Nghiên cứu thiết kế thiết bị tạo hydrogen sử dụng trên động cơ xăng

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM - oOo TRẦN VĂN LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ TẠO HYDROGEN SỬ DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH 05-2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM - oOo TRẦN VĂN LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ TẠO HYDROGEN SỬ DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 8520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THÀNH SA TP HỒ CHÍ MINH 05-2021 I LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn luận văn cho thầy, TS Nguyễn Thành Sa Trong suốt thời gian làm luận văn thầy tận tình bảo hướng dẫn tơi tạo điều kiện, động viên giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn Bên cạnh đó, tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo Viện Cơ Khí, Viện Đào Tạo Sau Đại Học Trong suốt thời gian học tập trường q thầy, tận tình bảo giúp đỡ kiến thức mặt đời sống Do thời gian kiến thức chuyên sâu cịn nhiều hạn chế nên luận văn tơi khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận đóng góp ý kiến từ q thầy bạn để luận văn tơi hồn thiện Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 05-2021 Học viên thực Trần Văn Linh II LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan: Luận văn “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ TẠO HYDROGEN SỬ DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG” Là cơng trình nghiên cứu thân tơi đúc kết từ trình học tập nghiên cứu hướng dẫn TS Nguyễn Thành Sa Ngoài nội dung tham khảo tài liệu liệt kê phần tài liệu tham khảo Luận văn không chép nội dung cơng trình khoa học tương tự Các thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm nghiên cứu Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 05-2021 Học viên thực Trần Văn Linh III MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II DANH MỤC HÌNH VẼ V DANH MỤC BẢNG BIỂU VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG HYDRO TRÊN ĐỘNG CƠ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu, phương pháp đối tượng nghiên cứu 1.3 Cơ sở khoa học ý nghĩa thực tiễn luận văn 1.4 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro động ô tô 1.5 Nghiên cứu ứng dụng hydro động giới 1.6 Nghiên cứu nước sử dụng hydro 100 1.7 Kết luận chương 122 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG HYDROGEN LÀM NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 133 2.1 Nhiên liệu hydrogen cho động xăng 133 2.1.1 Khái niệm hydrogen 133 2.1.2 Tính chất hydrogen 133 2.2 Động xăng dùng nhiên liệu hydro 19 2.3 Điều chế hydro sử dụng động đốt 211 2.3.1 Giới thiệu chung 211 2.3.2 Phương pháp khí hóa sinh khối 22 2.3.3 Phương pháp biến đổi nhiệt hóa cồn nhiên liệu hydrocarbons 222 2.3.4 Phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với nước 233 2.3.5 Phương pháp oxi hóa khơng hồn tồn ngun liệu 277 2.3.6 Phương pháp biến đổi hóa cacbuahydro với CO2 288 2.3.7 Phương pháp điện phân nước 288 2.4 Tích trữ, vận chuyển hydrogen 300 2.4.1 Vấn đề tích trữ vận chuyển hydrogen 300 2.4.2 Tạo khí hydrogen xe 333 IV 2.5 Kết luận chương 344 CHƯƠNG TÍNH TỐN - THIẾT KẾ BỘ TẠO HYDRO VÀ ỨNG DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 36 3.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn q trình điện phân 36 3.1.1 Thành phần hydro oxy xảy trình điện phân 36 3.1.2 Thể tích khí điều kiện tiêu chuẩn 36 3.1.3 Khối lượng riêng trung bình khí giàu hydrogen 37 3.2 Cơ sở thiết kế điện phân 37 3.3 Thiết kế thiết bị điện phân nước kiềm 37 3.3.1 Thiết kế đế 42 3.3.2 Điện cực 43 3.3.3 Tấm gioăng (Tấm đệm kín) 44 3.3.4 Chất điện phân 45 3.3.5 Nguồn điện 46 3.3.6 Sơ đồ hoạt động máy điện phân 46 3.4 Kết luận chương 46 CHƯƠNG KIỂM TRA VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TẠO KHÍ GIÀU HYDRO 49 4.1 Thử nghiệm hoạt động thiết bị điện phân kiềm 49 4.1.1 Ảnh hưởng điện áp cấp vào 49 4.1.2 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch NaOH 52 4.2 Ứng dụng nhiên liệu hydro động xăng 54 4.2.1 Động thử nghiệm 54 4.2.2 Phương pháp điều khiển phương pháp cấp khí đường ống nạp 55 4.2.3 Tính tốn sơ lượng hỗn hợp/ lượng khơng khí cung cấp cho động 57 4.3 Thực nghiệm ứng dụng hydro động 59 4.4 Kết luận chương 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 V DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các khí thải phát sử dụng 3% H2 không sử dụng H2 nghiên cứu Wang [12] Hình 1.2 Hệ thống sản xuất hydroxyl để cung cấp cho động tĩnh (a) bình sinh khí hydroxyl kiểu khơ [18] 111 Hình 2.1 Giới hạn cháy hydro số nhiên liệu khác [23] 166 Hình 2.2 Tốc độ lửa số hỗn hợp khí [20] 18 Hình 2.3 Các phương án cung cấp hydro cho động xăng [21] 200 Hình 2.4 Sơ đồ xúc tác q trình biến đổi nhiệt hóa xăng với nước [27] 255 Hình 2.5 Mơ hình xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng tận dụng nhiệt khí thải [28] 26 Hình 2.6 Sơ đồ xúc tác q trình xi hóa khơng hồn tồn xăng 288 Hình 2.7 Sơ đồ xúc tác điện phân nước 29 Hình 2.8 Tổng hợp phương pháp tồn trữ hydro 311 Hình 2.9 Bình hydro dạng lỏng áp suất 200bar bố trí tơ 322 Hình 2.10 Minh họa 02 phương pháp tạo hydro thứ cấp (a) trực tiếp (b) ô tô 333 Hình 3.1 Mơ hình thiết kế bố trí thiết bị điện phân nước kiềm dùng công cụ Inventor 411 Hình 3.2 Tổng chi tiết máy điện phân nước kiềm 422 Hình 3.3 Tấm đế máy điện phân nước kiềm 42 Hình 3.4 Tấm điện cực máy điện phân nước kiềm 43 Hình 3.5 Kết cấu gioăng máy điện phân nước kiềm 45 Hình 3.6 Chất xúc tác NaOH tạo môi trường kiềm 466 Hình 3.7 Sơ đồ hoạt động máy điện phân 477 Hình 4.1 Ảnh hưởng điện áp đến thời gian tạo lít hỗn hợp giàu hydro 50 Hình 4.2 Ảnh hưởng điên áp cấp vào đến nhiệt độ dung môi điện phân 51 Hình 4.3 Minh họa ảnh hưởng nồng độ NaOH đến thời gian sản sinh lít hỗn hợp giàu hydro 533 Hình 4.4 Minh họa ảnh hưởng nồng độ NaOH đến nhiệt độ dung môi điện phân 544 Hình 4.5 Mơ hình bố trí máy điện phân cung cấp HHO vào đường ống nạp 555 Hình 4.6 Vị trí lắp đặt lỗ bổ sung hỗn hợp khí cổ hút động 566 VI Hình 4.7 Lượng xăng tiết kiệm qua lần thí nghiệm động vận hành khơng tải 1200 vịng/ phút 60 VII DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Một số tính chất hydro, mê-tan, xăng 133 Bảng 4.1 Ảnh hưởng điện áp cấp vào đến lưu lượng khí HHO sản sinh 499 Bảng 4.2 Thí nghiệm lưu lượng khí HHO sản sinh thay đổi giá trị NaOH 522 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật động thí nghiệm 555 Bảng 4.4 Thể tích khơng khí yêu cầu thể tích hỗn hợp giàu hydro phút động 588 Bảng 4.5 So sánh lượng nhiên liệu tiết kiệm khơng có có hỗn hợp giàu hydro chế độ cầm chừng 1200 vòng/ phút 25 phút động Honda Wave 599 VIII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nội dung BTE Brake Thermal Efficiency – Hiệu suất nhiệt có ích CFD Computational Fluid Dynamics – Tính tốn động lực học lưu chất CNG Compressed Natural Gas – Nhiên liệu khí thiên nhiên nén CO Carbon Oxide – Khí thải bon mono xít DME Dimethyl Ether – nhiên liệu tổng hợp DMF Dimethyl Furan – nhiên liệu tổng hợp HC Hydrocarbons – nhiên liệu có gốc hydro bon HyICE Optimization of the Hydrogen Internal Combustion Engine – Dự án tối ưu sử dụng hydro động đốt JE5 Chu trình đo khí thải LPG Liquefied petroleum gas – Nhiên liệu dầu khí hóa lỏng NG Natural Gas – Khí thiên nhiên NOx Nitrogen Oxide – khí thải động (bao gồm: NO, NO2, NO3) PFI Port Fuel Injection – Hệ thống phun nhiên liệu đường ống nạp PEM Proton Exchange Membrane – Bộ xúc tác thành phần kiểu màng Tier Tiêu chuẩn khí thải Mỹ (Tier I, Tier II, Tier III) 55 Trong mục này, hydro hỗn hợp khí giàu hydro ứng dụng cho mục đích vận hành phần nhiên liệu (có khả sinh nhiệt) động đốt cỡ nhỏ phương tiện giao thông (xe máy) Động xe Honda Wave α sử dụng cho mục đích thử nghiệm khả ứng dụng hydro thực tế Thông số động thực nghiệm minh họa bảng 4.3 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật động thí nghiệm STT Thơng số Giá trị Kiểu động Xăng kỳ, đánh lửa cưỡng Hệ thống nhiên liệu Chế hịa khí Dung tích 97,1 cm3 Tỉ số nén 9,7:1 Cơng suất 5,1 KW (8000 vòng/ phút) 4.2.2 Phương pháp điều khiển phương pháp cấp khí đường ống nạp Hình 4.5 sơ đồ lắp đặt hệ thống cung cấp hỗn hợp sản phẩm khí tạo cho động Honda Ware –α sử dụng máy điện phân kiềm nêu Hệ thống bao gồm máy điện phân kiềm, bình nhiên liệu, bình lọc khí, nguồn điện accu động xe kiểm tra Hình 4.5 Mơ hình bố trí máy điện phân cung cấp HHO vào đường ống nạp 56 Máy điện phân lắp đặt xe sử dụng nguồn điện bình accu hệ thống cung cấp điện xe Van điều chỉnh lưu lượng khí giúp điều chỉnh lượng khí phù hợp để đưa vào đường ống nạp, từ giúp dễ dàng theo dõi lựa chọn lưu lượng phù hợp cho máy Đường ống hỗn hợp giàu hydro cấp vào đường ống nạp động cơ, để đảm bảo lưu lượng, bố trí phía sau cánh gió động Sẽ bổ sung thêm ống nối có đường kính 5mm từ cổ hút động Hình 4.6 thể việc lắp đặt ống hydro vào cố hút động Hình 4.6 Vị trí lắp đặt lỗ bổ sung hỗn hợp khí cổ hút động Khi bật cơng tắc sang vị trí ON, nguồn điện cung cấp vào thiết bị điện phân từ tạo hỗn hợp khí hydro oxy hỗn hợp khí dẫn lại bình nhiên liệu Vì trình điện phân, nhiệt độ nước cao với tạo khí hình thành chênh lệch áp suất thiết bị, nên ngồi việc có hỗn hợp khí kèm theo lượng dung dịch Nên tất hỗn hợp đưa bình dung dịch để tạo tuần hồn giúp tiết kiệm lượng dung dịch giảm nhiệt độ điện phân Khí sục bình nhiên liệu để giảm lượng nước đồng thời để làm mát phần nước điện phân trước vào bình lọc khí Bình lọc khí có phần dung dịch điện phân trên, bình nhiệt độ thấp nên lọc lượng nước đảm bảo có khí hydro oxy trực tiếp vào động Ngồi bình lọc có nhiệm vụ van an toàn để chống cháy ngược nhiên liệu xảy cháy ngược động Khí từ bình lọc qua van điều chỉnh lưu lượng cung cấp vào đầu cổ hút động Khi đến trình nạp, xylanh xuống tạo vùng áp suất 57 chân khơng, từ làm chênh lệch áp suất hút hết tồn khí có trước cổ hút để thực q trình cháy 4.2.3 Tính tốn sơ lượng hỗn hợp/ lượng khơng khí cung cấp cho động Khi thí nghiệm hỗn hợp giàu hydro cung cấp cho động hỗn hợp cung cấp nhiều ảnh hưởng đáng kể đến khả vận hành động thí nghiệm Do đặc tính tốc độ cháy nhanh, thời gian lan tràn lửa thấp; dùng nhiều hydro cần phải điều chỉnh lại góc đánh lửa sớm Trong đó, lượng hỗn hợp khí tạo từ thiết bị điện phân ít, lượng hỗn hợp cung cấp cho động không đạt yêu cầu không ổn định Theo phương án hình 2.3 thể tích hydro (hoặc hỗn hợp hydro – oxy) cấp tối đa phương pháp nạp hydro từ ống nạp chiếm 30% thể tích xy lanh, 70% cịn lại thể tích khơng khí từ mơi trường Giả thiết q trình nạp có hiệu suất nạp 0.9, bỏ qua ảnh hưởng thất khí nạp; khí nạp chiếm đầy thể tích cơng tác động Như lượng thể tích khơng khí yêu cầu phút động vận hành tính sơ sau: V𝑘𝑘 = 0,9 𝜋𝐷2 𝑆 𝑛 (3.3) Trong đó: V𝑘𝑘 : thể tích khơng khí; D: đường kính xi lanh (50 cm); S: hành trình piston (49,5 cm); n số vịng quay động cơ; ½ minh họa cho kiểu động kỳ Thể tích khơng khí u cầu thể tích hỗn hợp giàu hydro thể bảng 4.4 Các động xăng kiểu không tăng áp nhỏ ảnh hưởng thất thoát áp suất đường ống nạp, tốc độ cao piston, tượng giãn nở khí sót bên xi lanh Ở dãy số vòng quay thấp, hệ số nạp động xăng khoảng 0.9; nhiên tăng số vòng quay động cao (>2000 vịng/ phút) thời gian nạp ngắn đi, thất thoát áp suất nạp tăng lên hệ số nạp giảm Ở dãy số vòng quay lớn tượng thiếu hụt khí nạp nghiêm trọng, 58 hệ thống phối khí biến thiên đời để giảm phần từ vấn đề thiếu khí nạp dãy vịng tua máy cao Bảng 4.4 Thể tích khơng khí u cầu thể tích hỗn hợp giàu hydro phút động Số vòng quay n [vòng/ phút] VKK[m3] VHHO[m3] Số vòng quay n [vòng/ phút] VKK[m3] VHHO[m3] 0.0795015 1000 0.0441675 0.01325025 6000 0.265005 2000 0.088335 0.0265005 7000 0.3091725 0.09275175 3000 0.1325025 0.03975075 8000 4000 5000 0.17667 0.053001 0.2208375 0.06625125 0.35334 0.106002 9000 0.3975075 0.11925225 10000 0.441675 0.1325025 Từ bảng 4.4 thấy 1000 vòng/ phút động cơ, để nạp tối đa khoảng 30% thể tích xi lanh cần khoảng 13,25 lít hỗn hợp giàu hydro Như vậy, thiết bị tạo hydro thiết kế thử nghiệm thông số như: nồng độ NaOH 5g/ lít, điện áp 13V tạo 15 lít/ phút Vì dãy tốc độ cầm chừng (1000-1200 vòng/ phút), thiết bị tạo hỗn hợp giàu hydro áp dụng để thí nghiệm với khả cung cấp nhiều đến 30% theo lý thuyết Tuy nhiên dãy vòng quay động cao hơn, việc bổ sung hỗn hợp giàu hydro phải giảm xuống với tỉ lệ hỗn hợp hydro/ khơng khí thấp Chú ý: Trong trình điện phân, tăng nhiệt độ dung dịch điện phân xảy Vì vậy, lắp bình nhiên liệu có dung tích chứa đủ lớn, trình điện phân lưu lượng dung dịch cấp cách tuần hoàn Đồng thời, bình bố trí có độ cao thiết bị điện phân để tạo áp lực dịng nước có ống để dễ dàng di chuyển ống Trong trình điện phân, nhiệt độ tăng cao nên làm nước bị bốc Vì vậy, ống khí giàu hydro kèm theo lượng nước đáng kế, để xử lý vấn đề này, lắp đặt thêm bình lọc khí, việc lắp đặt bình giúp lọc lượng nước q trình bốc Ngồi ra, việc lựa chọn thơng số phù hợp cho bình cịn giúp làm van chống cháy ngược có tượng cháy ngược thiết bị 59 4.3 Thử nghiệm ứng dụng hydro động Quy trình thực nghiệm ứng dụng hydro động xăng xe máy Honda thực sau: Đầu tiên, để xác định tính kinh tế, ta làm thí nghiệm với động chạy 100% nhiên liệu xăng, ta đo thời gian tiêu thụ hết phần nhiên liệu cho trước Thể tích nhiên liệu tiêu thụ đo dựa ống thủy tinh có chia vạch thể tích ban đầu trước thử nghiệm sau thí nghiệm Dựa 10 lần thí nghiệm với nhiên liệu 100% xăng, kết cho thấy để tiêu thụ hết khoảng 300ml nhiên liệu xăng cần khoảng 25 phút động vận hành không tải (Bảng 4.5 cột 2) Điều chỉnh động chạy ổn định khơng tải 1200 vịng/ phút với hỗn hợp nhiên liệu xăng hỗn hợp khí giàu hydro Căn kết thí nghiệm cho 100% xăng, thí nghiệm động chạy khơng tải 1200 vòng/ phút 25 phút với hỗn hợp nhiên liệu xăng khí giàu hydro; xác định thể tích nhiên liệu xăng tiêu thụ (Bảng 4.5 cột 3) Thể tích xăng tiết kiệm 10 lần thí nghiệm dựa kết trường hợp sử dụng 100% xăng hỗn hợp xăng với khí giàu hydro (Bảng 4.5 cột 4) Bảng 4.5 So sánh lượng nhiên liệu tiết kiệm khơng có có hỗn hợp giàu hydro chế độ cầm chừng 1200 vòng/ phút 25 phút động Honda Wave STT Lượng xăng tiêu thụ (ml) Lượng xăng tiêu thụ hỗn hợp xăng khí giàu hydro (ml) Lượng xăng tiết kiệm (ml) 300 200 100 298 200 98 300 190 110 299 209 90 297 217 80 299 199 100 300 201 99 300 198 102 60 296 195 105 10 300 202 98 Ghi chú: Trong q trình thí nghiệm với lần khác cố định thông số để đảm bảo hạn chế sai số như: Nhiệt độ động (làm ấm trước thí nghiệm); Tải điện bên ngồi; Nhiệt độ môi trường; Thông số điện phân Lượng xăng tiết kiệm [ml] 120 110 100 100 98 100 99 102 105 98 90 80 80 60 40 20 Lần thí nghiệm 10 Hình 4.7 Lượng xăng tiết kiệm qua lần thí nghiệm động vận hành khơng tải 1200 vịng/ phút Từ hình 4.7 thấy qua lần thí nghiệm với diện hỗn hợp giàu hydro khí nạp, lượng xăng tiêu thụ giảm trung bình khoảng 98 ml Như nói với chế độ khơng tải 1200 vịng/ phút có hỗn hợp giàu hydro đường nạp, lượng nhiên liệu động tiêu thụ giảm gần 30% Lượng nhiên liệu giảm giải thích theo bổ sung lượng từ cháy hydro bên động Căn lượng xăng tiêu thụ giảm đi, chi phí tiết kiệm A giá thành thành vận hành 25 phút tính sau: A = 0,098 16,000 = 1571 [VN đồng] 61 Trong đó: xem giá thành xăng thị trường 16000 VN đồng Tuy nhiên, để tiết kiệm 1571 đồng phải cấp vào thiết bị điện phân nguồn lượng để điện phân hỗn hợp giàu hydro (chưa tính đến chi phí chế tạo thiết bị ban đầu) Chi phí điện phân hỗn hợp giàu hydro tính sau: Cơng suất dịng điện tiêu thụ: P = U I t =13 (60/25) = 94 Wh Như vậy, công suất nguồn đầu vào cho thiết bị điện phân 94W Đối với trường hợp thí nghiệm nguồn lượng sử dụng từ công suất động phát Trong q trình thí nghiệm, lượng lượng liên tục cung cấp hệ thống nạp điện động Đối với trường hợp sử dụng nguồn điện từ hệ thống lưới điện dân dụng để thực điện phân chi phí cấp vào khoảng 200 VN đồng (xem 1KWh điện khoảng 2000 đồng) Lúc hỗn hợp giàu hydro tạo tích trữ thơng qua bình chứa Lượng nhiên liệu tiết điệm trường hợp tăng lên động kéo thêm tải điện máy phát điện Tuy nhiên phương án phức tạp kết cấu bình chứa chi phí đầu tư ban đầu Ngồi ra, chi phí tiết kiệm 1571 đồng nêu chưa kể đến chi phí đầu tư thiết bị ban đầu, chi phí bảo trì – bảo dưỡng thiết bị trình vận hành Đồng thời việc trang bị phương tiện xe gắn máy ảnh hưởng đến kết cấu tổng thể, hệ thống cung cấp điện phải làm việc cường độ cao Đặc biệt điều kiện ban đêm (sử dụng hệ thống đèn), sử dụng cịi, … làm q tải hệ thống cung cấp điện Việc thí nghiệm cung cấp hỗn hợp giàu hydro nội dung nghiên cứu thực chế độ khơng tải số vịng quay 1200 vòng/ phút Tại số vòng quay cao cần lượng hỗn hợp giàu hydro lớn địi hỏi thiết bị điện phân có cơng suất cao Tuy nhiên tốc độ cao, cung cấp nhiều hydro ảnh hưởng đến cháy khơng bình thường khơng can thiệp hệ thống đánh lửa Thiết bị điện phân nghiên cứu ứng dụng dãy tốc độ động cao cần điều chỉnh giảm dần lượng hỗn hợp cung cấp Một hệ thống điện điều khiển lấy tín hiệu từ số vịng quay động thực tính tốn, điều khiển van định lượng hỗn hợp giàu hydro giảm dần theo số vòng quay động giải phù hợp vấn đề 62 4.4 Kết luận chương Phần ta đã kiểm tra ảnh hưởng điện áp cấp vào thiết bị điện phân để tạo khí hydro Tiếp đến ta kiểm tra ảnh hưởng nồng độ dung dịch NaOH thêm vào thiết bị Từ lần kiểm tra ta kết luận đưa giải pháp cụ thể cho việc sử dụng thiết bị điện phân tốt tạo khí hydro tinh khiết hiệu - Thí nghiệm phân tích khả làm việc thiết bị điện phân để ứng dụng lên động cỡ nhỏ Cụ thể ta thí nghiệm sử dụng động xe máy Wave a đo công suất đầu Hơn ta so sánh tiêu hao nhiên liệu động dùng 100% nhiên liệu xăng Động sử dụng hydrogen với xăng Về tính kinh tế động sử dụng hydrogen xăng giảm chi phí nhiên liệu cịn giảm thải nhiễm mơi trường Nhưng việc sử dụng cịn gặp số khó khăn động kết cấu gắn xe 63 KẾT LUẬN  Kết luận Ngành công nghiệp động đối mặt với thử thách lớn nguồn lượng sử dụng vấn đề ô nhiễm môi trường Hydro từ lâu xem nguồn nhiên liệu tiềm thay nhiên liệu xăng dầu tính chất ưu việt Ngày nay, vấn đề sử dụng hydro giới quan tâm chế tạo, tồn trữ lượng ảnh hưởng đến hoạt động động đốt Tác giả tin hydro tiếp tục quan tâm ứng dụng lĩnh vực đời sống không nguồn lượng động đốt mà sử dụng rộng rãi lĩnh vực y tế, pin nhiên liệu, sản xuất công nghiệp Nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu phương pháp chế tạo hydro hỗn hợp giàu hydro cho mục đích ứng dụng động đốt để hạn chế lượng xăng tiêu thụ Vấn đề tạo nguồn cung cấp hydro giải cách Nghiên cứu trình bày số kết như: - Tìm hiểu, đánh giá tình hình nghiên cứu sử dụng hydro động ô tô, khả phát thải, công suất; vấn đề điều chế, cung cấp tồn trữ hydro động - Tính tốn, thiết kế chế tạo thành công thiết bị tạo hỗn hợp giàu hydro điều kiện cho phép Các kết thí nghiệm ảnh hưởng hiệu điện cung cấp nồng độ NaOH đến suất tạo hỗn hợp giàu hydro Hiệu điện 13V nồng độ 5g/ lít NaOH tỏ phù hợp chọn sử dụng cho việc ứng dụng động cỡ nhỏ xe máy Thông số nguồn điện sở sẵn có xe máy khả làm việc lâu dài thiết bị; - Nghiên cứu đưa phương án cung cấp hỗn hợp giàu hydro đến động cỡ nhỏ thông qua hệ thống thiết bị để đảm bảo vận hành thích hợp Hydro cung cấp dạng khí đến đường ống nạp phương án ảnh hưởng đến vấn đề giảm cơng suất động Tuy nhiên, kết tính tốn cho thấy thiết bị điện phân chế tạo hồn tồn đủ cung cấp thí nghiệm động vận hành chế độ khơng tải 1200 vịng/ phút - Kết thí nghiệm việc sử dụng hỗn hợp giàu hydro từ thiết bị tạo cho thấy tiết kiệm khoảng 30% so với không sử dụng hydro (chế độ khơng tải 1200 64 vịng/ phút) Một số tính tốn tiết kiệm trung bình 1571 đồng sau 25 phút cho trường hợp thí nghiệm Tuy nhiên, hạn chế kiến thức thời gian; nghiên cứu tập trung vào tính tốn, thiết kế chế tạo thiết bị tạo hỗn hợp giàu hydro Việc tối ưu thiết kế để nâng cao suất tạo hỗn hợp chưa đề cập Ngoài ra, ứng dụng hỗn hợp giàu hydro đánh giá khả sử dụng hydro khía cạnh nhỏ hoạt động, động xăng xe máy Nghiên cứu mở rộng khía cạnh khác  Hạn chế hướng phát triển đề tài Nghiên cứu thiết kế tối ưu cải thiện hiệu suất tạo hỗn hợp giàu hydro nhiều để đảm bảo sử dụng dãy tốc độ động thí nghiệm Hiện nay, điện phân thiết kế tỏ thiếu công suất ứng dụng động vận hành số vòng quay cao (trên 3000 vòng/ phút); Chưa xem xét đến vấn đề cân lượng điện lắp thiết bị điện phân xe máy Nếu hệ thống cung cấp điện xe máy sử dụng thiếu công suất (đặc biệt có tải điện lớn) ảnh hưởng đến hệ thống dây dẫn Ngoài ra, việc thiếu cơng suất điện u cầu gây cạn kiệt bình accu dự trữ khó khăn cho vấn đề sử dụng phương tiện Việc sử dụng phương tiện xe gắn máy, nghiên cứu thực dạng đề xuất thực thí nghiệm trạng thái tĩnh Việc bố trí thiết bị xe gắn máy cần nhiều thời gian xem xét bao gồm yếu tố tản nhiệt cho thiết bị điện phân Ngoài vấn đề cung cấp nước dao động xe chuyển động cần quan tâm đánh giá Đối với việc ứng dụng động cơ, nghiên cứu mở rộng đánh giá việc ứng dụng dãy vòng quay khác (trên 1200 vòng/ phút), chế độ tải khác Việc cung cấp hỗn hợp giàu hydro điều chỉnh linh hoạt tự động thông qua thiết bị điện tử Việc can thiệp thiết bị điện tử mở rộng khả ứng dụng hỗn hợp khí hydro tạo mơ hình động thí nghiệm Việc ứng dụng hydro đến động thí nghiệm thực qua nghiên cứu nói cịn sơ khai Nghiên cứu mở rộng đến mức độ thay đổi công suất với tỉ lệ hỗn hợp giàu hydro cung cấp/ không khí nạp; lượng thay đổi 65 khí thải phát thay đổi thông số nhiệt động động vận hành Nếu thực thêm yếu tố thuyết phục vấn đề sử dụng hỗn hợp giàu hydro đến động xe máy khẳng định cách mạnh mẽ Tuy nhiên, nghiên cứu thể phương pháp giải vấn đề điều kiện Việt Nam ứng dụng hydro động đốt Từ làm tiền đề cho ứng dụng sâu rộng loại nhiên liệu góp phần giải vấn đề an ninh lượng nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Phạm Ngọc Anh Nghiên Cứu Tạo Nhiên Liệu Giàu Hydro Trên Động Cơ Để Cải Thiện Tính Năng Và Phát Thải Đại Học Bách khoa Hà Nội, 2017 [2] Lê Anh Chiến Luận án Tiến sĩ “Nghiên cứu q trình cháy khí thải động phun xăng xe máy sử dụng hỗn hợp giàu hydro” Đại Học bách khoa Hà Nội, 2015 [3] 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 Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, (17) Số 1.1, 2019 ISSN 1859-1531 [4] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Văn Đơng: Khả giảm phát thải CO2 Việt Nam nhờ sản xuất điện biogas Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, số 1(30)/2009, pp 7-13 [5] Nguyễn Tiến Hán, Vũ Minh Diễn, Phạm Hữu Nam, Lê Hồng Long Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ HHO cho động Diesel Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Công nghiệp Hà Nội số 42 (10/2017): 73-76 [6] Hồng Đình Long Nghiên cứu tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hydro để giảm phát thải cho động diesel Tạp chí Giao thơng Vận tải, Số 6/2010, ISSN 08667012, trang 31-34, 2010 [7] Hồng Đình Long, Nguyễn Thế Lương Sử dụng xúc tác nhiên liệu để giảm thành phần độc hại khí thải động xăng Tạp chí Giao thơng Vận tải, Số 6/2009, trang 35- 38, 2009 [8] Trịnh Xuân Phong Nghiên cứu tận dụng nhiệt khí thải tạo nhiên liệu Hydro để giảm phát thải độc hại cho động xăng Đại học Bách khoa Hà Nội, 2013 [9] Lê Anh Tuấn Nghiên cứu phát triển cơng nghệ tạo khí giàu hydro để bổ sung cho động xăng nhằm nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu giảm phát thải động Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2015 67 Tiếng anh [10] A.A Al-Rousan: Reduction of fuel consumption in gasoline engines by introducing HHO gas into intake manifold Int J Hydrogen Energy 35 (2010) 1293012935 [11] Anand, Shakti Soni, Nakul Aggarwal Analysis of a Hydrogen Fueled Internal Combustion Engine International Journal of Enhanced Research in Science, Technology & Engineering, Vol Issue 7, p.236-243, 2015 [12] Ann M De Goote, G F Froment Partial oxidation of methane over nickel catalyst Appl Catal A, 138, p.245-264, 1996 [13] Das LM Hydro engines: a view of the past and a look into the future Int J Hydro Energy 1990;15:425-43 [14] D Sutton, S.M Parle, J.R.H Ross The CO2 Refoming of the hydrocarbons present in a model gas stream over selected catalysts Fuel Processing Technology, 75, p.45-53, 2002 [15] El-Naggar A Y., S A Ghoneim, R A El-Salamony, S A El-Tamtamy And A K El-Morsi Catalytic Refoming of all hydrocarbons in Natural gas with carbon dioxide to produce Synthesis gas over rhodium-alumina catalyst Int J Chem Sci, 11(1), p 39-52, 2013 [16] E Leelakrishnan and H Suriyan: Performance and emmision chracteristics of Brown's gas enriched air in spark ignition engine International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, Vol 2, No 2, pp 393404, February 2013 [17] Gerd Rabenstein, Viktor Hacker Hydrogen for fuel cells from ethanol by steamRefoming, partial-oxidation and combined auto-thermal Refoming: A thermodynamic analysis Journal of Power Sources 185, p1293–1304, 2008 [18] Hu E, Huang Z, He J, Miao H Experimental and numerical study on laminar burning velocities and flame instabilities of hydro-air mixtures at elevated pressures and temperatures Int J Hydro Energy 2009;34:8741-55 68 [19] HyICE: optimization of the hydro internal combustion engine URL, http://ec.europa.eu/research/transport/ projects/items/ hyice optimising hydro powered engines en.htm; 2007 [20] Hydro region Flanders e South Netherlands URL, http:// www.waterstofnet.eu/english.html; 2013 [21] Iwasaki H, Shirakura H, Ito A A study on suppressing abnormal combustion and improving the output of hydro fueled internal combustion engines for commercial vehicles SAE International; 2011 SAE paper no 2011-01-0674 [22] Jack Dempsey Hydrogen Fuel Cell Engines and Related Technologies Module 1: Hydrogen properties College of the Desert, Palm Desert, CA, USA, 2001 [23] Jack Dempsey Hydrogen Fuel Cell Engines and Related TechnologiesModule 2: Hydrogen use College of the Desert, Palm Desert, CA, USA, 2001 [24] Jack Dempsey Hydrogen Fuel Cell Engines and Related TechnologiesModule 3: Hydrogen use in internal combustion engines College of the Desert, Palm Desert, CA, USA, 2001 [25] John B Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals (2nd edition) (9781260116106) McGraw-Hill Education, 2018 [26 K Shimizu, M Fukagawa, A Sakanishi, ‘Development of PEM water electrolysis type hydrogen production system’, in 15th Hydrogen Energy Conference proceedings, Yokohama, 2004 [27] M Levent, D J Gunn, M A El-Bousiffi Production of hydrogen-rich gases from steam Refoming of methane in an automatic catalytic microreactor Internationl journal of hydrogen energy 28, p945-959, 2003 [28] M Laniecki, R Glowacki, ‘Photocatalysis as a tool in hydrogen generation’, in 15th Hydrogen Energy Conference proceedings, Yokohama, 2004 [29] Natarajan S, Abraham M, Rajesh M, Subash G, Kunal R, Das L Delhy 3w hydro fuelled Hy-Alfa three wheeler SAE International; 2013 SAE paper no 201301-0224 [30] Pareja J, Burbano H, Ogami Y Measurements of the laminar burning velocity of hydro-air premixed flames Int J Hydro Energy 2010;35:1812-8 69 [31] P Kapus Lowest Consumption and Highest Performance – a Contradiction? Outlook on the Future of the Gasoline Engine Leiter Entwicklung Ottomotoren und Konzeptfahrzeuge AVL List GmbH, Graz 2014 [32] R K Tyagi Ravi Ranja, Effect of hydro and gasoline fuel blend on the performance of SI engine Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels, Vol 4(7), pp 137-142, November 2013 DOI: 10.5897/JPTAF2013.0095 [33] Sainz D, Dieguez P, Sopena C, Urroz J, Gandia L Conversion of a commercial gasoline vehicle to run bi-fuel (hydrogasoline) Int J Hydro Energy 2012;37:1781-9 [34] S.e.A Musmar, A.A Al-Rousan: Effect of HHO gas on combustion emissions in gasoline engines Fuel 90 (10) (2011) 3066-3070 [35] Shuofeng Wang, Changwei Ji, Bo Zhang, Xiaolong Zhou Analysis on combustion of a hydro-blended gasoline engine at high loads and lean conditions Energy Procedia 61 (2014) 323 – 326 [36] Seo Y.S., A Shirley, S.T Kolaczkowski Evaluation of thermodynamically favourable operating conditions for production of hydrogen in three different Refoming technologies J Power Sources; 108: 213–225, 2002 [37] TD'Andrea, P Fhenshaw D.S KTing The addition of hydro to a gasolinefuelled SI engine Energy, Volume 29, Issue 14, November 2004, Pages 1541-1552 [38] U.S Department of Energy office of Energy Efficiency and Renewable Energy Freedomcar and fuel partnership plan URL, http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/ program/fc_fuel_partnership_plan.pdf; 2006 [39] Verhelst S, Wallner T Hydro-fueled internal combustion engines Prog Energy Combustion Sci 2009;35:490-527 [40] Yousri M.A Welaya, Mohamed M El Gohary 1, Nader R Ammar (2012) Steam and partial oxidation Refoming options for hydrogen production from fossil fuels for PEM fuel cells Alexandria Engineering Journal 51, p69–75, 2012 [41] Zhu, W., Xiong, G., Han, W., Yang, W Catalytic partial oxidation of gasoline to syngas in a dense membrane reactor Catalysis Today, vol 93–95, p257– 261, 2004