Ảnh hưởng của bổ sung khí HHO tới đặc tính làm việc và hình thành phát thải của động cơ diesel

Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của việc bổ sung khí HHO (được sản xuất dựa trên việc điện phân nước) trên đường nạp đến tiêu hao nhiên liệu và hình thành phát thải của động cơ diesel.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 ẢNH HƯỞNG CỦA BỔ SUNG KHÍ HHO TỚI ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ HÌNH THÀNH PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL EFFECT OF HHO ADDITION ON PEFORMANCE CHARACTERISTICS AND EMISSION FORMATION OF DIESEL ENGINE TRỊNH XN PHONG1*, HỒNG ĐÌNH LONG3, TRẦN QUỐC ĐẢNG2, NGUYỄN ĐỨC KHÁNH 3, TRẦN TUẤN ANH Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Trung tâm Thực hành, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: txphong@nute.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng việc bổ sung khí HHO (được sản xuất dựa việc điện phân nước) đường nạp đến tiêu hao nhiên liệu hình thành phát thải động diesel Động nghiên cứu động diesel R180, kỳ, xi lanh Tải trọng động máy phát điện xoay chiều 220V Tốc độ nghiên cứu 1.500 (v/ph) Dòng điện điện phân 3A Dung dịch điện phân KOH có nồng độ 40% Kết nghiên cứu cho thấy bổ sung HHO, tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình 9,1% Phát thải khói giảm trung bình 31%, phát thải CO giảm trung bình 28%, phát thải HC giảm trung bình 13% Riêng phát thải NOx tăng trung bình 2,5% Từ khóa: Bổ sung HHO, Động diesel, Điện phân , giảm phát thải Abstract This paper presents experimental results to determine the effect of the addition of HHO gas (produced based on water electrolysis) to the intake manifold on fuel consumption and emission formation of diesel engines The research was conducted on a single-cylinder, 4-stroke, diesel engine R180 The load of the engine was a 220V AC generator Research speed was 1500 rpm The current during electrolysis was 3A The electrolyte solution was KOH with a concentration of 40% Research results showed that when HHO addition diesel fuel consumption was reduced 9,1%, smoke 31%; CO 28%; HC 13%, NOx emissions tended to increase 2,5% Keywords: HHO addition, diesel engine, electrolyte solution, reduction emission SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Giới thiệu Động diesel nguồn động lực quan trọng sống động diesel lại sản sinh nhiều chất phát thải độc hại Ngày cơng nghệ động diesel giảm hầu hết thành phần độc hại như: Luân hồi khí thải, lọc muội than, khử NOx, Nhưng với số lượng lớn động Việt Nam chưa áp dụng công nghệ điều đáng quan tâm chúng nguồn gây nhiễm trường trầm trọng Để giảm phát thải cho động diesel việc sử dụng nhiên liệu thay nghiên cứu có hydro Hydro loại nhiên liệu đầy triển vọng khó khăn nhiên liệu việc lưu trữ vơ khó khăn phức tạp đặc biệt phương tiện giới Hydro có mật độ lượng theo thể tích thấp, khó hóa lỏng nên hydro thường nén bình chứa lên tới 700 bar để đảm bảo yêu cầu sử dụng Việc chế tạo thiết bị tạo hydro phương tiện vận chuyển thách thức [1] Vì phương án sử dụng hydro với oxy (gọi khí HHO) nhà nghiên cứu quan tâm [2] HHO (khí Brown, khí Rhode HRG) hình thành từ H2 (60,79%) O2 (30,39%) lượng nhỏ nước chất hoạt động gốc oxy (O) gốc hydroxyl (OH); nhiệt độ 570 oC khí HHO bốc cháy Năng lượng cần thiết để đốt cháy hỗn hợp 20µJ Q trình cháy xảy hàm lượng thể tích hydrogen hỗn hợp HHO nằm khoảng 4% - 95% Khi cháy, lượng nhiệt sinh 41,8kJ mole HHO HHO có tính chất oxy hóa mạnh kích thích phản ứng dây chuyền C - H nhằm thúc đẩy trình oxy hóa phát thải HC, CO PM q trình cháy nhiên liệu khí HHO sử dụng kết hợp với loại nhiên liệu truyền thống động đốt để cải thiện hiệu suất giảm phát thải ô nhiễm môi trường HHO sản xuất theo nhu cầu sử dụng chỗ, 151 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 không lưu trữ Đối với động đốt trong, HHO sản xuất từ bình điện phân cung cấp bổ sung trực tiếp vào đường nạp với loại nhiên liệu khác Thiết bị sản xuất HHO nhỏ gọn, bố trí tích hợp phương tiện giao thông giới Do lưu trữ nhiên liệu khí nên khắc phục nhược điểm bình chứa nhiên liệu áp lực cao Việc áp dụng cung cấp HHO đường ống nạp để giảm phát thải cho động diesel sử dụng châu Âu, châu Mỹ từ năm 1995 cho động trang bị bơm cao áp, vịi phun khí, năm 2009 áp dụng cho động sử dụng hệ thống phun dầu điện tử Theo số liệu nghiên cứu [3], công nghệ góp phần làm giảm tiêu hao nhiên liệu từ 16% đến 35%, giảm phát thải độc hại tới 46% Tại Việt Nam có số cơng trình nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng lắp đặt hệ thống HHO cho động diesel HD700 sử dụng bơm cao áp, vịi phun khí động diesel MaxxForce11 sử dụng hệ thống phun dầu điện tử trang bị xe đầu kéo Kết cho thấy động HD700 với 100km có tải, tiêu thụ nhiên liệu giảm từ 34 lít xuống 28 lít (giảm 14%), động Maxfore có tải, tiêu thụ giảm từ 38 lít xuống 35 lít (giảm 8%) Có thể thấy HHO có hiệu tốt việc giảm tiêu hao nhiên liệu với động hệ cũ so với động phun dầu điện tử Về việc giảm phát thải độc hại với động HD700, lượng khí CO giảm 32,7%, khí NO x giảm 21,8%, muội than giảm 47,5%; với động MaxxForce 11, lượng khí CO giảm 16%, lượng khí NO x giảm 18%, muội than giảm 15% Lượng phát thải CO2 giảm việc nhiên liệu tiêu thụ giảm [4] Công 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 ô nhiễm môi 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 diesel (tương đương khoảng 17,6%) [5] Có thể thấy HHO có hiệu tích cực với việc giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải động diesel báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng việc bổ sung HHO đường nạp tới tiêu hao nhiên liệu đặc điểm phát thải động diesel R180 kéo máy phát điện phục vụ nông nghiệp Ở Việt Nam loại động phổ biến phục vụ nhiều lĩnh vực với số lượng lớn hàm lượng phát thải độc hại cao Từ đề xuất hướng cải tạo để giảm phát thải động diesel gây 152 Nghiên cứu thử nghiệm 2.1 Động thử nghiệm Động thử nghiệm động R180 Trung Quốc sản xuất thiết kế để kéo máy phát điện Máy phát điện có thơng số 220V-4kW Thơng số động trình bày Bảng Bảng Thơng số kỹ thuật động R180 [6] Thông số kỹ thuật Giá trị Mã động R180 Kiểu động Diesel, kỳ, xi lanh, Công suất định mức 5,15 (kW) 2600 (v/ph) Tiêu hao nhiên liệu 278 (g/kWh) Tỉ số nén 20±1 Dung tích cơng tác 0,402 (lít) SxD 80 x80 (mm) Kiểu làm mát Nước, đối lưu tự nhiên Thời điểm phun 22±2 Độ (BTDC) Áp suất phun 140 (bar) 2.2 Hệ thống cung cấp HHO Bình điện phân tạo khí bổ sung HHO sử dụng thử nghiệm có đặc điểm sau: Kích thước điện phân, dung dịch điện phân dòng điện phân lựa chọn theo nghiên cứu thực nghiệm tài liệu tham khảo số [7] Bộ điện phân có kích thước thể Hình Bộ điện phân có cực làm từ vật liệu inox 304 Khe khở cực 5mm làm kín gioăng cao su Dung dịch điện phân KOH với tỉ trọng 40% Dòng điện phân 3A [7] Dòng điện điện phân cấp cho bình điện phân HHO điều chỉnh cường độ nhờ điều chế xung (PWM) Hình trình bày sơ đồ hệ thống tạo khí HHO Dung dịch điện phân chứa bình tự chảy xuống SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 bình nhờ chênh lệch độ cao Khi cấp điện bình số tạo khí HHO Khí đưa vào bình bình số với vịi thấp mặt thống dung dịch KOH để đề phòng cháy ngược vào điện phân tiếp tục đưa vào cổ hút hịa trộn với khơng khí nhờ sức hút chênh lệch áp suất kỳ nạp Nguồn điện dùng để điện phân điện ắc-qui 12V Hình trình bày hình ảnh thực tế HHO lắp lên động nghiên cứu R180 máy phát điện 220V-4kW cơng ty Hữu Tồn Tải điện máy phát điện dây moay so nhiệt dùng công nghiệp Bộ điều tốc điện tử loại GAC ESD 5500E Mô tơ kéo ga mô tơ ADC120 Cảm biến tốc độ động cảm biến kiểu điện từ Động trang bị điều tốc điện tử để đảm bảo tốc độ động ổn định khoảng 1.500 (v/ph) Máy phát điện có tự động điều chỉnh điện áp AVR 2.4 Chế độ thử nghiệm Thực nghiệm động làm việc tốc độ 1.500 (v/ph) với tải máy phát 5A, 10A, 15A để đo tiêu hao nhiên liệu phát thải Duy trì tải trọng bổ sung HHO vào đường nạp với dòng điện phân 3A Đo tiêu hao nhiên liệu động diesel phát thải Hình Sơ đồ hệ thống tạo khí HHO 1.Khóa điện; 2.Cầu chì; 3.Relay; 4.Bộ PWM; Bộ điện phân; 6.Dung dịch điện phân; 7.Bình chống cháy ngược; 8.Cổ hút động Hình Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 1.Bình điện phân; Đồng hồ đo dịng điện phân; 3.Dung dịch điện phân; Bình nhiên liệu diesel; 5.Thiết bị đo tiêu hao diesel; 6,7 Máy phân tích khí thải; Tải điện cho máy phát điện; Đồng hồ đo dòng phát điện; 10 Máy phát điện; 11.Đồng diesel R180; 12 Mô-tơ kéo ga; 13 Cảm biến tốc độ động cơ; 14 Bộ điều tốc điện tử Hình Hệ thống HHO động R180 1.Bình chứa dung dịch KOH; 2.Bình điện phân; 3.Bình chống cháy ngược; 4.Cụm cổ hút động 2.3 Trang thiết bị thử nghiệm Sơ đồ trang thiết bị thử nghiệm trình bày Hình Nghiên cứu thực nghiệm thực Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Đồng hồ đo dòng điện phân đo dòng tiêu thụ điện loại đồng hồ đo dịng khơng tiếp xúc hãng Kyoritsu Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu DFL Kistler Thiết bị phân tích khí thải Stargas 495 gồm mơ-đun, mơ đun đo độ khói mơ đun đo HC, CO, NOx hãng Tecnotest Tải trọng động SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng HHO bổ sung tới suất tiêu hao nhiên liệu Hình trình bảy ảnh hưởng HHO bổ sung tới suất tiêu hao nhiên liệu diesel động NB Có thể thấy bổ sung HHO trình cháy cải thiện, tốc độ động tăng lên vượt 1.500 (v/ph) Lúc điều tốc điện tử làm việc tác động kéo bơm cao áp giảm nhiên liệu để trì tốc độ định mức Vì lượng tiêu hao nhiên liệu thấp so với động nguyên (NB) Cụ thể thí nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình 9,1% Lượng nhiên liệu tiêu hao giảm yếu tố Một phần 153 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 lượng nhiên liệu diesel không sử dụng nhiên liệu HHO thay diesel, hai HHO cải thiện trình cháy làm tăng cơng suất động q trình cháy làm tăng nhiệt độ khí cháy làm tăng NOx Lượng phát thải tăng so với NB trung bình 2,5% 3.4 Ảnh hưởng HHO tới phát thải CO Suất tiêu hao nhiên liệu diesel (g/kWh) 500 Hình trình bày ảnh hưởng HHO bổ sung tới phát thải CO Có thể thấy bổ sung HHO hàm lượng CO giảm ba tải trọng thí nghiệm Sự giảm phần nhiên liệu diesel bị thay HHO hiệu cháy khí HHO cho nhiên liệu diesel mang lại Lượng giảm trung bình 28% 400 300 200 NB 100 NB+HHO 10 15 Tải máy phát (A) Hình Ảnh hưởng HHO tới suất tiêu hao nhiên liệu 3.2 Ảnh hưởng HHO tới phát thải khói Hình trình bày ảnh hưởng HHO bổ sung tới phát thải khói động diesel Có thể thấy phát thải khói có HHO giảm so sới động nguyên Tải lớn mức độ giảm khói nhiều Trung bình lượng khói giảm tới 31% 200 NB NB+HHO 100 NB NB+HHO 10 200 10 15 Tải máy phát (A) 20 Hình Ảnh hưởng HHO tới phát thải khói 3.3 Ảnh hưởng HHO tới phát thải NO x 150 100 NB NB+HHO 50 1000 Phát thải NOx (ppm) 15 3.5 Ảnh hưởng HHO tới phát thải HC 5 Tải máy10phát (A) 15 Hình Ảnh hưởng HHO tới phát thải HC 800 600 Kết luận 400 NB NB+HHO 200 10 Tải máy phát (A) 15 Hỉnh Ảnh hưởng HHO tới phát thải NOx Hình trình bày ảnh hưởng HHO bổ sung tới phát thải NOx Cụ thể bổ sung HHO phát thải NOx có xu hướng tăng, điều thấy HHO cải thiện 154 10 Tải máy phát (A) Hình Ảnh hưởng HHO tới phát thải CO Phát thải HC (ppm) Phát thải khói (%) 300 Hình trình bày ảnh hưởng HHO tới phát thải HC Có thể thấy bổ sung HHO, phát thải HC giảm, lượng giảm trung bình 13% Điều chứng tỏ HHO thúc đẩy trình cháy hồn tồn nhiên liệu 20 15 400 20 Phát thải CO (ppm) Kết nghiên cứu ảnh hưởng việc bổ sung khí HHO đường ống nạp tới hình thành phát thải động diesel chế độ 1.500 (v/ph), dung dịch điện phân KOH tỉ trọng 40%, dòng điện phân 3A khẳng định: Khí HHO với đặc tính cháy nhanh, khơng có gốc Các-bon bổ sung cho nhiên liệu diesel hỗ trợ trình cháy làm cho q trình cháy triệt để hơn, đồng thời khí HHO cung cấp nhiệt lượng định cho trình cháy SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 cơng suất động tăng lên, giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải Cụ thể tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình 9,1% Phát thải khói giảm trung bình 31%, phát thải CO giảm trung bình 28%, phát thải HC giảm trung bình 13% Riêng phát thải NOx tăng khơng nhiều trung bình 2,5% Bổ sung HHO cho động diesel đường ống nạp phương án khả thi để giảm tiêu hao nhiên liệu giảm phát thải độc hại động diesel gây đặc biệt khói khơng cần phải thay đổi kết cấu động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] White, C.M., R.R Steeper, and A.E Lutz, The hydrogen-fueled internal combustion engine: a technical review International Journal of Hydrogen Energy, Vol.31(10): pp.1292-1305, 2006 [2] Yilmaz, A.C., E Uludamar, and K Aydin, Effect of hydroxy (HHO) gas addition on performance and exhaust emissions in compression ignition engines International Journal of Hydrogen Energy, Vol.35(20): pp.11366-11372, 2010 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) [3] Reddy, A., et al., Improving The Efficiency Of I.C Engine Using Secondary Fuel International Journal of Technology Enhancements and Emerging Engineering Research, Vol.2: pp.52-64, 2014 [4] Hán, N.T., Nghiên cứu ứng dụng công nghệ HHO cho động diesel ô tơ Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Công nghiệp Hà Nội, Số 42, 2017 [5] Tuấn, Đ.T., Nghiên cứu ảnh hưởng việc bổ sung khí hho vào đường nạp đến tiêu kỹ thuật, môi trường động Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường Đại học Thủy lợi, Số 10, 2019 [6] R180 Diesel engine operation manual, 2018 [7] HHO Plus, A.E., Ltd HHO Hydrogen on Demand Dual Fuel Generator Systems 2019; Available from: https://www.hho-plus.com/hho-en Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 28/6/2021 09/8/2021 19/8/2021 155 ... Tải máy phát (A) Hình Ảnh hưởng HHO tới suất tiêu hao nhiên liệu 3.2 Ảnh hưởng HHO tới phát thải khói Hình trình bày ảnh hưởng HHO bổ sung tới phát thải khói động diesel Có thể thấy phát thải khói... 154 10 Tải máy phát (A) Hình Ảnh hưởng HHO tới phát thải CO Phát thải HC (ppm) Phát thải khói (%) 300 Hình trình bày ảnh hưởng HHO tới phát thải HC Có thể thấy bổ sung HHO, phát thải HC giảm,... NB +HHO 200 10 Tải máy phát (A) 15 Hỉnh Ảnh hưởng HHO tới phát thải NOx Hình trình bày ảnh hưởng HHO bổ sung tới phát thải NOx Cụ thể bổ sung HHO phát thải NOx có xu hướng tăng, điều thấy HHO