Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp khí HHO cho động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu xăng HHO

Vì vậy, để có thể thử nghiệm với nhiên liệu khí HHO, ngoài việc sản xuất ra một lượng khí HHO để thử nghiệm, tính toán lựa chọn và chế tạo một số bộ phận chính để sản xuất và lưu chứa nh

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trang 2

HV: Nguyễn Công Hùng i MSSV: CA120132

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các

số liệu trong luận văn là trung thực

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viên

Nguyễn Công Hùng

Trang 3

HV: Nguyễn Công Hùng ii MSSV: CA120132

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của luận văn này, Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Thị Thu Hương đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn

Chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận văn tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học

và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và

làm luận văn

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động

cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi

những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành đề tài luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và làm luận văn

Học viên

Nguyễn Công Hùng

Trang 4

HV: Nguyễn Công Hùng iii MSSV: CA120132

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

LỜI NÓI ĐẦU ix

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HHO 3

1.1 Nhiên liệu HHO 3

1.1.1 Khái quát về nhiên liệu HHO 3

1.1.2 Tính chất của nhiên liệu HHO 3

1.2 Quy trình và thiết bị sản xuất HHO quy mô nhỏ 5

1.2.1 Hệ thống sản xuất khí HHO ở quy mô nhỏ[14] 5

1.2.2 Lựa chọn và chế tạo một số thiết bị sản xuất khí HHO 6

1.2.3 Điện phân nước thành khí HHO 12

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PHUN HHO VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHUN KHÍ HHO VÀO ĐỘNG CƠ 14

2.1 Động cơ thử nghiệm 14

2.2 Lắp đặt hệ thống phun 15

2.2.1 Lắp đặt các chi tiết chính 15

2.2.2 Kiểm tra lưu lượng phun khí HHO 18

2.3 Bộ điều khiển hệ thống cung cấp khí HHO 19

2.4 Cảm biến đo tốc độ động cơ 23

2.5 Van bổ sung thêm không khí từ bên ngoài 23

2.6 Kết luận chương 2 24

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM 26

3.1 Phương pháp thử nghiệm 26

3.2 Quy trình, đối tượng và bố trí thử nghiệm 26

3.2.1 Quy trình 26

3.2.2 Đối tượng thử nghiệm 27

3.2.3 Thiết bị thử nghiệm 27

Trang 5

HV: Nguyễn Công Hùng iv MSSV: CA120132

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ CÓ BỔ SUNG HHO 38

4.1 Các tính năng kinh tế - kỹ thuật 38

4.2 Các thành phần phát thải 42

4.2.1 Phát thải NO x 42

4.2.2 Phát thải HC 45

4.2.3 Phát thải CO 49

4.2.4 Phát thải CO 2 52

4.3 Kết luận chương 4 57

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Trang 6

HV: Nguyễn Công Hùng v MSSV: CA120132

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật động cơ xe máy Honda [6] 14Bảng 2.2: Lưu lượng khí HHO phun vào động cơ trong kỳ nạp 19Bảng 3.1: Quy trình thử nghiệm động cơ xe máy trên băng thử DIDACTA 26Bảng 4.1: Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng + HHO 38Bảng 4.2: Độ cải thiện của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng hỗn hợp xăng + HHO so với khi sử dụng xăng 39Bảng 4.3: Nồng độ phát thải NOx (ppm) của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng + HHO 42Bảng 4.4: Độ tăng của nồng độ NOx trong khí thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp xăng + HHO so với khi sử dụng xăng 43Bảng 4.5: Nồng độ phát thải HC (ppm) của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng + HHO 45Bảng 4.6: Độ giảm của nồng độ HC trong khí thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp xăng + HHO so với khi sử dụng xăng 47Bảng 4.7: Nồng độ phát thải CO (ppm) của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng + HHO 49Bảng 4.8: Độ tăng của nồng độ CO trong khí thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp xăng + HHO so với khi sử dụng xăng 50Bảng 4.9: Nồng độ phát thải CO2 (ppm) của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng + HHO 53Bảng 4.10: Độ giảm của nồng độ CO2 trong khí thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp xăng + HHO so với khi sử dụng xăng 54

Trang 7

HV: Nguyễn Công Hùng vi MSSV: CA120132

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của bình sản xuất khí HHO 5

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống sản xuất khí HHO 6

Hình 1.3: Kết cấu và hình ảnh bình điện phân (bên trái bằng nhựa, bên phải Inox) 7

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý bình điện phân nước 8

Hình 1.5: Bình ngưng tụ 9

Hình 1.6: Nắp bình ngưng tụ 10

Hình 1.7: Máy hút chân không 10

Hình 1.8: Khung lắp thiết bị sản xuất khí HHO 11

Hình 1.9: Hệ thống sản xuất khí HHO từ nước 12

Hình 1.10: Thời gian sản xuất HHO phụ thuộc vào lượng chất điện phân 13

Hình 2.1: Trục cam có lắp thêm trục cảm biến tốc độ quay động cơ 15

Hình 2.2: Vị trí lắp vòi phun khí HHO 16

Hình 2.3: Kết cấu van giảm áp 16

Hình 2.4: Van điện từ 17

Hình 2.5: Vòi phun khí HHO 17

Hình 2.6: Lắp vòi phun khí HHO và van bổ sung thêm không khí 18

Hình 2.7: Bộ EHC điều khiển hệ thống nhiên liệu phun khí HHO 20

Hình 2.8: Giao diện chương trình điều khiển quá trình phun khí HHO 22

Hình 2.9: Nguyên lý của cảm biến tốc độ 23

Hình 2.10: Van bi 24

Hình 3.1: Kết cấu băng thử phanh thủy lực (Didacta T101D) 28

Hình 3.2: Bộ điều khiển EC kết nối với máy tính 28

Hình 3.3: Hệ thống đo suất tiêu thụ nhiên liệu AVL-733S 29

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống AVL-733S 30

Hình 3.5: Giao diện hệ thống đo suất tiêu thụ nhiên liệu AVL-733S 31

Hình 3.6: Tủ phân tích khí xả CEBII 32

Hình 3.7: Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO 33

Hình 3.8: Sự ảnh hưởng của H2O tới kết quả đo CO 34

Trang 8

HV: Nguyễn Công Hùng vii MSSV: CA120132

Hình 3.9: Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx 35 Hình 3.10 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm 36 Hình 3.11: Giao diện tủ phân tích khí xả CEBII 37 Hình 4.1: Diễn biến công suất và suất tiêu hao của động cơ sử dụng xăng và hỗn hợp xăng và HHO khi bướm ga mở 20% 40 Hình 4.2: Diễn biến công suất và suất tiêu hao của động cơ sử dụng xăng và hỗn hợp xăng và HHO khi bướm ga mở 30% 40 Hình 4.3: Diễn biến công suất và suất tiêu hao của động cơ sử dụng xăng và hỗn hợp xăng và HHO khi bướm ga mở 50% 41 Hình 4.4: Diễn biến công suất và suất tiêu hao của động cơ sử dụng xăng và hỗn hợp xăng và HHO khi bướm ga mở 70% 41 Hình 4.5: Diễn biến phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng

và HHO khi bướm ga mở 20% 43 Hình 4.6: Diễn biến phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng

và HHO khi bướm ga mở 70% 45 Hình 4.9: Diễn biến phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng và HHO khi bướm ga mở 20% 47 Hình 4.10: Diễn biến phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng

và HHO khi bướm ga mở 30% 47 Hình 4.11: Diễn biến phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng

và HHO khi bướm ga mở 50% 48 Hình 4.12: Diễn biến phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng

và HHO khi bướm ga mở 70% 48 Hình 4.13: Diễn biến phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng

và HHO khi bướm ga mở 20% 51

Trang 9

HV: Nguyễn Công Hùng viii MSSV: CA120132

Hình 4.14: Diễn biến phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng

và HHO khi bướm ga mở 70% 52 Hình 4.17: Diễn biến phát thải CO2 của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng

và HHO khi bướm ga mở 70% 56 Hình 4.21: Độ chênh lệch khi sử dụng xăng và HHO so với khi sử dụng xăng 56

Trang 10

HV: Nguyễn Công Hùng ix MSSV: CA120132

LỜI NÓI ĐẦU

Khí HHO là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi

về môi trường và kinh tế Trong thực tế, khí HHO là năng lượng sạch, gần như không phát thải khí ô nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước Từ nước qua quá trình điện phân có thể thu được khí HHO Vì vậy, khí HHO là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được

Trong điều kiện Việt Nam, nhất là trong giai đoạn hiện nay việc sử dụng khí HHO chưa có Vì vậy, để có thể thử nghiệm với nhiên liệu khí HHO, ngoài việc sản xuất ra một lượng khí HHO để thử nghiệm, tính toán lựa chọn và chế tạo một số bộ phận chính để sản xuất và lưu chứa nhiên liệu khí HHO, còn phải tính toán, thiết kế

để có thể lắp đặt và đưa được lượng khí này tham gia vào quá trình cháy của động

cơ Sau đó thực hiện quá trình thử nghiệm đối chứng, phân tích và so sánh các thông số về kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu có bổ sung thêm khí HHO để có kết luận về tính hiệu quả và khả năng ứng dụng khí HHO sử dụng trên động cơ đốt trong Chính vì các lý do

trên tôi đã chon đề tài “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp khí HHO cho động

cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu xăng - HHO ”

Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Trần Thị Thu Hương cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Động cơ đốt trong và phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong em đã hoàn thành luận văn này Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức

và trình độ hiểu biết có hạn nên khó có thể tránh khỏi các thiếu sót Kính mong sự chỉ bảo đóng góp của các thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày …… tháng… Năm 2014

Học viên thực hiện

Trang 11

HV: Nguyễn Công Hùng 1 MSSV: CA120132

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

I Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nguồn nhiên liệu truyền thống sử dụng cho động cơ đốt trong đang ngày càng cạn kiệt, đồng thời khí xả của động cơ đốt trong là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Bên cạnh

đó, sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do hiệu ứng nhà kính buộc chúng ta đưa việc giảm CO2 thành một trong những vấn đề ưu tiên nghiên cứu của động cơ đốt trong

Quá trình cháy nhiên liệu hoá thạch chứa cacbon (C) tất yếu sinh ra CO2, nên việc làm giảm nồng độ chất khí này chỉ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiện liệu chứa ít cacbon, nhiên liệu sạch hoặc giảm suất tiêu hao nhiên liệu, nghĩa làm tăng tính kinh tế của động cơ Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp xăng+HHO (xăng + Hydro và oxy) cho động cơ nói chung và cho động cơ đốt cháy cưỡng bức nói riêng

có ý nghĩa khoa học quan trọng, góp phần tạo tiền đề cho các đề tài sử dụng nhiên liệu sạch trong tương lai Đây cũng là mục đích của đề tài nghiên cứu mà em chọn

II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài này hướng tới nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu HHO vào động cơ lưỡng nhiên liệu xăng-HHO Trong nội dung đề tài này, các vấn đề liên quan đến việc lắp đặt hệ thống phun khí HHO và điều khiển quá trình phun khí vào động cơ

sẽ được trình bày Nội dung luận văn gồm bốn phần

Thứ nhất là nghiên cứu các tính chất của nhiên liệu HHO, các phương pháp tạo

ra khí HHO, ảnh hưởng của nhiên liệu HHO tới quá trình làm việc của động cơ đốt trong đã được nghiên cứu lý thuyết hay được chứng minh bằng thực nghiệm

Thứ hai nghiên cứu việc lắp đặt hệ thống phun khí HHO và điều khiển quá trình phun khí vào động cơ

Thứ ba trình bày các phương pháp và quy trình thử nghiệm

Thứ tư trình bày các kết quả thử nghiệm động cơ có bổ sung HHO

III Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Trang 12

Khí HHO là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi

về môi trường và kinh tế Khí HHO là năng lượng sạch, gần như không phát thải khí ô nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước Từ nước qua quá trình điện phân có thể thu được khí HHO

Trong điều kiện Việt Nam, nhất là trong giai đoạn hiện nay việc sử dụng khí HHO chưa có Vì vậy, để có thể thử nghiệm với nhiên liệu khí HHO, ngoài việc sản xuất ra một lượng khí HHO để thử nghiệm, tính toán lựa chọn và chế tạo một số bộ phận chính để sản xuất và lưu chứa nhiên liệu khí HHO, còn phải tính toán, thiết kế để

có thể lắp đặt và đưa được lượng khí này tham gia vào quá trình cháy của động cơ Sau

đó thực hiện quá trình thử nghiệm đối chứng, phân tích và so sánh các thông số về kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu có bổ sung thêm khí HHO để có kết luận về tính hiệu quả và khả năng ứng dụng khí HHO sử dụng trên động cơ đốt trong

Kết quả của đề tài có ý nghĩa thực tiễn đối với việc nghiên cứu, sử dụng nhiên liệu HHO cho động cơ đốt trong Giúp các nhà sản xuất lựa chọn chế tạo động cơ lưỡng nhiên liệu xăng - HHO phù hợp, giúp người tiêu dùng hiểu hơn về nhiên liệu HHO Đồng thời đóng góp cơ sở khoa học cho các nhà quản lý trong việc xây dựng các chính sách phát triển động cơ lưỡng nhiên liêu HHO và xăng

IV Các nội dung chính của luận văn

Nội dung của đề tài bao gồm những vấn đề sau:

- Chương 1: Tổng quan về nhiên liệu HHO

- Chương 2: Nghiên cứu lắp đặt hệ thống phun và điều khiển quá trình phun khí HHO vào động cơ

- Chương 3: Phương pháp và quy trình thử nghiệm

- Chương 4: Kết quả thử nghiệm động cơ có bổ sung HHO

Trang 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HHO 1.1 Nhiên liệu HHO

1.1.1 Khái quát về nhiên liệu HHO

HHO là loại khí đa dạng, tuyệt diệu và hữu hiệu, và cũng thân thiện môi trường quá trình cháy chỉ sinh ra sản phẩm là hơi nước, và không tạo khí thải nhà kính Khí này được tạo ra bằng cách điện phân nước với một bình điện phân Điện sẽ tách nước thành hai loại khí, hydro và oxy Kết quả là một hỗn hợp khí có thể được chế tạo bất

cứ lúc nào

1.1.2 Tính chất của nhiên liệu HHO

1.1.2.1 Tính chất hoá lý cơ bản của HHO

Khí HHO được gọi là oxy-hydro hoặc khí màu nâu Về mặt hóa lý, khí HHO là hỗn hợp của hydro và oxy là sản phẩm của quá trình điện phân nước

Khí HHO không độc, do đó rất an toàn để dùng trong công nghệ Khí HHO có thể cháy ở nhiệt độ rất cao Trong không khí nó có thể cháy ở 230 độ C tuy nhiên khi tiếp xúc với kim loại cứng khí HHO có khả năng cắt xuyên qua kim loại ở nhiệt độ hơn 6000 độ C

Trang 14

1.16

0,889 18

Kết luận: khi điện phân 1kg H2O thu được 0,111 kg H2 và 0,889kg O2

1.1.2.2 Thể tích khí thoát ra ở điều kiện tiêu chuẩn

Ở điều kiện tiêu chuẩn, thể tích khí thoát ra từ quá trình điện phân 1 kg nước được tính toán như sau:

2

1000.22, 4 22, 4 1244

18.2

O

Như vậy, ở điều kiện này, 1 lít nước sản xuất được tối đa 1.866 lít HHO

1.1.2.3 Khối lượng riêng trung bình của khí HHO

Khi điện phân 1 mol H2O (tức là 18 gam H2O):

H2O  H2 + 1/2O2

1 mol 1 mol 0,5 mol

18 gam 2 gam 16 gam Phần trăm thể tích của 2 khí H2 và O2 trong hỗn hợp:

Trang 15

Khối lượng phân tử trung bình (gọi tắt là khối lượng trung bình) ở điều kiện tiêu chuẩn của hỗn hợp khí H2 và O2

1.2 Quy trình và thiết bị sản xuất HHO quy mô nhỏ

Quá trình điện phân nước thu khí HHO xảy ra dưới tác dụng của dòng điện một chiều Phương pháp này sử dụng công nghệ đơn giản, dễ dàng và có kết cấu nhỏ gọn (hình 1.1)[1 5]

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của bình sản xuất khí HHO 1.2.1 Hệ thống sản xuất khí HHO ở quy mô nhỏ [14]

Sơ đồ hệ thống sản xuất khí HHO (hình 1.2) gồm có: máy biến thế 1, bình điện phân 2, bình ngưng tụ 3,4 và 5, bộ lọc tách nước 6, solenoidd thường mở 7, bình chứa

áp suất thấp 8, rơle áp suất 9, van điện từ 10, máy hút chân không 11 và bình chứa áp suất cao 12

Khi đóng mạch điện (máy biến thế 1 hoặc bình ắc qui) cung cấp cho bình điện phân, nước trong bình điện phân nóng lên, bay hơi theo đường ống đến bình ngưng tụ

3, 4, 5 qua bộ lọc 6, nước và hơi nước sẽ được ngăn lại, khí HHO tiếp tục vào bình chứa áp suất thấp 8 Trong bình chứa 8 đạt giá trị áp suất 0,5 kG/cm2, rơle áp suất điều

Trang 16

khiển khởi động từ đóng mạch, máy hút chân không 11 hút và nén khí HHO vào bình chứa áp suất cao 12

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống sản xuất khí HHO

1- Máy biến thế hoặc bình ắc qui 8-Bình chứa khí HHO áp suất thấp

2- Bình điện phân 9- Rơle áp suất

3,4,5 -Bình ngưng tụ 10- Van điện từ

6- Bộ lọc tách nước 11-Máy hút chân không

7- Solenoi thường mở 12-Bình chứa khí HHO áp suất cao

1.2.2 Lựa chọn và chế tạo một số thiết bị sản xuất khí HHO

1.2.2.1 Bình điện phân

Bình điện phân là một trong những bộ phận quan trọng nhất (hình 1.3), lượng khí HHO nhiều hay ít phụ thuộc vào bình điện phân và điện áp Nếu bình có lượng nước quá lớn, việc sản xuất khí HHO sẽ chậm và ngược lại

Thân bình (1) và nắp bình (2) được làm bằng nhựa plastic hay Inox, trên nắp bình có lỗ để bổ sung nước (3), ống bay hơi (4) và 2 bản cực âm và dương (5)

Trang 17

Hai bản cực âm và dương bên trong thân bình được lắp thêm các tấm thép để tăng tiết diện nung nóng Bản cực và các tấm thép được chế tạo bằng thép không gỉ (Inox 304, 316 hoặc bạch kim)

Hình 1.3: Kết cấu và hình ảnh bình điện phân (bên trái bằng nhựa, bên phải

inox

1-Thân bình điện phân 4- Ống bay hơi 2-Nắp bình điện phân 5- Bản cực âm 3- Lỗ bổ sung nước 6- Bản cực dương

- Nguyên lý hoạt động của bình điện phân:

Nguồn điện một chiều được nối với hai điện cực, hoặc hai tấm (thường được làm từ một số kim loại trơ như bạch kim hoặc thép không gỉ) được đặt trong nước (hình 1.4) Hydro sẽ xuất hiện ở âm cực (điện cực tích điện âm), oxy sẽ xuất hiện ở dương cực (điện cực điện tích dương) Vì vậy, dòng điện đi qua tách nước thành khí hydro và oxy Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực Hydro sinh ra ở điện cực âm và oxy ở điện cực dương:

- Phản ứng trên catot:

2 H2O + 2e- H2 + 2OH-

Trang 18

- Phản ứng trên anot:

2 OH- H2O + 1/2 O2 + 2e-

- Tổng quát:

2 H2O + điện năng  2 H2 + O2

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý bình điện phân nước

1- Nguồn điện một chiều (ắcqui); 2- Dây dẫn điện; 3- Bình điện phân

1.2.2.2 Bình ngưng tụ

Trong hệ thống luôn luôn có hơi nước nóng trong đường ống Để giải quyết vấn

đề này, phải sử bình ngưng tụ để tách nước Hệ thống này sử dụng 3 bình ngưng tụ, bản vẽ chi tiết của các bình này được thể hiện trong (hình 1.5) và (hình 1.6)

H 2

O 2

Trang 19

(a)

(b)

Hình 1.5: Bình ngưng tụ (a - kiểu bình trụ đứng, b - kiểu bình ngang)





R8 4

Trang 20

Hình 1.6: Nắp bình ngưng tụ

1.2.2.3 Máy hút chân không

Sử dụng máy hút chân không làm máy nén khí HHO Máy hút chân không kiểu piston, chuyển động tịnh tiến nhờ tay quay điều khiển piston Chuyển động của piston đồng thời thực hiện 2 quá trình nạp khí và xả khí qua hệ thống van một chiều (hình 1.7)

Hình 1.7: Máy hút chân không

Khi piston đi xuống, thể tích phần không gian phía trên piston lớn dần, áp suất giảm xuống van xả đóng, van nạp mở ra khí HHO được nạp vào phía trên piston

Trang 21

Khi piston đi lên, thể tích không gian phía trên piston nhỏ dần, áp suất tăng dần van nạp đóng, van xả mở ra, khí HHO được nén đẩy vào bình chứa Cứ như vậy máy hút chân không hoạt động để nén khí HHO

1.2.2.4 Khung lắp đặt hệ thống sản xuất HHO

Hệ thống gồm các bình điện phân, bình ngưng tụ, máy hút chân không, biến áp được lắp đặt trên một khung lắp nhằm đảm bảo tính linh hoạt trong vận chuyển và thử nghiệm Sơ đồ khung lắp được thể hiện ở (hình 1.8)

Hình 1.8: Khung lắp thiết bị sản xuất khí HHO

Trang 22

1.2.2.5 Hệ thống sản xuất khí HHO

Hệ thống sản xuất khí HHO từ nước (hình 1.9) được phát triển theo sơ đồ ở (hình 1.2), sử dụng 3 bình điện phân: Bình 1 dùng 0,2 lít nước cất điện áp 8,6V, bình 2

sử dụng 0,4 lít nước cất điện áp 9,8V và bình 3 sử dụng 0,4 lít nước cất điện áp 17V

Hình 1.9: Hệ thống sản xuất khí HHO từ nước 1.2.3 Điện phân nước thành khí HHO

1.2.3.1 Nước để sản xuất khí HHO

Nước là thành phần chính để sản xuất ra khí HHO, nước có nhiều loại như:

- Nước cứng: Là loại nước chứa nhiều chất khoáng hòa tan như: canxi, magiê

Sử dụng nước cứng sản xuất khí HHO có nhược điểm khi đun nóng nước cứng thì canxi cacbonat (CaCO3) và magie cacbonat (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành bình và các bản cực của bình điện phân Vì vậy, không thể chọn nước cứng để xản xuất khí HHO

- Nước mềm: Là nước đã được loại bỏ thành phần các chất khoáng nêu trên bằng cách lọc thô (bằng máy móc) hoặc lọc tinh (bằng hóa chất)

- Nước cất: Nước cất là nước tinh khiết, nguyên chất, được điều chế bằng cách chưng cất Thành phần nước cất hoàn toàn không chứa các tạp chất hữu cơ hay vô cơ Đây là loại nước được sử dụng để sản xuất khí HHO

1.2.3.2 Chất điện phân

Để sản xuất khí HHO nhanh và hiệu quả cần sử dụng một số chất điện phân

như: kali hydroxit (KOH), nátri hydroxit (NaOH) vì các chất này phản ứng mãnh liệt

với nước và giải phóng một lượng nhiệt lớn

1.2.3.3 Điện áp

Trang 23

Máy biến thế hoặc bình ắc qui là nguồn cấp điện cho bình điện phân Điện áp

có thể sử dụng là loại 12V hoặc 24V Điện áp là phần quan trọng để đun nóng nước tạo thành khí HHO

1.2.3.4 Kết quả sản xuất khí HHO từ nước

Hình 1.10 dưới đây cho thấy thời gian sản xuất khí HHO khi sử dụng 4 gram chất điện phân NaOH hòa trộn với 1lít nước cất trong thời gian 3 giờ 20 phút thì đạt được áp suất trong bình loại 12 kG là 3,5 kG/cm2, sử dụng 8 gam NaOH hòa trộn với 1lít nước cất trong thời gian 3 giờ thì đạt được áp suất trong bình là 3,5 kg/cm2, sử dụng 12 gram NaOH hòa trộn với 1lít nước cất trong thời gian 2 giờ 40 phút đạt được

áp suất trong bình là 3,5 kG/cm2 Vì vậy, càng tăng chất điện phân thì thời gian sản xuất khí HHO càng ngắn Tuy nhiên, nếu sử dụng chất điện phân lớn thì dòng điện sẽ tăng lên và dễ dẫn đến hỏng biến thế Do đó nên chọn chất điện phân phù hợp với biến thế

Hình 1.10: Thời gian sản xuất HHO phụ thuộc vào lượng chất điện phân

Trang 24

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PHUN HHO VÀ ĐIỀU KHIỂN

QUÁ TRÌNH PHUN KHÍ HHO VÀO ĐỘNG CƠ

2.1 Động cơ thử nghiệm

Nhằm lượng hóa tác động của việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-khí HHO

đối với tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ dựa trên cơ sở các phương

án cung cấp khí HHO cho động cơ được thể hiện trong kết quả mô phỏng, các nội

dung thử nghiệm được tiến hành đối với động cơ xe máy trên băng thử DIDACTA

Các nội dung chủ yếu của phần thử nghiệm bao gồm:

- Đo công suất, mômen và mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ khi sử dụng

nhiên liệu xăng RON 92 và hỗn hợp xăng RON 92 + khí HHO

- Phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng RON 92 và hỗn hợp xăng

RON 92+khí HHO

- Đánh giá tác động của việc bổ sung thêm không khí bên ngoài cho động cơ

trong trường hợp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng RON 92+khí HHO

Động cơ xe máy do Honda sản xuất năm 1996 được sử dụng làm đối tượng thử

nghiệm Thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm được thể hiện trong (bảng 2.1)

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật động cơ xe máy Honda [6]

Trang 25

Trước thử nghiệm, để đảm bảo tình trạng hoạt động ổn định, động cơ được bảo dưỡng và thay mới các bộ phận truyền động, hệ thống đánh lửa và hệ thống cung cấp nhiên liệu

Phục vụ cho quá trình thử nghiệm, trên trục cam của động cơ có lắp thêm một trục có đường kính 12mm đưa ra ngoài để lắp cảm biến tốc độ động cơ (hình 2.1)

Hình 2.1: Trục cam có lắp thêm trục cảm biến tốc độ quay động cơ

2.2 Lắp đặt hệ thống phun

2.2.1 Lắp đặt các chi tiết chính

2.2.1.1 Vị trí lắp vòi phun

Khí HHO được sản xuất từ hệ thống trong (hình 2.2) và được cấp vào động cơ

xe máy qua vòi phun Dựa vào kết quả tính toán mô phỏng bằng phần mềm BOOST, vị trí thích hợp để lắp vòi phun được xác định

AVL-Để bổ sung khí HHO vào động cơ, trên đường nạp, sau bộ chế hòa khí khoan 2

lỗ đường kính 5mm lệch nhau 180o, lỗ thứ nhất lắp ống bổ sung thêm không khí cách

bộ chế hòa khí 20mm, lỗ thứ hai cách bộ chế hòa khí 30mm lắp vòi phun khí HHO (hình 2.2)

Trang 26

Hình 2.2: Vị trí lắp vòi phun khí HHO

2.2.1.2 Van giảm áp

Trong thực tế chưa có thiết kế riêng cho khí HHO, tuy nhiên do tính chất vật lý gần tương đồng, trong những thử nghiệm này có thể sử dụng một số thiết bị từ hệ thống phun LPG cho hệ thống dùng khí HHO Van giảm áp của hệ thống LPG cũng được dùng làm van giảm áp cho khí HHO Khí HHO qua van giảm áp được điều chỉnh thông qua van tiết lưu 3 (hình 2.3) Việc điều chỉnh độ mở của van tiết lưu được thực hiện thông qua cơ cấu tay vặn 1 Khi ta vặn tay vặn 1 theo chiều giảm áp, lò xo của tay vặn 1 kéo màng cao su 2 đi xuống, qua đó đóng kín dần cửa van tiết lưu 3 và do đó áp suất của khí HHO đi vào động cơ giảm Nếu vặn theo chiều ngược lại thì áp suất khí HHO đi vào động cơ tăng

Hình 2.3: Kết cấu van giảm áp

1 Tay vặn, 2 Màng cao su, 3 Van tiết lưu

Trang 27

2.2.1.3 Van điện từ

Van điện từ có cấu tạo gồm 1 cuộn hút (hình 2.4),

một lõi sắt và một lò xo nén vào lõi sắt Bình thường khi

không có dòng điều khiển thì lò xo ép vào lõi sắt, van ở

trạng thái đóng, khi có dòng điều khiển từ bộ điều khiển,

cuộn hút được cung cấp nguồn 24V và sinh từ trường để

hút lõi sắt, từ trường này đủ mạnh thắng được lực nén

của lò xo làm mở van, khí HHO được cấp đến vòi phun

Hình 2.5: Vòi phun khí HHO

Hình 2.4: Van điện từ

Trang 28

kim phun hay phụ thuộc vào độ rộng xung phun được tính toán bởi EHC tuỳ thuộc vào các chế độ làm việc cụ thể của động cơ

Trên (hình 2.6) thể hiện động cơ thử nghiệm có lắp thêm vòi phun bổ sung khí HHO và van bổ sung thêm không khí

Hình 2.6: Lắp vòi phun khí HHO và van bổ sung thêm không khí

2.2.2 Kiểm tra lưu lượng phun khí HHO

Lưu lượng nhiên liệu khí HHO phun vào động cơ được tính dựa trên độ chênh

áp trước và sau vòi phun, thời gian mở vòi phun trong một chu kỳ làm việc của động

cơ và đặc trưng của vòi phun

Áp dụng công thức Becnuli cho dòng khí trước và sau vòi phun (bỏ qua ảnh hưởng của tổn thất):

Z1, p1, v1- lần lượt là độ cao, áp suất và vận tốc của dòng khí trước vòi phun

Z2, p2, v2 -lần lượt là độ cao, áp suất và vận tốc của dòng khí sau vòi phun Coi vòi phun đặt nằm ngang, khi đó có: Z1= Z2

Trang 29

p0, pHHO-áp suất trước và sau voi phun khí HHO

 - khối lượng riêng trung bình của khí HHO: 3

Bảng 2.2: Lưu lượng khí HHO phun vào động cơ trong kỳ nạp

Áp suất phun khí HHO 0,3 bar Áp suất phun khí HHO 0,5 bar

2.3 Bộ điều khiển hệ thống cung cấp khí HHO

Bộ điều khiển hệ thống cung cấp khí HHO gồm các khối mạch: khối nguồn, khối ghi nhận tín hiệu từ cảm biến, khối vi xử lý, khối điều khiển cơ cấu chấp hành và khối kết nối với máy tính Khối tín hiệu từ cảm biến cho phép tính toán được lượng khí HHO theo các chế độ làm việc của động cơ Sau khi vi xử lý tính toán lượng nhiên liệu sẽ đưa ra tín hiệu xung để mở vòi phun khí HHO Lượng nhiên liệu đi vào động

Trang 30

cơ được xác định thông qua thời gian mở vòi phun, áp suất phun và tiết diện lưu thông của vòi phun Trong quá trình nghiên cứu, việc thay đổi lượng khí HHO để tìm ra tỷ lệ tối ưu giữa khí HHO và xăng được thực hiện thông qua khối kết nối giữa máy tính và

bộ điều khiển điện tử EHC (Electronic HHO Control) (hình 2.7)

Hình 2.7: Bộ EHC điều khiển hệ thống nhiên liệu phun khí HHO

Bộ EHC điều khiển hệ thống nhiên liệu khí HHO kết nối với máy tính hiển thị các thông số của các cảm biến trên máy tính, cũng như để điều chỉnh được lượng khí HHO vào trong động cơ Công việc truyền thông giữa máy tính và vi xử lý này được thực hiện thông qua bộ truyền nhận nối tiếp UART RS-232

Truyền thông qua cổng RS-232 là kiểu truyền thông phổ biến nhất khi sử dụng

vi điều khiển giao tiếp với thiết bị ngoại vi RS-232 là cổng truyền nối tiếp không đồng

bộ với dữ liệu được truyền nhận theo từng bit nối tiếp nhau

Máy tính cung cấp 2 cổng nối tiếp COM1 và COM2 Các cổng này giao tiếp theo tiêu chuẩn RS-232 Cổng này truyền dữ liệu dưới dạng nối tiếp theo một tốc độ

do người lập trình quy định (thường sử dụng 9600 hoặc 19200 bps) Loại truyền này

có khả năng dùng cho những khoảng cách lớn Cổng nối tiếp chuẩn RS-232 không phải là một hệ thống bus, do đó nó cho phép dễ dàng tạo ra liên kết dưới hình thức điểm giữa hai máy cần trao đổi thông tin với nhau Chiều dài dữ liệu truyền đi có thể là

7 hoặc 8 bit và kèm theo các bit start, stop, parity để tạo thành một khung truyền (frame) Do việc truyền dữ liệu là nối tiếp nên tốc độ truyền bị hạn chế do đó nó thường không được sử dụng trong những ứng dụng cần tốc độ truyền cao

Trang 31

Cổng nối tiếp của vi điều khiển không thể ghép nối trực tiếp với cổng nối tiếp của PC Lý do là các tín hiệu trên đường truyền RS-232 là tín hiệu hai cực có biên độ nằm trong khoảng +12V đến -12V, trong khi vi điều khiển ATMega32 chỉ có thể xử lý các tín hiệu có mức tín hiệu tương thích 0 đến 5V Thông thường thì tín hiệu trên đường truyền RS-232 được lấy đảo Tức là khi máy tính PC muốn một mức logic “0” thì điện áp trên đường truyền RS-232 sẽ là +12V, còn khi muốn mức logic “1” thì điện áp trên đường truyền là -12V Như vậy để tương thích mức logic và điện áp giữa

PC và vi điều khiển thì việc trang bị một bộ nhận và đệm đường truyền RS-232 là cần thiết Bộ nhận và đệm đường truyền RS-232 được dùng phổ biến nhất là loại MAX232 của công ty Maxim Vi mạch MAX232 này nhận mức RS-232 đã được gửi tới từ máy tính và biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu sao cho tương thích với vi điều khiển ATMega32 và nó cũng thực hiện ngược lại là biến đổi tín hiệu của vi điều khiển thành mức +12V, -12V để cho phù hợp với hoạt động của máy tính Giao tiếp theo cách này, khoảng cách từ máy tính đến thiết bị ngoại vi có thể đạt tới trên 20m

Ưu điểm của giao tiếp này là có khả năng thiết lập tốc độ truyền thông Khi có

dữ liệu từ máy tính được gửi đến vi xử lý ATMega32 qua cổng COM thì dữ liệu này

sẽ được đưa vào từng bit (nối tiếp) của thanh ghi UART

Chương trình truyền thông giao tiếp giữa PC và vi xử lý được viết bằng Delphi với những nhiệm vụ chính sau:

- Nhận dữ liệu từ vi điều khiển để hiển thị các thông số làm việc của động cơ như tốc độ, lưu lượng, nhiệt độ, vị trí chân ga

- Truyền dữ liệu từ máy tính xuống vi xử lý để đóng mở các van điện từ, thay đổi lượng nhiên liệu phun

Giao diện điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu khí HHO để hiển thị các

thông số của các cảm biến và điều chỉnh lượng nhiên liệu phun, thay đổi thời điểm phun, bật tắt các công tắc, trong quá trình thử nghiệm thì bộ điều khiển EHC phải được điều khiển từ máy tính Trong đề tài, việc kết nối bộ điều khiển với máy tính được thực hiện bằng phần mềm kết nối Delphi Với giao diện xây dựng trên phần mềm cho phép người thực hiện thay đổi được các thông số theo mục đích đặt ra (hình 2.8)

Trang 32

Các tính năng chính của giao diện:

- Điều chỉnh lượng nhiên liệu phun khí HHO trong 1 chu trình bằng cách điều khiển thời gian phun

- Điều chỉnh thời điểm phun khí HHO

- Thu nhận tín hiệu từ các cảm biến như: tốc độ động cơ, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, áp suất phun khí HHO, lượng nhiên liệu HHO cung cấp

- Các chức năng đóng mở van điện từ và đóng mở vòi phun

- Thực hiện quá trình đo và ghi lại kết quả trung bình của phép đo trong thời gian của phép đo, do người thử nghiệm đặt trên giao diện

Hình 2.8: Giao diện chương trình điều khiển quá trình phun khí HHO

Trang 33

2.4 Cảm biến đo tốc độ động cơ

Tín hiệu vòng quay cho bộ điều khiển nhận biết tốc độ động cơ và được sử dụng trong quá trình tính toán lượng nhiên liệu phun khí HHO vào đường ống nạp, ngoài ra còn được sử dụng để tính toán thời điểm phun

Trên trục quay của trục cam có gắn 1 vấu sắt, còn cảm biến là một cuộn dây quấn trên một lõi nam châm Khi trục quay làm các vấu cam quét qua cảm biến từ trở mạch từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động có tần số thay đổi tỷ lệ với tốc độ quay (hình 2.9)

Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố

là khoảng cách và tốc độ quay Khoảng cách giữa cuộn dây với vấu sắt chính là khe từ, khoảng cách càng lớn thì biên độ của suất điện động càng nhỏ, thông thường sự thay đổi khoảng cách này không vượt quá 0,2  0,4mm Tốc độ quay tỷ lệ thuận với biên độ của suất điện động

Hình 2.9: Nguyên lý của cảm biến tốc độ

2.5 Van bổ sung thêm không khí từ bên ngoài

Van bổ sung thêm không khí có tên gọi là van bi, cấu tạo bên trong có một viên

bi đường kính ngoài 12mm, phía trên viên bị liên kết với tay cầm, dùng để đóng van một góc 90o so với thân van Viên bi được khoan một lỗ có tiết diện 8 mm để cho lưu lượng khí đi qua khi mở van Trong quá trình thử nghiệm, van bi được mở một góc 45o

có tiết diện 1,2 mm (hình 2 10)

Trang 34

Hình 2.10: Van bi

Tính toán lưu lượng không khí đi qua van bi như sau:

- Do động cơ hoạt động có tính chu kỳ nên lưu lượng không khí qua ống có tính dao động Lưu lượng khối lượng không khí nạp đi vào động cơ trong kỳ nạp:

Dk.khí-Đường kính của đường nạp không khí, Dk.khí=1,2mm

Vk.khí-Tốc độ không khí đi vào đường nạp, m/s

Trang 35

phun và bổ sung không khí, việc chế tạo và lắp bộ điều khiển phun cũng đã được đề cập đến

Việc nghiên cứu cung cấp khí HHO vào đường nạp động cơ đốt trong nói chung và động cơ xăng nói riêng đang là một hướng nghiên cứu mới, chủ yếu mới dừng lại nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Vì vậy để có thể ứng dụng trên thực tế động cơ được làm giàu bởi khí HHO thì cần thiết phải quan tâm đến nhiều yếu tố như:

1 Xây dựng được bộ điều khiển thời điểm đánh lửa tối ưu ứng với lưu lượng khí HHO bổ sung, vị trí bướm ga, tốc độ động cơ để đảm bảo khả năng tận dụng năng lượng của quá trình cháy sinh ra hiệu quả nhất

2 Xây dựng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử, tự động cung cấp lượng nhiên liệu ứng với lưu lượng khí HHO, tốc độ, tải trọng để động cơ làm việc hiệu quả và phát thải giảm đến mức tối đa

3 Thiết kế bộ sản xuất khí HHO nhỏ gọn, công suất lớn và lắp lên động cơ, trên phương tiện giao thông vận tải

4 Cần xây dựng hệ thống cung cấp khí HHO đảm bảo an toàn, chống cháy ngược ở góc trùng điệp do tốc độ cháy của hydro rất nhanh Bình chứa có khả năng chịu được áp suất lớn, tránh va đập

5 Nghiên cứu trên các loại động cơ khác để đánh giá đầy đủ hơn, chính xác

hơn các kết quả thu được

Định dạng
Số trang	70
Dung lượng	2,08 MB