Mô phỏng và thực nghiệm động cơ xe gắn máy chạy bằng xăng - HHO

Bài viết Mô phỏng và thực nghiệm động cơ xe gắn máy chạy bằng xăng - HHO tập trung phân tích ảnh hưởng của HHO đến phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy. Có thể điều chỉnh góc đánh lửa sớm khi động cơ chạy bằng xăng bổ sung HHO để đảm bảo đạt được mức tăng công suất hợp lý nhưng không làm tăng mức độ phát thải các chất ô nhiễm so với khi chạy bằng xăng.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020 29 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY CHẠY BẰNG XĂNG - HHO SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY ON MOTORCYCLE ENGINE FUELED WITH HHO ENRICHED GASOLINE Bùi Văn Hùng1, Hồ Trần Ngọc Anh1, Phạm Văn Quang2, Bùi Thị Minh Tú3, Trương Lê Bích Trâm3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng; bvhung@ute.udn.vn Trường Đại học Đông Á Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; btmtu@dut.udn.vn Đại học Đà Nẵng; tlbtram@ac.udn.vn Tóm tắt - Khi bổ sung HHO vào xăng hiệu trình cháy cải thiện dẫn đến tăng áp suất nhiệt độ cực đại, giảm phát thải CO HC tăng phát thải NOx Khi giảm góc đánh lửa sớm nồng độ CO tăng nhẹ nồng độ NOx giảm mạnh Khi bổ sung 10% HHO vào xăng góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 5TK so với chạy xăng Ứng với góc đánh lửa sớm tối ưu động chạy xăng bổ sung 10% HHO, cơng chu trình tăng 7% nồng độ NOx tăng 12% so với chạy xăng Đường cong biến thiên nồng độ CO, NOx theo tốc độ động theo thực nghiệm có độ dốc thấp đường cong mơ tương ứng Có thể điều chỉnh góc đánh lửa sớm động chạy xăng bổ sung HHO để đảm bảo đạt mức tăng công suất hợp lý không làm tăng mức độ phát thải chất ô nhiễm so với chạy xăng Abstract - When adding HHO to gasoline, the combustion efficiency is improved, leading to an increase in maximum pressure and temperature, reducing CO and HC emissions but increasing NOx When reducing the advance ignition angle, the concentration of CO increases slightly while the concentration of NOx sharply decreases When adding 10% HHO to gasoline, the optimal advance ignition angle is reduced by 5CA compared to gasoline fueling mode With the optimal advance ignition angle, when adding 10% HHO to gasoline the indicative engine work cycle increases by 7% and the concentration of NOx increases by 12% compared to gasoline operation The experimental curves of variation CO, NOx according to engine speed has a lower slope than the corresponding simulation curves The advance ignition angle of the gasoline-HHO engine can be adjusted to ensure a reasonable increase in power output but does not increase the level of pollutant emissions as compared to gasoline fueling mode Từ khóa - Năng lượng tái tạo; hydroxy; nhiễm khơng khí; động đánh lửa cưỡng Key words - Renewable energy; hydroxy; air pollution; SI engine Giới thiệu Xe gắn máy phương tiện giao thông cá nhân chủ yếu nước ta Trong trình vận hành, phần lớn thời gian xe gắn máy hoạt động chế độ tải thấp, chạy thành phố nên phanh, dừng liên tục Trong điều kiện vậy, hiệu trình cháy thấp phát sinh nhiễm cao Để cải thiện tính cơng tác động bổ sung HHO vào xăng HHO hỗn hợp khí gồm H2 O2 theo tỉ lệ 2:1 Trong điều kiện áp suất khí trời hệ số tương đương =1, HHO cháy nhiệt độ đạt 570°C Năng lượng cần thiết để đánh lửa hỗn hợp 20 µJ HHO sản xuất q trình điện phân nước Nó sử dụng kết hợp với nhiên liệu truyền thống động đốt để cải thiện hiệu tổng thể giảm khí thải [1-2] HHO sản xuất theo yêu cầu sử dụng động cơ, khơng lưu trữ Bình điện phân tạo khí HHO hoạt động động khởi động dừng tắt động Vì bình sinh khí HHO nhỏ gọn, tích hợp xe động tĩnh Do giới hạn cháy H2 rộng nên điều chỉnh hệ số tương đương thay thay đổi lưu lượng hỗn hợp để đạt momen động mong muốn [3] Đây giải pháp hữu hiệu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu phát thải ô nhiễm động hoạt động chế độ tải thấp So sánh ảnh hưởng HHO H2 bổ sung vào xăng đến hiệu suất động trình bày [4-5] Các tác giả kết luận rằng, hỗn hợp nhiên liệu xăng - HHO thể tính gần tương tự hỗn hợp xăng-H2, chí cịn tốt So với hỗn hợp xăng-H2, hỗn hợp xăng - HHO cải thiện hiệu suất nhiệt tốt hơn, đặc biệt trì trình cháy ổn định động hoạt động với hỗn hợp nghèo Mặt khác, khí HHO chứa đủ oxy để đốt cháy hồn tồn hydro, khơng cần khơng khí cung cấp cho nhiên liệu Trong đó, trường hợp H2, nhiên liệu phải đốt O2 từ khơng khí hỗn hợp với N2 Do đó, cơng chu trình động chạy hỗn hợp xăng - HHO tăng so với chạy hỗn hợp xăng-H2 điều kiện [4] Nhờ hỗn hợp cháy hồn tồn, lượng khí thải CO HC động chạy hỗn hợp xăng - HHO giảm so với hỗn hợp xăng-H2 Arjun et al [6] nhận thấy rằng, bổ sung khí HHO vào xăng, cơng suất có ích tăng từ 2% đến 5,7% hiệu suất nhiệt tăng từ 10,26% đến 34,9% Ngoài ra, mức giảm phát thải CO HC trung bình 18% 14% Dhananjay et al [7] thực nghiên cứu thử nghiệm cung cấp bổ sung HHO vào xăng động đánh lửa cưỡng kỳ Các tác giả thấy rằng, bổ sung HHO, công suất động tăng khoảng 5,7%, Hiệu suất nhiệt tăng khoảng 5% giảm phát thải chất ô nhiễm CO, HC Musmar cộng [8] thực thử nghiệm bổ sung HHO vào xăng động Honda GX200 thấy NOx giảm khoảng 50%, CO giảm khoảng 20% mức tiêu thụ nhiên liệu giảm từ 20% đến 30% so với chạy xăng Rimkus et al nhận thấy, bổ sung khí HHO vào nhiên liệu thơng thường, hiệu suất thị động thay đổi không đáng kể; nhiên, nồng độ CO HC khí thải bồ hóng giảm rõ rệt [9] Những kết khác với kết Chetan et al [10] Kale et al [11] Các tác giả nhận thấy, mức độ phát thải CO HC giảm phát thải NOx tăng cung cấp bổ sung HHO vào xăng Những nghiên cứu ảnh hưởng hydrogen bổ sung vào biogas 30 Bùi Văn Hùng, Hồ Trần Ngọc Anh, Phạm Văn Quang, Bùi Thị Minh Tú, Trương Lê Bích Trâm cho kết tương tự Cơng thị chu trình động tăng, phát thải CO, HC giảm [12-14] Hiệu bổ sung HHO vào biogas tương tự bổ sung HHO vào xăng [15-17] Nói chung, việc thêm hydrogen hay HHO vào nhiên liệu giúp cải thiện q trình cháy Tuy nhiên, cịn có khác biệt xu hướng phát thải NOx bổ sung HHO vào nhiên liệu truyền thống Một số tác giả kết luận NOx tăng bổ sung HHO vào xăng số tác giả khác cho nồng độ NOx giảm động chạy hỗn hợp xăng - HHO so với chạy xăng Hydrogen hay HHO có giới hạn cháy rộng hệ thống cung cấp nhiên liệu cần thiết kế đặc biệt để tránh tượng nổ ngược đường nạp [18-20] Ý tưởng nghiên cứu sử dụng lượng tái sinh xe gắn máy chạy điều kiện giao thông đô thị để điện phân HHO cung cấp bổ sung cho động nhằm tăng hiệu trình cháy động điều kiện thường xuyên chạy chế độ tải thấp cần momen lớn Xe gắn máy trang bị phanh tái sinh điện [21] Trong trình phanh, lượng điện tích lũy accu để điện phân nước sản xuất HHO cung cấp cho động Vì lượng HHO mang vào động không lớn giúp cải thiện q trình cháy Trong nghiên cứu nhóm tác giả tập trung phân tích ảnh hưởng HHO đến phát thải ô nhiễm động xe gắn máy Phương pháp trang thiết bị nghiên cứu 2.1 Mô Mô thực động xe gắn máy Wave RSX FI 110cc có thơng số kỹ thuật giới thiệu Bảng Hình giới thiệu khơng gian tính tốn động gồm xi lanh, buồng cháy đường nạp Hệ thống phun xăng giữ nguyên HHO cung cấp vào động thông qua vòi phun bổ sung lắp trước vòi phun xăng Bảng Thông số kỹ thuật động xe Honda Wave RSX FI 110 Đường kính xi lanh (mm) Hành trình piston (mm) Dung tích xi lanh (cm3) Tỉ số nén Cơng suất cực đại (kW)/tại tốc độ (vịng/phút) 50 55,6 109,2 9,3:1 6,46/7500 Hình Mơ hình 3D khơng gian tính tốn chia lưới Lưới động áp dụng không gian xi lanh động Các không gian lại áp dụng lưới cố định Sau kết thúc q trình nạp, khơng gian đường nạp ngắt khỏi hệ thống (deactivated) để tiết kiệm thời gian tính tốn Q trình tính tốn đầu kỳ nạp đến cuối kỳ giãn nở Các thông số đầu vào gồm áp suất, nhiệt độ khơng khí vào đường nạp; áp suất, nhiệt độ thành phần HHO; lưu lượng, tốc độ, nhiệt độ nhiên liệu xăng Trong nghiên cứu mơ tính tốn thực theo chu trình lý thuyết với giả định trình bắt đầu kết thúc điểm chết điểm chết Quá trình chảy rối hỗn hợp khí mơ mơ hình k- Q trình hình thành chất sản phẩm cháy xác định theo cân nhiệt động hóa học, riêng nồng độ NOx xác định theo động học phản ứng Trên thực tế tốc độ hình thành NOx bé nhiều so với chất khác sản phẩm cháy Tốc độ phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ thường biểu diễn chế Zeldovich mở rộng sau: O +N2 k ⎯⎯+⎯ → ⎯⎯⎯ k −1 N + NO (1) N +O k ⎯⎯+⎯ → ⎯⎯⎯ k −2 O + NO (2) ⎯⎯⎯→ N + OH  ⎯⎯⎯ H + NO (3) k +3 k −3 Trong đó, ki số tốc độ phản ứng theo chiều thuận k-i số tốc độ phản ứng theo chiều ngược Hydroxy (HHO) hỗn hợp chứa 2/3 thể tích H2 1/3 thể tích O2 Hàm lượng HHO nhiên liệu tính tỉ lệ thể tích HHO tổng thể tích hỗn hợp HHO xăng Hydrogen có nhiệt độ cháy đoạn nhiệt cao, tốc độ cháy lớn cháy với hỗn hợp nghèo Tuy nhiên, nhiệt trị thấp tính theo thể tích 10,8 MJ/m3, thấp nhiều so với nhiệt trị thấp methane 35,8 MJ/m3 Trong điều kiện tiêu chuẩn, để cháy hoàn toàn 1m3 hydrogen cần 0,5m3 oxygen Như vậy, với thể tích xy lanh động cho trước, hydrogen chiếm thể tích lớn xăng nhiệt trị thể tích hydrogen thấp nên nhiệt lượng cung cấp cho động nên lượng hydrogen mang vào động không chênh lệch nhiều so với chạy xăng Do HHO có chứa sẵn oxygen đủ để đốt cháy hồn tồn lượng hydrogen nên cần lượng khơng khí đủ để đốt cháy xăng Cùng thể tích xi lanh cho trước, phần oxygen cần thiết để đốt cháy hydrogen không lấy từ khơng khí nên khơng kèm theo khí trơ N2 Do đó, lượng nhiên liệu tổng thể cung cấp cho động tăng nên lượng hỗn hợp nhiên liệu mang vào động tăng Mô thực nhờ phần mềm ANSYS Fluent V15.0 Quá trình phun nhiên liệu thực nhờ mơ hình dịng (2 streams) Q trình cháy tính tốn nhờ mơ hình hịa trộn trước phần (Partially Premixed Kết mơ hình cháy cho thành phần chất hỗn hợp cháy, bao gồm CO, trạng thái cân nhiệt động học Với nồng độ O, H OH cho mơ hình cháy, xác định tốc độ phản ứng hình thành NOx theo chế Zeldovich từ tính tốn nồng độ chất nhiễm khí thải 2.2 Thiết bị nghiên cứu 2.2.1 Bình sinh khí HHO Bình sinh khí HHO kiểu khơ có nhiều ưu điểm trội so với bình sinh khí kiểu ướt Bình sinh khí kiểu khơ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020 có hiệu suất cao, lượng nhiệt sinh thấp nên tổn thất nhiệt, có kích thước nhỏ gọn dễ bố trí thiết bị vận chuyển xe máy Mặt khác, bình sinh khí kiểu khơ có điểm tiếp xúc với điện cực khơng bị ăn mịn, tốn chi phí bảo trì so với bình sinh khí kiểu ướt, nên thiết kế nhóm tác giả chọn phương án thiết kế bình sinh khí HHO kiểu khơ Các cực điện cực làm thép khơng rỉ (Hình 2) 31 NaOH lựa chọn làm chất điện phân NaOH có nhược điểm gây ăn mịn điện cực Nồng độ chất điện phân nước vừa phải giúp gia tốc phản ứng tách nước thành H2 O2, giảm lượng cần thiết cho trình điện phân Tuy nhiên, nồng độ chất điện phân cao lượng cần thiết để sản sinh HHO gia tăng mật độ chất điện phân bão hòa, ngăn cản dịch chuyển ion Nồng độ NaOH sử dụng dung dịch điện phân 18% phù hợp Hình giới thiệu hệ thống cung cấp HHO cho động gồm bình sinh khí HHO (3) cấp điện bình ắc qui 12V-6A (1) nguyên xe gắn máy qua dây dẫn điện (2) Bình chứa dung dịch điện phân NaOH 18% (5) cung cấp dung dịch điện phân vào bình điện phân qua ống dẫn dung dịch điện phân (4) Khí HHO sinh chuyển bình chứa dung dịch điện phân qua ống dẫn HHO (9) Sau khí HHO tiếp tục dẫn bình chứa HHO (8) ống dẫn (6) Cuối khí HHO cung cấp đến động qua ống dẫn khí đấu nối đầu HHO (7) Hình Cấu tạo bình sinh khí HHO 1- Mặt bích; 2- Tấm điện cực trung gian; 3- Tấm điện cực dương; 4- Tấm điện cực âm; 5- Đệm cao su; 6- Vít cố định; 7- Đầu vào dung dịch điện phân; 8- Đầu khí HHO Các cực gần nhau, tốc độ sản xuất khí lớn Tuy nhiên, có giới hạn thực tế, bong bóng khí hình thành cực phải dễ dàng thoát lên bề mặt Vì vậy, khoảng cách tối ưu chọn 3mm Diện tích cực lớn, suất sản xuất khí cao Mỗi mặt cực có diện tích từ 13 đến 25 cm2 ampe dòng điện chạy qua chuyên gia đánh gia tối ưu Để bảo đảm cơng suất sinh khí HHO khơng gian lắp đặt xe máy, theo tính tốn chúng tơi thiết kế cực có kích thước 120x120mm Bề mặt cực có ảnh hưởng lớn đến tốc độ sản xuất khí Tốc độ sản xuất khí cải thiện đáng kể hai mặt cực chà nhám theo kiểu chéo (điều tạo diện tích bề mặt tăng lên với hàng ngàn đỉnh cực nhỏ giúp bong bóng hình thành rời khỏi tấm) Các cực sau lắp ráp ngâm dung dịch điện phân khoảng ba ngày Điều tạo lớp phủ màu trắng bảo vệ bề mặt giúp tăng cường điện phân Các sau rửa nước cất nạp lại dung dịch điện phân Điện áp chuẩn điện phân nước 1,23V Do đó, để tối ưu hóa hiệu suất q trình điện phân nước, giảm tổn thất nhiệt, bình sinh khí thiết kế ngăn, gồm có cực, điện cực âm nằm cùng, điện cực dương nằm giữa, điện cực trung gian nằm điện cực âm điện cực dương tạo nên ngăn Điện áp điều khiển điều chỉnh độ rộng xung PWM cho điện áp đặt ngăn từ 1,5-2V Thực nghiệm cho thấy, KOH NaOH hai chất điện phân tốt KOH hiệu cao NaOH có ưu điểm giữ điện cực Tuy nhiên, chất có nhược điểm thơng dụng dễ gây nguy hiểm sử dụng Do đó, Hình Sơ đồ hệ thống sinh khí HHO 1- Bình ắc quy; 2- Dây dẫn điện; 3- Bình sinh khí HHO; 4- Ống dẫn dung dịch điện phân; 5- Bình chứa dung dịch điện phân; 6- Ống dẫn khí HHO; 7- Đầu HHO; 8- Bình chứa HHO; 9- Ống dẫn khí HHO Hình Lắp đặt bình sinh khí HHO kiểu khô Hệ thống sản xuất HHO đặt cốp nhựa chứa hành lý cố định phía xe, ống nối mềm dẫn khí HHO, dung dịch điện phân dây điện đấu nối luồng phía áo nhựa thân xe (Hình 4) Đồng hồ hiển thị điện áp cường độ dòng điện lắp đặt bên cạnh đồng hồ công tơ mét xe Công tắc ON-OFF hệ thống sinh khí HHO điều chế độ rộng xung PWM lắp đặt gần ổ khóa xe, thuận tiện cho việc tắt/mở điều khiển sinh khí HHO Lưu lượng kế để lặp đặt bên cạnh núm điều chỉnh PWM để dễ quan sát lưu lượng khí HHO sinh Trước cung cấp vào đường nạp động cơ, khí HHO qua chống cháy ngược 32 Bùi Văn Hùng, Hồ Trần Ngọc Anh, Phạm Văn Quang, Bùi Thị Minh Tú, Trương Lê Bích Trâm 2.2.2 Thiết bị phân tích khí thải Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả dùng máy phân tích khí MGT để phân tích khí thải (Hình 5) Đây thiết bị phân tích khí xả động đánh lửa cưỡng Đức Cục Đăng kiểm cho phép sử dụng Việt Nam để kiểm tra phát thải phương tiện giao thơng giới Máy phân tích khí CO, HC, NOx, CO2, O2 số lambda khí thải động chạy nhiên liệu CNG, LPG xăng Máy kết nối với máy tính qua cổng USB để hiển thị kết Tốc độ động đo cảm biến xung điện kẹp vào dây cao áp nến đánh lửa khoảng 10 bar pha 10% HHO vào xăng Tuy nhiên, áp suất đạt gần ĐCT nên tăng tổn thất cơng kỳ nén, cơng thị chu trình khơng tỉ lệ với áp suất cực đại Hình 7b giới thiệu biến thiên nhiệt độ hỗn hợp cháy xi lanh theo góc quay trục khuỷu động chạy xăng xăng pha 10% HHO với điều kiện vận hành mơ tả Hình 7a Do tốc độ cháy tăng pha HHO vào xăng nên nhiệt độ bắt đầu tăng sớm điểm cực đại nhiệt độ đạt gần ĐCT Do trình cháy kết thúc sớm nên nhiệt độ sản phẩm cháy đường dãn nở pha HHO vào xăng thấp chạy xăng Hình Thiết bị kiểm tra khí xả động xăng MGT Kết bình luận 3.1 Ảnh hưởng thành phần HHO đến công thị Hình so sánh phát triển màng lửa động chạy xăng xăng bổ sung 10% HHO với hệ số tương đương =1, tốc độ n=6000 vịng/phút góc đánh lửa sớm cố định φs=20 °TK Chúng ta thấy vị trí góc quay trục khuỷu, nhiệt độ cực đại sản phẩm cháy tăng bổ sung HHO vào xăng Chênh lệch nhiệt độ cực đại giảm dần vào cuối trình cháy Khi bổ sung HHO vào xăng tốc độ tiêu thụ nhiên liệu tăng, thể tích vùng hỗn hợp cháy tăng, dẫn đến nhiệt độ sản phẩm cháy lớn so với động chạy xăng a) b) Hình Ảnh hưởng HHO đến biến thiên áp suất (a) nhiệt độ (b) theo góc quay trục khuỷu (n=6000 vòng/phút, =1, φs=15TK) Sự gia tăng tốc độ tỏa nhiệt nhiệt độ cháy nguyên nhân gia tăng nồng độ NOx khí thải theo chế Zeldovich Hình 8a trình bày ảnh hưởng thành phần HHO hỗn hợp nhiên liệu đến thiên nồng độ NOx hỗn hợp cháy Kết cho thấy, với điều kiện vận hành góc đánh lửa sớm cố định, nồng độ NOx tăng khoảng 25% pha 10% HHO vào xăng a) Hình So sánh phát triển màng lửa động chạy xăng xăng bổ sung 10% HHO (n=6000 vòng/phút, =1, φs=20°TK) Hình 7a giới thiệu biến thiên áp suất xi lanh động theo góc quay trục khuỷu động chạy xăng chạy xăng bổ sung 10% HHO với =1 tốc độ 6000 vịng/phút góc đánh lửa sớm cố định 15°TK Chúng ta thấy, bổ sung HHO vào xăng áp suất cực đại xi lanh tăng Điều giải thích HHO làm tăng tốc độ cháy đỉnh đường cong áp suất dịch gần ĐCT Mặt khác, tốc độ cháy tăng nên hỗn hợp cháy diễn hoàn toàn làm tăng hiệu suất sử dụng nhiệt Cùng chế độ công tác động cơ, áp suất cực đại tăng b) c) Hình Ảnh hưởng HHO đến biến thiên nồng độ NOx (a), CO (b) HC (c) theo góc quay trục khuỷu (n=6000 vịng/phút, =1, s=15TK) Nồng độ CO, HC xác định dựa tính tốn cân nhiệt động hóa học hệ phương trình phản ứng cháy nhiên liệu hydrocarbon Tùy thuộc vào nhiệt độ cháy, áp suất xi lanh thành phần hỗn hợp ta nhận kết thành phần chất nhiễm khí thải ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020 Hình 8b cho thấy, bổ sung 10% HHO vào xăng đỉnh đường cong CO dịch phía ĐCT nồng độ CO khí thải khơng khác biệt so với nồng độ động chạy xăng Hình 8c biểu diễn biến thiên nồng độ HC theo góc quay trục khuỷu Chúng ta thấy góc đánh lửa sớm 15°TK cho trước, trình cháy trường hợp động chạy xăng bổ sung HHO kết thúc sớm chạy xăng Kết cho thấy, tốc độ tiêu thụ nhiên liệu tăng bổ sung HHO thể đường cong HC dốc bổ sung 10% HHO vào xăng 3.2 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm Các kết nghiên cứu cho thấy, HHO ảnh hưởng đến q trình cháy phát thải nhiễm thơng qua gia tăng tốc độ cháy Do đó, để đảm bảo cho động hoạt động hiệu bổ sung HHO vào xăng phải giảm góc đánh lửa sớm Hình 9a Hình 9b thể ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên CO NOx trường hợp động chạy xăng tốc độ 6000 vòng/phút với =1 Chúng ta thấy, tăng góc đánh lửa sớm đỉnh đường cong CO dịch phía ĐCT, nồng độ cực đại CO tăng nồng độ khí thải giảm nhẹ Điều tăng góc đánh lửa sớm nhiệt độ hỗn hợp cháy tăng làm tăng tốc độ phản ứng sinh CO nhiệt độ cao, tốc độ cháy CO diễn mạnh làm giảm nồng độ khí thải Trong nồng độ NOx phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ nên việc tăng góc đánh lửa sớm kéo theo gia tăng nồng độ NOx hỗn hợp cháy Hình 9b cho thấy, nồng độ NOx tăng gần 50% góc đánh lửa sớm tăng từ 15°TK lên 25°TK s=25 s=20 s=15 s=25 s=20 s=15 a) b) Hình Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ CO (a), NOx (b) theo góc quay trục khuỷu động chạy xăng (n=6000 vòng/phút, =1) s=21 s=15 s=9 33 thấy, phạm vi biến thiên CO NOx góc đánh lửa sớm thay đổi từ 9°TK đến 21°TK trường hợp động chạy xăng bổ sung 10% HHO xấp xỉ với phạm vi biến thiên chúng động chạy xăng với góc đánh lửa sớm biến thiên từ 15°TK đến 25°TK Hình 11a Hình 11b giới thiệu ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị công động chạy xăng xăng bổ sung 10% HHO tốc độ 6000 vòng/phút với hệ số tương đương =1 Trong trường hợp động chạy xăng, cơng thị chu trình động đạt 104, 121 113 J/ct tương ứng với góc đánh lửa sớm 15, 20 25°TK Trong trường hợp động chạy xăng pha 10% HHO, cơng thị chu trình đạt 111, 129 121 J/ct tương ứng với góc đánh lửa sớm 9, 15 21°TK Như thấy, góc đánh lửa sớm tối ưu động tốc độ 6000 vòng/phút 20°TK chạy xăng 15°TK chạy xăng bổ sung 10% HHO Tương ứng với góc đánh lửa sớm tối ưu nồng độ NOx khí thải động chạy xăng 4700ppm chạy xăng bổ sung 10% HHO 5300ppm Nồng độ CO hai trường hợp tương đương nhau, khoảng 1,5% Như vậy, bổ sung 10% HHO vào xăng, công thị chu trình tăng 7% đồng thời phát thải NOx tăng 12% s=25TK s=20TK s=15TK s=21TK s=15TK s=9TK a) b) Hình 11 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị công động chạy xăng (a) xăng bổ sung 10% HHO (b) (n=6000 vịng/phút, =1) 3.3 So sánh mơ thực nghiệm Trong phần này, nhóm tác giả so sánh biến thiên nồng độ CO NOx khí thải theo tốc độ động cho mô thực nghiệm s=21 s=15 s=9 a) b) Hình 10 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ CO (a), NOx (b) theo góc quay trục khuỷu động chạy xăng bổ sung 10% HHO (n=6000 vịng/phút, =1) Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên CO NOx theo góc quay trục khuỷu trường hợp động chạy xăng bổ sung 10% HHO tương tự trường hợp chạy xăng Các Hình 10a Hình 10b cho a) b) Hình 12 Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên nồng độ CO (a) NOx (b) theo góc quay trục khuỷu động chạy xăng bổ sung 10% HHO (=1, s=15TK) Hình 12a cho thấy, ứng với góc đánh lửa sớm cho trước, tăng tốc độ động nồng độ cực đại CO giảm nồng độ khí thải tăng nhẹ Tác động việc tăng tốc độ động đến CO cố định góc đánh lửa sớm tác động việc giảm góc đánh lửa sớm cố định tốc độ động trình bày phần 34 Bùi Văn Hùng, Hồ Trần Ngọc Anh, Phạm Văn Quang, Bùi Thị Minh Tú, Trương Lê Bích Trâm Hình 12b trình bày ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên nồng độ NOx theo góc quay trục khuỷu Chúng ta thấy, tăng tốc độ động nồng độ NOx giảm Điều giải thích đỉnh đường cong nhiệt độ dịch xa ĐCT tăng tốc độ động giữ nguyên góc đánh lửa sớm khiến cho nhiệt độ hỗn hợp cháy giảm Hình 13a so sánh biến thiên nồng độ CO theo tốc độ động chạy xăng bổ sung 10% HHO với =1 s=15TK cho mô thực nghiệm Chúng ta thấy, hệ số tương đương góc đánh lửa sớm cố định nồng độ CO theo mơ tăng nhẹ theo tốc độ động Nồng độ CO cho thực nghiệm cao giá trị cho mô vùng tốc độ thấp thấp vùng tốc độ cao Điều q trình cháy thực tế khơng diễn hồn tồn tính tốn Mặt khác, góc đánh lửa sớm động thực tế thay đổi góc đánh lửa sớm tính tốn mơ cố định Khi tăng tốc độ động góc đánh lửa sớm thực tế tăng làm giảm nồng độ CO khí thải Đường cong biến thiên nồng độ CO thực tế theo tốc độ động dốc đường cong nồng độ CO cho mô a) b) Hình 13 So sánh mơ thực nghiệm biến thiên nồng độ CO (a) NOx (b) theo tốc độ động động chạy xăng bổ sung 10% HHO (=1, s=15TK mô phỏng) Hình 13b so sánh biến thiên nồng độ NOx theo tốc độ động cho mô thực nghiệm Chúng ta thấy, nồng độ NOx cho thực nghiệm phần lớn dải tốc độ thấp nồng độ NOx cho mơ Điều giải thích nhiệt độ q trình cháy thực tế thấp nhiệt độ cháy tính tốn q trình cháy thực tế khơng diễn lý tưởng lý thuyết Mặt khác, góc đánh lửa sớm thực tế tăng theo tốc độ động làm tăng nồng độ NOx trong tính tốn giả định góc đánh lửa sớm s=15TK khơng thay đổi Kết luận Kết nghiên cứu cho phép nhóm tác giả rút kết luận sau: - Khi bổ sung HHO vào xăng thì hiệu trình cháy cải thiện dẫn đến tăng áp suất nhiệt độ cực đại, làm giảm phát thải CO HC trình cháy diễn hoàn toàn Tuy nhiên HHO làm tăng phát thải NOx Khi bổ sung 10% HHO vào xăng nồng độ NOx tăng 25% - Khi giảm góc đánh lửa sớm nồng độ CO tăng nhẹ nồng độ NO x giảm mạnh Khi bổ sung 10% HHO vào xăng góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 5°TK Khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu động chạy xăng bổ sung 10% HHO cơng thị chu trình tăng 7% nồng độ NO x tăng 12% so với chạy xăng - Khi tăng tốc độ động nồng độ NO x khí thải giảm nồng độ CO tăng nhẹ Đường cong biến thiên nồng độ CO, NO x theo tốc độ động theo thực nghiệm có độ dốc thấp đường cong mơ tương ứng q trình cháy thực tế khơng diễn hồn tồn lý tưởng góc đánh lửa sớm thực tế tăng theo tốc độ động - Có thể điều chỉnh góc đánh lửa sớm động chạy xăng bổ sung HHO để đảm bảo đạt mức tăng công suất hợp lý không làm tăng mức độ phát thải chất ô nhiễm so với chạy xăng Lời cảm ơn: Các tác giả xin chân thành cám ơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng hỗ trợ kinh phí để nghiên cứu cơng trình thơng qua đề tài nghiên cứu khoa học “Thiết kế, chế tạo mơ hình xe gắn máy sinh thái chạy điện nhiên liệu khí”, mã số: T2019-06-123 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rajasekaran T., Duraiswamy K., Bharathiraja M et al.: Characteristics of engine at various speed conditions by mixing of HHO with gasoline and LPG ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences Vol 10, No 1, pp 46-51, January 2015 [2] Changwei Ji and Wang, S.: Combustion and emissions performance of a hybrid hydrogen-gasoline engine at idle and lean conditions International Journal of Hydrogen Energy, Volume 35, Issue 1, January 2010, Pages 346-355 https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.10.074 [3] S Wang, C Ji, B Zhang, X Liu: Realizing the part load control of a hydrogen-blended gasoline engine at the wide open throttle condition Int J Hydrogen Energy, Volume 39, Issue 14, May 2014, Pages 7428-7436 https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.03.024 [4] S Wang, C Ji, J Zhang, B Zhang: Comparison of the performance of a spark-ignited gasoline engine blended with hydrogen and hydrogenoxygen mixtures Energy, Volume 36, Issue 10, October 2011, Pages 5832-5837 https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.08.042 [5] S Wang, C Ji, J Zhang, B Zhang: Improving the performance of a gasoline engine with the addition of hydrogen-oxygen mixtures Int J Hydrogen Energy, Volume 36, Issue 17, August 2011, Pages 11164-11173 https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.05.138 [6] T.B Arjun, K.P Atul, P Ajay et al.: A review on analysis of HHO gas in IC engines Materials Today Proceedings, Volume 11, Part 3, 2019, Pages 1117-1129 https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.12.046 [7] Dhananjay Babariya, Jay Oza, Bhavin Hirani et al.: An Experimental Analysis of S.I Engine Performance with HHO as a Fuel International Journal of Research in Engineering and Technology (IJRET), ISSN: 2321-7308, Volume: 04 Issue: 04, Apr-2015, pp 608-614 [8] Sa’ed A Musmar, Ammar A Al-Rousan: Effect of HHO gas on combustion emissions in gasoline engines Fuel, Volume 90, Issue 10, October 2011, Pages 3066-3070 https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.05.013 [9] Alfredas Rimkus, Jonas Matijošius, Marijonas Bogdevičius et al.: An investigation of the efficiency of using O2 and H2 (hydrooxile gas-HHO) gas additives in a CI engine operating on diesel fuel and biodiesel Energy, Volume 152, June 2018, pp 640-651 https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.03.087 [10] Chetan N Patel, Prof Maulik A Modi, Dr Tushar M Patel: An Experimental Analysis of IC Engine by Using Hydrogen Blend International Journal of Recent Trends in Engineering & Research (IJRTER) Volume 02, Issue 04; April-2016, ISSN: 2455-1457, pp 453-462 [11] K A Kale and M R Dahake: The Effect of HHO and Biodiesel Blends on Performance and Emission of Diesel Engine-A Review International Journal of Current Engineering and Technology, e-ISSN 2277-4106, pISSN 2347-5161, 20 June 2016, Special Issue-5 (June 2016), pp 1-9 http://Dx.Doi.Org/10.14741/Ijcet/22774106/spl.5.6.2016.1 [12] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Quang Trung: Ảnh hưởng thành phần H2 làm giàu biogas đến tính cơng tác mức độ phát thải ô nhiễm động dual fuel biogas- ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020 [13] [14] [15] [16] diesel Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học Thủy khí Tồn quốc lần thứ 20, Cần Thơ, 27-29 tháng năm 2017, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2018, pp 238-245 Bui Van Ga, Tran Van Nam, Bui Thi Minh Tu, Nguyen Quang Trung: Numerical simulation studies on performance, soot and NOx emissions of dual-fuel engine fuelled with hydrogen enriched biogas mixtures IET Renewable Power Generation: Volume 12, Issue 10, (2018), pp 1111-1118, DOI: 10.1049/iet-rpg.2017.0559 Bùi Văn Ga, Cao Xuân Tuấn, Phạm Quốc Thái, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông: Ảnh hưởng thành phần hydrogen làm giàu biogas đến công chu trình phát thải NOx động đánh lửa cưỡng Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc lần thứ 21, Quinhon 19-21/7/2018, pp 175-184 Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú, Trương Lê Bích Trâm, Võ Như Tùng, Đỗ Xuân Huy: Cải thiện trình cháy động chạy biogas nghèo nhờ cung cấp bổ sung hydroxyl (HHO) Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, Vol 17, No 1.1, 2019, pp 35-41 Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Tiến, Bùi Thị Minh Tú, Đặng Văn Nghĩa, Tơn Nguyễn Thành Sang: Tính kỹ thuật phát thải ô nhiễm động phun biogas-HHO đường nạp Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, Vol.18, No1, 2020, pp 43-48 35 [17] Bui Van Ga, Bui Thi Minh Tu, Nguyen Van Dong, Bui Van Hung: Analysis of combustion and NOx formation in a SI engine fueled with HHO enriched biogas Environmental Engineering and Management Journal, May 2020, Vol 19, No 5, 317-327 [18] Trần Văn Nam, Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Bùi Thị Minh Tú: Cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen cho động đánh lửa cưỡng kéo máy phát điện hệ thống lượng tái tạo hybrid Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc lần thứ 21, Quinhon 19-21/7/2018, pp 448-458 [19] Bui Van Ga, Bui Thi Minh Tu, Truong Le Bich Tram, Bui Van Hung: Technique of Biogas-HHO Gas Supply for SI Engine International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol Issue 05, May-2019, pp 669-674 [20] Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Hùng, Trương Lê Bích Trâm, Phạm Văn Quang: Kiểm sốt tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu động đánh lửa cưỡng chạy biogas nghèo pha HHO Tạp chí Khoa học Cơng nghệ-Đại học Đà Nẵng, Vol 17, No 3, 2019 [21] Trần Thanh Hải Tùng, Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Tấn: Xe gắn máy sinh thái Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc lần thứ 21, Quinhon 19-21/7/2018, pp 894-906 (BBT nhận bài: 10/6/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 07/7/2020) ... HHO 1- Bình ắc quy; 2- Dây dẫn điện; 3- Bình sinh khí HHO; 4- Ống dẫn dung dịch điện phân; 5- Bình chứa dung dịch điện phân; 6- Ống dẫn khí HHO; 7- Đầu HHO; 8- Bình chứa HHO; 9- Ống dẫn khí HHO. .. sung HHO vào nhiên liệu truyền thống Một số tác giả kết luận NOx tăng bổ sung HHO vào xăng số tác giả khác cho nồng độ NOx giảm động chạy hỗn hợp xăng - HHO so với chạy xăng Hydrogen hay HHO có... nở pha HHO vào xăng thấp chạy xăng Hình Thiết bị kiểm tra khí xả động xăng MGT Kết bình luận 3.1 Ảnh hưởng thành phần HHO đến cơng thị Hình so sánh phát triển màng lửa động chạy xăng xăng bổ