TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ô nhiễm không khí là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất tại các đô thị, đặc biệt ở các nước đang phát triển Nghiên cứu cho thấy, việc phơi nhiễm bụi mịn với nồng độ trung bình năm vượt quá 50 µg/m³ tại 126 thành phố trên thế giới có thể dẫn đến khoảng 130.000 ca tử vong sớm Chất lượng không khí, đặc biệt là không khí đô thị, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó nguồn khí thải từ công nghiệp và động cơ đốt trong ô tô đóng vai trò quan trọng Các khí thải này, bao gồm CO, NOx và HC, gây tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt ở những khu vực có mật độ xe cộ cao Khí CO có thể gây ra triệu chứng thiếu oxy, ảnh hưởng đến sức khỏe, năng suất lao động và sinh hoạt của con người Theo aqicn.org, Việt Nam nằm trong top 10 quốc gia có mức ô nhiễm không khí cao nhất.
Tổ chức Air Visual đã công bố Hà Nội là thành phố có mức ô nhiễm nhất thế giới
Quá trình khai thác và sử dụng nguồn nguyên liệu luôn gắn liền với sự phát triển xã hội, đồng thời cũng là nguyên nhân gây ra nhiều biến động chính trị Từ cuối thế kỷ 19, dầu mỏ đã trở thành tác nhân chính trong các cuộc tranh giành quyền lực, dẫn đến những cuộc khủng hoảng kinh tế toàn cầu và hai cuộc chiến tranh thế giới trong thế kỷ 20.
Từ năm 1970, sự gia tăng đột ngột giá dầu đã dẫn đến một cuộc khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng trên toàn cầu, đặc biệt ở các nước công nghiệp phát triển Giá dầu ngày nay không chỉ là mối quan tâm thường xuyên mà còn ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế toàn cầu, khi mà hầu hết các ngành công nghiệp đều phụ thuộc vào nguồn tài nguyên này Thực tế cho thấy, dầu mỏ sẽ tiếp tục là động lực chính cho sự vận hành của thế giới cho đến khi nhân loại tìm ra nhiên liệu thay thế hoàn toàn Việt Nam, với việc nhập khẩu 100% sản phẩm tinh chế từ dầu thô, cũng chịu tác động sâu sắc từ những biến động trong ngành dầu mỏ và phụ thuộc nhiều vào các nhà cung cấp nước ngoài.
Giá xăng và nhiên liệu tăng cao ảnh hưởng nghiêm trọng tới nền kinh tế quốc gia và đời sống của người dân
Hiện tượng nóng lên toàn cầu là một trong những thách thức lớn mà cộng đồng khoa học đang phải đối mặt, với nguyên nhân chính là sự gia tăng nồng độ khí thải trong khí quyển Các nhà máy công nghiệp và ô tô là nguồn phát thải chính, do quá trình đốt cháy nhiên liệu để tạo năng lượng Khí thải bao gồm các khí như HC, NOX, O2, CO và CO2 HC, hay hydrocacbon, là nhiên liệu chưa được đốt cháy và có thể gây hại khi hít phải NOX, các oxit của Nitơ, thường xuất hiện trong điều kiện không khí nén và nhiệt độ cao O2 được đo để đánh giá các đặc tính đốt cháy của động cơ, trong khi CO và CO2 lần lượt là cacbon monoxit và cacbon đioxit, với CO có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe và CO2 góp phần vào hiệu ứng nhà kính Động cơ xe thường gặp vấn đề với lượng HC cao do nhiều yếu tố như thời gian cháy chậm và bộ chuyển đổi xúc tác kém, trong khi NOX thường thấp hơn ở động cơ có độ nén cao hơn Việc sử dụng van lưu hồi khí thải (EGR) có thể giúp giảm lượng NOX bằng cách làm mát và làm chậm quá trình đốt cháy.
NOX và CO là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất đốt cháy trong động cơ, trong đó tỷ lệ nhiên liệu và không khí đóng vai trò quyết định Mặc dù CO2 cũng là chỉ số khí thải cần lưu ý, nhưng HC và NOX vẫn là những vấn đề lớn nhất hiện nay Bộ chuyển đổi xúc tác có khả năng làm sạch phần lớn khí thải, tuy nhiên, cần được thay thế khi gặp sự cố.
Gần đây, các nhà khoa học đã chuyển sự chú ý của mình sang động cơ với hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu tốt hơn và giảm phát thải, nhằm cải thiện hiệu quả và giảm thiểu tác động đến môi trường.
Việc giảm khí thải động cơ không chỉ mang lại lợi ích môi trường mà còn giúp tiết kiệm chi phí cho người tiêu dùng Một trong những giải pháp hiệu quả và phổ biến hiện nay là sử dụng khí điện phân hydrogen (HHO) để pha trộn với nhiên liệu Phương pháp này giúp nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn, giảm thiểu khí thải độc hại như CO và NOx, đồng thời tăng hiệu suất động cơ từ 20-30% và tiết kiệm đến 30% nhiên liệu Nghiên cứu từ các nhà khoa học Ấn Độ và Nga cho thấy HHO có thể giảm đến 90% khí thải CO và cải thiện công suất động cơ từ 3-10%, mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho người sử dụng.
Bài báo cáo này sẽ trình bày lý thuyết về quá trình cháy trong động cơ và quá trình điện phân nước để sản xuất khí HHO, cùng với khả năng ứng dụng khí HHO làm phụ nhiên liệu cho động cơ xăng Những thông tin này sẽ là cơ sở cho việc tính toán và thực nghiệm trên mô hình động cơ xe gắn máy nhằm giảm lượng khí thải HC và CO.
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Điện phân dumg dịch kiềm Điện phân nước kiềm được biết đến là quá trình chính của phản ứng tách nước Các ứng dụng quân sự liên quan đến việc sử dụng đồng vị hydro đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ Các nhà máy điện phân nước nặng và sản xuất đơteri đầu tiên được xây dựng ở Na Uy Ngày nay, một số công ty đang sản xuất máy điện phân kiềm để sản xuất hydro cấp điện phân: NEL hydrogen (một bộ phận trước đây của Norsk Hydro Co., Na Uy); Hydrogenics Corporation (đã mua lại Stuart Energy Systems Corp vào năm 2005);
Teledyne Energy Systems, Inc., a subsidiary of Teledyne Technologies Inc based in Maryland, USA, alongside Russian company Uralkhimmash and Italian firm De Nora, specializes in the production of electrolytic cells for chlorine production These companies are recognized for their industrial systems' manufacturing capabilities.
5 - 500 Nm 3 H2 / h Hiện nay ngành công nghiệp đã phát triển các bộ điện phân có thể cung cấp lên tới khoảng 670 Nm 3 /h
Hình 2.1 Máy điện phân của Công ty Cổ phần “Uralkhimmash” SEU-40 (a) và FV-500 (b)
1.2.2 Điện phân công nghệ màng lọc PEM
Hiện nay, Hamilton Sundstrand (Mỹ), Proton OnSite (Mỹ) và Yara (Na Uy) là những nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực máy điện giải PEM nước công nghiệp Các công ty này cung cấp máy điện phân hoạt động dưới áp suất tối đa 2,8 MPa, với công suất lên đến 26 m³/h và có khả năng lắp đặt hệ thống điện phân với tổng công suất 260 m³/h.
Hình 1.2 Máy điện phân PEM HOGEN S
Series by Proton OnSite Năng suất 1m 3 H 2 /h; tiêu thụ điện năng 5,6-9,0 kWh/m 3 ; điện phân
2,3-3,8 V; áp suất đầu ra 1,4 MPa; kích thước 97x78x10 6 cm 3 ; trọng lượng 215 kg
Máy điện phân PEM của Yara (Norsk Hydro Electrolysers) có năng suất 10 Nm³ H2/h, tiêu thụ điện năng 4,4 kWh/m³, áp suất đầu ra 3.0 MPa và đạt độ tinh khiết hydro 99,9%, với O2 là tạp chất chính.
Công ty H-tec của Đức sản xuất các mẫu thử nghiệm nhỏ của máy điện giải PEM nước phục vụ mục đích giáo dục, trong khi nghiên cứu và phát triển máy điện phân PEM diễn ra ở nhiều quốc gia như Pháp, Nhật Bản và Ấn Độ Chương trình WE-NET của Nhật Bản đã chứng minh khả năng tiến bộ với tế bào có diện tích bề mặt 2500 cm², điện áp hoạt động 1.556 V ở 80°C, mật độ dòng điện 1 A/cm² và hiệu suất chuyển hóa năng lượng đạt 95,1% Hiệu suất này được giải thích nhờ sự gần gũi giữa điện áp điện phân và điện áp nhiệt điện (khoảng 1,48 V) Dự án GenHyPEM của Chương trình Khung Châu Âu lần thứ 6 đã thành công trong việc phát triển thiết bị điện phân PEM tiên tiến với áp suất cao lên đến 5,0 MPa, nhằm cải thiện hiệu quả chuyển khối thông qua việc phát triển màng kín khí mới và chất xúc tác nano hiệu suất cao Tại Nga, nghiên cứu và phát triển hệ thống điện phân PEM nước đã được thực hiện trong hơn 20 năm tại Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia “Viện Kurchatov” và các tổ chức khác.
1.2.3 Ứng dụng nhiên liệu kép trên động cơ sử dụng HHO
Nghiên cứu của nhóm tác giả tại Khoa Cơ khí, Đại học Alexandria (Ai Cập) đã chỉ ra rằng việc bổ sung khí hydroxy (HHO) có ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất và khí thải của động cơ xăng Họ đã xây dựng một hệ thống tạo HHO cải tiến để đánh giá tác động của khí này khi hòa trộn với nhiên liệu xăng Bộ điện phân được thiết kế và tối ưu hóa nhằm đạt năng suất HHO tối đa, với các thông số như số lượng tấm cực, khoảng cách giữa chúng, và loại chất xúc tác như Kali Hydroxit (KOH) và Natri Hydroxit (NaOH) Kết quả cho thấy hiệu suất của động cơ xăng Skoda Felicia 1.3 GLXi được cải thiện khi có sự bổ sung HHO, đồng thời giảm lượng khí thải CO.
HC và NOx được đo bằng máy phân tích khí thải TECNO TEST TE488 Kết quả cho thấy năng suất tối đa của khí HHO từ tế bào đạt 18 L/h khi sử dụng hai tấm cực cách nhau 1 mm và nồng độ KOH là 6 g/L Ngoài ra, kết quả cũng chỉ ra hiệu suất nhiệt của động cơ.
6 cơ xăng tăng 10%, tiêu thụ nhiên liệu giảm 34%, CO giảm 18%, HC giảm 14% và NOx giảm 15%
Nghiên cứu của nhóm tác giả Balaji Subramanian, Venugopal Thangavel - Trường
Bài báo từ Kỹ thuật Cơ khí, Học viện Công nghệ Vellore, Chennai, Ấn Độ, nghiên cứu về "Phân tích hệ thống tạo khí HHO" thông qua quá trình điện phân Nghiên cứu đã thực hiện phép tính số để dự đoán sản xuất khí HHO, cho thấy máy điện phân có khả năng tạo ra tối đa 0,75 LPM khí HHO ở 80 °C với 40 A-h Kết quả tính toán cho thấy trong điều kiện tương tự, khí HHO có thể đạt 1,3 LPM Xu hướng của thí nghiệm và mô hình đều cho thấy sự tương đồng về thay đổi dòng điện và tốc độ tạo khí HHO Bài báo cũng phân tích ảnh hưởng của các thông số như nồng độ dung dịch điện phân, thời gian và nhiệt độ đến tốc độ sản xuất khí HHO, cùng với năng lượng cần thiết và số lượng mô-đun sản xuất khí HHO cho động cơ.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng nhiên liệu kép hydro – xăng trên động cơ xe gắn máy nhằm giảm thiểu phát thải ra môi trường.
Quá trình điện phân nước để sản xuất HHO dựa trên các cơ sở lý thuyết và tính toán chính xác, yêu cầu lựa chọn vật liệu tối ưu cho bình điện phân Việc xây dựng mô hình điều khiển và kiểm soát quá trình điện phân là cần thiết để đảm bảo đáp ứng các chế độ làm việc của động cơ hiệu quả.
Cơ sở lý thuyết và tính toán các thông số nhiên liệu trong quá trình cháy của động cơ xăng truyền thống và động cơ sử dụng phụ nhiên liệu HHO cho thấy sự khác biệt rõ rệt Động cơ xăng truyền thống có hiệu suất hoạt động nhất định, trong khi động cơ HHO mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải độc hại và cải thiện hiệu suất đốt cháy So sánh hai loại động cơ này cho thấy rằng việc áp dụng phụ nhiên liệu HHO không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
Mô hình động cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu kép xăng và HHO được phát triển nhằm giảm thiểu phát thải Hiệu quả của mô hình này được đánh giá thông qua việc đo lường lượng khí thải động cơ tại Trung tâm đăng kiểm.
Đối tượng và khách thể nghiên cứu
- Quá trình điện phân nước thu HHO, bộ điều khiển điện phân
- Quá trình cháy của động cơ xe máy
- Đặc tính cháy của khí HHO khi nạp vào buồng đốt
- Sản phẩm cháy trước và sau khi nạp khí HHO vào buồng đốt
Nghiên cứu sản xuất khí HHO thông qua phương pháp điện phân nhằm tạo ra nguồn năng lượng sạch Việc ứng dụng khí HHO làm phụ nhiên liệu cho động cơ xe gắn máy không chỉ giúp giảm thiểu lượng khí thải ô nhiễm ra môi trường mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.
Giả thuyết nghiên cứu
Nhiên liệu hydro là một lựa chọn thay thế hiệu quả cho hệ thống nhiên liệu kép trên động cơ xăng, giúp cải thiện hiệu suất và giảm khí thải Hydro được cung cấp dưới dạng hỗn hợp HHO từ bình điện phân, sử dụng năng lượng từ ắc quy Lưu lượng khí HHO được điều chỉnh bởi bộ điều khiển điện phân dựa trên công suất và điều kiện làm việc của động cơ, sau đó được đưa vào đường ống nạp trước bướm ga Việc sử dụng HHO giúp loại bỏ các sản phẩm cháy sót, từ đó giảm thiểu đáng kể khí thải độc hại, đặc biệt là hydrocarbon (HC).
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết và các tính toán: quá trình điện phân, đặc tính cháy của động cơ xăng, định lượng nhiên liệu của động cơ xăng
- Nghiên cứu bộ điều khiển điện phân để kiểm soát lưu lượng khí HHO sinh ra và cung cấp cho động cơ
- Nghiên cứu mô hình động cơ xe gắn máy, tiến hành cung cấp phụ nhiên liệu vào động cơ, sau đó so sánh và đánh giá kết quả.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu và khảo sát đặc tính cũng như hiệu suất của quá trình điện phân là rất quan trọng Bên cạnh đó, việc tham khảo các bài báo khoa học sẽ giúp đưa ra những giải pháp tối ưu nhất cho quá trình điện phân.
- Nghiên cứu ứng dụng phụ nhiên liệu là sản phẩm của quá trình điện phân nước vào động cơ xăng để giảm phát thải
Phương pháp nghiên cứu
1.8.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu lý thuyết, tính toán về quá trình điện phân
Nghiên cứu lý thuyết và tính toán định lượng về quá trình cháy của động cơ cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong lượng khí thải sinh ra khi sử dụng phụ nhiên liệu HHO so với khi không có Việc phân tích này giúp hiểu rõ hơn về hiệu quả của HHO trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Cung cấp phụ nhiên liệu HHO và đường ống nạp trước cánh bướm ga
1.8.3 Phương pháp khảo sát thực nghiệm
- Khảo sát lượng HHO sinh ra ở các chế độ hoạt động của xe
- Khảo sát lượng khí thải trước và sau khi cung cấp phụ nhiên liệu
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khả năng ứng dụng
để giảm phát thải ra môi trường
Sức ép về môi trường và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch hiện nay đang đặt ra thách thức lớn cho toàn cầu trong việc giảm ô nhiễm và tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo Theo Cơ quan Năng lượng thế giới (IEA), công nghệ nhiên liệu hydro có khả năng giảm ô nhiễm khí thải từ động cơ xăng Nhiên liệu hydro được ưa chuộng nhờ vào đặc tính giảm ô nhiễm, nguồn nguyên liệu dồi dào từ nước, và hiệu suất động cơ vượt trội Nó có thể được sử dụng kết hợp với xăng thông qua nhiều phương pháp kỹ thuật khác nhau trong hệ thống nhiên liệu kép.
Hydro có thể được sản xuất từ nhiều nguồn như khí thiên nhiên, dầu, than đá và điện phân nước Trong số các phương pháp này, điện phân nước có chi phí thấp nhất và đang thu hút sự chú ý nhờ vào việc ứng dụng nguồn năng lượng tái tạo Công nghệ này không chỉ sạch mà còn tiết kiệm chi phí, làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn trong sản xuất hydro.
Nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong có hai dạng chính: hydro nguyên chất và hỗn hợp hydro-oxy (HHO), với HHO được sản xuất qua phương pháp điện phân Cả hai dạng nhiên liệu này có tính chất tương tự, tuy nhiên, so với xăng, nhiên liệu hydro có năng lượng đánh lửa thấp hơn 12,5 lần, tốc độ cháy nhanh hơn 4,3 lần, và nhiệt độ cháy cùng nhiệt độ ngọn lửa cao hơn Ngoài ra, hệ số nhiệt trị và nhiệt trị của hydro cũng cao hơn gấp 2,7 lần so với xăng.
Bảng 2.1 Tính chất của các nhiên liệu
Giới hạn cháy (%V) 4-75 4-95 1,2-6 Năng lượng đánh lửa (mJ) 2 2 25 Tốc độ cháy (m/s) 1,9 1,87 0,37-0,43 Nhiệt độ tự cháy (K) 858 843 500-750 Nhiệt độ cháy (K) 2933 3073 2282 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 119,96 120,9 44,79
Trong hỗn hợp hòa khí có HHO, tỉ lệ hòa khí được tính theo công thức:
Trong quá trình cháy của HHO trong xylanh động cơ, chỉ có nước và HHO tự cháy được sản sinh mà không cần thêm oxy, dẫn đến AFRHHOst = 0 Điều này có nghĩa là tỉ lệ hòa khí của hỗn hợp nhiên liệu kép HHO-xăng sẽ phụ thuộc vào khối lượng không khí, khối lượng xăng và khối lượng hydro được phun vào xylanh trong 1 giây Tỉ lệ không khí/nhiên liệu lí tưởng của xăng được ký hiệu là AFRgst, trong khi tỉ lệ tương ứng cho HHO là AFRHHOst.
Phương trình (2.2) thể hiện tỉ lệ của hệ thống nhiên liệu xăng, cho thấy rằng việc thêm HHO vào xylanh không làm thay đổi tỉ lệ hòa khí trong hỗn hợp so với động cơ xăng nguyên thủy Điều này có nghĩa là hệ thống điều khiển nhiên liệu không cần điều chỉnh tỉ lệ này, tạo thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng sử dụng HHO trên động cơ xăng truyền thống.
2.1.2 Đánh giá về khả năng ứng dụng nhiên liệu hydro qua tính chất của nhiên liệu
Nhiên liệu hydro có giới hạn cháy cao, giúp mở rộng giới hạn cháy nghèo cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép hydro-xăng Đặc tính này còn cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu khi thêm hydro vào xăng.
Nhiên liệu hydro có tốc độ cháy cao gấp 4,4 lần so với xăng, giúp hỗn hợp cháy nhanh hơn và giảm lượng nhiệt hao phí qua thành xylanh, từ đó tăng hiệu suất nhiệt khi sử dụng hydro trong xăng Ngoài ra, các đặc tính như nhiệt trị cao và nhiệt độ cháy cao cũng đóng góp vào việc nâng cao hiệu suất động cơ.
Tốc độ cháy cao, khả năng cháy nghèo và nhiệt độ ngọn lửa cao có thể tác động tích cực đến việc giảm thiểu các thành phần khí thải như HC và CO, nhưng đồng thời cũng có thể dẫn đến sự gia tăng phát thải NOx.
Mặc dù nhiên liệu kép hydro-xăng có nhiều ưu điểm, nhưng sự không đồng đều trong tốc độ cháy của hai loại nhiên liệu này có thể dẫn đến các vấn đề tiêu cực, như tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt, gây nguy cơ kích nổ Tuy nhiên, hiện tại chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này trên thế giới.
Có hai kiểu hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng được áp dụng: hệ thống nạp hydro sau cánh bướm ga cho động cơ sử dụng bộ chế hòa khí và hệ thống phun nhiên liệu hydro trên đường nạp.
2.1.3 Điều chế hydro bằng phương pháp điện phân nước
Hydro được sản xuất thông qua quá trình điện phân nước, còn được gọi là Hydroxy (HHO) Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về các phương pháp điện phân để sản xuất hydro, bao gồm điện phân kiềm, điện phân sử dụng màng trao đổi proton PEM và điện phân nước ở nhiệt độ cao Tuy nhiên, bài báo này chủ yếu tập trung vào phương pháp điện phân kiềm với mô hình HHO, đặc biệt là ứng dụng trên các phương tiện như ô tô và xe máy.
Trong phương pháp điện phân dung dịch kiềm, nước được điện phân bằng nguồn điện một chiều qua hai điện cực làm từ kim loại trơ như bạch kim hoặc thép không gỉ, trong môi trường H+ với dung dịch KOH Tại điện cực âm, khí H2 được sinh ra do sự hút ion H+, trong khi khí O2 xuất hiện ở điện cực dương nhờ vào sự hút ion O2- Nếu hiệu quả lý tưởng, lượng hydro tạo ra sẽ gấp đôi lượng oxi, và cả hai khí này tỷ lệ thuận với tổng lượng điện được sử dụng trong quá trình điện phân.
Trong nhiều tế bào, phản ứng phụ có thể xảy ra, dẫn đến việc tạo ra các sản phẩm khác nhau và số lượng sản phẩm thường ít hơn so với kết quả lý tưởng.
Nước nguyên chất không dẫn điện do điện trở quá lớn, vì vậy để thực hiện quá trình điện phân nước, cần thêm các chất điện ly mạnh như muối, axit hoặc bazơ KOH và NaOH là những chất điện phân hiệu quả vì chúng là bazơ mạnh, dẫn điện tốt và dễ hòa tan trong nước, đồng thời hấp thụ ion H2, được ứng dụng phổ biến trong sản xuất hydro Các ion K+ và Na+ có tính khử mạnh, giúp tăng tốc quá trình khử tại catot Dòng điện trong chất điện phân là sự dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược lại.
Khối lượng HHO thu được được tính theo công thức Faraday:
- m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)
- A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực
- n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận
- I: cường độ dòng điện trung bình của ắc quy (A)
- F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10 -19 6,022.10 23 ≈ 96500 C.mol -1 ).
Cơ sở lý thuyết về định lượng nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ
Lưu lượng khí nạp được xác định bằng phương pháp tốc độ tỉ trọng, trong đó lưu lượng khối lượng khí nạp được tính toán dựa trên các yếu tố như áp suất và nhiệt độ không khí, tốc độ động cơ, cùng với hiệu suất nạp.
Dung tích xylanh (D) là một yếu tố quan trọng trong hiệu suất động cơ, cùng với hiệu suất nạp (𝜂 𝑣) và lưu lượng khối lượng không khí (𝑚̇ 𝑎) Tốc độ động cơ (n) cũng ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể, bên cạnh lưu lượng khối lượng khí luân hồi (𝑚̇ 𝐸𝐺𝑅) Các thông số như 𝑑 0, 𝑝 0, và 𝑇 0 cần được xem xét để tối ưu hóa hoạt động của động cơ.
Mật độ, áp suất và nhiệt độ không khí tại điều kiện chuẩn được ký hiệu là 13 lượt, p và T, trong khi áp suất và nhiệt độ không khí tại điều kiện thực tế được ký hiệu là p và T lần lược Hiệu suất nạp được xác định với giá trị 𝜂 𝑣 = 1.
Trong động cơ, các yếu tố quan trọng bao gồm tỉ số nén ε, áp suất khí nạp trước xupap nạp (Pk), nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk), và áp suất cuối quá trình nạp (Pa) Ngoài ra, độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (ΔT), hệ số nạp thêm λ1, hệ số quét buồng cháy λ2, và hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt cũng đóng vai trò quan trọng Cuối cùng, áp suất khí sót (Pr) và chỉ số giãn nở đa biến trung bình (m) là những yếu tố không thể thiếu trong quá trình tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Lượng nhiên liệu phun vào động cơ được tính toán thông qua tỉ lệ hòa khí AFR và chế độ hoạt động của động cơ:
𝑇 (𝐴𝐹𝑅) 𝑑𝑚 (2.7) Đối với động cơ không trang bị hệ thống luân hồi khí thải:
𝑇 (𝐴𝐹𝑅) 𝑑𝑚 (2.8) Đây là phương trình xác định lưu lượng nhiên liệu trên động cơ xăng truyền thống
2.2.2 Quá trình cháy trong động cơ Áp dụng Định luật nhiệt động học thứ nhất để khảo sát một lượng môi chất m đi qua hệ thống Hóa năng tỏa ra do quá trình cháy trong động cơ được tính theo biểu thức:
Trong đó: m: khối lượng môi chất, 𝑛 𝑖 là số mol của môi chất i trong một đơn vị khối lượng của môi chất công tác, ∆ℎ̃ 0
𝑓,𝑖 enthalpi hình thành của môi chất i trong môi trường TA và áp suất 𝑝 0
Công cực đại của động cơ được xác định dựa trên Định luật nhiệt động học thứ hai cho hệ thống hở Trong đó, nhiên liệu được coi là đồng nhất và được gọi chung là môi chất m Khi xem xét lượng môi chất m đi qua hệ thống, Định luật bảo toàn năng lượng cung cấp những thông tin quan trọng về hiệu suất hoạt động của động cơ.
Trong quá trình cháy đẳng áp, công có ích truyền cho bên ngoài được ký hiệu là ∆Wu, trong khi ∆𝑊 đại diện cho công trao đổi, và ∆𝑄 là nhiệt lượng trao đổi Nhiệt trị của nhiên liệu được ký hiệu là Q HV.
Hình 2.1 Hệ thống hở dùng để khảo sát động cơ đốt trong
Vì sự truyền nhiệt ∆Q chỉ xay ra đối với môi trường không khí ở nhiêt độ T A , định luật nhiệt động học thứ hai có thể viết:
Kết hợp (2.6) và (2.7) ta có:
Thông thường p 0 = p A và T D – T A Công cực đại nhận được khi p C = p A và T C = T A trong điều kiện đó:
Năng lượng tự do Gibbs được xác định bằng công thức G = H - TS, trong đó (∆𝐺) 𝑇 𝐴 𝑃 𝐴 biểu thị sự thay đổi năng lượng Gibbs trong phản ứng của hỗn hợp nhiên liệu và không khí ở nhiệt độ T A và áp suất p A Giá trị -(∆𝐺) 𝑇 𝐴 𝑃 𝐴, η sẽ đạt cực đại khi quá trình cháy diễn ra hoàn toàn.
Hiệu suất chu trình công tác được xác định thông qua tỷ số giữa công thực tế thu được và công cực đại, được gọi là hiệu suất biến đổi thực tế.
Trong đó: 𝜂 𝑎 là hiệu suất của quá trình công tác ĐỘNG CƠ Khí xả
Việc xác định đại lượng ∆𝐺 đối với nhiên liệu thực tế là rất khó khăn, trong khi đại lượng ∆ℎ thường được xác định thông qua các phép đo Trong các phản ứng đã nêu, H2O tồn tại ở dạng hơi Đối với các hydrocarbon thông thường, giá trị ∆h°298 và ∆g°298 thường rất gần nhau.
Đối với nhiên liệu thực tế, ∆h°298 được xác định bằng cách đo trực tiếp và tính toán từ tích số giữa nhiệt trị của nhiên liệu và khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy Do đó, công riêng phần có thể được định nghĩa qua biểu thức sau đây.
Công riêng phần (W c) tương ứng với lượng nhiên liệu cung cấp (m f) và được tính dựa trên hiệu suất biến đổi nhiên liệu (h f) cùng với nhiệt trị thấp của nhiên liệu (Q LHV) Đối với các nhiên liệu hydrocarbon, công riêng phần trong biến đổi nhiên liệu gần như bằng công riêng phần trong biến đổi thực tế, do Δh°≈Δg°.
Cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân
Trong điều kiện tiêu chuẩn (25 o C (298 0 K), 1bar), phản ứng tách nước được thực hiện như sau:
2O2 (k) Giả sử phản ứng trên là thuận nghịch và thực hiện trong điều kiện đẳng nhiệt, thì khi đó:
Đoạn công thức 𝛥𝐺(𝑇) = 𝛥𝐻(𝑇) − 𝑇 𝛥𝑆(𝑇) mô tả mối quan hệ giữa biến thiên năng lượng tự do Gibbs, enthalpy và entropy trong phản ứng Trong đó, 𝛥𝐻 (J/mol) là hệ số thay đổi enthalpy của phản ứng, có thể đạt đến 2250 °C trong phản ứng tách nước thu nhiệt Biến thiên enthalpy thể hiện tổng năng lượng cần thiết để phân ly nước thành hydro và oxy.
𝑚𝑜𝑙) : sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs
Lượng điện đủ để điện phân 1mol nước ở điều kiện chuẩn:
Điện áp nhiệt động tiêu chuẩn (E 0) có giá trị khoảng 1,229V Ngoài ra, điện áp này cũng có thể được xác định thông qua điện áp nhiệt đẳng áp (ETN), là điện áp cần thiết để quá trình điện phân nước diễn ra ở nhiệt độ không đổi mà không có sự trao đổi nhiệt.
𝑛𝐹 (2.19) Ở nhiệt độ nhỏ hơn 100 0 C, ETN(T) = ∆𝐻(𝑇)
2𝐹=1.48𝑉 Khi điện áp nhỏ hơn E 0 thì phản ứng điện phân sẽ không xảy ra vì không đủ năng lượng
Khi áp dụng hiệu điện thế U trong khoảng E0 < U < ETN, quá trình điện phân có thể xảy ra nhưng cần phải có nhiệt từ môi trường xung quanh Nếu không có nhiệt bổ sung, nhiệt độ của các phân tử điện phân sẽ giảm Tại điện thế tế bào nhiệt hạch, phản ứng phân ly nước diễn ra ở nhiệt độ không đổi mà không có sự trao đổi nhiệt với môi trường Khi điện áp vượt quá điện áp nhiệt điện, quá trình điện phân sẽ tỏa nhiệt và phát thải nhiệt ra môi trường xung quanh.
Các hàm nhiệt động lực học 𝛥𝐻, T.𝛥𝑆 và 𝛥𝐺 đóng vai trò quan trọng trong phản ứng tách nước Sự thay đổi đột ngột của 𝛥𝐻 và T.𝛥𝑆 xảy ra do quá trình hóa hơi của nước từ thể lỏng sang thể hơi.
Hình 2.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của các thông số nhiệt động chính đối với quá trình điện phân nước
Thuật ngữ không thứ nguyên 𝜂TD được định nghĩa là tỷ lệ giữa sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs và sự thay đổi entanpi Tỷ số này có thể được sử dụng để biểu thị phần năng lượng trong các quá trình nhiệt động học.
17 lượng điện cần thiết cho sự tách nước Vì cả 𝛥𝐺 (T) và 𝛥𝐻 (T) đều là hàm của nhiệt độ hoạt động, nên 𝜂TD cũng là hàm của nhiệt độ hoạt động:
Với ETN là điện áp cần thiết để quá trình điện phân xảy ra mà không cần quá trình truyền hay trao đổi nhiệt
E(T) là điện áp tối đa có thể dùng để điện phân nước mà không tỏa nhiệt
Enthalpi của sự phân ly nước không thay đổi nhiều theo nhiệt độ, nhưng sự thay đổi của entropi lại ảnh hưởng lớn đến năng lượng tự do Gibbs và điện áp điện phân Kết quả là, hiệu suất điện năng cần thiết để tách nước giảm khi nhiệt độ tăng.
Biểu thức định lượng điện áp nhiệt động cần thiết để tách nước thành hydro và oxy có thể được suy ra từ công thức Nernst Điện áp E(T) phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động, áp suất riêng phần của các chất phản ứng (PO2, PH2) và hoạt độ nước (aH2O) trong chất điện phân.
2.3.1.2 Động học và hiệu suất Ở trạng thái cân bằng, phản ứng tách nước xảy ra với một tốc độ nhỏ vô hạn Để tách nước thành hydro và oxi, điện áp U đặt vào điện phân phải lớn hơn đáng kể so với điện áp nhiệt động E để cho mật độ dòng điện J đáng kể chạy qua tế bào điện phân
𝑈(𝑗) = 𝐸 + 𝜂 𝑐 (𝑗) + 𝜂 𝑎 (𝑗) + 𝐽𝑅 𝑒𝑙 (𝑗) (2.22) Trong quá trình điện phân, các điện trở chính đối với dòng điện là:
- Quá áp trong quá trình truyền điện tích giữa cực dương/chất điện phân (ηa) và giữa cực âm/chất điện phân (ηc)
- Điện trở suất của chất điện phân Rel
Trường hợp điện phân nước sử dụng chất điện li đậm đặc, các giá trị ηa và ηc sẽ được thể hiện qua phương trình Tafel: η = a + b + ln𝐼 (2.23)
𝛼.𝑛.𝐹 với α = 0,5 là hệ số electron được chuyển do phản ứng chuyển hóa, i0 là mật độ dòng điện trao đổi (A/m 2 )
Theo công thức (2.22), khi nhiệt độ tăng, η giảm, dẫn đến nhiệt độ hoạt động của phân tử điện phân tăng, làm giảm lượng điện tiêu thụ do ∆𝐺 (ηTD) giảm và cải thiện động học tổng thể Ngược lại, η lại tăng khi mật độ dòng J tăng Hiệu suất entanpi 𝜂 𝛥𝐻 được xác định như sau:
Một đặc tính quan trọng khác của phân tử điện phân là hiệu suất dòng điện (faraday):
Thông thường, giá trị 𝜂 𝐹 ≈ 1, tuy nhiên giá trị thật sự thu được thấp hơn đáng kể vì:
- Tiêu thụ năng lượng được sử dụng để điện phân các tạp chất có trong chất điện phân;
- Sự tái hợp tự phát của các sản phẩm phản ứng không được tách ra một cách thích hợp trong quá trình vận hành;
- Tổn thất dòng điện trong quá trình điệm phân
2.3.1.3 Công nghệ chủ yếu trong điện phân nước
Có 2 thông số chính để tiến hành khảo sát điện phân nước là nhiệt độ (đã khảo sát ở mục 2.1.1) và độ pH của chất điện phân
- Đối với thông số nhiệt độ thì ta khảo sát ở 3 trường hợp: nhiệt độ thấp (T
