Đồ án: Nghiên cứu giảm phát thải động cơ bằng điện phân nước tạo HHO

Tìm hiểu đồ án ứng dụng công nghệ điện phân nước tạo HHO. Giải pháp hiệu quả giúp giảm phát thải động cơ, tiết kiệm xăng và tăng hiệu suất làm việc.

• Tác giả: Lê Minh Nhật Quang
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Quang Vũ
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu giảm phát thải cho động cơ bằng phương pháp cung cấp phụ nhiên liệu từ điện phân nước
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Công nghệ điện phân nước tạo HHO là gì

Điện phân nước tạo HHO là một công nghệ tiên tiến cho phép tách nước thành khí hydrogen và oxygen thông qua quá trình điện hóa. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong ngành ô tô để tạo ra phụ nhiên liệu HHO nhằm giảm phát thải khí thải độc hại. Quá trình điện phân hoạt động bằng cách truyền dòng điện qua nước có chứa dung dịch kiềm, làm tách các liên kết H-O thành H₂O khí. Khí HHO được tạo ra có tính chất cháy xuất sắc, giúp cải thiện hiệu suất đốt cháy trong động cơ xăng. Theo nghiên cứu từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, công nghệ này giảm tiêu hao nhiên liệu lên đến 34% trong khi đồng thời giảm các chất ô nhiễm. Ứng dụng phụ nhiên liệu HHO không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn bảo vệ môi trường một cách bền vững.

1.1. Nguyên lý hoạt động của điện phân nước

Quá trình điện phân nước dựa trên nguyên lý phản ứng điện hóa. Dòng điện trực tiếp được cấp vào hai cực dương (anode) và cực âm (cathode) nhúng trong nước kiềm. Tại cực âm, nước bị phân hủy thành hydrogen và ion hydroxide. Tại cực dương, oxygen được tách ra. Phản ứng này yêu cầu năng lượng điện nhưng sinh ra khí HHO có khả năng cháy cực tốt, giúp tăng hiệu suất động cơ lên 10%.

1.2. Các công nghệ điện phân hiện đại

Hiện nay có ba công nghệ điện phân chính: điện phân dung dịch kiềm, công nghệ màng lọc PEM (Proton Exchange Membrane), và điện phân oxit rắn SOFC. Công nghệ PEM được ưa chuộng nhất do hiệu suất cao, sạch sẽ và an toàn. Công nghệ này sử dụng màng Nafion để tách hydrogen và oxygen, tạo ra khí HHO tinh khiết phục vụ giảm phát thải động cơ hiệu quả.

II. Lợi ích giảm phát thải khi sử dụng HHO

Sử dụng phụ nhiên liệu HHO trong động cơ xăng mang lại những lợi ích đáng kể về giảm phát thải. Theo dữ liệu nghiên cứu, việc cung cấp HHO vào đường ống nạp của động cơ giúp giảm CO lên 18%, HC giảm 14%, và NOx giảm 15%. Những chất khí này là nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí và tác động xấu đến sức khỏe con người. Khí HHO có khả năng cháy nhanh và hoàn toàn, giúp cháy hết nhiên liệu xăng trong buồng cháy, từ đó giảm lượng khí thải độc hại. Công nghệ điện phân nước tạo HHO còn giúp bộ phận xử lý khí thải hoạt động hiệu quả hơn, tuân thủ các tiêu chuẩn khí thải khắt khe. Đây là giải pháp thân thiện môi trường, đặc biệt quan trọng trong bối cảnh ô nhiễm không khí ngày càng tăng.

2.1. Giảm khí CO HC và NOx

Giảm phát thải CO lên 18% và HC giảm 14% là những kết quả nổi bật khi áp dụng công nghệ HHO. Nguyên nhân là HHO cơ chế cháy hoàn toàn, không để lại phần dư dễ cháy. Các chất ô nhiễm NOx, CO, HC là những gây ngộ độc, hạn chế khả năng thính giác và gây bệnh hô hấp. Sử dụng phụ nhiên liệu HHO giúp giảm các chất này tối đa.

2.2. Cải thiện chất lượng không khí và sức khỏe

Giảm phát thải động cơ trực tiếp giúp cải thiện chất lượng không khí khu vực đô thị. Việc sử dụng điện phân nước tạo HHO trên các phương tiện giao thông sẽ làm giảm đáng kể nồng độ các chất gây ô nhiễm không khí. Điều này bảo vệ sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là người trẻ và trẻ em dễ bị ảnh hưởng bởi không khí bẩn.

III. Tiết kiệm xăng nhờ công nghệ HHO

Một trong những lợi ích kinh tế nổi bật của phụ nhiên liệu HHO là tiết kiệm xăng lên đến 34%. Khi HHO được cung cấp vào động cơ, nó giúp quá trình cháy xảy ra hoàn toàn và hiệu quả hơn. Khí HHO có tính chất cháy cao, tạo ra nhiệt lượng lớn hơn xăng, do đó lượng xăng cần thiết để tạo ra công suất tương tự sẽ giảm đáng kể. Bộ điều khiển điện phân sẽ tính toán lượng HHO cần cung cấp dựa trên các tín hiệu từ cảm biến động cơ, đảm bảo tỉ lệ hỗn hợp tối ưu. Hiệu suất nhiệt của động cơ xăng tăng 10% nhờ sự cộng hưởng giữa HHO và xăng. Sự tiết kiệm này không chỉ giúp chủ phương tiện giảm chi phí xăng dầu mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm phát thải CO₂ từ hoạt động giao thông.

3.1. Cơ chế tiết kiệm nhiên liệu

Khi phụ nhiên liệu HHO được thêm vào hỗn hợp không khí-xăng, nó tăng tốc độ cháy và làm cho quá trình đốt cháy hoàn toàn. Điều này có nghĩa xăng được sử dụng hiệu quả hơn, không có phần dư chưa cháy. Bộ điều khiển động cơ sẽ tự động điều chỉnh lượng xăng cung cấp dựa trên sự hiện diện của HHO, giảm tiêu hao và tăng hiệu suất.

3.2. Tính toán và ứng dụng thực tế

Để xác định lượng HHO cần thiết cho động cơ, kỹ sư sử dụng công thức tính toán dựa trên dung tích xi-lanh, số vòng quay và chế độ làm việc. Ví dụ xe máy 100cc có thể cần 0.5-1 lít HHO mỗi phút. Điện phân nước tạo HHO trong bình phụ được cấp điện từ máy phát của xe, hoạt động song song với hệ thống điện gốc.

IV. Hệ thống điện phân HHO Thiết kế và ứng dụng

Hệ thống điên phân HHO bao gồm bình điện phân, bộ điều khiển điện tử, các cảm biến và các ống dẫn khí. Bình điện phân là nơi quá trình điện phân nước tạo HHO diễn ra, chứa các cực điện cách biệt để tạo thế điện. Bộ điều khiển điện tử nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga (TPS) và cảm biến tốc độ động cơ (RPM) để tính toán lượng HHO cần cung cấp tối ưu cho mỗi chế độ làm việc. Khí HHO sau khi được tạo ra sẽ đi qua bình trữ và được cấp vào đường ống nạp trước bướm ga, hòa hợp với hỗn hợp không khí-xăng. Hệ thống này được thiết kế để đảm bảo giảm phát thải tối đa mà vẫn duy trì công suất động cơ đầy đủ. Mô hình thí nghiệm trên xe gắn máy đã kiểm chứng hiệu quả của công nghệ này.

4.1. Các thành phần chính của hệ thống

Bình điện phân chứa cấu trúc điện cực được thiết kế để tối ưu hóa sản lượng HHO. Bộ điều khiển là trái tim hệ thống, sử dụng vi xử lý để xử lý tín hiệu từ động cơ. Cảm biến bao gồm TPS (vị trí bướm ga), RPM (tốc độ động cơ), và cảm biến O₂. Ống dẫn khí được làm từ vật liệu chịu áp cao, dẫn HHO từ bình vào động cơ mà không rò rỉ.

4.2. Điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất

Bộ điều khiển điện phân HHO sử dụng thuật toán thích ứng để điều chỉnh lượng HHO theo thời gian thực. Khi tài xế tăng ga, lượng HHO tăng theo; khi giảm ga, lượng HHO giảm. Điều này đảm bảo động cơ hoạt động ổn định với mọi điều kiện, từ chạy nhẹ đến chạy tải. Hệ thống giảm phát thải hiệu quả nhất ở chế độ tải trung bình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ô nhiễm không khí là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất ở các đô thị, đặc biệt là tại các nước đang phát triển. Theo những nghiên cứu gần đây, việc phơi nhiễm bụi có nồng độ trung bình năm vượt quá 50 µg/m3 tại 126 thành phố trên thế giới có thể là nguyên nhân của khoảng 130 nghìn ca tử vong sớm. Chất lượng không khí nói chung và không khí đô thị nói riêng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Các nguồn khí thải trong công nghiệp, đặc biệt là từ động cơ đốt trong ô tô có thể làm suy giảm chất lượng không khí.

Khí thải sinh ra là nhiên liệu không cháy hết, khí CO và khí NOx, HC…. Các khí này có ảnh hưởng rất xấu tới môi trường, đặc biệt là những nơi có lượng xe lưu thông lớn, khí CO có thể gây ra các triệu chứng thiếu ô xi, ảnh hướng tới sinh hoạt, năng suất lao động cũng như sức khỏe của con người. Theo trang aqicn.org, Việt Nam lọt top 10 các nước đứng đầu về ô nhiễm không khí. Ngoài ra, từ lúc 15h ngày 22 tháng 2 năm 2020, Tổ chức Air Visual đã công bố Hà Nội là thành phố có mức ô nhiễm nhất thế giới.

Ngoài ra, quá trình khai thác sử dụng nguồn nguyên liệu luôn gắn liền với quá trình phát triển của xã hội. Việc khai thác nguồn tài nguyên cũng là nguyên nhân gây ra biết bao biến động chính trị. Từ cuối thế kỷ 19 đến nay, dầu mỏ ít nhiều là tác nhân gây nên những cuộc tranh giành quyền lực, dẫn đến những cuộc đại khủng hoảng kinh tế thế giới và cuối cùng là hai cuộc chiến tranh thế giới trong thế kỷ 20. Vào đầu những năm 1970, do dầu đột ngột tăng giá, kinh tế thế giới, nhất là ở những nước công nghiệp tiên tiến, đã rơi vào một cuộc khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng.

Từ đó tới nay những biến động về giá dầu đã trở thành mối quan tâm hàng ngày, hàng giờ. Nền kinh tế toàn cầu đang ngày càng phụ thuộc vào năng lượng như hiện nay thì dầu mỏ giữ vai trò quan trọng hàng đầu. Giá dầu tác động tới sự phát triển nền kinh tế toàn cầu và hầu như mọi ngành công nghiệp đều phụ thuộc rất lớn vào nguồn tài nguyên quý giá này. Thực tế đang chứng minh rằng thế giới sẽ dần dần được vận hành bởi động lực là dầu mỏ cho đến khi nhân loại tìm ra được một loại nhiên liệu khác đủ sức thay thế hoàn toàn.

Nằm trong sự ảnh hưởng chung, Việt Nam cũng không tránh khỏi những biến động và chịu ảnh hưởng sâu sắc từ những biến động trong ngành dầu mỏ do Việt Nam hiện nay là nước nhập khẩu 100% các sản phẩm tinh chế từ dầu thô, lệ thuộc nhiều vào ác nhà cung cấp nước ngoài. 1 Giá xăng và nhiên liệu tăng cao ảnh hưởng nghiêm trọng tới nền kinh tế quốc gia và đời sống của người dân. Hiện tượng nóng lên toàn cầu được coi là một trong những vấn đề lớn mà cộng đồng khoa học phải đối mặt. Nhiều giả thuyết đề cập đến sự gia tăng nồng độ khí thải trong khí quyển là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu.

Các nhà máy công nghiệp và ô tô là nguồn chính của khí thải. Vì chúng sử dụng năng lượng liên quan đến quá trình đốt cháy dầu làm nguồn năng lượng. Khí thải chỉ đơn giản là khí thải hoặc nhiên liệu thừa của quá trình đốt cháy thoát ra từ động cơ. Thử nghiệm khí thải thường được thực hiện với một đầu dò được đặt vào dòng khí thải.

Mỗi phương tiện di chuyển trên đường đều có những yêu cầu sạch nhất định mà nó cần phải đáp ứng. Máy lấy mẫu khí thải, được gọi là máy phân tích khí, đo năm loại khí. Các khí này là HC, NOX, O2, CO và CO2. HC, đề cập đến hydrocacbon, đơn giản là một thuật ngữ khác để chỉ nhiên liệu không được đốt cháy mà nó đi qua động cơ và thoát ra ngoài khí thải.

Cường độ khói tỷ lệ với lượng HC trong khí thải. HC cũng được coi là nguy hiểm khi hít phải. NOX dùng để chỉ các oxit của Nitơ. Phát thải NOX cao thường được nhận thấy với không khí nén và được đốt nóng cao có chứa nitơ.

NOX là một loại khí thải có mùi khác đối với hơi thở ở mức cao. Người ta cũng đo O2 là oxy chưa cháy hết trong khí thải. Mặc dù O2 rõ ràng là không xấu, nhưng nó được thử nghiệm để hiểu rõ hơn về các đặc tính đốt cháy. Biết được phần trăm ôxy trong khí thải, người ta có thể ước tính tỷ lệ không khí / nhiên liệu của động cơ khi nó chạy.

CO và CO2 lần lượt là cacbon monoxit và cacbon đioxit. Khí CO không mùi gây đau đầu và cuối cùng là tử vong do giữ lại O2 từ cơ thể người nếu nó tồn tại với số lượng lớn. CO2 có trong không khí với một lượng lớn góp phần vào hiệu ứng nhà kính và do đó là sự nóng lên toàn cầu. HC thường là vấn đề tồi tệ nhất đối với động cơ xe.

Nhiều thứ có thể tạo ra HC cao như thời gian cháy chậm, bộ chuyển đổi xúc tác kém. NOX thường kém hơn trên các động cơ có độ nén cao hơn. Tất cả các động cơ đều tạo ra NOX nhưng việc sử dụng van lưu hồi khí thải (EGR) sẽ làm mát và làm chậm tốc độ đốt cháy của động cơ. Điều này làm giảm đáng kể giá trị NOX.

CO liên quan đến hiệu suất của quá trình đốt cháy trong động cơ và cũng bị ảnh hưởng nhiều bởi tỷ lệ nhiên liệu trên không khí của động cơ. CO2 cũng là một chỉ số khí thải của động cơ. Nhưng HC và NOX cho đến nay là những vấn đề lớn nhất. Bộ chuyển đổi xúc tác làm sạch phần lớn lượng khí thải và cần được thay thế khi chúng bị hỏng bên 2 trong gây mất nguồn và không còn hiệu quả.

Một sự thay đổi trong mối quan tâm của các nhà khoa học, được quan sát gần đây, đối với động cơ tiêu thụ nhiên liệu và phát thải thấp hơn đã diễn ra. Như vậy việc giảm lượng khí thải động cơ là một nhu cầu thực tế hết sức có ý nghĩa. Bên cạnh đó, việc tăng hiệu suất động cơ và tiết kiệm nhiên liệu cũng có ý nghĩa kinh tế vô cùng to lớn. Có nhiều giai pháp để xử lý khí thải cũng như tiết kiệm nhiên liệu như thiết kế lại buồng đốt, thiết kế hệ thống phun nhiên liệu, lắp thêm các bộ lọc, thêm xúc tác vào nhiên liệu,….

Tuy nhiên đó là những giải pháp hết sức phức tạp, gần như đòi hỏi thay thế toàn bộ hệ thống, không phù hợp với người dân nghèo. Hiện nay phương pháp phù hợp và được ưa chuộng nhất trên thế giới là sử dụng khí điện phân hydrogen (HHO) để thêm vào hỗn hợp nhiên liệu. Khi kết hợp với HHO trong buồng đốt, nhiên liệu được đốt cháy gần như hoàn toàn do đó giảm được phần lớn nhiên liệu không cháy hết và CO, NOx. Với đặc tính cháy của H2 khi thêm vào hỗn hợp nhiên liệu sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ (20-30%) và tiết kiệm phần lớn nhiên liệu (tùy theo thiết kế, thường là 30%).

Một số nghiên cứu của các nhà khoa học Ấn Độ và Nga cho thấy sử dụng HHO cho động cơ sẽ giảm đến 90% khí thải CO, từ 10-90% nhiên liệu không cháy hết, tăng từ 3-10% công suất động cơ cùng nhiều ưu điểm vượt trội khác. Xuất phát từ những vấn đề thực tế nên trên, bài báo cáo này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về quá trình cháy của động cơ, quá trình điện phân nước để sản xuất khí HHO cũng như khả năng ứng dụng phụ nhiên liệu vào động cơ xăng. Từ đó làm cơ sở để tính toán và ứng dụng thực nghiệm trên mô hình động cơ xe gắn máy để giảm hàm lượng khí thải HC và CO. Tình hình nghiên cứu 1.

Điện phân dumg dịch kiềm Điện phân nước kiềm được biết đến là quá trình chính của phản ứng tách nước. Các ứng dụng quân sự liên quan đến việc sử dụng đồng vị hydro đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ. Các nhà máy điện phân nước nặng và sản xuất đơteri đầu tiên được xây dựng ở Na Uy. Ngày nay, một số công ty đang sản xuất máy điện phân kiềm để sản xuất hydro cấp điện phân: NEL hydrogen (một bộ phận trước đây của Norsk Hydro Co., Na Uy); Hydrogenics Corporation (đã mua lại Stuart Energy Systems Corp.

vào năm 2005); 3 Teledyne (Teledyne Energy Systems, Inc. là công ty con của Teledyne Technologies Inc, Maryland, Hoa Kỳ); công ty Nga “Uralkhimmash”; De Nora (Ý), với sản phẩm chính là pin điện phân để sản xuất clo. Năng lực sản xuất của các hệ thống công nghiệp thường là 5 - 500 Nm3 H2 / h. Hiện nay ngành công nghiệp đã phát triển các bộ điện phân có thể cung cấp lên tới khoảng 670 Nm3/h.

Máy điện phân của Công ty Cổ phần “Uralkhimmash” SEU-40 (a) và FV-500 (b). Điện phân công nghệ màng lọc PEM Hiện nay, các nhà sản xuất máy điện giải PEM nước công nghiệp lớn là Hamilton Sundstrand (Mỹ), Proton OnSite (Mỹ) và Yara (Na Uy). Các công ty này đã tạo ra các máy điện phân hoạt động dưới áp suất lên đến 2,8 MPa với công suất lên đến 26 m3 / h và có thể kết hợp lắp đặt điện phân với công suất 260 m3/h (Hình 1. Máy điện phân PEM HOGEN S Hình 1.

Máy điện phân PEM của Yara Series by Proton OnSite. Năng suất tiêu thụ điện năng 5,6-9,0 kWh/m3; điện phân 10Nm3H2/h; tiêu thụ điện năng 4,4 2,3-3,8 V; áp suất đầu ra 1,4 MPa; kích kWh/m3; áp suất đầu ra 3.0MPa; độ tinh thước 97x78x106 cm3; trọng lượng 215 kg. khiết hydro 99,9% (O2 là tạp chất chính) 4 Công ty H-tec của Đức sản xuất các mẫu thử nghiệm nhỏ của máy điện giải PEM nước cho mục đích giáo dục. Các nghiên cứu và phát triển của máy điện phân PEM được thực hiện ở nhiều quốc gia, ví dụ, ở Pháp, Nhật Bản và Ấn Độ.

Khả năng tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực này đã được chứng minh thông qua chương trình WE-NET của Nhật Bản, nơi một tế bào được phát triển và thử nghiệm thành công với diện tích bề mặt 2500 cm2, điện áp hoạt động 1.556 V ở 800C, mật độ dòng điện 1 A / cm2 và hiệu suất chuyển hóa năng lượng là 95,1%. Hiệu suất này được giải thích bằng sự gần nhau của điện áp điện phân với điện áp nhiệt điện (khoảng 1,48 V).