(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu bổ sung hydroxyl vào xăng cho xe gắn máy

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  PHẠM VĂN QUANG C C R L T NGHIÊN CỨU BỔ SUNG HYDROXYL VÀO XĂNG CHO XE GẮN MÁY DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  PHẠM VĂN QUANG NGHIÊN CỨU BỔ SUNG HYDROXYL VÀO XĂNG CHO XE GẮN MÁY C C R L T DU Chuyên ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH BÙI VĂN GA PGS TS BÙI THỊ MINH TÚ Đà Nẵng - Năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Phạm Văn Quang C C DU R L T ii TÓM TẮT NGHIÊN CỨU BỔ SUNG HYDROXYL VÀO XĂNG CHO XE GẮN MÁY Học viên: Phạm Văn Quang Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 85.20.11.6 Khóa: 36 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch giảm phát thải nhiễm môi trường xe gắn máy, phương tiện giao thơng cá nhân nước ta vấn đề cấp bách Để góp phần giải vấn đề này, đề tài nghiên cứu tích hợp sinh khí hydroxyl (HHO) kiểu khơ lên xe gắn máy Honda Wave RSX FI 110 Kết mô thực nghiệm cho thấy, cung cấp bổ sung HHO vào đường ống nạp để làm giàu hỗn hợp xăng khơng khí tính kỹ thuật động cải thiện rõ rệt Cụ thể kết thực nghiệm cung cấp bổ sung 10% HHO, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 12,9% so với trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng Nồng độ chất khí thải động đo giảm đáng kể hỗn hợp xăng khơng khí làm giảm HHO so với trường hợp cung cấp nhiên liệu xăng Nồng độ NOx giảm 42,5%, nồng độ HC giảm 14,0%, nồng độ CO giảm 8,7%, nồng độ CO2 giảm 2,7% Như vậy, bổ sung HHO, trình cháy động cải thiệt đáng kể, góp phần nâng cao suất động giảm nồng độ khí thải C C R L T Từ khóa – Nhiên liệu tái tạo; Hydroxyl HHO; Hydrogen, Bộ sinh khí; Động xăng; DU RESEARCH PROVIDING HYDROXYL TO ADD MIXTURE OF GASOLINE_AIR OF MOTORCYCLE Abstract - Saving fossil fuels and reducing environmental pollution for motorbikes and personal vehicles are currently an urgent issue in our country To help solve this problem, the thesis has studied the integration of dry-type hydroxyl generator (HHO) on Honda Wave RSX FI 110 motorbike The simulation results as well as experimental results show that, when supplied Adding HHO to the intake manifold to enrich the air gasoline mixture will improve the technical features of the engine Specifically, experimental results when supplemented with 10% HHO, fuel consumption rate decreased by 12.9% compared to the case of using gasoline only The measured concentration of exhaust gas of the engine is significantly reduced when the mixture of air gasoline reduces by HHO compared to the case of supplying gasoline fuel only NOx concentration decreased by 42.5%, HC concentration decreased by 14.0%, CO concentration decreased by 8.7%, CO2 concentration decreased by 2.7% Thus, when adding HHO, the combustion process of the engine is significantly improved, contributing to improving engine productivity and reducing emissions Key words – Renewable fuels; Hydroxyl HHO; Hydrogen; Dry cell; Gasoline engines; iii MỤC LỤC Hệ lụy môi trường việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch Các hành động toàn cầu nhằm hạn chế gia tăng nhiệt độ trái đất Tình hình giao thơng tốc độ phát triển xe máy Việt Nam Các giải pháp kỹ thuật hạn chế phát thải ô nhiễm xe gắn máy .10 1.4.1 Tiêu chuẩn khí thải mơ tơ, xe máy 10 1.4.2 Các giải pháp công nghệ 11 Tình hình sản xuất ứng dụng hydrogen .11 1.5.1 Sản xuất hydrogen 11 1.5.2 Lưu trữ hydrogen 14 1.5.3 Ứng dụng hydrogen .16 Tình hình sản xuất ứng dụng hydroxyl 17 1.6.1 Sản xuất hydroxyl 17 1.6.2 Ứng dụng hydroxyl .17 Các kiểu bình sinh khí hydroxyl .18 1.7.1 Bình sinh khí kiểu ướt 18 1.7.2 Bình sinh khí kiểu khô 18 C C R L T DU Tổng quan nhiên liệu hydrogen 20 Những khó khăn sản xuất lưu trữ hydrogen .21 Nguyên lý bình sinh khí 22 2.3.1 Nguyên lý trình điện phân nước 22 2.3.2 Chất điện phân cho điện phân nước 23 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu sinh khí chất lượng khí hydroxyl .24 2.4.1 Ảnh hưởng cấu tạo 24 2.4.2 Ảnh hưởng chất điện phân 24 2.4.3 Ảnh hưởng vật liệu chế tạo 25 2.4.4 Ảnh hưởng điện áp cường độ dòng điện 25 Thiết kế bình sinh khí hydroxyl kiểu khơ .26 2.5.1 Sơ đồ hệ thống sinh khí HHO 26 iv 2.5.2 Kết cấu bình sinh khí 27 Hệ thống điều khiển hoạt động bình sinh khí hydroxyl 29 2.6.1 Giới thiệu phương pháp điều chế độ rộng rung PWM 29 2.6.2 Nguyên lý phương pháp PWM .30 2.6.3 Các phương pháp chế tạo PWM 31 Thiết kế thống sinh khí hydroxyl tích hợp xe gắn máy 31 Những lợi khí hydroxyl làm nhiên liệu cho động 32 Xây dựng mơ hình tính tốn 33 3.1.1 Dữ liệu toán 33 3.1.2 Thiết kế chia lưới mô hình Gambit .33 3.1.3 Lựa chọn mơ hình xác lập điều kiện biên Fluent 34 Quá trình nạp nhiên liệu tạo hỗn hợp xăng-HHO-khơng khí 34 Q trình cháy mức độ phát thải động xe máy Wave RSX FI .39 3.3.1 Cơ sở lý thuyết trình cháy hydrocarbon 39 3.3.2 Ảnh hưởng thành phần HHO 42 3.3.3 Ảnh hưởng hệ số tương đương  45 3.3.4 Ảnh hưởng tốc độ động đến nồng độ chất nhiễm khí thải 48 C C R L T DU Chế tạo bình sinh khí kiểu khơ phù hợp với việc lắp đặt xe gắn máy 53 Lắp đặt hệ thống nhiên liệu HHO bổ sung cho xe gắn máy 53 Thực nghiệm cơng suất bình sinh khí HHO 56 Thử nghiệm xe gắn máy chạy xăng bổ sung HHO đường thực .57 Đo mức độ phát thải thực nghiệm 57 4.5.1 Thiết bị kiểm tra khí xả động xăng MGT 57 4.5.2 Kết đo mức độ phát thải khí xả 61 Đánh giá kết đoán mô thực nghiệm 64 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Phát thải ô nhiễm phương tiện giao thông TP.HCM Bảng 1.2: Tiêu chuẩn khí thải Euro Euro xe máy .10 Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động xe Honda Wave RSX FI 110 33 Bảng 4.1: Kết thử nghiệm chạy xe máy đường thực .57 C C DU R L T vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Biến thiên nhiệt độ khí gần mặt đất qua thời kỳ băng hà Hình 1.2: Biến thiên nhiệt độ khí so với nhiệt độ trung bình 1961-1990 [1] Hình 1.3: Biến thiên nhiệt độ trung bình khí gần mặt đất nồng độ CO2 tương ứng Hình 1.4: Dự báo dâng cao mực nước biển kỉ 21 theo mơ hình tốn họa khác Hình 1.5 Nguy chìm ngập khu vực Đơng Nam Á dâng cao mực nước biển.6 Hình 1.6: Sự dịch chuyển tự nhiên dòng đại dương Hình 1.7: Kịch cắt giảm phát thải CO2 theo COP21 Hình 1.8: Cơ cấu lượng tương lai cho phương tiện giao thơng giới .8 Hình 1.9: Động BuleCore Yamaha eSP Honda 11 Hình 1.10: Bình sinh khí kiểu ướt 18 C C Hình 1.11: Bình sinh khí kiểu khô .18 Hình 2.1: Minh họa thành phần lượng sản xuất khí làm nóng chất điện phân 26 R L T Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống sinh khí HHO .27 Hình 2.3: Cấu tạo bình sinh khí HHO 28 DU Hình 2.4: Đồ thị dạng xung điều chế PWM 29 Hình 2.5: Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tả 30 Hình 2.6: Đồ thị xung van điều khiển đầu .30 Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển sinh khí HHO tích hợp xe máy 32 Hình 3.1: Thiết kế mơ hình tính tốn 33 Hình 3.2: Mơ hình 3D khơng gian tính tốn 34 Hình 3.3: Chia lưới mơ hình tính tốn 34 Hình 3.4: Trường tốc độ (m/s) .35 Hình 3.5: Phân bố mật độ hạt xăng (kg/m3) 35 Hình 3.6: Phân bố nồng độ xăng (%V) 35 Hình 3.7: Phân bố nồng độ nhiên liệu (Xăng+H2) (%V) 36 Hình 3.8: Phân bố hệ số tương đương  36 Hình 3.9: Phân bố mật độ hạt xăng theo góc quay trục khuỷu 36 Hình 3.10: Tốc độ bốc hạt nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu 37 Hình 3.11: Nồng độ xăng theo góc quay trục khuỷu 37 Hình 3.12: Nồng độ nhiêu liệu theo góc quay trục khuỷu 38 Hình 3.13: Đường cong hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu 38 Hình 3.14: Biến thiên nhiệt độ mơi chất cơng tác q trình nạp động cơ, góc quay trục khuỷu 101 độ .40 vii Hình 3.15: Biến thiên nhiệt độ mơi chất cơng tác vào cuối q trình nạp động cơ, góc quay trục khuỷu 176 độ .40 Hình 3.16: Biến thiên nhiệt độ môi chất công tác vào cuối q trình nén động cơ, góc quay trục khuỷu 349 độ .40 Hình 3.17: Biến thiên nhiệt độ mơi chất cơng tác q trình cháy động cơ, góc quay trục khuỷu 382 độ .41 Hình 3.18: Biến thiên nhiệt độ môi chất công tác vào cuối q trình cháy động cơ, góc quay trục khuỷu 423 độ .41 Hình 3.19: Biến thiên áp suất xi lanh động theo góc quay trục khuỷu động chạy xăng chạy xăng pha 10% HHO 42 Hình 3.20: Biến thiên nhiệt độ xi lanh động theo góc quay trục khuỷu động chạy xăng chạy xăng pha 10% HHO 42 Hình 3.21: Ảnh hưởng hàm lượng HHO pha vào xăng đến nồng độ NOx khí thải động (n=6000 vịng/phút, =1) 43 C C Hình 3.22: Ảnh hưởng hàm lượng HHO pha vào xăng đến nồng độ CO khí thải động (n=6000 vòng/phút, φ=1) 43 R L T Hình 3.23: Ảnh hưởng hàm lượng HHO pha vào xăng đến nồng độ HC khí thải động (n=6000 vịng/phút, φ=1) 44 DU Hình 3.24: Ảnh hưởng hàm lượng HHO pha vào xăng đến nồng độ CO2 khí thải động (n=6000 vòng/phút, =1) 44 Hình 3.25: Ảnh hưởng  đến biến thiên nồng độ NOx theo góc quay trục khuỷu (xăng bổ sung 10% HHO, n=6000rpm) 45 Hình 3.26: Ảnh hưởng  đến biến thiên áp suất xilanh theo góc quay trục khuỷu (xăng bổ sung 10% HHO, n=6000rpm) .45 Hình 3.27: Ảnh hưởng  đến biến thiên nồng độ CO theo góc quay trục khuỷu (xăng bổ sung 10% HHO, n=6000rpm) 46 Hình 3.28: Ảnh hưởng  đến biến thiên nồng độ CO2 theo góc quay trục khuỷu (xăng bổ sung 10% HHO, n=6000rpm) 46 Hình 3.29: Ảnh hưởng  đến biến thiên nồng độ HC theo góc quay trục khuỷu (xăng bổ sung 10% HHO, n=6000rpm) 47 Hình 3.30: Ảnh hưởng  đến biến thiên nhiệt độ xilanh theo góc quay trục khuỷu (xăng bổ sung 10% HHO, n=6000rpm) .47 Hình 3.31: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên NOx theo góc quay trục khuỷu pha 15%HHO .48 Hình 3.32: Ảnh hưởng tốc độ động đến biên thiên CO theo góc quay trục khuỷu pha 15%HHO .49 Hình 3.33: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên HC theo góc quay trục khuỷu pha 15%HHO .49 viii Hình 3.34: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên CO2 theo góc quay trục khuỷu pha 15% HHO 50 Hình 3.35: Ảnh hưởng tốc độ động đến biên thiên CO theo góc quay trục khuỷu pha 10%HHO .50 Hình 3.36: Ảnh hưởng tốc độ động đến biên thiên HC theo góc quay trục khuỷu pha 10%HHO .51 Hình 3.37: Ảnh hưởng tốc độ động đến biên thiên NOx theo góc quay trục khuỷu pha 10%HHO .51 Hình 3.38: Ảnh hưởng tốc độ động đến biên thiên CO2 theo góc quay trục khuỷu pha 10%HHO .52 Hình 4.1: Lắp đặt bình sinh khí HHO kiểu khơ 53 Hình 4.2: Tổng thể xe Ware RSX sau lắp đặt hệ thống sinh HHO 54 Hình 4.3: Đồng hồ đo cường độ dòng điện điện áp 54 Hình 4.4: Bộ điều chỉnh độ rộng xung PWM cơng tắc ON-OFF sinh khí 55 C C Hình 4.5: Lắp đặt cơng tắc ON-OFF, núm chỉnh tốc độ sinh khí HHO 55 R L T Hình 4.6: Lắp đặt lưu lượng kế .55 Hình 4.7: Bộ chống cháy ngược 56 Hình 4.8: Sự ảnh hưởng cường độ dòng điện đến cơng suất sinh khí HHO 56 DU Hình 4.9: Chạy thực nghiệm xe máy Wave RSX FI .57 Hình 4.10: Thiết bị kiểm tra khí xả động xăng MGT 58 Hình 4.11: Giao diện phần mềm thiết bị 58 Hình 4.12: Ống mềm lấy khí xả 60 Hình 4.13: Đầu đo tốc độ thơng qua bugi đánh lửa .61 Hình 4.14: Thực đo khí thải xe Wave RSX FI .61 Hình 4.15: Phát thải NOx động sử dụng xăng hỗn hợp xăng+HHO chế độ toàn tải 62 Hình 4.16: Phát thải HC động sử dụng xăng hỗn hợp xăng+HHO chế độ toàn tải 62 Hình 4.17: Phát thải CO động sử dụng xăng hỗn hợp xăng+HHO chế độ toàn tải 63 Hình 4.18: Phát thải CO2 động sử dụng xăng hỗn hợp xăng+HHO chế độ toàn tải 63 68 [15] C Ji, S Wang, B Zhang, Effect of spark timing on the performance of a hybrid hydrogen–gasoline engine at lean conditions, Int J Hydrogen Energy 35 (2010) 2203–2212 [16] C Ji, S Wang, Experimental study on combustion and emissions performance of a hybrid hydrogen–gasoline engine at lean burn limits, Int J Hydrogen Energy 35 (2010) 1453– 1462 [17] S Wang, C Ji, B Zhang, X Liu, Realizing the part load control of a hydrogen-blended gasoline engine at the wide-open throttle condition, Int J Hydrogen Energy 39 (2014) 7428–7436 [18] Attila GÖLLEI: Measuring and optimization of HHO dry cell for energy efficiency, ISSN: 2067 – 3809, 2014 [19] Nofriyandi R, (2014), Gas HHO application on a 150cc motorcycle, S2 Thesis, Department of Mechanical Engineering, Graduate program ITS, Surabaya (in Indonesia) C C [20] Ali Can Yilmaz, Erinc Uluda mar and Kadir Aydin, Effect of Hydroxy (HHO) Gas Addition on Performance and Exhaust Emissions in Compression Ignition Engines, ScienceDirect, 2010, 35 (20), R L T DU [21] Zoulias, E., Varkaraki, E Lymberopoulos, N., Christodoulou, C.N., and Karagiorgis, N., A review on water electrolysis, Centre for Renewable Energy Sources (CRES), Pikermi, Greece and Frederick Research Center (FRC), Nicosia, Cyprus 2003 [22] Daniel E Rondero, D'iaz LF, Ballote L and Maldonado Lopez, Aluminum and Stainless-Steel Corrosion in Ethanol and KOH Solutions, 2009 [Online] [23] Mohamed M EL-Kassaby, Yehia A Eldrainy*, Mohamed E Khidr, Kareem I Khidr, Effect of hydroxy (HHO) gas addition on gasoline engine performance and emissions, Alexandria Engineering Journal 55, 243-251, 2016 [24] Bambang Sudarmanta1, Sudjud Darsopuspito2, Djoko Sungkono, Application of dry cell HHO gas generator with pulse width modulation on sinjai spark ignition engine performance, ISSN: 2319-1163, 2016 C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... với việc lắp đặt xe gắn máy 53 Lắp đặt hệ thống nhiên liệu HHO bổ sung cho xe gắn máy 53 Thực nghiệm cơng suất bình sinh khí HHO 56 Thử nghiệm xe gắn máy chạy xăng bổ sung HHO đường thực... đó, đề tài: ? ?Nghiên cứu bổ sung hydroxyl vào xăng cho xe gắn máy? ?? góp phần giảm mức độ phát thải xe gắn máy gây C C R L T DU Em xin chân thành cám ơn hướng dẫn tận tình GS TSKH Bùi Văn Ga, PGS... ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  PHẠM VĂN QUANG NGHIÊN CỨU BỔ SUNG HYDROXYL VÀO XĂNG CHO XE GẮN MÁY C C R L T DU Chuyên ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG