NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC Trình bày tổng quan về vấn đề ứng dụng nhiên liệu hydro vào động cơ Trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình cháy của động cơ và quá trình điện phân. Tính toán lượng HHO cần thiết cho động cơ. Thiết kế chế tạo bộ điện phân . Thực nghiệm điện phân và thí nghiệm trên xe gắn máy.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC GVHD: SVTH: Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 i CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2021 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sinh viên thực hiện: Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Lớp: Giảng viên hướng dẫn: Ngày nhận đề tài: 15/05/2020 Ngày nộp đề tài: 29/08/2021 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU HHO TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC Các số liệu, tài liệu ban đầu: Nội dung thực đề tài: - Trình bày tổng quan vấn đề ứng dụng nhiên liệu hydro vào động - Trình bày sở lý thuyết trình cháy động q trình điện phân - Tính tốn lượng HHO cần thiết cho động - Thiết kế chế tạo điện phân -Thực nghiệm điện phân thí nghiệm xe gắn máy Sản phẩm - Tập thuyết minh - Một báo khoa học đăng nội san Khoa CKĐ 2021 - Mơ hình hệ thống điện phân TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký & ghi rõ họ tên) (Ký & ghi rõ họ tên) ii CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện: Tên đề tài: NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU HHO TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:………………(Bằng chữ: …………………………………………………… ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) iii CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Sinh viên thực hiện: Tên đề tài: NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU HHO TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: 10 Đề nghị cho bảo vệ hay không? 11 Đánh giá loại: 12 Điểm:………………(Bằng chữ: …………………………………………………… ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) iv LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập Trường trình làm đồ án tốt nghiệp, nhóm chúng em Nhà trường quý Thầy Cô tạo cho môi trường học tập tốt, truyền đạt giảng dạy kiến thức, kinh nghiệm thực tế tận tâm để chúng em có tảng kiến thức vững chãi sau tốt nghiệp Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy hướng dẫn đề tài tận tình tạo hội tốt chúng em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp đưa định hướng, nhận xét để chúng em khắc phục sửa chữa Và xin cảm ơn đến Nhà trường, đặc biệt q Thầy Cơ Khoa Cơ khí động lực hướng dẫn, bổ sung kiến thức cho nhóm chúng em suốt q trình học tập vừa qua Trong trình học tập thực đồ án, nhóm có nhiều hạn chế thiếu sót số lý khách quan chủ quan Do chúng em kính mong q Thầy Cơ bạn bè thông cảm nhận nhận xét để nhóm hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng năm 2021 NGÔ XUÂN NHỊ, TRẦN QUỐC THÁI v TĨM TẮT Ảnh hưởng khí thải động đến môi trường sức khỏe người ngày nghiêm trọng, với quy định nghiêm ngặt tiêu chuẩn khí thải động Quyển thuyết minh trình bày sở lý thuyết công nghệ điện phân tiên tiến để sản xuất phụ nhiên liệu hydrogen (HHO) sở để ứng dụng phụ nhiên liệu HHO vào động xăng để giảm phát thải môi trường Trong trình cung cấp phụ nhiên liệu, lượng HHO sinh sau trình điện phân nước điều khiển điện phân tính tốn dựa vào tín hiệu cảm biến Sau đưa vào đường ống nạp động trước cánh bướm ga cho tỉ lệ hỗn hợp HHO hịa khí đảm bảo chế độ làm việc công suất động Nghiên cứu phần giải tốn khí thải động cơ, bên cạnh đưa cơng thức tính tốn định lượng nhiên liệu để cung cấp phụ nhiên liệu cho hợp lý Ngồi cịn đưa phương pháp điện phân tối ưu để sản xuất phụ nhiên liệu HHO xây dựng mơ hình thực nghiệm động xe gắn máy để kiểm chứng vi MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN v TÓM TẮT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC HÌNH x DANH MỤC BẢNG xii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Điện phân dumg dịch kiềm 1.2.2 Điện phân công nghệ màng lọc PEM .12 1.2.3 Ứng dụng nhiên liệu kép động sử dụng HHO 19 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 20 1.4 Đối tượng khách thể nghiên cứu .21 1.5 Giả thuyết nghiên cứu 21 1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu 21 1.7 Phạm vi nghiên cứu .21 1.8 Phương pháp nghiên cứu 22 1.8.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 22 1.8.2 Phương pháp quan sát 22 1.8.3 Phương pháp khảo sát thực nghiệm 22 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 2.1 Khả ứng dụng .23 2.1.1 Nhiên liệu hydro 23 2.1.2 Đánh giá khả ứng dụng qua tính chất nhiên liệu 24 2.1.3 Điều chế hydro phương pháp điện phân nước 25 2.2 Cơ sở lý thuyết định lượng nhiên liệu trình cháy động 26 2.2.1 Định lượng nhiên liệu 26 2.2.2 Quá trình cháy động 27 2.3 Cơ sở lý thuyết trình điện phân .29 2.3.1 Tổng quan 29 2.3.2 Điện phân nước có chứa dung dịch kiềm 34 vii 2.3.3 Điện phân nước với màng ngăn trao đổi proton .36 2.3.4 Điện phân nước nhiệt độ cao 42 CHƯƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 46 3.1 Mơ hình ứng dụng phụ nhiên liệu HHO .46 3.2 Tính tốn lưu lượng HHO cần thiết động xe gắn máy 47 3.3 Hệ thống điều chế HHO 50 3.3.1 Cấu tạo hệ thống .50 3.3.2 Tính tốn lượng HHO .52 3.3.3 Tính tốn mơ hình thí nghiệm 54 3.3.4 Thiết kế điện phân 56 3.4 Hệ thống điều khiển HHO 58 3.4.1 Giới thiệu phần cứng 58 3.4.2 Tín hiệu từ động để điều khiển bình điện phân 63 3.4.3 Điều khiển bình điện phân 65 CHƯƠNG KẾT LUẬN 73 4.1 Kết đạt 74 4.2 Khó khăn vấn đề tồn .74 4.3 Kiến nghị và hướng phát triển .74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 79 viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Proton exchange membrane PEM Air Fuel Ratio AFR Membrane Electrode Assembly MEA Solid Polymer Electrolyte SPE Platinum Group Metal PGM Solid-oxide water electrolysis SOWE Solid-oxide fuel cell SOFC ix DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Máy điện phân Cơng ty “Uralkhimmash” SEU-40 (a) FV-500 (b) Hình 1.1.1 Sơ đồ dòng chảy máy điện phân nước kiềm.………………… ………… Hình 1.1.2 Các thiết kế tế bào khác cho trình điện phân nước kiềm…………… Hình 1.1.3 Điện áp tế bào tính tốn máy điện phân nước kiềm khí nhiệt độ 60 ◦C………………………………………………………………………… Hình 1.1.4 Độ dẫn điện cụ thể tính tốn dạng hàm nồng độ chất điện ly dung dịch natri hydroxit (NaOH) kali hydroxit (KOH) nhiệt độ khác nhau… 11 Hình 1.2 Máy điện phân PEM HOGEN S Series by Proton OnSite 12 Hình 1.3 Máy điện phân PEM Yara (Norsk Hydro Electrolysers) 12 Hình 1.4: Quá trình điện phân PEM………………………………………… ……… 15 Hình 2.1 Hệ thống hở dùng để khảo sát động đốt 25 Hình 2.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ thơng số nhiệt động q trình điện phân nước 31 Hình 2.3 Thế điện cực so với độ pH phản ứng tách nước môi trường 35 Hình 2.4 Đồ thị biểu diễn khả điện phân dung dịch kiềm 37 Hình 2.5 Mơ tả q trình điện phân với màng ngăn trao đổi proton (PEM) 38 Hình 2.6 Cấu trúc phân tử màng Nafion hãng DuPont de Nemours (Mỹ) 38 Hình 2.7 Đường cong phân cực điện áp tế bào điện phân nước PEM 41 Hình 2.8 Sơ đồ điện phân oxit rắn 43 Hình 2.9 Ảnh chụp lưỡng cực MEA sử dụng Công nghệ điện phân SOFC 44 Hình 2.10 Đường cong phân cực đo công nghệ điện phân SOFC 5x5 cm2 45 Hình 3.1 Mơ hình thiết kế hệ thống phụ nhiên liệu vào động xe gắn máy 48 Hình 3.2 Cấu tạo điện phân 51 Hình 3.3 Đồ thị đặc tính ngồi động đốt 54 Hình 3.4 Thực nghiệm điện phân inox để tính tốn thiết kế 55 Hình 3.5 Thiết kế điện phân cho mơ hình từ kết thực nghiệm tính tốn 56 Hình 3.6 Chế tạo bình điện phân sau thiết kế tính tốn 57 Hình 3.7 Bình nước phụ điện phân 58 Hình 3.8 Arduino Uno 59 x Hình 3.15 Xung PWM sau chuyển đổi tốc độ cầm chừng Hình 3.16 Xung PWM tăng tốc Mặc dù ta xuất giá trị xung vuông yêu cầu, nhiên thực tế bo mạch cần khoảng thời gian (độ trễ) đễ đưa tín hiệu từ thấp lên cao Trong q trình chuyển từ thấp lên cao, dòng điện xung PWM đủ lớn để kích transistor (0,5A), dung sai tốc độ nhanh khoảng vài micro giây nên khó để tính tốn xác thời điểm transistor bị kích Lưu lượng theo tính tốn có sai biệt với thực tế, lượng HHO điều khiển theo thực nghiệm bằng cách thay đổi giá trị biến thời gian mã lập trình 67 Hình 3.17 Sơ đồ tổng quát điều khiển điện phân 68 3.4.3 Mơ hình thực tiễn đề tài Hình 3.18 Mơ hình tổng thể đề tài Hình 3.19 Bộ điều khiển điện phân 69 Hình 3.20 Bình điện phân 3.4.5 Kết đo kiểm trình thực nghiệm Sử dụng 5% soda (NaHCO3, PH >7) ( 50g) 1000ml nước Chọn cấp độ từ nhỏ tới lớn tương đương với công suất (%) Qua qua trình thực nghiệm chọn tần số 200 Hz để vừa đảm vừa điện phân đủ lượng HHO cần dùng vừa đảm bảo độ bền điện phân 70 Cấp độ (Công suất (%)) Điện áp (V) Khối lượng HHO (gram) 0 10 1.84 20 3.15 30 4.27 10 40 5.51 13 50 6.72 15 60 7.94 20 70 9.1 27 80 10.33 30 90 11.52 33 Bảng Bảng thông số sau thí nghiệm 71 Hình 3.21 Đồ thị điện áp khối lượng HHO thực tế Điện áp (V) 14 11,52 12 10,33 9,1 Điện áp 10 7,94 6,72 5,51 4,27 3,15 1,84 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Cấp độ 90 100 Điện áp (V) Hình 3.22 Đồ thị quuan hệ cấp độ mức điện áp thực tế 72 Khối lượng HHO (gram) 35 27 Khối lượng HHO 30 25 20 20 13 15 15 10 10 33 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cấp độ Hình 3.23 Đồ thị quuan hệ cấp độ khối lượng HHO thực tế 73 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết đạt Sau thời gian tiếp nhận tìm hiểu đề tài nhóm thu nhận số kết khả quan Nhóm tìm hiểu nắm bắt lý thuyết khí HHO việc điều chế ứng dụng khí HHO vào động cách có hiệu Thiết kế mơ hình thí nghệm điện phân thành cơng, nhóm xây dựng hướng phát triển để ứng dụng mơ hình vào động xe gắn máy kiểm sốt điều khiển q trình điện phân 4.2 Khó khăn và vấn đề cịn tồn Do trình độ chun mơn chưa cao nên việc đưa vào thực tiễn cịn nhiều sai sót, hạn chế Đồng thời q trình điện phân khơng chuẩn bị kỹ gây cháy nổ nguy hiểm Bên cạnh tình hình dịch bệnh nên thời gian làm đồ án bị rút ngắn nhóm chưa đạt kết mong muốn Mơ hình điện phân chưa ứng dụng thực tế xe gắn máy chưa có kết đo kiểm xác để đánh giá việc giảm nồng độ HC động trước sau trang bị bình điện phân 4.3 Kiến nghị và hướng phát triển Đề tài có nhiều điều kiện phát triển để đưa vào sử dụng thực tế rộng rãi Theo ý kiến cá nhân, chúng em thấy đề tài cịn phát huy tính ứng dụng cao tìm hướng cải thiện nguồn điện sử dụng để điện phân nước, đồng thời ứng dụng vào động phun xăng thực tế ô tô Đồng thời việc áp dụng động tơ thực tế tối ưu hóa linh kiện khác bướm ga, ống dẫn khí, cảm biến…để thu kết tính tốn số liệu xác cho hệ thống Sau thời gian tìm hiểu đề tài hỗ trợ tận tình thầy ThS Lê Quang Vũ nhóm chúng em tìm hiểu kết hợp hai loại nhiên liệu xăng-hydro Việc ứng dụng nhiên liệu kép vào động đốt ban hướng cịn nhiều điểm cần nghiên cứu thêm để áp dụng vào thực tế cách rộng rãi Vì số hạn chế thời gian khả nên việc tìm hiểu nhóm cịn nhiều khó khăn cịn số điểm chưa tối ưu mơ hình Bên cạnh nhóm 74 cố gắng để thực cấu điều khiển tự động cách đơn giản Trong q trình thực đề tài, nhóm tích lũy nhiều kiến thức để nâng cao trình độ thân Tuy nhiên, kiến thức ban thân hạn chế thời gian có hạn nên đề tài khơng tránh khỏi sai sót Rất mong nhận góp ý thầy, giáo Khoa Cơ Khí Động Lực để đề tài tốt nghiệp nhóm hồn thiện Cuối nhóm thực đề tài xin trân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình, quý báu thầy ThS Lê Quang Vũ thầy cô Khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] TS Nguyễn Văn Trạng, Giáo trình Động đốt trong, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh [2] PGS.TS Nguyễn Văn Nhận, Giáo trình điện tử bản, Trường Đại Học Nha Trang [3] PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Điện động điều khiển động cơ, NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2013 [4] GS-TSKH Bùi Văn Ga, Mơ hình hóa q trình cháy động đốt trong, NXB Giáo Dục, 1997 [*] Trần Hồng Ln, Giáo trình Động đốt trong, Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TPHCM, 2012 Tiếng Anh: [5] Mohamed M EL-Kassaby, Yehia A Eldrainy, Mohamed E Khidr, Kareem I Khidr, Effect of hydroxy (HHO) gas addition on gasoline engine performance and emissions, Volume 55, Issue 1, March 2016, Page 243 - 251 [6] Baltacioglu MK, Arat HT, Ozcanli M, Aydin K Experimental comparison of pure hydrogen and HHO (hydroxy) enriched biodiesel (B10) fuel in a commercial diesel engine International Journal of Hydrogen Energy 25 May 2016, 8347-53 [7] Arat H, Surer M State of art of hydrogen usage as a fuel on aviation European Mechanical Science 2018, Volume 2(1), Page 20-30 [8] M Mofijur, H.H Masjuki, M.A Kalam, M.A Hazrat, A.M Liaquat, M Shahabuddin, M Varman Prospects of biodiesel from Jatropha in Malaysia Renewable and Sustainable Energy Reviews 2012, volume 16, Page 5007 – 5020 [9] Pierre Millet, Sergey Grigoriev Water Electrolysis Technology University of Paris (XI), France, National Research Center “Kurchatov Institute”, Moscow, Russian Federation, Chapper [10] Woźniak G, Longwic R, Górski K Ocena możliwości zastosowania gazu Browna współzasilania silnika o zapłonie samoczynnym 2017 AUTOBUSY 6/2017 76 [11] Mohammed SEL, Baharom MB, Aziz ARA Analysis of engine characteristics and emissions fueled by in-situ mixing of small amount of hydrogen in CNG International Journal of Hydrogen Energy March 2011, Volume 36 (Issue 6), Page 4029-37 [12] Uludamar E Effect of hydroxy and hydrogen gas addition on diesel engine fuelled with microalgae biodiesel International Journal of Hydrogen Energy 2018, Volume 43, Page 1802836 [13] Koten H Hydrogen effects on the diesel engine performance and emissions International Journal of Hydrogen Energy 2018, Volume 43, Page 10511-9 [14] Saravanan N, Nagarajan G An experimental investigation of hydrogen-enriched air induction in a diesel engine system International Journal of Hydrogen Energy 2008, Volume 33 (Issue 6), Page 1769-75 [15] Piotr Jakliński, Jacek Czarnigowski An experimental investigation of the impact of added HHO gas on automotive emissions under idle conditions, International Journal of Hydrogen Energy 2020, Volume 45, Page 13119 – 13128 [16] Changwei Ji, Shuofeng Wang Effect of hydrogen addition on the idle performance of a spark ignited gasoline engine at stoichiometric condition International journal of hydrogen energy 2009, Volume 34, Page 3546–3556 [17] IEA Technology roadmap: hydrogen and fuel cells Paris: International Energy Agency 2013, Page 80 [18] Michael Frank Hordeski Alternative fuels the future of hydrogen, 2007, Page 53 [19] Xiaolong Liu, Changwei Ji, Binbin Gao, Shuofeng Wang, Jinxin Yang A quasi-dimensional model for hydrogen-enriched gasoline engines with a new laminar flame speed expression The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014, Volume 61, Pgae 324 – 330 [20] Hordeski M F Alternative fuels the future of hydrogen, The Fairmont Press, Inc 2007, Page 253 [21] M.A El Kady, Ahmed El Fatih Farrag, M.S Gad, A.K El Soly, H.M Abu Hashish Parametric study and experimental investigation of hydroxy (HHO) production using dry cell Fuel 282 (2020) 118825 [22] Goodridge F, Scott Kenneth Electrochemical process engineering: a guide to the design of electrolytic plant Springer Science & Business Media; 2013 77 [23] Tamer M Ismail, Khaled Ramzy, M.N Abelwhab, Basem E Elnaghi, M Abd El-Salam, M.I Ismail Performance of hybrid compression ignition engine using hydroxy (HHO) from dry cell Energy Conversion and Management 2018, Volume 155, Page 287-300 [24] https://www.honda.com.vn/xe-may/dich-vu-sau-ban-hang/huong-dan-su-dung-xe [25] https://www.semanticscholar.org/paper/Hydrogen-Operated-Internal-CombustionEngines-%E2%80%93-A-Prasath-Leelakrishnan/295a7a119f0154071022c1e0b6c38c7ec7c23284 of B Prasath, E Leelakrishnan, N Lokesh, H Suriyan, E G Prakash, K Ahmed 78 PHỤ LỤC (Code lập trình điều khiển điện phân) #include #include #include Int cd = ; Int32_t frequency = 200; Int bt = A0; Int td, out; Int pwm = 9; Int i, j; LiquidCrystal_I2C lcd(0 ×27, 20, 4); Void setup ( ) {Serial.begin(9600); Lcd.init ( ) ; Lcd.backlight ( ); Lcd Setcursor (0, 0); Lcd Print (‘CAP DO = “); pinMode (pwm, OUTPUT); pinMode (bt, INPUT); InitTimersSafe (); bool success = SetPinFrequencySafe (pwm, frequency); } Void loop () { Int var = analogRead(bt); td = map(var, 0, 890, 0, 100); 79 if (td,10) { lcd.setCursor(10, 0); lcd.print(“ “); lcd.setCursor(9, 0); lcd.print(td); } else if (td