NGHIÊN CỨU TRAO Đổl Kỹ thuật Công nghệ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHÊ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐIỆN PHÂN KHÍ HHO THAY THẾ ĐỘNG cơ XE MAY DUNG TÍCH NHỎ HƠN 110 cc Lưu Tuấn Hải, Phạm Văn Trọng, Vương Trần Chiến,[.]
NGHIÊN CỨU TRAO Đổl Kỹ thuật - Công nghệ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHÊ TẠO MƠ HÌNH THIẾT BỊ ĐIỆN PHÂN KHÍ HHO THAY THẾ ĐỘNG XE MAY DUNG TÍCH NHỎ HƠN 110 cc Lưu Tuấn Hải, Phạm Văn Trọng, Vương Trần Chiến, Hồng Văn Thơng * Tóm tăt: Hydrogen dạng nhiên liệu khơng có thành phân bon Việc sử dụng nhiên liệu có ý nghĩa việc giảm hiệu ứng nhà kính nâng cao an tồn mơi trường khơng khí Bài báo trình bày số kết nghiên cứu việc chế tạo ứng dụng lượng Hydrogen (công nghệ HHO) vào việc thay nhiên liệu xăng động đốt Từ khóa: HHO, điện phân nước, nhiên liệu thay Abstract: Hydrogen is a type of clean fuel as it has no carbon component The use of this fuel is significant in reducing the greenhouse effect and improving the safety of the air environment This article presents some research results on the manufacture and application of Hydrogen energy (HHO technology) to replace gasoline fuel in internal combustion engines Keywords: HHO, water electrolysis, alternative fuels Đặc điếm nhiên liệu Hydrogen Hydro nguyên tố phổ biến vũ trụ, chiếm 75% vật chất thông thường theo khối lượng 90% theo số lượng nguyên tử Ở nhiệt độ áp suất tiêu chuan, hydro khí lưỡng ngun tử có cơng thức phân tử H2, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sơi 20,27 °K nhiệt độ nóng chảy 14,02 °K Ở điều kiện thường, nguyên tử hydro kết hợp với tạo thành phân tử gồm hai nguyên tử (H2) Khí hydro (phân tử hydro) có tính cháy cao nổ cháy khơng khí với dải nồng độ thể tích rộng, từ 4% đến 75% Phản ứng hóa học hydro kết họp với oxy tạo nước (H2O) giải phóng lượng Entropy * Trường ĐH KD&CN Hà Nội trình cháy hydro -286 kJ/mol: H2(g) + 02(g) H2O(1) + 572 kJ ửng dụng dạng lượng Hydrogen dùng để làm nhiên liệu cho động thường có loại: Cơng nghệ Pin nhiên liệu (Fuel cells) công nghệ sử dụng hydro với ý nghĩa nhiên liệu cho thiết bị lượng Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu trình bày hình 1.1 Hydro với vai trò nhiên liệu đưa vào cực dương, oxy (thường khơng khí) đưa vào cực âm Các phản ứng tạo điện diền điện cực Các điện cực đặt dung dịch điện phân Để tăng tốc độ phản ứng điện cực thường sử dụng chất xúc tác Tạp chi Kinh doanh Công nghệ Số 21/2022 60 NGHIÊN cưu TRAO Đổi Kỹ thuật - Công nghệ 02 H2 Excess hydrogen M J Anode Electrolyte Cathode Water Hĩnh 1.1 Sơ đồ nguyên lý pin nhiên liệu Thay đốt cháy hydro, điện cực pin nhiên liệu xảy phản ứng hóa học giải phóng electron tạo dòng chuyến động điện tích mạch ngồi Sản phẩm phụ phản ứng hóa học pin nhiên liệu nước (H2O) Chất điện phân chất xúc tác đóng vai trị quan trọng pin nhiên liệu Một hướng nghiên cứu để ứng dụng hydro làm nhiên liệu dùng cho động đốt công nghệ HHO Công nghệ HHO tên gọi công nghệ sừ dụng hydrogen làm nhiên liệu thay động đốt thiết bị lượng Khí HHO dạng tồn đặc biệt chứa bọt khí hydro, oxy bọt nước từ bình điện phân nước trường hợp không cách ly riêng phân tử khí điện cực bình điện phân Hình 1.2 sơ đồ so sánh nguyên lý điện phân nước để tạo khí HHO với nguyên lý điện phân nước đế thu riêng rẽ khí oxy hydro Đe sản xuất khí HHO thường sử dụng phương pháp điện phân nước Có hai công nghệ điện phân nước công nghệ điện phân khô (Dry cell) công nghệ điện phân ướt (Wet cell) HYDROGEN OXY-HYDROGEN (HHO) Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý điện phân tạo hydrogen điện phân tạo khí HHO Các thiết bị điện phân tạo khí HHO dùng cho động ô tô nước châu Âu, châu Mỳ thường sử dụng công nghệ điện phân khô Khác với kiểu Wet cell, cực thiết bị không đặt ngập dung dịch điện phân Dung dịch điện phân chứa phần không gian hai cực Hai cực kề liền cách điện nhờ vòng đệm Khe hở cực khoảng 3mm Neu khe hở nhỏ có thê gây tượng phóng điện cực, khe hở lớn làm giảm hiệu điện phân Sử dụng công nghệ điện phân dry cell có nhiều ưu điểm wet cell: có suất điện phân cao hơn, tiêu thụ công suất điện hơn, tạo nhiệt an toàn sử dụng cho người đặt xe chuyển động Việc chế tạo thiết bị điện phân dry cell phức tạp đắt thiết bị điện phân kiểu wet cell Vật liệu cực thiết bị điện phân dry cell thường thép Inox Tạp chi Kinh doanh Công nghệ Số 21/2022 61 NGHIỀN CỨU TRAO ĐỔI Kỹ thuật - Công nghệ hạt nhiên liệu trình cháy Do nhiệt lượng thu trình cháy cao gấp tới ba lần xăng nên công suất động dùng nhiên liệu hydro tăng Phân tích đặc tính nhiên liệu Hydro so với động xăng dung tích Do làm sở thay cho động xăng khả khuếch tán nhanh nên tạo hiệu Phân tích tiêu trình bày ứng va chạm, xé nhỏ hạt nhiên liệu Bảng 1.1 cho thấy nhiên liệu hydro có hai tạo điều kiện thuận lợi cho trình cháy ưu điểm quan trọng: hiệu trình hồn tồn, rút ngắn q trình cháy trễ cháy cao tác động thay đối cấu trúc nhiên liệu xi lanh động 316L, chiêu dày cực từ - 1,5 mm Kích thước hình dạng số lượng cực tính tốn phụ thuộc vào lượng khí HHO cần sản xuất Bảng 2.1 So sánh đặc tính hydrogen vói nhiên liệu xăng Các tiêu Nhiệt độ tự bén lửa, °K Năng lượng châm lửa nhỏ nhất, mJ Khối lượng phân tử, g/mol Khối lượng riêng, kg/m3 Tỷ lệ A/F Tốc độ lan truyền màng lửa, cm/s Khe dập lửa, cm Nhiệt lượng đốt cháy, MJ/kg Trị so octane Tốc độ khuếch tán khơng khí, cm2/s Hydrogen loại khí khơng tự bén lửa bị nén, hydro loại nhiên liệu thay lý tưởng động xăng Hình 2.1 trình bày cấu hình động xăng sử dụng nhiên liệu khí hydro Trên động này, thay cho thùng nhiên liệu xăng nguồn cấp khí hydro Khí hydro cấp vào đường nạp hịa trộn với khơng khí trước vào xi lanh động Đe đốt cháy hồn hợp cơng tác hydro-khơng khí cần có buji bật tia lửa cao áp Với cấu hình này, kết cấu động giữ nguyên Hydrogen Xăng (C„Hlft) 858 0,02 2,016 0,0899 34,4 270 0,064 120 130 0,63 714 0,24 107 730 14,7 30-50 0,2 43,4 87 Hình 2.1: Động xăng dùng khí hydro làm nhiên liệu thay Tạp chí Kinh doanh Công nghệ Số 21/2022 62 NGHIÊN CỨU TRAO ĐỔI Kỹ thuật - Công nghệ Các kết nghiên cứu thử nghiệm ban đầu phịng thí nghiệm Trường Đại học Kinh doanh Công nghệ Hà Nội 3.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn q trình điện phân Quá trình phân tách phân tử nước điều kiện nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn diễn theo phản ứng sau: H2O(/) -» 02(g) + H+(ag) + 4e~ H+(aq) + 2e~ - H2(g) E° = +1.23 V E° = 0.00 V Từ công thức trên, thấy điện áp giới hạn cặp điện cực 1,23V Khi điện áp đặt lên cặp điện cực tăng khoảng từ - 1,23V, xuất điện phân tăng Tuy nhiên, điện áp đặt lên cặp điện cực vượt 1,23V, xuất điện phân không tăng Năng lượng điện tiêu tốn thêm chuyển thành nhiệt, làm nóng bình điện phân Để tăng hiệu điện phân sử dụng phù hợp cho động sử dụng hệ thống điện 12V hoặ 24V, thiết bị tạo HHO sử dụng nhiều cặp điện cực bố trí nối tiếp Với thiết bị tạo HHO sử dụng điện áp 12V cho bình điện phân thường bố trí cặp điện cực nối tiếp trở lên Với thiết bị tạo HHO sử dụng điện áp 24V cho bình điện phân, số cặp điện cực mắc nối tiếp bình tối thiểu 14 cặp Cơng thức liên hệ công suất điện tiêu thụ lun lượng khí HHO tạo là: PTT = Qhho X 2.5 Trong đó: ?TT cơng suất tiêu thụ (W) Qhho lưu lượng HHO tạo (1/h) Công suất tiêu thụ điện: PTT = UxI Trong đó: u điện áp đặt lên bình điện phân, thiết bị tạo HHO sử dụng điện áp 12V 24V I cường độ chạy tiêu thụ Như vậy, cường độ dòng điện tính theo lưu lượng HHO theo cơng thức: _ 2.5 J — ~^~Qhho Đối với động dung tích VĐC cần lưu lượng HHO cấp vào động Qhho = Vqc X 15 (í/ft) cơng suất bình điện phân tối thiểu là: pmin = Ett X Qhho = 2.5 X VĐC X 0.25 = 0.625rĐC (WỌ 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới lượng thay HHO cho xăng a) Đảm bảo lượng oxy dư khí nạp HHO hồn họp khí chủ yêu gồm H2 02 thu trình điện phân nước Tỉ lệ H2 02 hồn họp khí phân tử H2 phân tử 02 Tỉ lệ vừa đủ cho phẩn ứng hóa học đốt cháy H2 xảy hoàn toàn: 2H2 + 0, 2H2O + Nhiệt Do vậy, H2 ảnh hưởng tới lượng oxy dùng để đổt cháy với xãng buồng đốt HHO bổ sung tự cháy mà khơng cần lấy oxy từ nguồn khác, bổ sung lượng HHO lớn mà đảm bảo lượng oxy dư khí nạp b) Các điều chỉnh góc đảnh lửa sớm Khí HHO có tốc độ cháy nhanh xăng Lượng HHO tăng, trình cháy diễn nhanh Để đảm bảo trình tăng áp suất môi chất phù họp với di chuyển piston xylanh, cần phải điều chỉnh giảm góc đánh Tạp chí Kinh doanh Cơng nghệ Số 21/2022 63 NGHIÊN CỨU TRAO ĐỔI Ký thuật - Công nghệ lửa sớm động thử nghiệm Do chưa xác định xác ảnh hưởng HHO tới đánh lửa sớm, nên phương án phù hợp tăng dần lượng HHO cấp vào động kiểm tra q trình làm việc, cơng suất động trình thử nghiệm c) Anh hưởng từ tốc độ động Khi hoạt động tốc độ cao, kỳ nạp, nén, cháy sinh công, xả động diễn với tần số cao hơn, đê đảm bảo hiệu việc cấp khí HHO vào q trình cháy, lưu lượng HHO đưa vào động phải tăng lên d) Năng lương cung cấp cho thiết bị tạo HHO Thiết bị tạo HHO sử dụng lượng điện, lấy từ máy phát động Khi lượng điện tiêu thụ tăng, công suất học động sinh tiêu tốn cho máy phát tăng lên Đồng thời lưu lượng HHO cấp vào động tăng giúp tăng công suất động 3.3 Tỉnh toán thiết kế thiết bị điện phân HHO thay cho nhiên liệu động xăng xe máy a) Thông số động Hiện nay, dung tích xe máy phổ biến từ 50 - 150 phân khối, để thử nghiệm nhóm tác giả chọn loại động có dung tích 110 phân khối Thông số kỹ thuật động thử nghiệm sau: Kiểu Loại Dung tích xi lanh Đường kính X Hành trình piston Honda Xăng, kỳ, làm mát khơng khí 109,1 cc 50 X 55,6 (mm) Cơng suất cực đại/ Tốc độ quay Moment xoắn cực đại /Tốc độ quay 6,12 (kW)/7500 (vịng/phút) 8,44 (bím) /5500 (vịng/phút) b) Bổ trí cảc cực Các cực dương (+), âm (-) trung gian (n) bố trí bình điện phận để tạo khoang làm việc (cell) cho điện áp khoang xấp xỉ điện áp tiêu chuẩn điện phân, ứng với loại dung dịch điện phân Cách bố trí tạo khoang làm việc, điện áp mồi khoang ~ 2V, phù hợp với dung dịch KOH có điện áp tiêu chuẩn -1.67V Theo công thức Faraday, khoang làm việc có điện điện phân tạo 10,44 ml/phút HHO ứng với mồi A cường độ dịng điện qua Bình điện phân có cấu tạo tạo lưu lượng HHO trường hợp cường độ dòng cấp cho bình điện phân 16 (A) lên tới: Q = 10,44 X X 16 = 1002,24 ml/ phút ~ 1/phút ~ 60 1/h c) Sơ đồ cấp HHO vào động Động xe máy Honda sử dụng chế hịa khí để cấp nhiên liệu, nên khí HHO cấp trực tiếp vào đường nạp chế hịa khí Tạp chí Kinh doanh Cơng nghệ Số 21/2022 64 NGHIÊN CỨU TRAO ĐỔI Kỹ thuật - Cơng nghệ Hình 3.2 So’ đồ cấp khí HHO Ẩc quy; Công tắc nguồn điện; Bộ điều chỉnh cơng suất; Rơ-le; Bình dung dịch; Bình lọc khỉ; Đồng hồ đo lưu lượng khí; Bộ điện phản; Van chong nổ ngược; 10 Động xe máy Hình 3.3 Mơ hình cấp khí HHO cho động CO’ xe máy - Các thơng số đo thiết bị Do tác động áp st chân khơng đường nạp nên khí HHO từ đầu điện phân gồm có hệ thống đo điện áp, thiết bị tạo khí HHO (Hình 2.2) dịng điện lưu lượng khí HHO; - Để thay đổi lưu lượng khí HHO hút theo vào dịng khí nạp Ngun lý cịn có ưu điểm lượng khí HHO cung cấp cho động cơ, mơ hình có nạp bổ sung tỷ lệ với độ chân mạch điều chỉnh công suất thay khơng đường nạp, tỷ lệ với lưu đổi độ rộng xung điện áp; - Đối với động đốt có hệ lượng khí nạp vào xi lanh động 3.4 Chế tạo, lấp đặt thử nghiệm thống đo tốc độ động hiển thị lên mơ hình cấp khí HHO cho động hình xe máy 3.5 Thử nghiệm đánh giá Phương án thử nghiệm thay xăng Trên sở tính tốn lý thuyết, bình điện phân gia cơng CNC với vật khí HHO: liệu inox 316L để đạt độ xác cao - Cấp xăng cho động nổ, đo tốc đảm bảo khơng bị ăn mịn hóa học độ động cơ; - Cấp khí HHO vào đường nạp, đo Các cực cách điện với đệm Teflon ghép với tốc độ động bulong inox, bên bulong Qua thử nghiệm đánh giá hiệu có ống cách điện với cực thiết bị điện phân nên cấp khí Trên mơ hình có bố trí van chống nổ HHO thay cho nhiên liệu xăng, nồng ngược đường cấp khí vào hệ thống độ dung dịch điện phân Og/lít Lưu lượng nạp động để đảm bảo an tồn cho khí HHO điều chỉnh mạch cơng suất thay đổi dịng điện điện phân thiết bị Tạp chí Kinh doanh Cơng nghệ Số 21/2022 65 NGHIÊN cứu TRAO ĐỔI Dịng điện (A) 12 16 Kỹ thuật - Công nghệ Lưu lượng khí (1/p) ne dừng xăng (v/p) ne cấp HHO (v/p) 0?4 1750 850 2950 1500 0,6 3300 2000 0,8 4500 2500 1,0 Qua bảng kết thử nghiệm thấy dùng làm nhiên liệu thay cho động rằng, đưa khí HHO vào động tăng xăng Công nghệ cung cấp liên tục tốc độ lên gấp khoảng 1,5-2 lần Neu trình hoạt động nên phù hợp yêu cầu mơ men tốc độ tăng với phương tiện tơ, xe máy Khí HHO sản xuất đưa vào lên giúp công suất động tăng Một thử nghiệm khác, đưa khí buồng cháy để đốt cháy mà không cần HHO vào tốc độ tăng lên ổn định sau lưu vào bình chứa dễ gây cháy nổ Khi giảm lượng xăng để tốc độ với lúc sử dụng HHO làm nhiên liệu thay chưa đưa HHO Kết quả, động nổ cho động xăng kết cấu động ổn định thử nghiệm với thời gian khơng cần thay đối - Việc thay hồn tồn khí HHO 15 phút lượng xăng tiêu thụ giảm cho xăng động cần phải nghiên khoảng 60% Kết luận triển vọng công cứu tối ưu công suất thiết bị điện phân Đối với động đốt cần hiệu chỉnh nghệ - Qua kết thử nghiệm, cơng nghệ lại góc đánh lửa sớm để q trình cháy điện phân khí HHO (Dry cell) tối ưu giúp cơng suất động tăng lên./ Tài liệu tham khảo Nguyễn Tất Tiến (2007) Nguyên lý động đốt Nxb Giao thông Vận tải Enrico Conte and Konstantin Boulouchos (2004) Influence of hydrogen rich gas addition on combustion, Pollutant formation and efficiency of an IC-SI engine SAE Transactions, Vol 113, pp 611-627 A c Yilmaz, E Uludamar, and K Aydin (2010) Effect ofhydroxy (HHO) gas addition on performance and exhaust emissions in compression ignition engines International Journal of Hydrogen Energy, vol 35 Tạp chi Kinh doanh Công nghệ Số 21/2022 66 ... lý điện phân tạo hydrogen điện phân tạo khí HHO Các thiết bị điện phân tạo khí HHO dùng cho động ô tô nước châu Âu, châu Mỳ thường sử dụng công nghệ điện phân khô Khác với kiểu Wet cell, cực thiết. .. bị Do tác động áp suât chân không đường nạp nên khí HHO từ đầu điện phân gồm có hệ thống đo điện áp, thiết bị tạo khí HHO (Hình 2.2) dịng điện lưu lượng khí HHO; - Để thay đổi lưu lượng khí HHO. .. tốn cho máy phát tăng lên Đồng thời lưu lượng HHO cấp vào động tăng giúp tăng cơng suất động 3.3 Tỉnh tốn thiết kế thiết bị điện phân HHO thay cho nhiên liệu động xăng xe máy a) Thông số động Hiện