Thông lượng điện Q theo thời gian t với dòng điện Itb là:
Q = Itb * t (3.1) Khối lượng HHO thu được theo định luật Faraday với hiệu suất ηf trong một khoảng thời gian t với dòng điện Itblà:
mHHO = ηf.M.Q
𝐹.𝑧 (3.2) Trong đó: mHHO là khối lượng HHO sinh ra
ηf là hiệu suất điện phân (ηf = 50 ÷ 60%)
Lưu lượng HHO được kiểm soát bởi thiết bị cảm biến áp suất. Vì bản thân nước nguyên chất không thể điện ly nên phản ứng xảy ra cần phải pha thêm chất xúc tác. Ba hóa chất có thể sử dụng là: NaOH, KOH, NaHCO3.
Lưu lượng nhiên liệu cấp vào động cơ là tổng hợp từ xăng và HHO. Do đó lưu lượng nhiên liệu được viết:
mf = mg + mHHO (3.3) Trong đó: mg và mHHO được thiết lập ở (2.7) và (2.8)
34 𝑚̇𝑓 = [(𝑛 60.𝐷 2. 𝜂𝑣) − 𝑚̇𝐸𝐺𝑅] 𝑑0. 𝑝 𝑝0.𝑇0 𝑇 . (𝐴𝐹𝑅)𝑑𝑚 Đối với động cơ không trang bị hệ thống luân hồi khí thải:
𝑚̇𝑓 = [(𝑛
60.𝐷
2. 𝜂𝑣)] 𝑑0. 𝑝
𝑝0.𝑇0
𝑇 . (𝐴𝐹𝑅)𝑑𝑚
Xét trường hợp khi xe được vận hành trên đường, công suất động cơ được xác định bởi tín hiệu tay ga của lái xe. Với động cơ trang bị hệ thống phụ nhiên liệu HHO, công suất của động cơ là công suất tổng hợp từ việc đốt cháy hai thành phần nhiên liệu là HHO và xăng:
P = Pcg + PcHHO (3.4) Trong đó: P là công suất động cơ, Pcg là công suất riêng phần của xăng,
PcHHO là công suất riêng phần của HHO. Ta có công suất riêng phần của xăng và HHO như sau:
Wcg = 𝜂g.mg.QLHVg (3.5) WcHHO = 𝜂HHO.mHHO. 𝑄𝐿𝐻𝑉𝐻𝐻𝑂 (3.6) Trong đó: Wcg là công riêng phần của xăng, ηg là hiệu suất biến đổi nhiên liệu của xăng, mg là khối lượng nhiên liệu xăng, QLHV là nhiệt trị thấp của xăng, WcHHO là công riêng phần của HHO, mHHO là khối lượng của HHO, ηHHO là hiệu suất biến đổi nhiên liệu của HHO, QLHV là nhiệt trị thấp của HHO.
Công riêng của xăng:
Wcg/m = 𝜂g.QLHV (3.7) Công riêng của HHO:
WcHHO/m = 𝜂HHO.𝑄𝐿𝐻𝑉𝐻𝐻𝑂 (3.8) Đặt k là tỉ số giữa công riêng của HHO với công riêng của xăng, ta có:
k = ηHHO.QLHVHHO
35 Vì quá trình cháy diễn ra đồng thời cùng các điều kiện cháy nên có thể xem hiệu suất của quá trình cháy xăng và HHO là như nhau ηg = ηHHO = ηf và gọi là hiệu suất cháy. Do đó, k cũng có thể gọi là tỉ số giữa nhiệt trị thấp của HHO và xăng.
Ta có: k = 𝑄𝐿𝐻𝑉𝐻𝐻𝑂
𝑄𝐿𝐻𝑉𝑔 (3.10) Dựa vào Bảng 2.1 ta có:
k = 120,9
44,79 ≈ 2,7 (3.11) Biểu thức trên được hiểu là công sinh ra trên một đơn vị khối lượng HHO bằng k
lần công sinh ra trên một đơn vị khối lượng của xăng. Công tổng hợp của hai thành phần là:
P = ηg.mg.𝑄𝐿𝐻𝑉𝑔 + ηHHO.mHHO.𝑄𝐿𝐻𝑉𝐻𝐻𝑂 (3.12) Tham khảo (3.10), ta có:
P = ηg.𝑄𝐿𝐻𝑉𝑔 .(mg + k.mHHO) (3.13) Phương trình trên công suất động cơ được tính toán trên nhiệt trị thấp của xăng, lưu lượng khối lượng xăng và lưu lượng khối lượng HHO với hệ số qui đổi k.
Trong đó về mặt điều khiển động cơ, công suất động cơ P được xem là công suất yêu cầu Pdm của chân ga do lái xe điều khiển (P = Pdm). Hệ thống nhiên liệu cần đáp ứng yêu cầu công suất của lái xe. Để đáp ứng yêu cầu công suất, hệ thống cần xác định các biến số mg và mHHO. Kết hợp (2.7) và (3.2) vào (3.13) ta có được: Pdm = ηg.𝑄𝐿𝐻𝑉𝑔.[ 𝑚𝑎 (𝐴𝐹𝑅)𝑑𝑚+ 𝑘 ηf.M.Itb.t 𝐹.𝑧 ] (3.14) Tham khảo (2.4) và (2.5), ta có: Pdm = {[( 𝑛 60.𝐷2.𝜂𝑣)−𝑚̇𝐸𝐺𝑅]𝑑0.𝑝 𝑝0. 𝑇0 𝑇 (𝐴𝐹𝑅)𝑑𝑚 + 𝑘 ηf.M.Itb.t 𝐹.𝑧 } (3.15) Khối lượng HHO theo công thức hóa học: mHHO = nHHO.MHHO
36 Mà theo định luật Faraday: mHHO = nHHO.MHHO = ηf.Itb.t
𝐹.𝑧 .MHHO Nên: mHHO= (Pdm - 𝑛 60.𝐷2.𝜂𝑣.𝑑0.𝑝 𝑝0. 𝑇0 𝑇 𝐴𝐹𝑅𝑑𝑚 ) / k (3.16) Do đó: mHHO max= (Pdmmax -
𝑛𝑚𝑎𝑥 60 .𝐷2.𝜂𝑣.𝑑0.𝑝 𝑝0. 𝑇0 𝑇 𝐴𝐹𝑅𝑑𝑚 ) / k (3.17) 3.3. Hệ thống điều chế HHO
Như đã đề cập ở Chương 2 về các công nghệ điện phân nước như điện phân công nghệ màng lọc proton PEM, điện phân nước nhiệt độ cao… Tuy nhiên so về tính kinh tế và tính khả thi thì ta chọn phương án điều chế HHO bằng thiết bị điện phân trong dung dịch kiềm. Thiết bị này gồm nhiều tấm thép không gỉ (loại 304 hoặc 302 cho cực âm và 316L cho cực dương) được lắp ghép xen kẽ nhau. Thiết bị này không có màng ngăn và thu trực tiếp HHO nên rất nguy hiểm, do đó chúng được ngăn cách nhau bởi các tấm mica độ dày 4mm đảm bảo khoảng cách an toàn tránh bị chập vào nhau phát sinh tia lửa điện. Các tấm kim loại này được nối với các điện cực được lấy nguồn điện từ ắc quy bên ngoài thông qua bộ xử lí tín hiệu được điều khiển bằng Arduino. Ngoài ra, thiết bị sử dụng chất điện ly Soda Baking (NaHCO3) thay thế cho các dung dịch điện phân kiềm thường có tính ăn mòn cao. Dung dịch điện ly thường được sử dụng với nồng độ dung dịch điện phân lên đến 40% trọng lượng nước để cung cấp độ dẫn điện tối đa và nhiệt độ lên đến 900C. Sau đây sẽ là những cấu tạo và nguyên lý cụ thể của các bộ phận trong hệ thống điều chế HHO.
3.3.1. Cấu tạo hệ thống
Cấu tạo bộ điện phân bao gồm các tấm inox 9x10cm, các ty ren để liên kết các tấm inox và dẫn điện, các miếng nhựa cách điện giữa 2 tấm cực. Tất cả tạo thành một khối và được để trong vỏ nhựa ngâm dung dịch điện phân như mô tả trong Hình 3.2.
Các tấm thép được ngâm trong bình chứa chất điện phân nhận điện áp. Ở tấm nhận điện tích dương, xuất hiện các lỗ trống ở bề mặt và ái lực với các electron trong phân tử nước, đồng thời ở các tấm nhận điện tích âm các electron tự do ở bề mặt tấm và có xu hướng được hút bởi các ion H+, do đó ở cực dương có khả năng phân tách phân tử nước
37 để nhận electron và xảy ra phản ứng oxy hóa, cực âm giải phóng các electron tự do kết hợp với H+ để tạo thành phản ứng khử:
Cực âm cathode:
2H2O + 2e- → H2 + 2OH− Cực dương anode:
2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
Hình 3.2. Cấu tạo bộ điện phân.
Bộ điện phân HHO bao gồm bình chứa để nạp chất điện phân, các tấm inox mang điện cực có nhiệm vụ trao đổi điện tích và tạo khí. Bộ điện phân được áp một dòng điện cực để phân tách phân tử nước. Khí O2 được tạo ra ở cực dương cathode và H2 ở cực âm anode. Sự chuyển động tự do của các ion dẫn đến các hợp chất ion dẫn điện. Các ion có thể di chuyển trong dung dịch nước (sau khi tan trong nước) hoặc ở trạng thái lỏng (sau khi tan chảy). Chất bị hoà tan gọi là chất điện li. Nguồn acquy 12VDC và 60 Ah đã cung cấp dòng điện qua cực dương và cực âm. PWM (Bộ điều biến độ rộng xung) được sử dụng làm bộ đồng bộ hóa dòng điện. Bộ điện phân được bơm đầy nước, khi đặt điện áp xen kẻ vào các tấm điện cực, phân tách nước thành hỗn hợp khí HHO và nước cấp vào hệ thống tuần hoàn qua hệ thống qua van đầu vào và van đầu ra được nối với bình nước phụ. Khí HHO sinh ra được kiểm soát áp suất bởi cảm biến áp suất trong bình. Khí HHO thoát
38 ra cùng với hơi nước đi vào bình nước phụ, hoạt động như một kho chứa khí và lọc hơi ẩm. Bộ điện phân HHO được trang bị dòng điện và điện áp đi qua bộ tạo xung được điều khiển dựa trên tín hiệu của tốc độ động cơ và tín hiệu áp suất HHO để đạt được hiệu quả tối ưu. Máy phát HHO được trang bị một đồng hồ đo để đo tốc độ thể tích của đơn vị khí HHO theo thời gian.
3.3.2. Tính toán lượng HHO
Ta thay các thông số của động cơ Honda Future 125 theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất vào công thức (3.17) ta được khối lượng tối đa HHO cần sản xuất với giá trị tham khảo như sau:
mHHOmax = (7,11 – 7500 𝑣/𝑝 60 .124,9 𝑐𝑚32 .𝜂𝑣.𝑑0.𝑝 𝑝0. 𝑇0 𝑇 𝐴𝐹𝑅𝑑𝑚 )/𝑘 (3.18) Trên mỗi động cơ thực tế sẽ có những thông số khác nhau, do đó khối lượng HHO tính được chỉ mang tính tham khảo. `
Xem chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn, thể tích khí HHO cần tạo ra tối đa là: VmaxHHO = 𝑚𝐻𝐻𝑂𝑚𝑎𝑥
𝑀𝐻𝐻𝑂 . 22,4 (3.19)
Trong đó MHHO là khối lượng mol của khí HHO: MHHO = 18 g/mol.
Để đảm bảo lượng HHO cần thiết cho động cơ ở mọi tốc độ thì lượng HHO sinh ra tối thiểu phải đáp ứng được đủ công suất cho xe có thể hoạt động ở chế độ cầm chừng. Từ công thức (3.15) ta có thể suy ra:
Pcầm chừng = kη𝑓.𝑀.𝐼𝑡𝑏.𝑡
𝐹.𝑧 = k.mHHO min (3.20) Vì thực tế rất khó để xác định công suất ở tốc độc cầm chừng. Ta dựa vào đồ thị đặc tính ngoài của động cơ đốt trong, khoảng momen ở tốc độ cầm chừng và công suất ở tốc độ cầm chừng được xác định như sau:
Pemax = 𝜔𝑒𝑝. 𝑀𝑒𝑝 =𝑛𝑒𝑝.𝜋.𝑀𝑒𝑝
30 = 7500.𝜋.𝑀𝑒𝑝
39 Do đó moment ở tốc độ cầm chừng gần bằng moment tại công suất tối đa. Từ đó suy ra công suất ở tốc độ cầm chừng cần tìm rơi vào khoảng 1KW.
Khối lượng HHO cần điện phân đủ để đáp ứng công suất ở tốc độ cầm chừng là: mHHO = k.Pcầm chừng = 2,7 g (3.22)
Hình 3.3. Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ đốt trong. 3.3.3. Mô hình thí nghiệm
Để sản xuất lượng HHO tối đa như trên ta cần phải tính toán các thông số cụ thể của bình điện phân như số lượng tấm inox, kích thước tấm, cường độ dòng điện, điện áp, hiệu suất điện phân, khối lượng chất điện li và một số thông số liên quan.Tuy nhiên, không có một số liệu cụ thể nào để đưa ra được các thông số trên chính xác nhất. Do đó, các thông số trên được xác định hoàn toàn dựa vào thực nghiệm.
Mô hình thí nghiệm được tạo ra để tính toán xác định các thông số trên gần giống với mô hình chính thức. Với những thông số được cố định: kích thước tấm inox, cường độ dòng điện, điện áp, khối lượng chất điện li… nhằm xác định số lượng tấm inox hợp lí nhất. Hình 3.4 mô tả quá trình làm thực nghiệm bằng cách điện phân 2 tấm inox với 400ml dung dịch điện phân, đặt điện áp 12V cường độ dòng điện 10A để tính toán và thiết kế bộ điện phân hợp lý bằng cách đo lượng nước mất đi trong 1giờ điện phân theo định luật bảo toàn khối lượng.
40
Hình 3.4. Thực nghiệm điện phân 2 tấm inox để tính toán và thiết kế.
Từ thực nghiệm khi điện phân 2 tấm inox (1 khoang điện phân) thì lượng HHO sinh ra thu được là 0,35g/phút. Từ công thức (3.21) ta xác định được số khoang cần để đáp ứng cho động cơ là 9 khoang (3,15g/phút).
3.3.4. Thiết kế bộ điện phân
Dựa vào số lượng tấm inox đã được tính toán, bộ điện phân được sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế như sau:
41 Việc điều chế HHO là rất nguy hiểm nếu không có những biện pháp xử lí các nguy cơ có thể xảy ra. Tính chất khí HHO bắt lửa rất nhanh do đó tuyệt đối không có những sự rò rỉ khí ra ngoài môi trường và bên trong bộ điện phân không được phát sinh ra các tia lửa điện hay nhiệt độ quá cao tránh các trường hợp xấu có thể xảy ra trong quá trình vận hành. Từ bản thiết kế, nhóm tác giả đã gia công thành bộ điện phân gồm các chi tiết là 10 tấm inox 304 chống gỉ 90x100mm và dày 1mm, các ti ren 6mm dài 6,5cm để giữ cố định các tấm và dẫn điện, các tấm mica nhựa dày 4mm để cách điện và chống chập điện giữa các tấm inox.
42 Bình điện phân được trang bị thêm bình nước phụ với 2 nhiệm vụ chính đó là cung cấp nước để điện phân và lọc hơi nước sau khi điện phân vì khí HHO sau khi điện phân có mang theo hơi nước nên để đảm bảo chất lượng khí HHO đi vào buồng đốt động cơ thì cần thêm bình nước phụ.
Hình 3.7. Bình nước phụ của bộ điện phân.
3.4. Hệ thống điều khiển HHO
3.4.1. Giới thiệu phần cứng 3.4.1.1. Arduino Uno 3.4.1.1. Arduino Uno
Arduino Uno là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVR Atmega328. Cấu tạo chính của Arduino Uno bao gồm các phần sau:
43
Hình 3.8 Arduino Uno
Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
Jack nguồn: để chạy Arduino thỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được . Lúc đó ta cần một nguồn từ 9V đến 12V. Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF).
Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau. Ở con Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328.
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino Uno.
Các chân năng lượng:
- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
-5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
-3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
-Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
-IORF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử
44 dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
-RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Lưu ý: Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO. Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy. Nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể.
- Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra
cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.
- Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp
dưới 6V có thể làm hỏng board.
- Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi
điều khiển ATmega328.
-Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
- Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino
UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển.
- Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của
Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng.