Nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung khí HHO vào đường nạp đến chỉ tiêu kỹ thuật, môi trường của động cơ diesel

Bài viết trình bày các kết quả nghiên cứu lý thuyết nhằm xác định ảnh hưởng của việc bổ sung khí HHO (được sản xuất dựa trên việc điện phân nước) trên đường nạp đến chỉ tiêu kỹ thuật và môi trường của động cơ diesel.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC BỔ SUNG KHÍ HHO VÀO ĐƯỜNG NẠP ĐẾN CHỈ TIÊU KỸ THUẬT, MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Trần Trọng Tuấn1, Nguyễn Cơng Đồn1, Vũ Ngọc Khiêm1 Tóm tắt: Khí HHO có thuộc tính lý hóa như: dễ cháy, tốc độ cháy nhanh, nhiệt trị cao, cháy với tỷ lệ A/F thấp… tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng động đốt Có nhiều giải pháp khác để cung cấp khí HHO vào đường nạp động như: phun bổ sung vào đường nạp, cung cấp vào đường nhiên liệu, phun trực tiếp vào bên xi lanh… giải pháp việc phun bổ sung HHO vào đường nạp khơng làm ảnh hưởng đến kết cấu động hệ thống khác Để sản xuất khí HHO có nhiều cách khác việc điện phân nước để tạo khí HHO cách đơn giản đem lại hiệu cao Bài báo trình bày kết nghiên cứu lý thuyết nhằm xác định ảnh hưởng việc bổ sung khí HHO (được sản xuất dựa việc điện phân nước) đường nạp đến tiêu kỹ thuật môi trường động diesel Từ khóa: HHO, Động diesel, Điện phân nước, nhiên liệu thay ĐẶT VẤN ĐỀ * Bổ sung khí HHO vào hỗn hợp cuối q trình nén làm trình cháy hiệu hơn, tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất động làm giảm phát thải PM môi trường: theo kết cơng bố cơng suất động tăng 5÷10%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 10÷30%, giảm mức phát thải chất độc hại CO, HC, giảm đáng kể đóng cặn muội chi tiết động giúp làm tăng tuổi thọ động (Cao Văn Tài, 2015) Tuy nhiên bên cạnh ưu điểm nêu việc sử dụng HHO tồn số hạn chế định đặc biệt mức phát thải NOx có xu hướng tăng so với trường hợp không bổ sung HHO Ở Việt Nam việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo ứng dụng thiết bị tạo khí HHO cung cấp cho động đốt nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội thực đề tài thuộc chương trình KHCN cấp Nhà nước “Nghiên cứu nâng cao tính kinh tế nhiên liệu giảm phát thải độc hại cho động cách cung cấp hỗn hợp khí giàu hyđrơ cho động cơ” (Lê Anh Tuấn, 2015) Đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo thành cơng hệ thống sản xuất khí giàu hyđrô từ nước từ Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghệ GTVT 52 phần nhiên liệu cung cấp cho động xăng quy mơ phịng thí nghiệm Cơng ty Fujidenki lắp đặt thử nghiệm hệ thống thiết bị điện phân nước tạo khí HHO tàu đánh cá để tiết kiệm nhiên liệu giảm phát khí thải gây nhiễm mơi trường Kết thử nghiệm tàu cá ngư dân Bình Định, mức tiêu hao nhiên liệu giảm 4,98 lít/giờ (16,6%); tính hải lý 0,56 lít/hải lý (17,5%) tổng số nhiên liệu thử nghiệm hành trình giảm 22 lít dầu (tương đương khoảng 17,6%) Tuy nhiên, thiết bị nhập từ Nhật Bản với giá thành cao cần nghiên cứu nhằm nội địa hóa thiết bị tạo khí HHO cung cấp cho động đốt góp phần hạ giá thành sản phẩm Vì lý báo trình bày kết nghiên cứu lý thuyết đánh giá ảnh hưởng việc bổ sung khí HHO đến tiêu kỹ thuật môi trường động Thiết bị tạo khí HHO theo phương pháp điện phân kiểu khơ, hệ thống cung cấp HHO cách liên tục vào đường nạp động lưu lượng khí HHO điều khiển dựa việc thay đổi điện áp cấp cho bình điện phân điều khiển độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) Quy trình thiết kế, chế tạo thiết KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC bị hệ thống cung cấp khí HHO vào đường nạp tác giả trình bày chi tiết cơng trình (Trần Trọng Tuấn, 2019), số thơng số hệ thống sau: Bảng Thông số hệ thống sản xuất cung cấp khí HHO vào đường nạp STT Tên thơng số Giá trị Đơn vị Kích thước bình điện phân (dài x rộng x cao) mm 300x109x300 Kích thước cực (dài x rộng x dày) mm 200x200x2 Vật liệu chế tạo cực - Số lượng cực Số cell Inox 304 loại bóng Chiếc 17 Số lượng Kiểu đầu nối cell - -nnn+… Vật liệu làm vỏ bình - IPVC chịu lực Loại dung dịch điện ly - KOH g/lít ÷ 12 V 10÷14 ml/phút 3500 Nồng độ dung dịch điện ly 10Điện áp cấp cho bình điện phân 11Lưu lượng khí HHO lớn 12Loại van chống cháy ngược hệ thống Đối tượng nghiên cứu động Isuzu 4BD1T, động diesel kỳ, xi lanh thẳng hàng, có hệ thống phun nhiên liệu kiểu khí, hệ thống tăng áp tua bin khí thải khơng làm mát khí - Harrit 188GR sau tăng áp, sản xuất Nhật Bản Thông số động nghiên cứu trình bày Bảng Bảng Các thông số động Isuzu 4BD1T STT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Đường kính xi lanh D 102 mm Hành trình piston S 118 mm Số xi lanh i - Thể tích cơng tác Vxl 3856 cm3 Tỷ số nén  17,5 - Công suất/mô men định mức Ne/Me 78,3/325 kW/N.m Vịng quay ứng với Ne ne 2500 vg/ph Góc mở sớm/đóng muộn xu páp nạp φ1/ φ 10/42 độ Góc mở sớm/đóng muộn xu páp thải φ 3/ φ 50/10 độ XÂY DỰNG VÀ HIỆU CHỈNH MƠ HÌNH Q trình nghiên cứu lý thuyết nhằm mục đích tính tốn chu trình cơng tác (CTCT), tiêu kỹ thuật môi trường động có xét đến ảnh hưởng việc bổ sung khí HHO vào đường nạp với mức lưu lượng khác Công cụ mô sử dụng phần mềm AVL Boost Trình tự bước xây dựng mơ hình mơ CTCT động phần mềm AVL-Boost gồm bước như: lựa chọn phần từ động thư viện phần mềm, liên kết phần tử theo kết cấu động cơ, nhập KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 53 thơng số cho mơ hình, hiệu chỉnh mơ hình, tính tốn CTCT Mơ hình mơ CTCT động Hình Mơ hình mơ CTCT động Isuzu 4BD1T phần mềm AVL-Boost C1÷C4 – Xi lanh; TC1 – tuabin-máy nén; I1 - Vòi phun bổ sung khí HHO; CL1 – Bộ lọc khí nạp; SB1,SB2 – Điều kiện biên đầu vào ra; MP1÷MP15 – Các phần tử điểm đo Để mơ việc bố sung khí HHO đường nạp mơ hình có bổ sung phần tử I1 phần tử cấp khí HHO đường nạp động Trong phần mềm AVL-Boost mơ CTCT động có bổ sung loại nhiên liệu khác so với nhiên liệu truyền thống cần định nghĩa thuộc tính nhiên liệu thông qua việc nhập file nhiên liệu HHO bst_therm.dat vào phần User Database, đồng thời phần simulation control cần định nghĩa tỷ thành phần hỗn hợp khơng khí khí HHO nạp vào động (Hình 2) Trong phần tử I1 cần định nghĩa tỷ lệ khí hyđrơ xy có khí HHO bổ sung vào đường nạp động lượng khí HHO cung cấp cho chu trình (Hình 3) Sau kết thúc trình xây dựng mơ hình, tiến hành chạy mơ hình mơ nhằm đánh giá xác q trình mơ Kết tính tốn gồm nhiều thơng số như: thơng số liên quan đến q trình truyền công chất, thông số liên quan đến hiệu suất động cơ, thơng số khí xả… Kết tính tốn so sánh thơng số Ne ge động chế độ 100% tải mơ thực nghiệm trình bày Hình Ta thấy, mơ hình mơ 54 Isuzu 4BD1T phần mềm AVL-Boost trình bày Hình Hình Khai báo thành phần lưỡng nhiên liệu cung cấp cho động CTCT động phần mềm AVL-Boost đảm bảo độ xác có sai số lớn Ne ge mô thực nghiệm động làm việc đường đặc tính ngồi 3,92% 1,17% Vì vậy, mơ hình xây dựng sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng việc cung cấp khí HHO vào đường nạp đến động Khi tính tốn CTCT động có xét đến việc bổ sung khí HHO mơ hình cháy, mơ hình truyền nhiệt tính tốn thành phần phát thải lựa chọn giống với khơng bổ sung khí HHO Hình Kết so sánh Ne ge mô thử nghiệm 100% tải KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Hình Khai báo thơng số khí HHO cho phần tử I1 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC BỔ chế độ tải (25,50 75% tải) tốc độ khác SUNG KHÍ HHO ĐẾN CHỈ TIÊU KINH TẾ, trường hợp: sử dụng nhiên liệu MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ diesel bổ sung khí HHO với lưu lượng 3.1 Đánh giá ảnh hưởng việc bổ sung khí HHO đến tiêu kinh tế động lít/phút (ký hiệu HHO1,0) 1,5 lít/phút (ký hiệu HHO1,5) Kết tính tốn ảnh hưởng việc Trong q trình mơ để đánh giá ảnh cung cấp khí HHO với mức lưu lượng khác hưởng việc cung cấp khí HHO vào đường nạp đến ge động chế độ khác đến tiêu kinh tế, lượng mơi trường trình bày Hình ta thấy: động tác giả tiến hành chạy mơ hình Hình Kết tính ge cấp khí HHO với lưu lượng khác 1000 1200 vg/ph - Khi cung cấp khí HHO suất tiêu thụ nhiên liệu động giảm tất chế độ tải tốc độ lượng nhiệt định cho trình cháy giúp tăng công suất giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu; so với khơng cung cấp khí HHO, mức độ - Khi cung cấp khí HHO với lưu lượng lít/phút thay đổi từ 0,57÷3,35% tùy thuộc vào chế độ tải, tốc có thay đổi mạnh ge (suất tiêu thụ nhiên liệu độ lưu lượng khí HHO Điều giải tính cho phần nhiên liệu diesel mà chưa tính tổng thích cung cấp khí HHO vào giúp cho lượng cấp vào) so với khơng cung cấp khí trình cháy diễn nhanh hơn, giảm thời gian cháy HHO tăng lưu lượng khí HHO lên 1,5 trễ, đồng thời khí HHO có chứa hyđrơ cung cấp lít/phút mức độ thay đổi so với trường hợp cung cấp KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 55 1,0 lít/phút khơng nhiều Kết nghiên cứu phù hợp với số cơng trình nghiên cứu giới thường chọn lưu lượng khí HHO HC cháy với hỗn hợp giàu 3.2 Ảnh hưởng việc bổ sung khí HHO đến tiêu môi trường động phút phần tư tổng thể tích cơng tác Kết tính tốn ảnh hưởng việc cung cấp động Việc cung cấp nhiều khí HHO khí HHO với mức lưu lượng khác đến độ không đem lại hiệu việc cải thiện tiêu khói phát thải NOx động chế độ kinh tế, lượng môi trường động mà khác trình bày Hình Hình cịn làm tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu, tăng phát thải ta thấy: Hình Kết tính độ khói phát thải NOx động cung cấp khí HHO chế độ tải khác tốc độ 1000 vg/ph Hình Kết tính độ khói phát thải NOx động cung cấp khí HHO chế độ tải khác tốc độ 1200 vg/ph - Khi cung cấp khí HHO với lưu lượng độ khói khí thải có xu hướng tăng cao lít/phút có cải thiện rõ rệt độ khói khí so với sử dụng nhiên liệu diesel Điều có thải so với sử dụng nhiên liệu diesel (mức độ thể giải thích khí HHO làm cho hỗn hợp cải thiện độ khói nằm khoảng từ cháy giàu gây tăng phát thải HC, tăng độ 0,94÷6,39%) Tuy nhiên, tăng lưu lượng khí khói khí thải Kết tính tốn phù HHO lên 1,5 lít/phút mức độ cải thiện độ hợp với quy luật tác động tỷ lệ HHO đến ge khói khí thải khơng nhiều, số chế độ trình bày phân tích Hình 56 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC - Việc bổ sung khí HHO vào đường nạp làm khí HHO với mức lưu lượng khác đến tăng phát thải NO x so với trường hợp không bổ tiêu kinh tế động Kết tính tốn cho sung khí HHO Mức phát thải NO x động có thấy việc bổ sung khí HHO làm giảm từ bổ sung khí HHO tăng từ 0,47 đến 9,1% so với 0,57÷3,35% ge động so với không trường hợp khơng cung cấp khí HHO vào đường bổ sung khí HHO; nạp bổ sung khí HHO giúp cải thiệt chất lượng Đã tính tốn ảnh hưởng việc bổ sung trình cháy, giảm thời gian cháy trễ, tăng tốc khí HHO với mức lưu lượng khác đến độ cháy, tăng nhiệt độ cực đại bên xi lanh phát thải NOx độ khói động Bổ sung nên làm tăng phát thải NO x khí HHO làm giảm độ khói động từ KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 0,94÷6,39% tăng phát thải NO x từ 0,47 đến Bài báo xây dựng hiệu chỉnh mô 9,1% so với trường hợp khơng cung cấp khí HHO hình mơ CTCT động Isuzu 4BD1T phần mềm AVL-Boost Kết hiệu chỉnh mơ hình lý thuyết thực nghiệm theo đường đặc tính ngồi động cho thấy mức độ sai khác lớn Ne ge so sánh mô thực nghiệm 3,92% 1,17% điều đảm bảo mức độ xác mơ hình lý thuyết; Đã tính tốn ảnh hưởng việc bổ sung vào đường nạp Dựa vào kết tính tốn ảnh hưởng việc bổ sung khí HHO vào đường nạp đến tiêu kỹ thuật môi trường lựa chọn lưu lượng khí HHO phù hợp cho động lít/phút, mức lưu lượng hãng sản xuất thiết bị bổ sung khí HHO vào đường nạp động khuyên dùng TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Tài nguyên Môi trường, (2016), Báo cáo môi trường quốc gia 2016 Lê Anh Tuấn, (2012), Báo cáo tổng hợp kết khoa học cơng nghệ đề tài “Nghiên cứu nâng cao tính kinh tế nhiên liệu giảm phát thải độc hại cho động cách cung cấp hỗn hợp khí giàu Hyđrô cho động cơ” Mã số KC.05.TN05/11-15, Đại học Bách Khoa Hà Nội Hồ Sĩ Thoảng, Trần Mạnh Trí, (2009), Năng lượng cho kỷ 21- Những thách thức triển vọng NXB khoa học-kỹ thuật Cao Văn Tài, (2015), Nghiên cứu thay đổi tính kỹ thuật động đốt cháy cưỡng sử dụng hỗn hợp xăng – khí Brown Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Khánh Hòa, 2015 Trần Trọng Tuấn, Lư Thị Yến, (2019), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị tạo khí HHO cung cấp vào đường nạp động đốt Tạp chí giao thơng vận tải số 4/2019 Trang 97-100 R de Levie, (1999), The electrolysis of water Journal of Electroanalytical Chemistry Journal of Electroanalytical Chemistry 476 (1999), P92-93 Yul Brown, (1978) US patent number 4,081,656 E Leelakrishnan, N Lokesh, H Suriyan, (2013), Performance and emission characteristics of brown's gas enriched air in spark ignition engine International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology Vol 2, Issue 2, P 393-404 2013 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 57 Abstract: RESEARCH EFFECT OF HHO GAS ADDITION TO PERFORMANCE AND EXHAUST EMISSION OF DIESEL ENGINE HHO gas has physical and chemical properties such as: flammable, fast burning speed, high calorific value, low A / F ratio facilitating the application on internal combustion engines There are many different solutions to supply HHO gas to the intake line of the engine such as: additional injection into the charging line, supply to the fuel line, direct injection into the cylinder in the above solutions, adding HHO gas into intake line does not affect the structure of the engine and other systems To produce HHO gas there are many different ways in which electrolysis of water to produce HHO gas is a fairly simple way but brings high efficiency The paper presents the results of the study to determine the effect of HHO gas supplementation (produced based on water electrolysis) on the intake line to the performance and environmental specifications of the diesel engine Keywords: HHO, Diesel engine, Electrolysis of water, alternative fuels Ngày nhận bài: 02/7/2019 Ngày chấp nhận đăng: 04/9/2019 58 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC ... khác SUNG KHÍ HHO ĐẾN CHỈ TIÊU KINH TẾ, trường hợp: sử dụng nhiên liệu MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ diesel bổ sung khí HHO với lưu lượng 3.1 Đánh giá ảnh hưởng việc bổ sung khí HHO đến tiêu kinh tế động. .. ảnh hưởng việc bổ sung khí HHO vào đường nạp đến tiêu kỹ thuật mơi trường lựa chọn lưu lượng khí HHO phù hợp cho động lít/phút, mức lưu lượng hãng sản xuất thiết bị bổ sung khí HHO vào đường nạp. .. với 0,57÷3,35% ge động so với không trường hợp không cung cấp khí HHO vào đường bổ sung khí HHO; nạp bổ sung khí HHO giúp cải thiệt chất lượng Đã tính tốn ảnh hưởng việc bổ sung trình cháy, giảm