Hydrogen internal combustion engine – Động cơ đốt trong Hydro: Nhiên liệu hydro có thể là một chiến lược thay thế khả thi, và có thể được thực hiện trong dài hạn. Chiến lược này có thể tránh rủi ro phụ thuộc vào nguồn cung hàng hóa (đất hiếm và đồng) và có thể trì hoãn các quyết định vẫn còn bỏ ngỏ về khả năng di chuyển bằng điện e-Mobility. Động cơ đốt trong hydro đại diện cho một giải pháp khả thi và ít tốn kém hơn để sử dụng hydro so với việc mua một chiếc ô tô mới được trang bị pin nhiên liệu hydro. Động cơ đốt trong pít-tông thông thường có thể được chuyển sang hoạt động bằng hydro với tương đối ít thay đổi. Cách tiếp cận này khả thi hơn về mặt môi trường, vì trong một thời gian ngắn, hầu hết các phương tiện có thể chuyển sang chế độ vận hành không phát thải.
Xe chạy bằng động cơ đốt trong hydro (HICEV) là một loại phương tiện chạy bằng hydro sử dụng động cơ đốt trong. Xe chạy bằng động cơ đốt trong hydro khác với xe sử dụng pin nhiên liệu hydro (sử dụng hydro điện hóa thay vì đốt cháy). Thay vào đó, động cơ đốt trong hydro chỉ đơn giản là một phiên bản sửa đổi của động cơ đốt trong chạy bằng xăng truyền thống. Việc không có carbon có nghĩa là không có CO2 được tạo ra, giúp loại bỏ lượng khí thải nhà kính chính của động cơ xăng dầu thông thường.
Vì hydro tinh khiết không chứa carbon nên không có chất gây ô nhiễm gốc carbon, chẳng hạn như carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) và hydrocarbon (HC), trong khí thải. Tuy nhiên, khi quá trình đốt cháy hydro xảy ra trong bầu khí quyển có chứa nitơ và oxy, nó có thể tạo ra các oxit nitơ được gọi là NOx. Theo cách này, quá trình đốt cháy giống như các nhiên liệu đốt cháy ở nhiệt độ cao khác, chẳng hạn như dầu hỏa, xăng, dầu diesel hoặc khí tự nhiên. Vì vậy, các động cơ đốt hydro không được coi là không phát thải.
Một nhược điểm là hydro rất khó xử lý. Do kích thước phân tử rất nhỏ của nguyên tử hydro, hydro có thể rò rỉ qua nhiều vật liệu rắn. Khí hydro thoát ra lẫn với không khí có khả năng gây nổ.
1. Lịch sử Động cơ Hydro
Francois Isaac de Rivaz đã thiết kế động cơ De Rivaz vào năm 1806, động cơ đốt trong đầu tiên chạy bằng hỗn hợp hydro/oxy.
Nỗ lực sớm nhất trong việc phát triển động cơ hydro đã được Reverend W. Cecil báo cáo vào năm 1820. Cecil đã trình bày công trình của mình trước Hiệp hội triết học Cambridge trong một bài báo có tựa đề “Về ứng dụng của khí hydro để tạo ra năng lượng chuyển động trong máy móc” (On the Application of Hydrogen Gas to Produce Moving Power in Machinery.). Bản thân động cơ hoạt động theo nguyên lý chân không, trong đó áp suất khí quyển đẩy pít-tông quay ngược lại chân không để tạo ra công suất. Chân không được tạo ra bằng cách đốt cháy hỗn hợp hydro-không khí, cho phép nó nở ra và sau đó nguội đi. Mặc dù động cơ hoạt động tốt, nhưng động cơ chân không không bao giờ trở thành hiện thực. Étienne Lenoir sản xuất Hippomobile vào năm 1863. Paul Dieges đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1970 cho một sửa đổi đối với động cơ đốt trong cho phép sử dụng động cơ xăng chạy bằng hydro.
Đại học Thành phố Tokyo (Tokyo City University) đã phát triển động cơ đốt trong hydro từ năm 1970. Gần đây, họ đã phát triển Xe buýt và Xe tải chạy bằng nhiên liệu hydro.
Mazda đã phát triển động cơ Wankel đốt cháy hydro. Ưu điểm của việc sử dụng ICE (động cơ đốt trong) như động cơ Wankel và piston là chi phí trang bị lại cho sản xuất thấp hơn nhiều. Công nghệ ICE hiện tại vẫn có thể được sử dụng để giải quyết những vấn đề mà pin nhiên liệu chưa phải là giải pháp khả thi, chẳng hạn như trong các ứng dụng thời tiết lạnh.
Năm 1990, một chiếc xe năng lượng mặt trời chạy điện đã được chuyển đổi thành hydro sử dụng động cơ 4 thì 107 ml. Nó được sử dụng trong một dự án nghiên cứu kiểm tra và đo lường tổn thất từ quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời -> điện năng -> điện phân -> lưu trữ -> động cơ -> truyền tải -> bánh xe. So với chế độ pin-điện trước đó, phạm vi hoạt động tỏ ra cao hơn nhưng hiệu suất hệ thống thấp hơn và máy tạo hydro kiềm có sẵn quá lớn để mang trên xe. Nó được cung cấp năng lượng nhờ hệ thống năng lượng mặt trời cố định và hydro được tạo ra được lưu trữ trong các bình áp suất.
Giữa năm 2005 – 2007, BMW đã thử nghiệm một chiếc ô tô sang trọng có tên là BMW Hydrogen 7, chạy bằng ICE hydro, đạt tốc độ 301 km/h (187 dặm/giờ) trong các cuộc thử nghiệm. Ít nhất hai trong số các mẫu concept này đã được sản xuất.
Xe nâng HICE đã được chứng minh dựa trên động cơ đốt trong diesel được chuyển đổi với phun trực tiếp.
Alset GmbH đã phát triển một hệ thống hydro hybrid cho phép phương tiện sử dụng nhiên liệu xăng và hydro riêng lẻ hoặc cùng lúc với động cơ đốt trong. Công nghệ này đã được sử dụng với Aston Martin Rapide S trong cuộc đua 24 Hours Nürburgring. Rapide S là chiếc xe đầu tiên hoàn thành cuộc đua với công nghệ hydro.
Gần đây, việc phát triển động cơ đốt trong hydro đã nhận được nhiều sự quan tâm hơn, đặc biệt đối với các loại xe thương mại hạng nặng. Một phần động lực thúc đẩy điều này là công nghệ bắc cầu để đáp ứng các mục tiêu không phát thải CO2 trong tương lai và là công nghệ tương thích hơn với kiến thức và sản xuất ô tô hiện có.
Vào tháng 9 năm 2022, Kawasaki đã tiết lộ động cơ đốt hydro được phát triển bằng cách sử dụng cùng một kim phun như Corolla hydro dựa trên Ninja H2.
2. Tính chất cháy của hydro
- Phạm vi dễ cháy rộng
- Năng lượng bắt lửa thấp
- Khoảng cách dập tắt nhỏ
- Nhiệt độ tự bốc cháy cao
- Tốc độ ngọn lửa cao ở tỷ lệ cân bằng hóa học
- Độ khuếch tán cao
- Mật độ rất thấp
Phạm vi dễ cháy rộng
Hydro có phạm vi dễ cháy rộng so với tất cả các loại nhiên liệu khác. Kết quả là, hydro có thể được đốt cháy trong động cơ đốt trong với phạm vi rộng của hỗn hợp nhiên liệu-không khí. Một lợi thế đáng kể của điều này là hydro có thể chạy trên hỗn hợp nghèo. Hỗn hợp nghèo là hỗn hợp trong đó lượng nhiên liệu ít hơn lượng lý tưởng, cân bằng hóa học hoặc lý thuyết cần thiết để đốt cháy với một lượng không khí nhất định. Đây là lý do tại sao việc khởi động động cơ bằng hydro khá dễ dàng.
Nói chung, tiết kiệm nhiên liệu nhiều hơn và phản ứng đốt cháy hoàn toàn hơn khi xe chạy bằng hỗn hợp nghèo. Ngoài ra, nhiệt độ đốt cháy cuối cùng thường thấp hơn, làm giảm lượng chất ô nhiễm, chẳng hạn như oxit nitơ, phát ra trong khí thải. Có một giới hạn về mức độ vận hành hỗn hợp nghèo của động cơ, vì nó có thể làm giảm đáng kể công suất đầu ra do giảm giá trị gia nhiệt thể tích của hỗn hợp không khí/nhiên liệu.
Năng lượng bắt lửa thấp
Hydro có năng lượng bắt lửa rất thấp. Lượng năng lượng cần thiết để đốt cháy hydro ít hơn khoảng một bậc so với năng lượng cần thiết cho xăng. Điều này cho phép động cơ hydro đốt cháy hỗn hợp nghèo và đảm bảo đánh lửa nhanh chóng.
Tuy nhiên, năng lượng đánh lửa thấp có nghĩa là khí nóng và các điểm nóng trên xi lanh có thể đóng vai trò là nguồn đánh lửa, tạo ra các vấn đề đánh lửa sớm và cháy ngược và kích nổ. Ngăn chặn điều này là một trong những thách thức liên quan đến việc vận hành động cơ chạy bằng hydro. Phạm vi dễ cháy rộng của hydro có nghĩa là hầu hết mọi hỗn hợp đều có thể bị bắt lửa bởi điểm nóng.
Khoảng cách dập tắt nhỏ
Hydro có khoảng cách dập tắt nhỏ, nhỏ hơn xăng. Do đó, ngọn lửa hydro di chuyển gần thành xi lanh hơn các loại nhiên liệu khác trước khi chúng tắt. Vì vậy, khó dập tắt ngọn lửa hydro hơn là ngọn lửa xăng. Khoảng cách dập tắt nhỏ hơn cũng có thể làm tăng xu hướng phản tác dụng do ngọn lửa từ hỗn hợp hydro-không khí dễ dàng đi qua van nạp gần như đóng hơn ngọn lửa của hỗn hợp hydro các bon-không khí.
Nhiệt độ tự bốc cháy cao
Hydro có nhiệt độ tự bốc cháy tương đối cao. Điều này có ý nghĩa quan trọng khi nén hỗn hợp hydro-không khí. Trên thực tế, nhiệt độ tự bốc cháy là một yếu tố quan trọng trong việc xác định tỷ số nén mà động cơ có thể sử dụng, vì nhiệt độ tăng trong quá trình nén có liên quan đến tỷ số nén. Sự gia tăng nhiệt độ được thể hiện bằng phương trình:
T1: nhiệt độ tuyệt đối ban đầu
T2: nhiệt độ tuyệt đối cuối
γ: tỉ số nhiệt dung riêng
Nhiệt độ không được vượt quá nhiệt độ tự bốc cháy của hydro mà không gây ra hiện tượng đánh lửa sớm. Do đó, nhiệt độ cuối tuyệt đối giới hạn tỷ số nén. Nhiệt độ tự bốc cháy cao của hydro cho phép sử dụng tỷ số nén lớn hơn trong động cơ hydro so với động cơ hydrocacbon.
Tỷ số nén cao hơn này rất quan trọng vì nó liên quan đến hiệu suất nhiệt của hệ thống. Mặt khác, hydro rất khó bắt cháy trong cấu hình đánh lửa nén hoặc động cơ diesel, vì nhiệt độ cần thiết cho các kiểu đánh lửa đó tương đối cao.
Tốc độ lan tỏa ngọn lửa cao
Hydro có tốc độ ngọn lửa cao ở tỷ lệ cân bằng hóa học. Trong những điều kiện này, tốc độ ngọn lửa hydro gần như cao hơn (nhanh hơn) so với xăng. Điều này có nghĩa là động cơ hydro có thể tiếp cận gần hơn với chu trình động cơ lý tưởng về mặt nhiệt động. Tuy nhiên, ở các hỗn hợp loãng hơn, vận tốc ngọn lửa giảm đáng kể.
Độ khuếch tán cao
Hydro có khả năng khuếch tán rất cao. Khả năng phân tán trong không khí này lớn hơn đáng kể so với xăng và có lợi vì hai lý do chính. Thứ nhất, nó tạo điều kiện cho sự hình thành hỗn hợp đồng nhất của nhiên liệu và không khí. Thứ hai, nếu rò rỉ hydro phát triển, hydro sẽ phân tán nhanh chóng. Do đó, các điều kiện không an toàn có thể tránh được hoặc giảm thiểu.
Mật độ thấp
Hydro có mật độ rất thấp. Điều này dẫn đến hai vấn đề khi sử dụng trong động cơ đốt trong. Thứ nhất, một thể tích rất lớn là cần thiết để lưu trữ đủ hydro nhằm cung cấp cho phương tiện một phạm vi hoạt động thích hợp. Thứ hai, mật độ năng lượng của hỗn hợp hydro-không khí, và do đó, công suất đầu ra bị giảm.
3. Tỷ lệ không khí/nhiên liệu
Sự đốt cháy lý thuyết hoặc cân bằng hóa học của hydro và oxy được đưa ra như sau: 2H2+O2=2H2O
Số mol H2 đốt cháy hoàn toàn = 2 mol
Số mol O2 để đốt cháy hoàn toàn = 1 mol
Bởi vì không khí được sử dụng làm chất oxy hóa thay vì oxy, nên nitơ trong không khí cần được đưa vào tính toán:
Số mol N2 trong không khí = Số mol O2 x (79% N2 trong không khí / 21% O2 trong không khí)
=1 mol O2 x (79% N2 trong không khí / 21% O2 trong không khí) = 3,762 mol N2
Số mol không khí = số mol O2 + số mol N2 = 1 + 3.762 =4,762 mol
Khối lượng O2 = 1mol O2 x 32g/mol = 32g
Khối lượng N2 = 3.762 mol N2 x 28g/mol = 105,33g
Khối lượng không khí = khối lượng O2 + khối lượng N2 = 137.33g
Khối lượng H2 = 2mol H2 x 2g/m = 4g
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu cân bằng hóa học (A/F) đối với hydro và không khí là:
A/F dựa trên khối lượng = khối lượng không khí/khối lượng nhiên liệu = 137.33 g / 4 g = 34.33:1
A/F dựa trên thể tích = thể tích (mol) không khí/thể tích (mol) nhiên liệu = 4.762 / 2 = 2.4:1
Tỷ lệ phần trăm của buồng đốt bị chiếm bởi hydro đối với hỗn hợp cân bằng hóa học:
%H2 = thể tích (mol) H2/thể tích toàn phần
= thể tích H2/(thể tích không khí + thể tích H2)
= 2 / (4.762 + 2) = 29.6%
Như những tính toán này cho thấy, tỷ lệ A/F chính xác về mặt hóa học hoặc cân bằng hóa học đối với quá trình đốt cháy hoàn toàn hydro trong không khí là khoảng 34:1 theo khối lượng. Điều này có nghĩa là để đốt cháy hoàn toàn, cần 34 kg không khí cho mỗi kg hydro. Tỷ lệ này cao hơn nhiều so với tỷ lệ A/F 14,7:1 cần thiết cho xăng.
Vì hydro là nhiên liệu khí ở điều kiện môi trường xung quanh nên nó chiếm nhiều diện tích trong buồng đốt hơn là nhiên liệu lỏng. Do đó, buồng đốt có thể bị chiếm bởi ít không khí hơn. Ở điều kiện cân bằng hóa học, hydro chiếm khoảng 30% thể tích buồng đốt, so với khoảng 1 đến 2% đối với xăng. Hình trên so sánh thể tích buồng đốt và hàm lượng năng lượng của động cơ chạy bằng nhiên liệu xăng và hydro.
Tùy thuộc vào phương pháp được sử dụng để đo lượng hydro cho động cơ, công suất đầu ra so với động cơ xăng có thể nằm trong khoảng từ 85% (phun qua ống nạp) đến 120% (phun áp suất cao).
Do phạm vi bắt lửa rộng của hydro, động cơ hydro có thể chạy với tỷ lệ A/F ở bất kỳ đâu từ 34:1 (cân bằng hóa học) đến 180:1. Tỷ lệ A/F cũng có thể được biểu thị theo tỷ lệ tương đương, ký hiệu là phi (Φ). Phi bằng tỷ lệ A/F cân bằng hóa học chia cho tỷ lệ A/F thực tế. Đối với hỗn hợp cân bằng hóa học, tỷ lệ A/F thực tế bằng với tỷ lệ A/F cân bằng hóa học và do đó Φ bằng đơn vị (một). Đối với tỷ lệ A/F nghèo, phi sẽ là giá trị nhỏ hơn một. Ví dụ, Φ 0,5 có nghĩa là chỉ có đủ nhiên liệu trong hỗn hợp để oxy hóa với một nửa lượng không khí có sẵn. Một cách khác để nói điều này là có gấp đôi lượng không khí để đốt cháy so với yêu cầu về mặt lý thuyết.
- Động cơ đốt trong Hydro – HICE
