thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp bổ sung khí hho cho động cơ

STT Sinh viên thực hiện Mã sinh viên Lớp Đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp bổ sung khí HHO cho động cơ” là một đề tài thiết kế sơ đồ mạch điện, tự thiết lập code điều khiển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP

BỔ SUNG KHÍ HHO CHO ĐỘNG CƠ

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP

BỔ SUNG KHÍ HHO CHO ĐỘNG CƠ

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Minh

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp bổ sung khí HHO cho động cơ

STT Sinh viên thực hiện Mã sinh viên Lớp

Đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp bổ sung khí HHO cho động cơ” là một đề tài thiết kế sơ đồ mạch điện, tự thiết lập code điều khiển cho bộ điều khiển, lắp ráp mô hình hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ dựa vào tín hiệu đầu vào là tín hiệu vòi phun xăng Với đề tài này, nhóm đã được tiếp cận các phần mềm Arduino, Altium… để thiết kế sơ đồ mạch điện, nạp code cho bộ điều khiển, dựa vào những phần mềm hỗ trợ này nhóm đã hoàn thành được yêu cầu đề tài và hoàn thành được mô hình hệ thống

Hiện nay, động cơ đốt trong chiếm trên 80% tổng năng lượng sản xuất và sử dụng trên toàn thế giới và là một trong những nguồn gây ô nhiễm không khí chủ yếu Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu đi lại tăng nhanh do đó tốc đô ̣tăng trưởng về số lượng phương tiện giao thông luôn ở mức rất cao Với số lượng phương tiện lớn, trong đó có một bô ̣phận lớn phương tiện sử dụng công nghệ cũ, lạc hậu, có tính kinh tế nhiên liệu thấp và phát thải ô nhiễm ra môi trường cao, đặc biệt là xe máy Hơn nữa, do tốc đô ̣phát triển phương tiêṇ nhanh nên nhu cầu nhiên liêụ đối với phương tiện vận tải cũng ngày một tăng; vấn đề đa dạng hóa nhiên liệu, giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm cho phương tiện vâṇ tải do đó ngày càng trở nên cấp bách.Trong số các nhiên liệu thay thế nhớt sinh khối, nhiên liệu sinh học, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (NG), khí đốt tổng hợp (Syngas), khí sinh học (Biogas), khí Hydro, khí Brown (hỗn hợp giữa khí Hydro và Oxy theo tỷ lệ 2:1 về thể tích hay còn gọi là khí HHO) thì khí Hydro và khí Brown chiếm ưu thế về tính sẵn có và tái taọ được của nguồn nguyên liệu sản xuất, cũng như khi cháy không phát thải ô nhiễm ra môi trường, do vậy đang nhâṇ được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học Ý tưởng đề ra luận án này là bổ sung khí HHO vào vào động cơ xe máy Honda Lead 110cc nhằm nâng cao tính kinh tế khi sử dụng nhiên liệu xăng và giảm phát thải ô nhiễm ra môi trường

Sau quá trình thực hiện đề tài trên cơ sở kiến thức chuyên môn thu được từ những năm học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng, sự hướng dẫn tận tình của Thầy ThS Nguyễn Lê Châu Thành, quý thầy cô khoa Cơ khí Động lực, cùng với nhiều cố gắng và nỗ lực không ngừng, cuối cùng nhóm thực hiện đã hoàn thành được đồ án đúng thời gian quy định theo yêu cầu đặt ra là “Thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp bổ sung khí HHO cho động cơ”

Qua thời gian làm đồ án, chúng em đã học hỏi và tiếp thu được rất nhiều kiến thức, kinh nghiệm bổ ích Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy ThS Nguyễn Lê Châu Thành là giáo viên hướng dẫn đề tài đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em có thể thực hiện tốt đề tài

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng đã tạo môi trường học tập tốt, quý thầy cô trong khoa Cơ khí Động lực đã giảng dạy kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn, các bạn sinh viên cùng niên khóa

thành tốt đề tài Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ thầy cô và bạn bè

Xin kính chúc quý thầy cô và các bạn nhiều sức khỏe và hạnh phúc!

Em xin cam đoan đây là đề tài đồ án của nhóm em trong thời gian qua Những tài liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực, hoàn toàn không sao chép bất kỳ nguồn nào khác Ngoài ra, trong bài báo cáo có sử dụng một số nguồn tài liệu tham khảo đã được trích dẫn nguồn và chú thích rõ ràng Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước các thầy về sự cam đoan này

Sinh viên thực hiện (Chữ ký, họ và tên sinh viên)

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

TÓM TẮT

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN iii

1.2.1. Khái quát về khí HHO 4

1.2.2. Tính chất của nhiên liệu 5

1.2.3. Nhiệt trị 7

1.2.4. Nhiệt độ tự cháy và tốc độ cháy 8

1.2.5. Xu hướng thay thế nhiên liệu hóa thạch 9

1.3 Sự cần thiết của điều khiển tự động trên động cơ và phương pháp cung cấp khí HHO cho động cơ xăng 10

1.3.1. Sự cần thiết của điều khiển tự động trên động cơ 10

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 Khái quát về động cơ Honda Lead 110cc Fi 2009 12

2.2 Nghiên cứu điều khiển tự động trên động cơ xăng 14

2.2.1. Giới thiệu hệ thống phun xăng điện tử PGM Fi trên xe Honda Lead 14

2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử PGM Fi trên xe Honda Lead 16

2.2.3. Sự vận hành hệ thống PGM – Fi 17

2.2.5. Ưu, nhược điểm của hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử 19

2.3 Mô phỏng quá trình phun và tạo hỗn hợp khi sử dụng nhiên liệu xăng và khí HHO bằng phần mềm Ansys Fluent 2021 R1 20

2.3.1. Tạo project trong Ansys Fluent 21

2.3.2. Thiết lập mô hình chia lưới trên Workbench 22

2.3.3. Tính toán mô phỏng quá nạp 22

2.3.4. Kết quả mô phỏng 23

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP BỔ SUNG KHÍ HHO CHO ĐỘNG CƠ 30

3.1 Thiết kế mạch bằng phần mềm Altium Designer 30

3.2 Giới thiệu các thành phần trong mạch thiết kế 30

3.2.6. Mạch công suất mosfet D4184 PWM 36

3.2.7. Module Mosfet D4184 Có Cách Ly Opto 36

3.2.8. Cảm biến áp suất 37

3.2.9. Một số chi tiết phụ sử dụng trong mạch 38

3.3 Chương trình điều khiển Arduino 38

3.3.1. Sơ đồ khối và sơ đồ thuật toán của hệ thống 38

3.3.2. Chương trình điều khiển Arduino 39

3.4 Hệ thống điều khiển cung cấp bổ sung khí HHO 41

3.4.1. Động cơ thử nghiệm 41

3.4.2. Thiết kế, bố trí lắp đặt các chi tiết của hệ thống phun khí HHO 42

3.4.3. Sơ đồ, nguyên lý làm việc chung của hệ thống cung cấp phun khí HHO 46

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 49

4.1 Thí nghiệm đo xung vòi phun khí HHO 49

4.2 Thí nghiệm đo trên băng thử Dyno 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55PHỤ LỤC………

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử của nước a) và cấu trúc phân tử của khí HHO b) 4

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sản xuất khí HHO [55] 7

Hình 2.1 Honda Lead 110cc Fi đời 2009 12

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống PGM-Fi phun xăng điện tử trên xe Honda Lead 110cc 16

Hình 2.3 Nguyên lý điều khiển chung 16

Hình 2.4 Sơ đồ sự vận hành hệ thống PGM – Fi 17

Hình 2.5 Sơ đồ sự vận hành hệ thống PGM – Fi làm giàu xăng khi máy nguội 17

Hình 2.6 Sơ đồ sự vận hành hệ thống PGM – Fi làm giàu xăng khi tăng tốc nhanh 18

Hình 2.7 Sơ đồ sự vận hành hệ thống PGM – Fi cắt cung cấp nhiên liệu khi phanh 19

Hình 2.8 Hệ thống cảm biến điều khiển của hệ thống PGM-Fi trên xe LEAD 110 19

Hình 2.9 Project trong Ansys fluent 21

Hình 2.10 Chia lưới không gian tính toán và mặt cắt dọc xi lanh 22

Hình 2.11 Thiết lập thang đo 22

Hình 2.12 Thiết lập mặt cắt 22

Hình 2.13 Chạy chương trình tính toán 23

Hình 2.14 Phương pháp cung cấp HHO kiểu hút 23

Hình 2.15 Biến thiên áp suất tĩnh tại họng ventury theo góc quay trục khuỷu khi không cung cấp HHO a) và khi cung cấp HHO b) 24

Hình 2.16 Đường đồng mức nồng độ xăng, H2 và φ, a) biến thiên hàm lượng xăng, HHO, tỉ số HHO/không khí và φ theo góc quay trục khuỷu; b) cung cấp HHO bằng phương pháp hút, n=7500v/ph, pp=2000Pa 25

Hình 2.17 Đường đồng mức nồng độ xăng, H2 và φ, a) biến thiên hàm lượng xăng, HHO, tỉ số HHO/không khí và φ theo góc quay trục khuỷu; b) cung cấp HHO bằng phương pháp hút, n=3000v/ph, pp=2000Pa 25

Hình 2.18 Đường đồng mức nồng độ xăng, H2 và φ, a) biến thiên hàm lượng xăng, HHO, tỉ số HHO/không khí và φ theo góc quay trục khuỷu; b) cung cấp HHO bằng phương pháp phun, n=3000v/ph, pp=5000Pa, VP-HHO: 20oTK-65oTK, VP-xăng: 25oTK-71oTK 26Hình 2.19 Đường đồng mức nồng độ xăng, H2 và φ, a)biến thiên hàm lượng xăng, HHO, tỉ số HHO/không khí và φ theo góc quay trục khuỷu; b)cung cấp HHO bằng phương

71oTK 27

Hình 2.20 Đường đồng mức nồng độ xăng, H2 và φ, a) biến thiên hàm lượng xăng, HHO, tỉ số HHO/không khí và φ theo góc quay trục khuỷu; b) cung cấp HHO bằng phương pháp phun, n=7500v/ph, pp=5000Pa, VP-HHO: 20oTK-80oTK, VP-xăng: 25oTK-105oTK 28

Hình 2.21 Đường đồng mức nồng độ xăng, H2 và φ a), biến thiên hàm lượng xăng, HHO, tỉ số HHO/không khí và φ theo góc quay trục khuỷu b) (cung cấp HHO bằng phương pháp phun, n=7500v/ph, pp=5000Pa, VP-HHO: 20oTK-100oTK, VP-xăng: 25oTK-103oTK) 28

Hình 2.22 Đường đồng mức nồng độ xăng, H2 và φ, a) biến thiên hàm lượng xăng, HHO, tỉ số HHO/không khí và φ theo góc quay trục khuỷu; b) cung cấp HHO bằng phương pháp phun, n=7500v/ph, pp=5000Pa, VP-HHO: 20oTK-120oTK, VP-xăng: 25oTK-100oTK 29

Hình 3.1 Giao diện của phần mềm Altium Designer 30

Hình 3.2 Tạo project mới 30

Hình 3.3 Mạch nguyên lý thiết kế bộ điều khiển 30

Hình 3.4 Thiết kế đi dây mạch in 30

Hình 3.10 Cấu tạo của biến trở 35

Hình 3.11 Mạch công suất mosfet D4184 PWM 36

Hình 3.12 Module Mosfet D4184 Có Cách Ly Opto 37

Hình 3.13 Cảm biến áp suất BMP180 37

Hình 3.14 Chi tiết phụ sử dụng trong mạch 38

Hình 3.15 Sơ đồ khối hệ thống phun khí HHO 38

Hình 3.16 Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển 39

Hình 3.17 Giao diện chính của phần mềm Arduino 40

Hình 3.18 Chọn loại Board sử dụng 40

Hình 3.19 Chọn đúng cổng kết nối với Arduino 41

Hình 3.20 Khai báo các chân Arduino 41

Hình 3.21 Chương trình điều khiển bộ sinh khí HHO thông qua cảm biến áp suất 41

Hình 3.23 Bố trí hệ thống sinh khí HHO trên xe máy Lead 110cc 42

Hình 3.24 Cấu tạo bộ sinh khí HHO 43

Hình 3.25 Sơ đồ hệ thống sinh khí HHO 44

Hình 3.26 Bình sinh khí HHO và vị trí lắp đặt 44

Hình 3.27 Vòi phun và vị trí lắp đặt vòi phun 45

Hình 3.28 Van điều áp và vị trí lắp đặt van điều áp 45

Hình 3.29 Lưu lượng kế và vị trí lắp đặt 46

Hình 3.30 Bộ điều khiển cung cấp khí HHO và vị trí lắp đặt 46

Hình 3.31 Sơ đồ mạch điều khiển vòi phun HHO 47

Hình 3.32 Hệ thống điều khiển cung cấp bổ sung HHO cho động cơ Honda Lead 110cc 48

Hình 4.1 Máy phát hiện xung Hantek 49

Hình 4.2 Kết quả đo xung tín hiệu vòi phun khí HHO lần 1 50

Hình 4.3 Kết quả đo xung tín hiệu vòi phun khí HHO lần 2 50

Hình 4.4 Kết quả đo xung tín hiệu phun xăng và vòi phun khí HHO 50

Hình 4.5 Công tác kiểm tra, chuẩn bị sẵn sàng trước khi tiến hành đo chạy thử 51

Hình 4.6 Đo thí nghiệm xe trên băng thử Dyno 51

Hình 4.7 Giao diện màn hình hiển thị 51

Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn công suất động cơ theo tốc độ động cơ 52

Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn % công suất của từng tốc độ động cơ 52

Bảng 1.1 Thông số cơ bản của một số nhiên liệu [7, 8] 5

Bảng 1.2 Nhiệt trị của một số loại nhiên liệu [9] 7

Bảng 1.3 Nhiệt độ tự đánh lửa của Hydro và nhiên liệu thông dụng 8

Bảng 1.4 Đặc tính của nhiên liệu [12] 9

Bảng 1.5 Xu hướng thay đổi tỷ lệ nhiên liệu trong tương lai (%) [11] 10

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật động cơ xe Honda Lead 110cc [13] 12

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 chíp dán CH340 31

Bảng 3.2 Chức năng của từng chân LCD 1602 [15] 32

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của Module chuyển đổi I2C cho LCD 1602 [16] 34

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật Module LM2596 [17] 34

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của mạch công suất mosfet D4184 PWM [18] 36

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật của module Mosfet D4184 Có Cách Ly Opto [19] 37

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất BMP180 [20] 37

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của máy phát hiện xung Hantek DSO5072P 49

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm trên băng thử Dyno 51

A Danh mục các ký hiệu

Kí hiệu Diễn giải

MỞ ĐẦU

1 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu về nhiên liệu HHO, động cơ phun HHO, đánh lửa điện tử Các tín hiệu đầu vào, bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành trên động cơ sau cải tạo

Tìm kiếm các phương án nâng cao hiệu quả, cải thiện và phát triển hơn việc chế tạo bộ điều khiển phun nhiên HHO vào động cơ đốt trong

Nâng cao các kỹ năng mềm: kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giao tiếp, kỹ năng tìm kiếm tài liệu, thông tin,…

2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế, chế tạo hệ thống động cơ sử dụng nguồn nhiên liệu hoá thạch truyền thống có cung cấp bổ sung thêm khí HHO

Tạo ra sản phẩm tiết kiệm nhiên liệu, có khả năng vận hành, có tính kinh tế và giảm phát thải ô nhiễm môi trường

Góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng thay thế cho động cơ và cải thiện môi trường

Làm cơ sở nghiên cứu trong việc học tập và ứng dụng vào sản xuất

3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu này nhóm tập trung nghiên cứu mô hình tạo ra bộ điều khiển phun nhiên liệu HHO vào động cơ đốt trong để tăng hiệu suất động cơ, giảm ô nhiễm môi trường Chúng tôi chỉ dừng lại ở việc cải tạo nâng cao chất lượng hiệu suất động cơ và giảm ô nhiễm môi trường bằng cách phun khí HHO

* Giới hạn nghiên cứu

Đề tài tập trung giải quyết về hệ thống phun nhiên liệu HHO trên động cơ tĩnh tại loại nhỏ Tính toán lượng nhiên liệu HHO cung cấp thích hợp với các chế độ hoạt động của động cơ Đề tài chỉ thực hiện đánh giá động cơ qua các chỉ tiêu về công suất và tiêu hao nhiên liệu chứ không nghiên cứu quá trình cháy bên trong xylanh

Đề tài được nghiên cứu dựa trên nguyên tắc kế thừa và phát triển tiếp những kết quả đã có được Nhóm thực hiện đề tài sẽ không tính toán, thiết kế lại kết cấu hệ thống nạp của động cơ này mà chỉ mô tả, thiết kế và lắp đặt thêm một số bộ phận để hỗ trợ cho quá trình hoạt động của hệ thống điều khiển phun HHO trực tiếp vào động cơ đốt trong thông qua bộ điều khiển

4 Phương pháp nghiên cứu

Nhóm đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển phun nhiên liệu HHO bằng độ điều khiển điện tử Nghiên cứu thực nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng với các thiết bị hiện đại

5 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp

Cấu trúc đồ án gồm những nội dung sau: + Tổng quan về đề tài

+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết + Nghiên cứu thử nghiệm hệ thống điều khiển cung cấp bổ sung khí cho động cơ đốt trong

+ Kết quả và đánh giá hệ thống điều khiển cung cấp khí bổ sung cho động cơ đốt trong

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích, ý nghĩa đề tài

Các phương tiện vận tải không ngừng phát triển ở nước ta trong khi cơ sở hạ tầng giao thông không kịp đáp ứng đã dẫn đến tình trạng tắc đường nặng nề, nhất là ở các thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Hậu quả là ô nhiễm môi trường ngày càng báo động do tác động xấu của chúng đến sứ khỏe của con người và hê ̣sinh thái Nồng độ các chất độc hại tại một số nút giao thông gần khu dân cư tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh vào giờ cao điểm đều vượt quá giới hạn cho phép, đòi hỏi chúng ta phải quan tâm nhiều hơn đến vấn đề ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao thông gây ra

Hiện nay, có rất nhiều loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đánh lửa cưỡng bức như cồn, khí dầu mỏ hoá lỏng (Liquefied Petroleum Gas – LPG), khí thiên nhiên (Natural Gas – NG), khí Hydro Những loại nhiên liệu này đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới để nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải độc hại cho động cơ

Một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong là trọng lượng phải nhẹ và có mật độ năng lượng lớn, nên nhiên liệu lỏng là nhiên liệu phù hợp hơn so với nhiên liệu khí Tuy nhiên, gần đây một số nhiên liệu khí cũng đã được sử dụng khá rộng rãi, như khí thiên nhiên, khí dầu mỏ, khí Hydro, khí giàu Hydro Để nâng cao mật độ năng lượng khi sử dụng trên phương tiện, khí thiên nhiên được nén (CNG) hoặc hoá lỏng (LNG) ở giá trị áp suất và nhiệt độ nhất định

Khí Hydro cũng được sử dụng trên động cơ bằng cách phun một lượng nhỏ vào đường nạp hoặc phun trực tiếp vào trong xylanh động cơ để giảm khả năng cháy ngược Khí giàu Hydro là hỗn hợp của khí Hydro và một số khí khác như Oxy (khí HHO), CO (khí đốt tổng hợp – syngas) Khí HHO là hỗn hợp của Hydro với Oxy theo tỷ lệ 2:1 theo thể tích – là sản phẩm của quá trình điện phân nước Khí đốt tổng hợp là sản phẩm của quá trình khí hoá (than, sinh khối) với hai thành phần chính là H2 và CO Syngas thường được sử dụng để điều chế thành biodiesel (thế hệ thứ hai), DME và metanol sử dụng trên động cơ hoặc có thể sử dụng trực tiếp thay cho xăng hoặc làm nhiên liệu bổ sung Đã có rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học khắp nơi trên thế giới về ảnh hưởng của khí Hydro và hỗn hợp khí giàu Hydro bổ sung đến tính năng và phát thải của

động cơ đánh lửa, các kết quả đã cho thấy những lợi ích về mặt công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại Vì vậy, sử dụng khí Hydro và hỗn hợp khí giàu Hydro cùng với xăng là một trong những giải pháp để nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải cho động cơ đốt cháy cưỡng bức

Ý tưởng đề ra là nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp phun khí HHO bổ sung cho động cơ đốt trong mà không thay đổi nhiều về kết cấu động cơ hiện hành nhằm nâng cao tính kinh tế khi sử dụng nhiên liệu xăng và giảm phát thải ô nhiễm CO và HC ra môi trường

1.2 Tìm hiểu về khí HHO

Khí HHO hay khí Brown là hỗn hợp của khí Hydro (H2) và khí Oxy (O2) theo tỷ lệ thể tích 2:1, được sản xuất từ nước bằng phương pháp điêṇ phân và được Yull Brown nghiên cứu sản xuất và sử dụng đầu tiên từ năm 1978 [1, 2] Ngoài tên gọi là khí HHO hay khí Brown, nó còn tồn tại dưới các tên gọi khác như hỗn hợp khí giàu Hydro (Hydrogen Rich Gas – HRG) hoặc khí Hydroxygen Khí HHO được xem là nhiên liệu, chất đốt cho ngành công nghiệp như hàn xì, đốt sinh nhiệt

Cấu trúc của nguyên tử nước và khí HHO có dạng khác nhau Hình 1.1a cấu trúc của phân tử nước, trong đó hai nguyên tử Hydro tạo thành một góc 107o so với nguyên tử Oxy, điều này thể hiện tính phân cực của nước Hình 1.1b thể hiện cấu trúc phân tử của khí HHO, trong đó hai nguyên tử Hydro của khí HHO nằm đối diện nhau và không có tính phân cực

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử của nước a) và cấu trúc phân tử của khí HHO b) Khí HHO là sản phẩm của quá trình điện phân nước nên khí HHO có thành phần chính là Hydro, còn Oxy là khí tham gia phản ứng cháy nên khí HHO có tính chất tương tự như khí Hydro, về cơ bản quá trình cháy của khí HHO tương tự như khí Hydro

HHO là loại khí thân thiện môi trường do quá trình cháy chỉ sinh ra sản phẩm là hơi nước và không tạo khí thải nhà kính

Khí HHO không độc, do đó rất an toàn để dùng trong công nghệ Khí HHO có thể cháy ở nhiệt độ rất cao thậm chí có thể tự thích nghi nhiệt độ của nó tùy theo vật chất nó tiếp xúc Trong không khí nó có thể cháy ở 230oC Tuy nhiên, khi tiếp xúc với kim loại cứng khí HHO khả năng cắt xuyên qua kim loại ở nhiệt độ hơn 6000oC

Hydro là chất khí không màu, không mùi, không vị với khối lượng phân tử là 2,016 và là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học Hydro là nguyên tố phổ biến nhất tồn tại trên trái đất ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác như nước, Hydrocacbon hoặc các hợp chất khác Do đó, để có được nhiên liệu Hydro cần phải tách Hydro từ các nguồn sơ cấp chứa Hydro với nhiều công nghệ khác nhau Các phương pháp phổ biến hiện nay được áp dụng để sản xuất Hydro như phương pháp điện phân [3, 4], quang hóa [5, 6] hoặc nhiệt hóa với chất xúc tác để tách Hydro từ nước hoặc từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau Một số tính chất quan trọng của nhiên liệu Hydro so với một số nhiên liệu khác được thể thiện ở Bảng 1.1

Bảng 1.1 Thông số cơ bản của một số nhiên liệu [7, 8]

Như vậy ở điều kiện này 1 lít nước sản xuất được 1,866 lít khí HHO

b) Thể tích khí thoát ra ở điều kiện tiêu chuẩn

Sử dụng định luật bảo toàn khối lượng, trong mọi quá trình biến đổi của vật chất thì các nguyên tố và khối lượng tương ứng của chúng luôn luôn được bảo toàn Có nghĩa là tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng sản phẩm tạo thành Phương trình phản ứng:

c) Khối lượng riêng trung bình của khí HHO

Khi điện phân 1 mol H2O (18 gam H2O)

d) Cơ chế tạo khí HHO

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sản xuất khí HHO [55] Nguyên lý hoạt động của bình điện phân là sử dụng nguồn điện một chiều của ắc quy được nối với hai điện cực đặt trong nước (Hình 1.2) Hydro sẽ xuất hiện ở điêṇ cực âm (Catot) và Oxy sẽ xuất hiện ở điện cực dương (Anot) Vì vậy, dòng điện đi qua tách nước thành khí Hydro và khí Oxy Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực Khí Hydro sinh ra ở điện cực âm và khí Oxy ở điện cực dương:

- Phản ứng trên catot: 2 𝐻2O + 2𝑒− → 𝐻2 + 2O𝐻−- Phản ứng trên anot: 2O𝐻− → 𝐻2O + ½ 𝑂2 + 2𝑒−- Tổng quát: 2 𝐻2O + điện năng → 2 𝐻2 + 𝑂2Khí HHO sẽ tiếp tục đưa đến bình lọc tách hơi nước nóng, sau đó chuyển tiếp vào đường nạp của động cơ

Nhiệt trị (𝑄𝐻) là lượng nhiệt năng được giải phóng khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị số lượng nhiên liệu Khi tính toán, thường lấy nhiệt trị từ các bảng số liệu có sẵn Nhiệt trị cao (𝑄𝐻𝐶), nhiệt trị thấp (𝑄𝐻𝑇 )

Bảng 1.2 Nhiệt trị của một số loại nhiên liệu [9]

Nhiên liệu

𝑸𝑯𝑪(𝑲𝑱

𝑲𝑱𝑲𝒈)

Bảng 1.3 Nhiệt độ tự đánh lửa của Hydro và nhiên liệu thông dụng

Nhiên liệu Nhiệt độ tự cháy

Hydro có tốc độ lan truyền màng lửa cao ở tỷ lê ̣A/F lý thuyết Ở điều kiện này, tốc độ lan truyền màng lửa Hydro cao hơn so với tốc độ lan truyền màng lửa của xăng

Điều này có ý nghĩa là động cơ Hydro có thể tiến gần hơn tới chu trình nhiệt động học lý tưởng

Hydro có độ khuếch tán rất cao Khả năng này làm phân tán Hydro trong không khí nhiều hơn đáng kể so với sự khuếch tán xăng và có lợi vì hai lý do chính Thứ nhất, nó tạo điều kiện dễ dàng cho việc hình thành hỗn hợp khí đồng nhất của nhiên liệu và không khí Thứ hai, nếu sự rò rỉ Hydro tăng lên thì Hydro sẽ phân tán nhanh, khả năng rủi ro và không an toàn có thể tránh được hoặc giảm thiểu tối đa

Hydro có mật độ rất thấp nên nảy sinh hai vấn đề khi sử dụng trong động cơ đốt trong Thứ nhất, cần một thể tích rất lớn để lưu trữ đủ Hydro cung cấp cho động cơ Thứ hai, mật độ năng lượng theo thể tích của hỗn hợp Hydro - không khí thấp dẫn đến công suất ra của động cơ giảm

So sánh đặc tính nhiên liệu Hydro với nhiên liệu xăng được trình bày ở Bảng 1.4

Bảng 1.4 Đặc tính của nhiên liệu [12]

Những nghiên cứu về năng lượng hiện nay cho thấy nguồn tài nguyên xăng dầu chỉ có thể duy trì trong một số thập kỷ tới do tốc đô ̣khai thác và sử dụng ngày càng tăng Xu thế thay đổi dần nhiên liệu hóa thạch được thể hiện ở Bảng 1.5 Trong đó nhiên liệu Hydro sẽ chiếm một phần quan trọng từ năm 2025

Bảng 1.5 Xu hướng thay đổi tỷ lệ nhiên liệu trong tương lai (%) [11]

1.3 Sự cần thiết của điều khiển tự động trên động cơ và phương pháp cung cấp khí HHO cho động cơ xăng

a) Điều khiển tự động trên động cơ đời cũ

Hệ thống điều khiển: Ô tô đời cũ thường không sử dụng máy tính điều khiển động cơ (ECU) mạnh mẽ như trong ô tô đời mới Các hệ thống cơ điện tử cũng đơn giản hơn Hệ Thống Phun Nhiên Liệu và bộ chế hoà khí (Carburetor): Thay vì hệ thống phun nhiên liệu điện tử (EFI), nhiều ô tô đời cũ sử dụng carburetor để phun nhiên liệu vào buồng đốt Bộ chế hoà khí thường có cấu trúc Ventury, một dạng ống hẹp giúp tăng tốc độ dòng không khí qua bộ chế hoà Điều này tạo ra áp suất thấp và hút nhiên liệu từ vòi xăng vào dòng không khí

Hệ thống đánh lửa cơ bản: Sử dụng đánh lửa cơ bản và thường không có điều khiển chính xác về thời điểm đánh lửa

Ga cơ và dây ga cơ: Để kiểm soát van ga, ô tô đời cũ thường sử dụng ga cơ và dây ga cơ

Cảm biến cơ bản: Các cảm biến thường là những cảm biến cơ bản như cảm biến nhiệt độ nước và cảm biến áp suất không khí Tuy nhiên, chúng thường ít và đơn giản hơn so với các mô hình đời mới

Hệ thống truyền động cơ bản: Sử dụng hệ thống truyền động cơ bản, thường là hộp số cơ học và cơ cấu truyền động cơ cơ bản

Hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu: Hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu thường không cao so với các mô hình đời mới vì thiếu các công nghệ tiên tiến và kiểm soát điện tử

b) Điều khiển tự động trên động cơ đời mới

Bộ điều khiển động cơ (ECU): Ô tô đời mới thường trang bị ECU mạnh mẽ với khả năng xử lý cao ECU này chịu trách nhiệm điều khiển hầu hết các chức năng của động cơ dựa trên dữ liệu từ cảm biến và thông tin khác Từ đó quản lý toàn bộ hoạt động của động cơ, từ quá trình đốt cháy cho đến các hệ thống phụ trợ như hệ thống làm mát và sạc

Hệ thống phun nhiên liệu điện tử: Hệ thống này sử dụng cảm biến để đo lường lượng không khí và nhiên liệu, sau đó sử dụng bộ điều khiển để phun nhiên liệu chính xác vào mỗi xi lanh Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử để đảm bảo việc phân phối nhiên liệu một cách chính xác dựa trên các điều kiện lái xe và yêu cầu động cơ

Cảm biến áp suất và nhiệt độ: Các cảm biến áp suất không khí, nhiệt độ nước làm mát và cảm biến khác giúp ECU đánh giá các điều kiện lái xe và điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu và điểm đánh lửa để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu

Hệ thống đánh lửa điện tử: Hệ thống này điều khiển thời điểm đánh lửa và các thông số liên quan, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu

Hệ thống ga đa dạng và hộp số tự động tiên tiến: Hệ thống ga đa dạng và hộp số tự động tiên tiến giúp cải thiện đáp ứng và hiệu suất lái xe Sử dụng van Ga Điện Tử, cho phép ECU kiểm soát lượng không khí hút vào động cơ một cách chính xác

Hệ thống kiểm soát khí thải: giúp đảm bảo rằng các tiêu chuẩn khí thải đang được tuân thủ thông qua việc điều chỉnh lượng nhiên liệu và kiểm soát hệ thống xả

c) Sự cần thiết của điều khiển điện tử trên ô tô đời mới

Tăng cường hiệu suất và tiết kiệm năng lượng: Hệ thống điều khiển điện tử giúp động cơ hoạt động ở điều kiện tối ưu, từ đó tăng hiệu suất và giảm tiêu thụ nhiên liệu

Giảm tiếng ồn và trải nghiệm lái xe tốt hơn: Điều khiển điện tử cung cấp khả năng kiểm soát chính xác hơn, giảm tiếng ồn và cải thiện trải nghiệm lái xe

Quản lý khí thải: Hệ thống điều khiển điện tử có thể giảm thiểu khí thải và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường

Tóm lại, sự cần thiết của điều khiển điện tử trên ô tô đời mới chủ yếu nằm ở khả năng tối ưu hóa hiệu suất và tích hợp các công nghệ tiên tiến để cải thiện trải nghiệm lái xe và bảo vệ môi trường

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái quát về động cơ Honda Lead 110cc Fi 2009

Hình 2.1 Honda Lead 110cc Fi đời 2009 Xe Lead đầu tiên ra mắt vào năm 1982 tại Nhật Bản với 2 phiên bản động cơ 50c và 80cc, tuy nhiên tại thị trường Việt Nam, xe tay ga Honda Lead chính thức ra mắt vào tháng 12/2008 với định vị nhắm vào phân khúc xe tay ga hạng sang, được bán ra chính thức thị trường Việt Nam ngày 02/01/2009

Điểm mạnh của dòng xe này chính là cốp xe 37 lít siêu rộng ngay từ đầu đã tạo ra sự cạnh tranh rất lớn đối với các đối thủ trên thị trường, và đến nay xe Lead vẫn giữ vững vị trí số 1 trong số các dòng xe tay ga cốp rộng nhất trên thị trường

Dòng tay ga Lead đời đầu được trang bị động cơ 108cc, làm mát bằng dung dịch với bộ tản nhiệt tích hợp cùng công nghệ 4 thì truyền động tự động gọn, nhẹ danh tiếng của Honda luôn đảm bảo sự cân bằng hoàn hảo giữa khả năng vận hành êm ái và hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu

Honda Lead 2009 cũng được trang bị hệ thống phun xăng điện tử PGM-Fi Bộ điều khiển trung tâm ECU, hệ thống phanh kết hợp và lốp không săm an toàn

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật động cơ xe Honda Lead 110cc [13]

Thông tin chung

Năm 2009

Động cơ và hộp số

Khung xe, hệ thống treo, phanh và bánh xe

Các thông số kích thước và trọng lượng

- Dễ vận hành - Tăng tốc mượt mà, êm ái và không có hiện tượng giật khi chuyển số như ở hộp số truyền thống

- Trọng lượng nhẹ vì có cấu tạo đơn giản Bởi vì, đây là mẫu xe thiết kế khoang chứa đồ rộng rãi nên tiện lợi cho việc cải tạo trong quá trình làm đồ án Ngoài ra, việc bố trí bình xăng thấp phía dưới sàn để chân cũng giúp cho việc tháo lắp, cải tạo dễ dàng hơn Nên mẫu xe được chọn sử dụng để thực hiện cải tạo từ xe sử dụng nhiên liệu xăng sang hỗn hợp nhiên liệu xăng + khí HHO là mẫu xe Honda Lead 110cc Fi đời 2009

2.2 Nghiên cứu điều khiển tự động trên động cơ xăng

Động cơ xăng sinh công qua chu trình giãn nở của hỗn hợp xăng và không khí Ba yếu tố chủ yếu của động cơ xăng để sinh công như sau:

- Hỗn hợp không khí – nhiên liệu tốt - Nén tốt

- Đánh lửa tốt Theo thông tin mà Honda cung cấp, công nghệ PGM-FI bao gồm 3 thành phần bộ điều khiển trung tâm, bộ cảm biến và bộ phận chấp hành Cụ thể:

a) Bộ điều khiển trung tâm ECU/ECM

ECU/ECM bao gồm CPU, I/O và ROM Bộ phận này có nhiệm vụ tiếp nhận thông tin từ bộ cảm biến, phân tích và truyền lại tín hiệu cho bộ phận chấp hành thực hiện

b) Bộ cảm biến bao gồm TP, MAP, IAT, VS, CKP

Cảm biến trục khuỷu CKP (Crankshaft Position): CKP có nhiệm vụ phát hiện số vòng quay trục khuỷu cũng như động cơ, đồng thời, xác định vị trí của piston Sau khi phát hiện, CKP sẽ gửi thông tin cần thiết về ECU

Cảm biến bướm ga TP (Throttle Position): TP có thể nhận biết được độ mở của bướm ga Sau khi có được đầy đủ thông tin, TP sẽ gửi tín hiệu dạng điện áp tới ECU

Cảm biến tốc độ VS (Vehicle Speed): VS có nhiệm vụ gửi thông tin đến ECU và đồng hồ hiển thị nhằm điều chỉnh tỉ lệ nhiên liệu - không khí khi tăng hay giảm tốc độ

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát ECT (Engine Coolant Temperature): ECT có một điện trở và điện trở này sẽ thay đổi tuỳ theo nhiệt độ của nước làm mát Sau đó, chúng sẽ được chuyển thành điện áp Điện áp càng cao nghĩa là nhiệt độ của nước làm mát thấp và ngược lại Từ đó ước lượng được nhiệt độ nước làm mát và điều chỉnh lượng nhiên liệu cần thiết dựa trên điều khiển nhiệt độ của động cơ

Cảm biến nhiệt độ khí nạp IAT (Intake Air Temperature): IAT có thể phát hiện được nhiệt độ của khí nạp sau đó chuyển chúng thành điện trở Sau khi nhận được thông tin, ECU sẽ phân tích đồng thời đưa ra thời gian phun xăng phù hợp với nhiệt độ của khí nạp

Cảm biến áp suất của đường ống nạp MAP (Manifold Absolute Pressure): MAP có nhiệm vụ phát hiện ra sự thay đổi áp suất của đường ống nạp sau đó nó sẽ chuyển tín hiệu về ECU để đưa ra thời gian phun nhiên liệu phù hợp

Cảm biến Oxy: có thể đo được lượng Oxy còn dư bên trong khí thải Thông tin từ cảm biến Oxy giúp hệ thống điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu/khí Oxy để đảm bảo sự cháy hiệu quả và giảm khí thải

Tất cả các thông tin từ những cảm biến này được thu thập và xử lý bởi bộ điều khiển động cơ (ECU), và ECU sau đó điều chỉnh hệ thống phun xăng để đảm bảo hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và tuân thủ môi trường Điều này tạo ra một hệ thống điều khiển tự động linh hoạt và hiệu quả cho hệ thống phun xăng

c) Bộ phận chấp hành

Gồm kim phun, bô bin và bơm xăng

d) Sơ đồ khối

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống PGM-Fi phun xăng điện tử trên xe Honda Lead 110cc

xe Honda Lead

Nguyên lý điều khiển chung của hệ thống:

Hình 2.3 Nguyên lý điều khiển chung Hệ thống phun xăng điện tử (PGM-FI – Programmed Fuel Injection) chia làm 3 nhóm chính: Các cảm biến (Đưa tín hiệu vào), ECM động cơ (Bộ xử lý trung tâm) và các cơ cấu chấp hành (Tín hiệu ra)

Các cảm biến và cơ cấu chấp hành tạo nền tảng cho hệ thống phun xăng điện tử, sự điều khiển đó được mô tả như sau: ECM nhận tín hiệu từ các cảm biến đặt trên động cơ để biết chế độ hoạt động của động cơ Sau đó đưa tín hiệu điện áp đến điều khiển các cơ cấu chấp hành và nhận tín hiệu phản hồi từ các cơ cấu chấp hành

2.2.3. Sự vận hành hệ thống PGM – Fi

Từ tốc độ cầm không tải tới tốc độ cao, một lượng nhiên liệu được cài đặt trước phun ra từ kim phun tương ứng với lượng không khí nạp, kim phun được điều khiển bởi ECM và ECM nhận tín hiệu điện áp từ các cảm biến Kim phun phun một lượng nhiên liệu chính xác vào trong ống nạp, phụ thuộc vào thể tích không khí nạp bằng cách thêm vào khoảng thời gian phun xính xác tới cơ bản:

- Khoảng thời gian phun nhiên liệu cơ bản được tính bởi 2 loại bản đồ được lưu trong bộ nhớ ECM mà được tìm bởi số vòng quay động cơ và lượng khí nạp (được tính theo công thức cài đặt trước và do MAP, IAT và TP để tính)

- Khoảng thời gian phun nhiên liệu chính xác được tính toán bởi ECM theo hiệu điện thế ngõ ra của mỗi cảm biến và điều kiện vận hành của động cơ

Hình 2.4 Sơ đồ sự vận hành hệ thống PGM – Fi

a) Làm giàu xăng khi máy nguội

Hình 2.5 Sơ đồ sự vận hành hệ thống PGM – Fi làm giàu xăng khi máy nguội

Tình trạng hoạt động của động cơ khi nguội: Xăng không bốc hơi tốt khi máy nguội và tỷ lệ khí xăng trở nên rất nghèo, dẫn đến tốc độ không tải không ổn định

Khi động cơ nguội, ECM sẽ điều chỉnh lượng xăng bằng cách tăng thời gian mở của kim phun, phù hợp với điện phát ra từ cảm biến ECT, phụ thuộc vô tình trạng động cơ khi điều khiển IACV, nó sẽ đưa khí thêm vô để duy trì tốc độ cầm chừng nhanh

b) Làm giàu xăng khi tăng tốc nhanh

Tình trạng động cơ khi tăng tốc nhanh: Khi bướm ga mở đột ngột, thì lượng khí nạp vào động cơ sẽ nhiều quá mức Áp suất chân không tại cổ hút sẽ nhỏ hơn làm thiếu xăng và hỗn hợp xăng – khí trở nên nghèo đi, dẫn đến động cơ trở nên yếu tạm thời

Khi bướm ga mở đột ngột, ECM sẽ điều chỉnh lượng xăng theo điện áp ra từ cảm biến TP phụ thuộc vào tình trạng động cơ Kim phun được giữ mở thời gian dài hơn để cung cấp nhiều xăng hơn tới xy lanh, tạo ra tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng

Hình 2.6 Sơ đồ sự vận hành hệ thống PGM – Fi làm giàu xăng khi tăng tốc nhanh

c) Cắt cung cấp nhiên liệu khi phanh

Tình trạng động cơ khi phanh: khi bướm ga đóng và phanh thì động cơ sẽ thiếu khí nạp Vì thế dẫn đến không cháy và khí ga chưa cháy hết sẽ ra ngoài khí quyển

Khi bướm ga đóng và phanh, ECM phát hiện ga đóng hoàn toàn, theo điện áp ra từ cảm biến TP và CKP ECM ngừng cung cấp xăng vào trong xy lanh bằng cách đặt thời gian phun bằng 0 để tránh hỗn hợp khí cháy chưa hết lọt ra ngoài đồng thời tiết kiệm xăng

Hình 2.7 Sơ đồ sự vận hành hệ thống PGM – Fi cắt cung cấp nhiên liệu khi phanh

Hình 2.8 Hệ thống cảm biến điều khiển của hệ thống PGM-Fi trên xe LEAD 110

Đối với xe máy, động cơ thường chỉ có 1 xy-lanh, loại xe máy công suất lớn cũng