Luận án Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hyddro trên động cơ để cải thiện tính năng và phát thải

 quá trình phản ứng xúc tác cũng như thiết kế tối ưu BXT để đạt năng suất và hệ số 
biến đổi nhiên liệu tạo khí giàu hydro cao nhất. 
2.3.3 Biểu thức tốc độ động học phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 
2.3.3.1 Giới thiệu chung 
 Trong quá trình phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu, trong BXT xảy ra 
đồng thời nhiều quá trình như phản ứng hóa học, hấp thụ và khếch tán của các thành phần 
khí. Các phản ứng hóa học và sự hấp thụ và giải phóng của các của các chất tham gia phản 
ứng và thành phần sản phẩm diễn ra trên lớp hoạt tính của vật liệu xúc tác, quá trình 
khuếch tán của các thành phần khí diễn ra giữa các pha trong khối khí (trong vùng xúc tác 
phản ứng và giữa khối khí và vùng phản ứng). Các hiện tượng này đều có quan hệ qua lại 
và ảnh hưởng lẫn nhau. 
 Rõ ràng là năng suất tạo khí giàu hydro và hàm lượng hydro trong sản phẩm của quá 
trình phản ứng nhiệt hóa biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ động học của 
các phản ứng, tốc độ hấp thụ và khuếch tán của các thành phần khí trong BXT. Nếu tốc độ 
khuếch tán diễn ra chậm hơn so với tốc độ hấp thụ và tốc độ phản ứng hóa học của các 
thành phần khí trên bề mặt xúc tác thì năng suất tạo khí giàu hydro phụ thuộc chủ yếu vào 
tốc độ khuếch tán. Ngược lại nếu tốc độ khuếch tán lớn hơn tốc độ hấp thụ và tốc độ phản 
ứng hóa học thì năng suất tạo khí giàu hydro của BXT phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ hấp 
thụ và phản ứng hóa học. 
 Tốc độ khuếch tán của các thành phần tham gia phản ứng và thành phần sản phẩm 
 - 46 - 
giữa dòng khí và khu vực phản ứng trong BXT phụ thuộc nhiều vào đặc điểm của các phẩn 
tử xúc tác và điều kiện làm việc của BXT (lưu lượng hỗn hợp các thành phần tham gia 
phản ứng và nhiệt độ BXT). Trong thực tế, các điều kiện này thường được tối ưu hóa khi 
tính toán thiết kế BXT để vấn đề khuếch tán không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất làm 
việc của BXT. Ví dụ, người ta luôn tạo ra diện tích bề mặt xúc tác lớn, độ xốp của phần tử 
xúc tác cao, tốc độ không gian (tỷ số giữa lưu lượng thể tích hỗn khí trong BXT và thể tích 
phần tử xúc tác) không quá lớn. Các nghiên cứu cho thấy với tốc độ không gian không quá 
30.000/h thì lưu lượng hỗn hợp khí gần như không ảnh hưởng đến tỷ lệ biến đổi nhiên liệu 
(phần trăm nhiên liệu cấp vào được biến đổi) của BXT [41]. Do đó, vấn đề cần quan tâm là 
tốc độ hấp thụ và phản ứng hóa học của các thành phần. Tốc độ phản ứng lại phụ thuộc rất 
nhiều vào tốc độ hấp thụ các thành phần tham gia phản ứng trên bề mặt xúc tác [42, 47]. 
Do đó, khi nói về tốc độ động học của phản ứng của các thành phần hóa học có sự tham 
gia của vật liệu xúc tác rắn người ta hiểu tốc độ này được tính đến ảnh hưởng của cả tốc độ 
phản ứng hóa học thuần túy và tốc độ hấp thụ của các thành phần trên bề mặt xúc tác trong 
vùng phản ứng. 
 Như vậy, năng suất tạo khí giàu hydro của BXT phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ động 
học của phản ứng hóa học trong BXT. Do đó, để tính toán được năng suất hay có cơ sở 
nghiên cứu tối ưu quá trình biến đổi nhiệt hóa biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu trong BXT 
cũng như thiết kế tối ưu BXT, cần phải xác định biểu thức giải tích biểu diễn tốc độ động 
học của các phản ứng. 
 Tốc độ động học của phản ứng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như hàm lượng và 
năng lượng kích hoạt phản ứng của thành phần chất tham gia phản ứng (năng lượng để 
vượt hàng rào thế năng phân tử), cơ chế và đặc điểm xúc tác của vật liệu xúc tác, nhiệt độ 
môi trường phản ứng và một số nhân tố khác. Các ảnh hưởng này có tác động qua lại với 
nhau, khó có thể định lượng một cách riêng rẽ được. Do đó, biểu thức tốc độ động học 
phản ứng chỉ có thể xác định được dựa trên nghiên cứu thực nghiệm kết hợp phân tích lý 
thuyết [75]. Nói chung các biểu thức biểu diễn tốc độ động học phản ứng thường có dạng 
Langmuir-Hinshelwood [42, 47]. Quy trình xác định một biểu thức tốc độ động học phản 
ứng có thể gồm các bước sau [42, 75]: 
 - Dựa vào đặc điểm các phản ứng hóa học để sơ bộ đưa ra các biểu thức tốc độ, trong 
đó có các hệ số và hằng số chưa biết; 
 - Tiến hành thực nghiệm ở các điều kiện nhất định, đo hàm lượng thành phần chất 
tham gia phản ứng và thành phần sản phẩm; 
 - Phân tích toán học, khái quát hóa kết quả đo theo quy luật biểu diễn bởi các biểu 
thức tốc độ đã chọn sơ bộ để xác định các hằng số và hệ số trong biểu thức; 
 - Thực hiện nghiên cứu mô hình hóa quá trình phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa 
nhiên liệu trong một BXT cụ thể và so sánh kết quả tính toán hàm lượng sản phẩm và hệ số 
biến đổi nhiên liệu với kết quả thực nghiệm, nếu trùng khớp với sai lệc trong phạm vi cho 
phép là được. 
 Trong quá trình xây dựng biểu thức tốc độ động học phản ứng, các nhà nghiên cứu 
 - 47 - 
có thể có các quan điểm và cách lập luận khác nhau về cơ chế phản ứng xúc tác, dẫn đến 
các giả thiết khác nhau nên có thể đưa ra các dạng biểu thức tốc độ động học phản ứng 
khác nhau khi biểu diễn cùng một loại phản ứng [47, 70]. Tuy nhiên, các biểu thức đó đều 
được cụ thể hóa dựa trên các số liệu thực nghiệm. Do đó, để có thể áp các biểu thức tốc độ 
này để nghiên cứu các quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu trong điều kiện cụ thể nào đó 
cần chú ý các điều kiện hiệu chỉnh mà nhà nghiên cứu đưa ra. 
 Có rất ít các nghiên cứu cơ bản với nhiên liệu xăng thương mại để đưa ra các biểu 
thức tốc độ động học của các phản ứng biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu này. Tuy nhiên, 
các nhà nghiên cứu đều cho rằng cơ chế phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu 
hydro các bon có tính tương đồng. Do đó, một số nhà nghiên cứu đã phát triển các biểu 
thức động học phản ứng của một nhiên liệu hydro các bon trên cơ sở các biểu thức đã được 
phát triển cho một nhiên liệu hydro các bon khác bằng cách hiệu chỉnh các hệ số và hằng 
số trong các biểu thức này theo số liệu nghiên cứu thực nghiệm đầy đủ của nhiên liệu đang 
cần nghiên cứu [60, 72]. 
 Liming Shi và cộng sự [60] đã phân tích liệu thực nghiệm quá trình phản ứng biến 
đổi nhiệt hóa biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu isooctane và cho rằng các biểu thức tốc độ động 
học của các phản ứng biến đổi nhiệt hóa SR của nhiên liệu mê tan của Numaguchi và cộng 
sự [70] có thể áp dụng nghiên cứu quá trình biến đổi nhiệt hóa SR của xăng. Kết quả mô 
hình hóa của các tác giả này về quá trình biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu xăng trong BXT 
SR cho kết quả phù hợp với thực nghiệm. 
 Xu và Froment [47] khi nghiên cứu phản ứng động học của quá trình SR của nhiên 
liệu mê tan và đưa ra các biểu thức tốc độ động học phản ứng cũng chỉ ra rằng các biểu 
thức tốc độ phản ứng đó cũng có thể sử dụng cho các nhiên liệu hydro các bon khác. 
Pacheco và cộng sự [72] đã nghiên cứu thực nghiệm quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu 
xăng và hiệu chỉnh các hằng số và hệ số trong biểu thức tốc độ động học phản ứng SR của 
Xu và Froment [47] và tốc độ động học phản ứng PO của Jin và cộng sự [48] để đưa ra các 
biểu thức tốc độ động học phản ứng biến đổi nhiệt hóa cho xăng isooctane. Tác giả cũng đã 
chỉ ra rằng các biểu thức tốc độ động học phản ứng này có thể áp dụng cho các nhiên liệu 
hydro các bon nặng khác, kể cả nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, các hằng số động học của 
biểu thức tốc độ phản ứng có thể được điều chỉnh để phù hợp với kết quả thực nghiệm khi 
thay đổi thành phần chất xúc tác. 
2.3.3.2 Biểu thức tốc độ động học phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 
 Trong môi trường xúc tác ở nhiệt độ đủ lớn và có mặt cả nhiên liệu xăng, hơi nước 
và ô xy thì sẽ đồng thời xảy ra các phản ứng của quá trình PO và SR với các tốc độ khác 
nhau. Tốc độ của các phản ứng không những phụ thuộc vào đặc điểm chất xúc tác mà còn 
phụ thuộc vào hàm lượng các chất thành phần và nhiệt độ BXT. 
 Đối với quá trình ô xi hóa không hoàn toàn PO và biến đổi nhiệt hóa SR của nhiên 
liệu xăng trong môi trường vật liệu xúc tác ni ken trên nền vật liệu mang alumina Al2O3, 
các biểu thức tốc độ động học phản ứng xúc tác được xây dựng bởi Pacheco và cộng sự 
[72] rất phù hợp để áp dụng. Các biểu thức tốc độ động học phản ứng này hiện được nhiều 
nhà nghiên cứu sử dụng trong nghiên cứu các quá trình SR, PO và ATR cho tất cả các loại 
 - 48 - 
nhiên liệu hydrocarbon thể lỏng. Các biểu thức tốc độ động học của các phản ứng này như 
sau: 
 1. Phản ứng ô xi hóa hoàn toàn nhiên liệu: 
 C8H18 + 12,5O2 8CO2 + 9H2O 
 R k P P (2.27) 
 1 1iC 8 O 2
 2. Phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước tạo CO và H2: 
 C8H18 + 8H2O 8CO + 17H2 
 3
 k PPPPKiC82 H O H C O /
 R 2 22 (2.28) 
 2 2 .5 2
 PKPKPKPKPPH(1 COCO HH iCiC 8 8 HOHO / H )
 2 2 2 2 2 2
 3. Phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với CO2 tạo CO và H2: 
 C8H18 + 8CO2 16CO + 9H2 
 PP22
 COH 2
 R3 k 3 PiC 8 P C O 1 (2.29) 
 2 
 KPP38iC C O
 2
 4. Phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước tạo CO2 và H2: 
 C8H18 + 16H2O 8CO2 + 25H2 
 24
 k PPPPKiC84 H O H C O /
 R 4 2 2 2 (2.30) 
 4 3 ,5 2
 pH(1 KCOCO P K HH P K iCiC 8 P 8 K HOHO P / P H )
 2 2 2 2 2 2
 5. Phản ứng water-gas shift: 
 CO + H2O CO2 + H2 
 k PPPPK /
 5 COHOHCO2 2 2 5
 R (2.31) 
 5 2
 pH(1 KCOCO P K HH P K iCiC 8 P 8 K HOHO P / P H )
 2 2 2 2 2 2
 Trong các biểu thức tốc độ phản ứng nói trên: 
 - R1 đến R5 ( mol/(g cat s )) là tốc độ động học của các phản ứng nhiệt hóa của thành 
phần khí đầu tiên trong phương trình phản ứng tương ứng. 
 - P , P , PCO, v.v... là áp suất riêng của các chất thành phần tham gia phản ứng và 
 iC 8 O 2
thành phần sản phẩm tương ứng như C8H18, O2, CO, v .v.. và được xác định bằng tích số 
của thành phần thể tích và áp suất khí trong BXT. 
 E j
 RT
 - kk jj o e ứng với j =1-5 là hằng số động học của các phản ứng hóa học tương 
ứng, trong đó, koj và Ej (kJ/mol) tương ứng là các hằng số động học và năng lượng kích 
 - 49 - 
hoạt phản ứng được cho trong Bảng 2.3 [72]; R (kJ/mol.K) là hằng số khí; T (K) là nhiệt độ 
khí tại khu vực phản ứng và cũng chính là nhiệt độ bề mặt xúc tác; 
 - Kj ứng với j = 2 – 5 là hằng số cân bằng của các phản ứng j và được chỉ ra trong 
Bảng 2.4 [47, 72]; 
 H i
 RT
 - KKii o e (với i = C8H18, CO, H2, CH4, H2O) là hằng số hấp thụ của các 
thành phần khí i và được chỉ ra trong Bảng 2.5 [47, 72]. 
 E j
 Bảng 2.3 Các hằng số động học phản ứng RT [84] 
 kkjj o e
 Phản ứng j Hằng số động học kj koj Ej (kJ/mol) 
 2 8
 1. Ô xi hóa hoàn toàn nl k1 (mol/(gcat s bar ) 2,58 10 166,0 
 0,5 9
 2. SR tạo CO và H2 k2 (mol bar /(gcat s)) 2,61 10 240,1 
 2 -5 
 3. CR tạo CO và H2 k3 (mol/(gcat s bar ) 2,78 10 23,7 
 0,5 7 
 4. SR tạo CO2 và H2 k4 (mol bar /(gcat s)) 1,52 10 243,9 
 1
 5. Hấp thụ CO tạo H2 k5 (mol/(gcat s bar)) 1,55 10 67,1 
 Bảng 2.4 Các hằng số cân bằng [47, 72] 
 Phản ứng j Equilibrium constant Kej 
 1. Ô xi hóa hoàn toàn nl - 
 12 2
 2. SR tạo CO và H2 5.75 10 exp(-11476/T) (bar ) 
 10 2
 3. CR tạo CO và H2 2.53 10 exp(-21646/T) (bar ) 
 10 2
 4. SR tạo CO2 và H2 7.24 10 exp(-21646/T) (bar ) 
 -2
 5. Hấp thụ CO tạo H2 1.26 10 exp(4639/T) 
Bảng 2.5 Các hằng số hấp thụ [47, 72] 
 –1
 Khí Koi (bar ) Hi (kJ/mol) 
 -4
 C8H18 6,65 10 -38,28 
 CO 8,23 10-5 -70,65 
 -9
 H2 6.12 10 -82,9 
 5
 H2O 1.77 10 bar 88,68 
 - 50 - 
 Đơn vị thứ nguyên của các tốc độ động học phản ứng R1 (2.27) đến R5 (2.31) được 
tính theo m o l/(gcat s ) là số môn của chất tham gia phản ứng thứ nhất trong phương trình 
phản ứng tương ứng bị mất đi (bị tiêu thụ) trong một giây ứng với 1 gram chất chất xúc tác 
ni ken. Tốc độ này cũng có thể được tính trên một đơn vị diện tích bề mặt xúc tác vì diện 
tích xúc tác tỷ lệ với khối lượng của chất xúc tác như ví dụ ở Bảng 2.3. 
 Các biểu thức tốc độ động học phản ứng và hằng số động học nói trên được NCS sử 
dụng trong tính toán lý thuyết các quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 
tạo khí giàu H2 trong luận án này. 
2.4 Tốc độ thay đổi hàm lượng thành phần khí trong BXT 
 Tốc độ tiêu thụ hoặc sinh ra của mỗi thành phần trong mỗi phản ứng biến đổi nhiệt 
hóa (2.27) đến (2.31) nói trên đều tỷ lệ với tốc độ tiêu thụ của chất tham gia phản ứng thứ 
nhất. Đối với các phản ứng một chiều và các phản ứng thuận nghịch với xúc tác chiều 
thuận tốt, nồng độ các chất tham gia phản ứng giảm dần còn nồng độ các thành phần sản 
phẩm thì tăng dần. 
 Tốc độ mất đi của các chất tham gia phản ứng thứ 2 trong mỗi phản ứng hóa học 
biểu diễn bởi các phương trình (2.27) đến (2.31) được tính bằng tích của tốc độ mất đi của 
chất thứ nhất với tỷ lệ thể tích của chất tham gia phản ứng thứ 2 so với chất phản ứng thứ 
nhất. Ví dụ, tốc độ tiêu thụ nước H2O trong phản ứng (2.28) là 8R2, tốc độ tiêu thụ CO2 
trong phản ứng (2.29) là 8R3 và tính tương tự đối với các chất thứ 2 trong các phản ứng 
khác. 
 Tương tự, tốc độ sinh ra của mỗi chất thành phần trong sản phẩm trong mỗi phản 
ứng hóa học biểu diễn bởi các phương trình (2.27) đến (2.31) được tính bằng tích của tốc 
độ mất đi của chất tham gia phản ứng thứ nhất với tỷ lệ thể tích của chất tạo thành so với 
chất phản ứng thứ nhất. Ví dụ, tốc độ sinh ra H2O trong phản ứng (2.27) là 9R1, tốc độ sinh 
ra H2 trong phản ứng (2.28) là 17R2 và tính tương tự đối với các chất sinh ra khác trong 
mỗi phản ứng. 
 Trong mỗi phản ứng biến đổi nhiệt hóa, với quy ước tốc độ sinh ra của một chất 
mang dấu “+” và tốc độ mất đi mang dấu “-“ thì tốc độ thay đổi hàm lượng của một thành 
phần khí trong BXT được xác định bằng cách cộng đại số tốc độ phản ứng của thành phần 
đó trong toàn bộ 5 phản ứng trên. Theo nguyên tắc này, tốc độ thay đổi hàm lượng của các 
khí thành phần trong quá trình phản ứng trong BXT được xác định như sau: 
 riC 8 R 1 R 2 R 3 R 4 (2.32) 
 r 8 R 8 R 8 R R (2.33) 
 C O2 1 3 4 5
 r 9 R 8 R 1 6 R R (2.34) 
 H2 O 1 2 4 5
 rC O 8 R 2 1 6 R 3 R 5 (2.35) 
 r 1 7 R 9 R 2 5 R R (2.36) 
 H2 2 3 4 5
 - 51 - 
 Trong đó ri với i = (iC8, CO2, H2O, CO, H2) là tốc độ thay đổi hàm lượng của thành 
phần khí tương ứng C8H18, CO2, H2O, CO và H2. 
 Theo các biểu thức (2.32) đến (2.36) tốc độ thay đổi của các thành phần chất tham 
gia phản ứng và thành phần sản phẩm biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ 
của các phản ứng hóa học trong BXT, tức là cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và tỷ lệ 
thành phần hay hàm lượng các chất trong BXT. Các đại lượng này lại phụ thuộc vào đặc 
điểm quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong BXT. Do đó, để tính toán được hàm 
lượng các thành phần sản phẩm của quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu, cần mô hình 
hóa quá trình phản ứng xúc tác, quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong BXT bằng 
các phương trình mô tả các quá trình này với các điều kiện biên xác định và giải các 
phương trình đó. 
2.5 Kết luận chương 2 
 Trên cơ sở phần nội dung đã trình bày ở trên, có thể rút ra một số kết luận tóm tắt 
chương 2 như sau: 
 1. 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. 
 2. 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. 
 3. Biểu thức tốc độ động học phản ứng và các hằng số động học phụ thuộc vào loại 
vật liệu xúc tác nên thường được các nhà nghiên cứu xây dựng dựa trên các kết quả nghiên 
cứu thực nghiệm. 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. 
 4. 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: 
 - Xác định các phương trình phản ứng hóa học và các biểu thức tốc độ động học 
phản ứng; 
 - 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; 
 - Giải bài toán trên để xác định các hàm lượng thành phần sản phẩm và các nhân tố 
ảnh hưởng. 
 - 52 - 
 CHƯƠNG 3. 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 
 Mục đích của việc tính toán lý thuyết sự tạo khí giàu hydro trong BXT biến đổi nhiệt 
hóa nhiên liệu xăng tận dụng nhiệt khí thải là để: 
 - 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 
 Theo các nghiên cứu về cân bằng nhiệt của ĐCĐT, với nhiệt độ trung bình của khí 
thải tại cửa thải của động cơ có thể đến trên 900oC thì tổn thất nhiệt do khí thải của động 
cơ mang đi khá lớn, có thể chiếm 30% đến 50%, trung bình khoảng 35% tổng nhiệt lượng 
của nhiên liệu tiêu thụ [5]. Do đó, từ lâu người ta đã cố gắng nghiên cứu tận dụng một 
phần nhiệt khí thải để có thể trực tiếp tăng hiệu suất có ích của động cơ hoặc gián tiếp tăng 
hiệu suất sử dụng nhiên liệu. 
 Hình 3.1 Các thành phần cân bằng nhiệt của đông cơ đốt trong (ĐCĐT) 
 Phương pháp tận dụng nhiệt khí thải để trực tiếp tăng hiệu suất nhiệt có ích của động 
cơ là bằng cách nào đó đưa một phần nhiệt khí thải trở lại để sinh công trong xy lanh động 
cơ. Một số phương pháp xưa nay đã được thực hiện gồm tận dụng nhiệt khí thải để sấy 
nóng nhiên liệu, đặc biệt là đối với động cơ chạy nhiên liệu cồn và nhiên liệu nặng. Việc 
sấy nóng nhiên liệu sẽ giúp quá trình bay hơi và hòa trộn hỗn hợp tốt hơn nên cải thiện 
được hiệu quả quá trình cháy và do đó tăng được hiệu suất động cơ. Một cách khác là tận 
dụng năng lượng khí thải để chạy turbin phát điện cung cấp điện cho các thiết bị phụ của 
động cơ như bơm dầu, bơm nước, quạt gió. Nhờ đó mà các thiết bị này không phải tiêu tốn 
năng lượng trực tiếp từ công suất trên trục động cơ nên công suất có ích và hiệu suất có ích 
 - 53 - 
của động cơ tăng. Một cách nữa là tận dụng năng lượng khí thải để chạy turbine tăng áp để 
tăng công suất và hiệu suất động cơ. Sơ đồ Hình 3.1 giới thiệu các thành phần cân bằng 
nhiệt của một động cơ có tận dụng nhiệt khí thải để trực tiếp nâng cao hiệu suất có ích của 
động cơ. Sơ đồ cho thấy tận dụng nhiệt khí thải theo cách trực tiếp này có thể tăng hiệu 
suất động cơ thêm đến 11%, từ 30% lên 41%, trong khi tổn thất nhiệt khí thải giảm từ 35% 
xuống còn 24%. 
 Phương pháp tận dụng nhiệt khí thải để gián tiếp nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên 
liệu của động cơ đã được thực hiện từ lâu. Các phương pháp thường gặp là sử dụng bộ trao 
đổi nhiệt khí thải để sưởi ấm ca bin ô tô hay khoang tàu, tận dụng nhiệt khí thải cho các nồi 
hơi để sản xuất hơi nước hay chạy máy phát điện để cung cấp điện phục vụ thắp sáng và 
các tiện ích khác trên tàu mà không phải trích năng lượng trực tiếp từ công suất động cơ 
cho các dịch vụ này.