Luận văn: Nghiên cứu mô phỏng đặc tính và phát thải động cơ lưỡng nhiên liệu xăng-HHO

Nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng kết hợp HHO nhằm đánh giá hiệu suất vận hành và khả năng giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường.

• Tác giả: Đào Văn Tỏi
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Thu Hương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Phỏng Đặc Tính Làm Việc Và Phát Thải Của Động Cơ Sử Dụng Lưỡng Nhiên Liệu Xăng - Khí HHO
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Nhiên Liệu HHO và Ứng Dụng trên Động Cơ Xăng

Nhiên liệu HHO (Hydrogen-Oxygen) là một loại nhiên liệu thay thế được tạo ra thông qua quá trình điện phân nước, giúp cải thiện hiệu suất động cơ và giảm mức phát thải. Nghiên cứu về hỗn hợp xăng-HHO trên động cơ xăng đã cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn trong lĩnh vực công nghệ ôtô hiện đại. Công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu suất công suất động cơ mà còn giảm đáng kể lượng khí thải độc hại như CO, HC và NOx. Các đặc tính của nhiên liệu HHO bao gồm tốc độ cháy cao, giới hạn nổ rộng và khả năng cải thiện quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trong buồng cháy.

1.1. Khái Quát về Nhiên Liệu HHO

Khí HHO được sinh ra từ quá trình điện phân nước, tạo ra hỗn hợp hydro và oxy với tỷ lệ 2:1. Nhiên liệu này có tính chất nổ cao và tốc độ cháy nhanh vượt trội so với xăng truyền thống. Ứng dụng khí HHO trên động cơ giúp tối ưu hóa quá trình cháy, cải thiện hiệu suất đốt cháy và giảm tiêu thụ nhiên liệu. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng bổ sung 2-10% khí HHO vào hệ thống nạp khí có thể đạt được những cải thiện đáng kể trong hiệu suất động cơ.

1.2. Tính Chất Vật Lý Hóa Học của HHO

Tính chất cháy của HHO được đặc trưng bởi giới hạn nổ rộng (từ 4% đến 74% trong không khí) và nhiệt độ tự bắt lửa thấp khoảng 500-600°C. Khí HHO có khối lượng riêng nhỏ và tốc độ lan truyền ngọn lửa cao, giúp cải thiện tỷ lệ cháy hoàn toàn và giảm khí thải không cháy. Đặc tính này làm cho HHO trở thành một lựa chọn hấp dẫn để tăng cường quá trình đốt cháy trong động cơ xăng hiện đại.

II. Mô Phỏng Hiệu Suất Động Cơ Sử Dụng Xăng HHO

Mô phỏng hiệu suất động cơ sử dụng phần mềm AVL-BOOST là công cụ hữu ích để dự đoán và phân tích đặc tính làm việc của động cơ khi sử dụng hỗn hợp xăng-HHO. Qua các mô phỏng chi tiết, người nghiên cứu có thể xây dựng mô hình hỗn hợp nhiên liệu, mô hình chảy và mô hình truyền nhiệt chính xác. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng bổ sung khí HHO giúp tăng công suất động cơ từ 3-8% và giảm suất tiêu thụ nhiên liệu từ 5-15% tùy thuộc vào độ mở bướm ga và tỷ lệ khí HHO được bổ sung. Xác minh kết quả thông qua so sánh với dữ liệu thực nghiệm đảm bảo độ chính xác của mô hình.

2.1. Phần Mềm AVL BOOST và Quy Trình Mô Phỏng

Phần mềm AVL-BOOST cung cấp các công cụ mô phỏng quá trình đốt cháy, hình thành phát thải và hiệu suất động cơ một cách chi tiết. Quy trình mô phỏng động cơ bao gồm việc xây dựng mô hình hình học buồng cháy, nhập thông số động cơ thực tế và điều kiện hoạt động. Giao diện thân thiện của phần mềm cho phép xác định các tham số như góc đánh lửa, hệ số dư lượng không khí và thành phần hỗn hợp để tính toán công suất và tiêu hao nhiên liệu chính xác.

2.2. Công Suất và Tiêu Hao Nhiên Liệu

Kết quả mô phỏng công suất động cơ ở các độ mở bướm ga khác nhau (30%, 50%, 70%) cho thấy sự tăng công suất ổn định khi bổ sung khí HHO. Suất tiêu thụ nhiên liệu giảm rõ rệt, đặc biệt ở chế độ tải nhẹ đến tải trung bình. Sự cải thiện hiệu suất nhiệt động lực được giải thích bằng tốc độ cháy nhanh hơn, giảm thời gian cháy và tối ưu hóa quá trình tỏa nhiệt trong buồng cháy.

III. Phân Tích Mức Phát Thải Khí Độc Hại

Việc sử dụng hỗn hợp xăng-HHO mang lại những cải thiện đáng kể trong việc giảm phát thải khí độc hại. Các thành phần độc hại chính bao gồm nitrogen oxide (NOx), carbon monoxide (CO) và hydrocarbon chưa cháy (HC). Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi bổ sung khí HHO, nồng độ NOx giảm từ 15-25%, nồng độ CO giảm từ 20-35%, và nồng độ HC giảm từ 10-20% so với sử dụng xăng tinh khiết. Những con số này cho thấy rằng công nghệ xăng-HHO là một giải pháp hữu hiệu để giảm ô nhiễm môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải quốc tế ngày càng khắt khe.

3.1. Hình Thành và Giảm Thiểu NOx

Nitrogen oxide (NOx) được hình thành ở nhiệt độ cao trong buồng cháy thông qua quá trình oxy hóa nitrogen từ không khí. Bổ sung khí HHO giúp hạ thấp nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy do tốc độ cháy nhanh hơn, từ đó giảm thời gian phản ứng để tạo NOx. Cải thiện quá trình cháy hoàn toàn cũng góp phần làm giảm phát thải NOx ở tất cả các chế độ hoạt động của động cơ.

3.2. Giảm Thiểu CO và HC

Carbon monoxide (CO) và hydrocarbon chưa cháy (HC) được tạo ra do cháy không hoàn toàn của nhiên liệu. Với tốc độ cháy cao của khí HHO, quá trình đốt cháy được hoàn thành nhanh hơn và toàn vẹn hơn, dẫn đến giảm lượng CO và HC đáng kể. Tối ưu hóa quá trình cháy thông qua bổ sung HHO cũng giúp cải thiện khí thải ở các điều kiện hoạt động đa dạng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Triển Vọng Công Nghệ

Công nghệ động cơ xăng-HHO đã chứng minh được tiềm năng ứng dụng trong các phương tiện giao thông hiện đại. Những kết quả nghiên cứu mô phỏng kết hợp với dữ liệu thực nghiệm cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc phát triển hệ thống xăng-HHO thực tế. Lợi ích của công nghệ bao gồm tiết kiệm nhiên liệu 10-15%, giảm phát thải 20-30% và tăng công suất động cơ 5-10%. Tuy nhiên, để triển khai rộng rãi công nghệ này, cần giải quyết các vấn đề về độ bền của hệ thống điện phân, chi phí sản xuất và tích hợp với các hệ thống xe hiện đại. Nghiên cứu tiếp tục và tối ưu hóa quá trình sẽ mở ra những cơ hội lớn cho ô tô xanh và bền vững.

4.1. Lợi Ích Thương Mại và Môi Trường

Hệ thống xăng-HHO mang lại lợi ích kép về kinh tế và môi trường. Từ góc độ kinh tế, người sử dụng giảm chi phí nhiên liệu nhờ tiêu hao xăng thấp hơn. Về bảo vệ môi trường, công nghệ này giảm đáng kể lượng khí thải giúp đạt được các tiêu chuẩn khí thải tiên tiến như Euro 5, Euro 6. Các nhà sản xuất ô tô ngày càng quan tâm đến công nghệ này như một giải pháp quá độ trước khi chuyển sang ô tô điện hoàn toàn.

4.2. Thách Thức và Hướng Phát Triển Tương Lai

Mặc dù có nhiều ưu điểm, công nghệ xăng-HHO vẫn đối mặt với các thách thức kỹ thuật như độ bền của bộ điện phân, hiệu suất tạo HHO và tích hợp với hệ thống kiểm soát động cơ hiện đại. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào cải thiện công nghệ điện phân, giảm chi phí sản xuất và phát triển các tiêu chuẩn công nghiệp để thương mại hóa công nghệ này trên quy mô toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI DAO VAN TOI NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU XĂNG - KHÍ HHO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRAN TH] THU HUONG HA NOI THANG 5/2014 Luận văn Thạc sĩ LỜI CAM ĐOAN Téi xin cam đoan đây là đề lài nghiền cứu của riêng td. Các số liệu nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực, ! Hà Nội, tháng 05 năm 2014 Học viên ĐẢO VĂN TỚI TT: Dào Văn Tỏi i MIIL:+ CA120162 Luận văn Thạc sĩ LỜI CẢM ƠN Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xi gửi lời cam on sau s ic dén 5. Trần Thị Thu Hương, người đã tạo diều kiện vá có những góp ý hữu ích về mặt chưyên mên để tôi hoàn thành bản luận văn nay.

Đông thời tôi cũng xin trân lrọng cảm ơn các thấy cô trong bộ môn Động cơ đốt trong và Phỏng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khi Động lực, Viện Dao tao Sau đại học đã giúp đỡ vẻ cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn Cuỗi củng, tôi xin gũi lời cảm ơn chân thành đến gia đỉnh và bạn bẻ, những, người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi học tập vả lạm luận văn Học viên DAO VAN TOL HV: Déo Van Toi 2 MIIL:+ CA120162 Luận văn Thạc sĩ LOI CAM DOAN LOI CAM ON. DANH MỤC BẢNG BIẾU, DANH MỤC HÌNH VẼ. CHUONGL TONG QUAN VE NHIÊN LIEU HHO.1 Nhiễn liệu thay thể.2 Khái quát về nhiên liệu TTTO - 13 1. Tĩnh chất của nhiên liệu HHO.

Nghiên cứu sứ dụng khí HHO trên động cơ xăng. dS CHƯƠNG PHÂN MÉM AVL - BOOST.1 Giới thiệu chung.1 Tính năng cơ bản.3 Tính nắng úp đụng.4 Giao điện của phan mém AVL-Boost - 37 2. Cơ sở lý thuyết của AVI, BOOST 28 2. Mô hình hỗn hợp nhiền liệu.

Mô hình chảy 29 3.3 Mô hình truyền nhiệt.- oi x2 vs seseeseesu. Quá trình hình thành phát thải - 39 2. Hình thành phát thải CO 39 2.2, Tình thành TC. se reiririrrirriirrreueereeu TÔ) 3.3, Hình thành phát thải NOx.

MÔ PHỦNG ĐỘNG CƠ UNG HON HOP XANG — HHO. HV: Déo Van Toi 3 MIIL:+ CA120162 Luận văn Thạc sĩ Hình 2. Tỷ lề mol dự doán của HC theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số đư lượng không khí. Mô hình mô phóng -.

Công suất động cơ giữa mô phông (MP) và thực nghiệm (Th) khi sử đụng xăng và hỗn hợp xăng L HHO ở 30% độ mở bướm ga - Ag Hình 3. Công suất dộng cơ giữa mô phỏng (MP) và thực nghiệm IN) khi sứ dụng xăng và liỗn hợp xăng+HHO ð 50% độ mô bướm ga. Công suất động cơ giữa mồ phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng +HHO ở 70% độ mỡ bướm ga. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ giữa rmô phỏng (MP) và thựcte nghiệm (TN) khi sứ dụng xăng và hỗn hợp xăng+11UO ở 30% độ mở bướm ga.

Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ giữa mỗ phòng (MP) và thực nghiệm: (TN) khi sử đụng xăng và hấn hợp xăng I HO ở S0% độ mở bướm ga. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ giữa mỏ phỏng (MP) và thực nghiệm: (TN) khi sử đụng xăng và hỗn hợp xăng ! HHO ở 70% độ mỏ bướm ga 52 Hình 3. Sự thay dỗi nông dộ NOx khi bỗ sung khi HHO và không khi vào dường nap so vii khi st dụng xăng ở 309% vị trí bướm ga 33 Ilinh 3. Su thay đổi nông độ NOx khi bổ sung khí TIHO và không khí vào đường nạp so với khi sử dụng xăng ở 50% vị trí bướm ga.

Kha mhirieOT Hinh 3. Sự thay đối nông độ NOx khi bố sung khí HHO và kheng khí vào đường, nap so vdi khi sử dụng xăng ở 70% vị trí bướm ga. Sụ thay đỗi nông độ CO khi bố sung khi HHO va không kikhi vàoo dưỡng nap so voi khi sử đụng xăng ở 30% vị trí bướm ga 55 Hinh 3. Sy thay déi ndng dé CO khi bé sung khi HHO vả không khí vào dường, nap so vii khi st dụng xăng ở 509% vị trí bướm ga 55 Tĩnh 3.

Sự thay đổi nằng độ CO khi bể sung khí TITIO và không khi vào đường nạp so với khi sử dụng xăng ở 70% vị trí bướm ga. Sự thay đối nông độ HC khi bố sung khí HHO vàKhông khí vào đường nap so vdi khi sử dụng xăng ở 30% vị trí bướm ga. sents ST Tình 3. Sụ thay dỗi nông độ HC khi bỗ sung khi HHÓ và không! khí vào dưỡng nạp so với khi sử đụng xăng ở 50% vị trí bướm ga 7 in TT: Dào Văn Tỏi MIIL:+ CA120162 Luận văn Thạc sĩ LOI CAM DOAN LOI CAM ON.

DANH MỤC BẢNG BIẾU, DANH MỤC HÌNH VẼ. CHUONGL TONG QUAN VE NHIÊN LIEU HHO.1 Nhiễn liệu thay thể.2 Khái quát về nhiên liệu TTTO - 13 1. Tĩnh chất của nhiên liệu HHO. Nghiên cứu sứ dụng khí HHO trên động cơ xăng.

dS CHƯƠNG PHÂN MÉM AVL - BOOST.1 Giới thiệu chung.1 Tính năng cơ bản.3 Tính nắng úp đụng.4 Giao điện của phan mém AVL-Boost - 37 2. Cơ sở lý thuyết của AVI, BOOST 28 2. Mô hình hỗn hợp nhiền liệu. Mô hình chảy 29 3.3 Mô hình truyền nhiệt.- oi x2 vs seseeseesu.

Quá trình hình thành phát thải - 39 2. Hình thành phát thải CO 39 2.2, Tình thành TC. se reiririrrirriirrreueereeu TÔ) 3.3, Hình thành phát thải NOx. MÔ PHỦNG ĐỘNG CƠ UNG HON HOP XANG — HHO.

HV: Déo Van Toi 3 MIIL:+ CA120162 Luận văn Thạc sĩ 3. Quy trình mô phông,.1, Xây dụng mồ hỉnh. Quy trình mỏ phông.2, Két qua thit nghiém kiém chumg m6 Ninh. Công suất động cƠ,.

Suật tiểu hao nhiên liệu.3, Các thánh phân độc hại trong khi xá động cơ. 53 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CUU QUA TRÌNH CHÁY CỦA. DONG CƠ XĂNG CO BO SUNG HHO. tắc độ cháy của xăng và hỗn hợp xăng +H11O.

Tắc độ tỏa nhiệt trong xylanh.4, Tốc độ tăng áp suất trong xylanh. Nhiệt độ cháy trong xylanh. - - 73 KET LUAN VA HUONG PHAT TRIEN 'TẢI LIỆU THAM KHẢO. TT: Dào Văn Tỏi 4 MIIL:+ CA120162 Luận văn Thạc sĩ TĐANH MỤC BÁNG BIẾU Bảng 3.

Số lượng các phần tử dẻ hoàn thiện mô hình. Thông số kỹ thuật của động cơ - - 48 Bang 3. Sự thay đổi của cong suất động cơ Irong đải tốc đô làm việc giữa mô phỏng và thực nghiệm khi bổ sung HHO so với khi sử dụng xăng. Sự thay đối của suất tiêu hao nhiên liện trong dài tắc độ làm việc giữa mái phỏng và thực nghiệm khi bổ sung HHO so với khi sử dựng xẵng.

Sy thay dai của nắng độ phát thái NOx trong dai tốc độ làm việc giữa mô tphảng và thực nghiệm khi bố sung HHO so với khi sử dụng xăng - %4 Bang 3. Su thay déi ciia néng độ phát thái CO trong dải tốc dộ làm việc giữa mô phỏng và thực nghiệm khi bỗ sung TIHO so với khi sử dụng xăng. Sự thay đổi của nắng dé phat thai HC trong dai tắc độ làm việc giữa mô phòng và thực nghiệm khi bổ sưng HHÓ so với khi sử dụng xăng 38 TT: Dào Văn Tỏi 5 MIIL:+ CA120162 Luận văn Thạc sĩ LOI CAM DOAN LOI CAM ON. DANH MỤC BẢNG BIẾU, DANH MỤC HÌNH VẼ.

CHUONGL TONG QUAN VE NHIÊN LIEU HHO.1 Nhiễn liệu thay thể.2 Khái quát về nhiên liệu TTTO - 13 1. Tĩnh chất của nhiên liệu HHO. Nghiên cứu sứ dụng khí HHO trên động cơ xăng. dS CHƯƠNG PHÂN MÉM AVL - BOOST.1 Giới thiệu chung.1 Tính năng cơ bản.3 Tính nắng úp đụng.4 Giao điện của phan mém AVL-Boost - 37 2.

Cơ sở lý thuyết của AVI, BOOST 28 2. Mô hình hỗn hợp nhiền liệu. Mô hình chảy 29 3.3 Mô hình truyền nhiệt.- oi x2 vs seseeseesu. Quá trình hình thành phát thải - 39 2.

Hình thành phát thải CO 39 2.2, Tình thành TC. se reiririrrirriirrreueereeu TÔ) 3.3, Hình thành phát thải NOx. MÔ PHỦNG ĐỘNG CƠ UNG HON HOP XANG — HHO. HV: Déo Van Toi 3 MIIL:+ CA120162 Luận văn Thạc sĩ Hình 3.

Sự thay đổi nồng độ HC khi bê sung khi HHO va không khi vào đường, nạp so với khi sử đựng xăng ở 7094 vị trí bướm ga. Su thay déi của đặc tinh déng co khi bé sung khi LILIO vao duéng nap 6 các giả trị độ mở bướm ga $8 Hình 41. Tỷ lệ cháy trong xylanh động, cơ khi bố sung khi HHO vào đường nạp ở cáo gốc đánh lửa khác nhau tại 3200 vạ/ph, 30% bướm ga. Tỷ lệ cháy trong xylanh động cơ khi bỗ sung khí HHO vào đường niập ở cáo góc đánh lửa khác nhau tại 5600 vg/ph, 30% bướm ga.

Tỷ lệ cháy trong xylanh động cơ khi bỗ sung khí HHO vào đường nạp ở các góc đánh lửa khác nhau tại 3600 vg/ph, 50% bướm ga. ‘1 lệ cháy trong xylanh déng co Khi bé sung khi LILO vao đường nạp ở các góc đảnh lửa khác nhau tại 6800 vg/ph, 509 bướm go. Tỷ lẽ cháy trong xylanh động cơ khi bổ sung khi HHO vào đường nạp ở các góc dánh lửa khác nhau tai 5600 ve/ph, 70% bướm ga. Tỷ lệ cháy trong xvlanh động cơ khi bỏ sưng khi HHO vào đường nạp ở các gốc dánh lửa khác nhau tại 7600 vạ/ph, 70% bướm ga.

Tác độ toả nhiệt trong xylanh động có khi bổ sưng khí HHO vào o đường nạp ở các góc đánh lửa khác nhau tại 3200 vg/ph, 30% bướm ga. Tốc độ toä nhiệt trong xylanh dòng cơ khi bổ sung khí HHO vào ¡dường rạp đ các góc đánh lửa khác nhau tại 5600 vg/ph, 30% bướm ga. Tốc độ toä nhiệt trong xylanh động cơ khi bỗ sưng khi 1I11O vào đường, tửấp ở các góc đánh lũa khác nhau tại 3600 vg/ph, 50% bướm gn 65 Hình 110. Tốc độ toả nhiệt trong xylanh động cơ khi bổ sung khi HHO vào đường nạp ở cáo góc đánh lửa khác nhau tại 6800 vg/ph, 50% bướm ga.

Tắc độ tơa nhiệt trong xylanh động cơ khi bổ sung khí HHO vào đường nạp ở các góc đánh lửa khác nhau tại S600 vg/ph, 70% bướm ga. Tốc độ tơả nhiệt trong xylanh động cơ khi bổ sang khi HHO vàu dường nap đ các góc đánh lửa khác nhau tại 7600 vg/ph, 70% hướm ga. Diễn biến áp suất trong xylanh động cơ khi bỗ sung khi LILO vao dường nạp ở các góc đánh lữu khác nhau tri 3200 vgýnh, 309 bướm ga 67 Hinh 4. Diễn biển áp sudt trong xylanh déng cơ khi bố sung khí HHO vào đường, nạp ở các góc dánh lửa khác nhau tại 56Q0 ve/ph, 30% bướm ạa.