Nghiên cứu thiết kế thiết bị tạo hydrogen sử dụng trên động cơ xăng khóa luận tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÌNH DƯƠNG KHOA CNKT Ơ TƠ  ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ TẠO HYDROGEN SỬ DỤNG TRÊNĐỘNG CƠ XĂNG Chuyên ngành: Mã ngành: Công nghệ kỹ thuật tơ 7510205 BÌNH DƯƠNG - NĂM 2023 PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Trước tiên, nhóm em xin gửi lời cảm ơn thầy ThS Trần Văn Hùng Trong suốt thời gian nhóm em làm khóa luận thầy tận tình bảo hướng dẫn nhóm em tạo điều kiện, động viên giúp đỡ, để nhóm em hồn thành khóa luận Bên cạnh đó, nhóm em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo Khoa CNKT ô tô Trong suốt thời gian học tập trường q thầy, tận tình bảo giúp đỡ nhóm em kiến thức mặt đời sống Do thời gian kiến thức chuyên sâu nhiều hạn chế nên khóa luận nhóm em khơng thể tránh khỏi thiếu sót Nhóm em mong nhận đóng góp ý kiến từ q thầy bạn để khóa luận nhóm em hồn thiện Nhóm em xin chân thành cảm ơn! Bình Dương, tháng 08 năm 2023 Nhóm sinh viên thực Trần Nguyễn Minh Châu Lư Chi Bằng MỤC LỤC Trang PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG MỞ ĐẦU 10 1.1 Tính cấp thiết đề tài 10 1.2 Mục tiêu, phương pháp đối tượng nghiên cứu 12 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 12 1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 12 1.2.3 Đối tượng nghiên cứu 12 1.3 Cơ sở khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 13 1.4 Phân công nhiệm vụ sinh viên 14 CHƯƠNG 1: NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 15 1.1 Khái niệm môi chất công tác động 15 1.2 Nhiên liệu sử dụng động đốt 15 1.2.1 Nhiên liệu khí 15 1.2.2 Nhiên liệu lỏng 16 1.3 Đánh giá cháy nhiên liệu Diesel 18 1.3.1 Tỷ số nén tới hạn εth 18 1.3.2 Số xê-tan 19 1.3.3 Chỉ số diesel 19 1.4 Đánh giá tính chống kích nổ nhiên liệu xăng 19 1.4.1 Tỷ số nén có lợi 19 1.4.2 Số ốc-tan 19 1.5 Phản ứng cháy nhiên liệu sản vật cháy 20 1.5.1 Nhiên liệu cháy hoàn toàn phản ứng cháy lượng khơng khí cần thiết để đốt cháy hồn tồn kg nhiên liệu 20 1.5.1.1 Hệ số dư lượng khơng khí 22 1.5.1.3 Lượng khí nạp 22 1.5.1.4 Sản vật cháy 22 1.5.2 Nhiên liệu cháy khơng hồn tồn 23 1.5.3 Thay đổi thể tích khí cháy 26 1.5.3.1 Lượng biến đổi phân tử 26 1.5.3.2 Hệ số biến đổi phần tử lý thuyết 27 1.5.3.3 Hệ số biến đổi phân tử thực tế 28 1.6 Nhiệt trị nhiên liệu, tổn thất nhiên liệu cháy thiếu ô xy ô nhiễm môi trường 29 1.6.1 Nhiệt trị nhiên liệu 29 1.6.2 Tổn thất nhiên liệu khí cháy thiếu xy nhiễm môi trường 30 1.7 Nhiên liệu hydro 31 1.8 Kết luận chương 31 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG HYDROGEN LÀM NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 32 2.1 Nhiên liệu hydrogen cho động xăng 32 2.1.1 Khái niệm hydrogen 32 2.1.2 Tính chất hydrogen 32 2.2 Động xăng dùng nhiên liệu hydro 38 2.3 Điều chế hydro sử dụng động đốt 40 2.3.1 Giới thiệu chung 40 2.3.2 Phương pháp khí hóa sinh khối 40 2.3.3 Phương pháp biến đổi nhiệt hóa cồn nhiên liệu hydrocarbons 41 2.3.4 Phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với nước 42 2.3.5 Phương pháp oxi hóa khơng hồn tồn ngun liệu 46 2.3.6 Phương pháp biến đổi hóa cacbuahydro với CO2 47 2.3.7 Phương pháp điện phân nước 47 2.4 Tích trữ, vận chuyển hydrogen 49 2.4.1 Vấn đề tích trữ vận chuyển hydrogen 49 2.4.2 Tạo khí hydrogen xe 52 2.5 Kết luận chương 53 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ BỘ TẠO HYDRO VÀ ỨNG DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 54 3.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn q trình điện phân 54 3.1.1 Thành phần hydro oxy xảy trình điện phân 54 3.1.2 Thể tích khí điều kiện tiêu chuẩn 54 3.1.3 Khối lượng riêng trung bình khí giàu hydrogen 55 3.2 Cơ sở thiết kế điện phân 55 3.3 Thiết kế thiết bị điện phân nước kiềm 57 3.3.1 Thiết kế đế 60 3.3.2 Điện cực 61 3.3.3 Tấm gioăng (Tấm đệm kín) 62 3.3.4 Chất điện phân 63 3.3.5 Nguồn điện 64 3.3.6 Sơ đồ hoạt động máy điện phân 64 3.4 Kết luận chương 65 CHƯƠNG 4: KIỂM TRA VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TẠO KHÍ GIÀU HYDRO66 4.1 Thử nghiệm hoạt động thiết bị điện phân kiềm 66 4.1.1 Ảnh hưởng điện áp cấp vào 66 4.1.2 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch NaOH 69 4.2 Ứng dụng nhiên liệu hydro động xăng 71 4.2.1 Động thử nghiệm 71 4.2.2 Phương pháp điều khiển phương pháp cấp khí đường ống nạp 72 4.2.3 Tính tốn sơ lượng hỗn hợp lượng khơng khí cung cấp cho động 74 4.4 Kết luận chương 79 KẾT LUẬN VÀ HẠN CHẾ VÀ PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI, KIẾN NGHỊ 80 Kết luận: 80 Hạn chế hướng phát triển đề tài 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 TIẾNG VIỆT 83 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu trúc phân tử xê-tan C10H34 16 Hình 1.2 Cấu trúc phân tử i-sô-ốc-tan C8H18 17 Hình 1.3 Cấu trúc phân tử xy-clơ-pen-tan C5H10 17 Hình 1.4 Cấu trúc phân tử mê-tyl-ben-zen C6H5CH3 17 Hình 1.5 α-mê-tyl-naph-ta-lin .18 Hình 1.6 Hệ thống sản xuất hydroxyl để cung cấp cho động tĩnh (a) bình sinh khí hydroxyl kiểu khơ 31 Hình 2.1 Giới hạn cháy hydro số nhiên liệu khác [23] 35 Hình 2.2 Tốc độ lửa số hỗn hợp khí [20] 37 Hình 2.3 Các phương án cung cấp hydro cho động xăng [21] 39 Hình 2.4 Sơ đồ xúc tác trình biến đổi nhiệt hóa xăng với nước [27] 44 Hình 2.5 Mơ hình xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng tận dụng nhiệt khí thải [28] 45 Hình 2.6 Sơ đồ xúc tác q trình xi hóa khơng hồn tồn xăng 46 Hình 2.7 Sơ đồ xúc tác điện phân nước 48 Hình 2.8 Tổng hợp phương pháp tồn trữ hydro 50 Hình 2.9 Bình hydro dạng lỏng áp suất 200bar bố trí tơ 51 Hình 2.10 Minh họa 02 phương pháp tạo hydro thứ cấp (a) trực tiếp (b) tơ 52 Hình 3.1 Mơ hình thiết kế bố trí thiết bị điện phân nước kiềm dùng công cụ Inventor .58 Hình 3.2 Tổng chi tiết máy điện máy điện phân nước kiềm 60 Hình 3.3 Tấm đế máy điện phân nước kiềm 60 Hình 3.4 Tấm điện cực máy điện phân nước kiềm 61 Hình 3.5 Kết cấu gioăng máy điện phân nước kiềm 63 Hình 3.6 Chất xúc tác NaOH tạo môi trường kiềm 64 Hình 3.7 Sơ đồ hoạt động máy điện phân 65 Hình 4.1 Ảnh hưởng điện áp đến thời gian tạo lít hỗn hợp giàu hydro 67 Hình 4.2 Ảnh hưởng điên áp cấp vào đến nhiệt độ dung mơi điện phân 68 Hình 4.3 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến thời gian sản sinh lít hỗn hợp giàu hydro 70 Hình 4.4 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến nhiệt độ dung môi điện phân 71 Hình 4.5 Mơ hình bố trí máy điện phân cung cấp HHO vào đường ống nạp 72 Hình 4.6 Vị trí lắp đặt lỗ bổ sung hỗn hợp khí cổ hút động 73 Hình 4.7 Lượng xăng tiết kiệm qua lần thí nghiệm động vận hành khơng tải 1200 vịng/ phút 77 DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG Trang Bảng 1.1 Nhiệt trị cao số nhiên liệu thông dụng 30 Bảng 2.1 Một số tính chất hydro, mê-tan, xăng [22] 32 Bảng 4.1 Ảnh hưởng điện áp cấp vào đến lưu lượng khí HHO sản sinh .66 Bảng 4.2 Thí nghiệm lưu lượng khí HHO sản sinh thay đổi giá trị NaOH 69 Bảng 4.3 Thơng số kỹ thuật động thí nghiệm 72 Bảng 4.4 Thể tích khơng khí u cầu thể tích hỗn hợp giàu hydro phút động 75 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 76 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) 4.1.2 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch NaOH Bên cạnh điện áp cấp vào, nồng độ NaOH dung môi ảnh hưởng đến tốc độ trình phản ứng điện phân, hình thành hydro Bảng 4.2 minh họa ảnh hưởng nồng độ NaOH đến thời gian sản sinh lít hỗn hợp khí giàu hydro nhiệt độ cực đại dung môi điện phân Trong phần nguồn điện cấp vào thiết bị điện phân trì ổn định (13V, 3,0A) Bảng 4.2 Thí nghiệm lưu lượng khí HHO sản sinh thay đổi giá trị NaOH Thể tích tạo Nồng độ NaOH Thời gian Nhiệt độ [lít] [g/lít] [giây] [oC] 13 30 39 13 25 40 13 22 42 13 5 20 44 13 20 50 13 19 57 13 19 60 13 17 62 13 10 17 65 10 13 11 15 67 STT Điện áp [V] Nồng độ kiềm NaOH dung mơi giúp q trình điện phân xảy dễ dàng Do dự báo tăng nồng độ NaOH làm tốc độ điện phân tăng lên, thời gian sản sinh lít hỗn hợp giàu hydro theo yêu cầu giảm xuống Hình 4.3 minh họa ảnh hưởng nồng độ NaOH đến thời gian sản sinh lít hỗn hợp giàu hydro Đối với điện phân sử dụng chất điện phân axit, tăng nồng độ chất điện phân làm tăng ăn mịn hóa học làm giảm tuổi thọ điện phân Chất điện phân kiểu kiềm ảnh hưởng nồng độ chất điện phân đến tuổi thọ khắc nghiệt Do đó, sử dụng chất điện phân kiểu kiềm cho tính linh hoạt thay đổi nồng độ Tuy nhiên, việc tăng nhiều nồng độ chất điện phân làm hydro tạo 69 điện phân không kịp ngồi gây hư hỏng, cháy nổ thiết bị Bên cạnh đó, nồng độ dung mơi kiềm cao phát sinh nhiệt khoảng thời gian lớn Sự tích tụ khí điện phân với nhiệt sản sinh cao thời gian ngắn gây cháy nổ, hỏng thiết bị Ngoài ra, NaOH cao làm phát sinh nhiệt tăng, giảm hiệu suất thiết bị Nếu nồng độ NaOH thấp làm giảm sản lượng khí hydro tạo ra, thời gian tạo hydro dài, khơng cung cấp đủ hydro cho động đốt 35 Thời gian [s] 30 25 20 15 10 Nồng độ NaOH [g/lít] 10 12 Hình 4.3 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến thời gian sản sinh lít hỗn hợp giàu hydro Từ hình 4.3 cho thấy thời gian sản xuất khí giàu hydro cho sản sinh 5lit khí Khi sử dụng gram chất điện phân NaOH hịa trộn với 1lít nước cất thời gian điện phân 30s, sử dụng gam NaOH hịa trộn với 1lít nước cất thời gian điện phân 22s, sử dụng 5g 20s, …Cường độ điện phân tỉ lệ thuận với nồng độ chất điện phân Như vậy, tăng chất điện phân thời gian sản xuất đơn vị khí giàu hydro ngắn Tuy nhiên, sử dụng chất điện phân lớn dịng điện tăng lên làm cho nhiệt độ dung môi điện phân cao dễ dẫn đến hỏng thiết bị Hình 4.4 minh họa ảnh hưởng nồng độ NaOH đến nhiệt độ dung mơi điện phân Như phân tích tăng nồng độ chất điện phân cường độ dòng điện phân ảnh hưởng đến tuổi thọ điện phân Ngoài ra, thiết kế thiết bị điện phân cho mục đích lắp đặt phương tiện tham gia giao thông để sử dụng hydro kiểu thứ cấp Lúc nguồn điện cho điện phân sử dụng từ hệ thống điện thiết bị 70 tham gia giao thơng; cường độ dịng điện q lớn gây q tải hệ thống điện (ví dụ tơ) Mặc dù tơ (hay xe máy) có hệ số an toàn nguồn điện cung cấp cho thiết bị điện việc cấp thêm điện cho thiết bị điện phân có giới hạn Do đó, điện phân dù vận hành nồng độ NaOH cao (> 6g) nội dung nghiên cứu này, nồng độ NaOH sử dụng cho ứng dụng sau mức 56g cho đánh giá đặc tính thử nghiệm phương tiên giao thơng 70 Nhiệt độ [oC] 60 50 40 30 Nồng độ NaOH [g/lít] 10 12 Hình 4.4 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến nhiệt độ dung mơi điện phân Từ hình 4.4 cho thấy ảnh hưởng nồng độ NaOH đến nhiệt độ dung môi điện phân Tại nồng độ NaOH 11g/ lít điện phân, nhiệt độ nước thiết bị đạt đến 67oC Như trình bày, nhiệt độ cao ảnh hưởng đến tuổi thọ hiệu suất thiết bị điện phân Qua kết thí nghiệm thiết bị điện phân tạo hỗn hợp khí giàu hydro nguồn đầu vào (13V, 3A) nồng độ NaOH 5g/ lít vừa phù hợp cho vận hành thiết bị thiết kế, vừa đảm bảo tuổi thọ thiết bị 4.2 Ứng dụng nhiên liệu hydro động xăng 4.2.1 Động thử nghiệm 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 71 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 vịng/ 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 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 72 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 chân khơng, từ làm chênh lệch áp suất hút hết tồn khí có trước cổ hút để thực q trình cháy 73 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 u cầu phút động vận hành tính sơ sau: V = 0,9 (3.3) 𝑆 𝑛 Trong đó: V : thể tích khơng khí; D: đường kính xi lanh (50 cm3); S: hành trình piston (49,5 mm); n: số vòng 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 vòng/ phút) thời gian nạp ngắn đi, thất áp suất nạp tăng lên hệ số nạp giảm Ở dãy số vịng quay lớn tượng thiếu hụt khí nạp nghiêm trọng, hệ thống phối khí biến thiên đời để giảm phần từ vấn đề thiếu khí nạp dãy vịng tua máy cao 74 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 vịng/ 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 thơng 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 hồn 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 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 75 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 vịng/ 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 99 300 198 102 296 195 105 10 300 202 98 76 Ghi chú: Trong 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 mơi trường; Thơng số điện phân Lượng xăng tiết kiệm [ml] 120 100 110 100 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 24.000 = 2.353 [VN đồng] Trong đó: xem giá thành xăng thị trường 24.000 VN đồng Tuy nhiên, để tiết kiệm 2.353 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: 77 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 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 khơng phải 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 2.353 đồng nêu chưa kể đến chi phí đầu tư thiết bị ban đầu, chi phí bảo trì – bảo dưỡng thiết bị q 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 vịng/ 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 vịng quay động giải phù hợp vấn đề 78 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 gặp số khó khăn động kết cấu gắn xe 79 KẾT LUẬN VÀ HẠN CHẾ VÀ PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI, KIẾN NGHỊ 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 80 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 Ngồi 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/ khơng khí nạp; lượng thay đổi 81 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 Kiến nghị: Trong thời gian qua nhà trường đào tạo cung cấp nguồn nhân lực, việc giảng dạy mơ hình cịn hạn chế, từ nhóm sinh viên đề nghị thời gian tới nhà trường cần trang bị thêm thiết bị thực hành nhiều dụng cụ cần thiết cho sinh viên, bên cạnh nhà trường cần xây dựng tốt mối quan hệ với danh nghiệp ô tô, để mở lớp chuyên sâu cho sinh viên học tập nâng cao tay nghề Ý kiến nhóm xuất phát từ thực tế học tập khoa trường Đại Học Bình Dương Kính mong khoa xem xét đạo tạo sinh viên ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Ơ Tơ cho khóa tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn! Bình Dương, tháng 08 năm 2023 Nhóm sinh viên thực Trần Nguyễn Minh Châu Lư Chi Bằng 82 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 Cơng 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 Đông “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 Hoàng Long “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ HHO cho động Diesel” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Cơng 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 0866-7012, 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 cơ” Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2015 83