công nghệ tuần hoàn khí thải (EGR) không những nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu mà còn làm tăng công suất của động cơ, giảm phát thải độc hại. Tuy nhiên, việc nhập khẩu các trang thiết bị và chuyển giao công nghệ từ các nhà sản xuất nước ngoài về công nghệ này cho đội tàu thủy Việt Nam gặp rất nhiều khó khăn cả vể kỹ thuật và kinh tế. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo hệ thống tích hợp giữa EGR với việc bổ sung khí hydro trên đường nạp cho động cơ diesel tàu thủy, nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe của IMO về khí thải, đảm bảo tiết kiệm nhiên liệu và nội địa hóa trang thiết bị, công nghệ cho ngành GTVT.
Nhằm thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống thiết bị tích hợp giữa EGR với việc bổ sung khí hydro trên đường nạp cho động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ; đánh giá các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hệ thống EGR có bổ sung hydro trên đường nạp,
Nghiên cứu chế tạo hệ thống tích hợp giữa EGR với việc bổ sung khí hydro trên đường nạp cho động cơ diesel tàu thủy, nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại ô nhiễm môi trường, TS. Phạm Văn Việt cùng các cộng sự tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh - Bộ Giao thông Vận tải đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo hệ thống tích hợp giữa EGR với việc bổ sung khí hydro trên đường nạp cho động cơ diesel tàu thủy, nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại ô nhiễm môi trường”.
Sau một thời gian triển khai thực hiện ( tháng 01/2020 - 03/2021), đề tài đưa ra kết luận như sau:
Đề tài đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống tích hợp EGR và cấp hydro trên đường nạp của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và điều kiện làm việc an toàn. Việc trang bị cụm thiết bị bổ sung hydro trên đường nạp và tích hợp EGR trong nghiên cứu này trên động cơ diesel được thử nghiệm đảm bảo an toàn và các yêu cầu kỹ thuật về khả năng vận hành, độ bền và không gây ra hiện tượng phản áp trên đường nạp và xả của động cơ. Hơn nữa, sử dụng khí hydro làm nhiên liệu bổ sung trong động cơ đốt trong với một tỷ lệ phù hợp (từ 5-10%) kết hợp với nhiên liệu truyền thống đã nâng cao tính kinh tế, kỹ thuật và giảm thiểu phát thải của động cơ. Trong nghiên cứu này, việc bổ sung nhiên liệu hydro trên đường nạp của động cơ diesel tích hợp EGR đã thể hiện những ưu điểm vượt trội trên.
Kết quả nghiên cứu đã đưa đến các kết luận sau:
- Hiệu suất nhiệt của động cơ tăng lên khoảng 5% khi không có EGR với lưu lượng hydro 20 l/phút. Điều này cho thấy hiệu suất nhiệt được cải thiện đáng kể so với động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nguyên chất. Mức tiêu thụ nhiên liệu được cải thiện tốt nhất khi hydro được bổ sung đến 10%, giảm đến 8% so với trường hợp chỉ sử dụng diesel.
- Chất lượng cháy đã được cải thiện khi hydro được bổ sung vào trong buồng đốt, kết quả là các phát thải HC và CO đều giảm rõ rệt, giảm 1/3 so với trường hợp chỉ dùng diesel.
- Có sự đánh đổi rõ ràng về phát thải NOx và HC hoặc CO trong nghiên cứu này khi kết hợp hai công nghệ trong một hệ thống. Khi gia tăng lượng hydro được bổ sung thì phát thải HC và CO giảm nhưng NOx tăng, trong khi gia tăng tỷ lệ luân hồi EGR thì ngược lại. Do vậy, nghiên cứu đã cho thấy rằng với việc bổ sung hydro đến 10% thể tích và sử dụng đồng thời hệ thống luân hồi khí xả với tỷ lệ 15%EGR thì cả 3 loại phát thải trên đều giảm so với động cơ nguyên bản sử dụng diesel, cụ thể NOx giảm 10%, HC giảm 18%, CO giảm 16%.
- Việc bổ sung hydro trên đường nạp và kết hợp với sử dụng khí xả luân hồi được cho là không ảnh hưởng xấu đến độ bền động cơ, điều này phản ánh quả các kết quả đo rung động và độ ồn động cơ đều giảm khi động cơ có bổ sung 5% và 10% H2, kết hợp với các tỷ lệ EGR 15% và 25%.
Các vấn đề còn tồn tại bao gồm:
- Hệ thống được tính toán và thiết kế dựa trên các thông số đầu vào của một động cơ cụ thể, do đó nó nên được lắp đặt cho các động cơ có cùng dải thông số kỹ thuật và tính năng.
- Việc tự động điều chỉnh của hệ thống cần được cải tiến trong các nghiên cứu tiếp theo, khi lựa chọn thiết kế cho các động cơ đời mới có tích hợp hệ thống tự động điều khiến hiện đại.
- Vấn đề về độ bền động cơ và tính an toàn trong khai thác nên được nghiên cứu sâu hơn khi ứng dụng trên các phương tiện vận tải.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 19867/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
P.T.T (NASATI)