Nghiên cứu và thiết kế thiết bị tạo hydrogen ứng dụng trên động cơ xăng

Nghiên cứu thiết kế thiết bị tạo hydrogen ứng dụng trên động cơ xăng, nâng cao hiệu suất và giảm khí thải, phục vụ khóa luận tốt nghiệp.

• Tác giả: Trần Nguyễn Minh Châu
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn A
• Trường học: Trường Đại Học Bình Dương
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Thiết Kế Thiết Bị Tạo Hydrogen Cho Động Cơ Xăng
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Bình Dương

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
• 1.1. Khái niệm về môi chất công tác của động cơ
• 1.2. Nhiên liệu sử dụng trong động cơ đốt trong hiện nay
• 1.2.1. Nhiên liệu khí
• 1.2.2. Nhiên liệu lỏng
• 1.3. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG HYDROGEN LÀM NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
• 2.1. Nhiên liệu hydrogen cho động cơ xăng
• 2.1.1. Khái niệm về hydrogen
• 2.1.2. Tính chất của hydrogen
• 2.1.3. Động cơ xăng dùng nhiên liệu hydro
• 2.2. Điều chế hydro sử dụng trong động cơ đốt trong
• 2.2.1. Giới thiệu chung
• 2.2.2. Phương pháp khí hóa sinh khối
• 2.2.3. Phương pháp biến đổi nhiệt hóa cồn hoặc nhiên liệu hydrocarbons
• 2.2.4. Phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước
• 2.2.5. Phương pháp oxi hóa không hoàn toàn nguyên liệu
• 2.2.6. Phương pháp biến đổi hóa cacbuahydro với CO2
• 2.2.7. Phương pháp điện phân nước
• 2.3. Tích trữ, vận chuyển hydrogen
• 2.3.1. Vấn đề về tích trữ và vận chuyển hydrogen
• 2.3.2. Tạo khí hydrogen ngay trên xe
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ BỘ TẠO HYDRO VÀ ỨNG DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
• 3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình điện phân
• 3.2. Thành phần hydro và oxy xảy ra trong quá trình điện phân. Thể tích khí thoát ra ở điều kiện tiêu chuẩn
• 3.3. Khối lượng riêng trung bình của khí giàu hydrogen
• 3.4. Cơ sở thiết kế bộ điện phân. Thiết kế thiết bị điện phân nước kiềm
• 3.4.1. Thiết kế tấm đế
• 3.4.2. Tấm gioăng (Tấm đệm kín)
• 3.4.3. Chất điện phân
• 3.5. Sơ đồ hoạt động của máy điện phân
• 3.6. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: KIỂM TRA VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TẠO KHÍ GIÀU HYDRO
• 4.1. Thử nghiệm hoạt động của thiết bị điện phân kiềm
• 4.1.1. Ảnh hưởng của điện áp cấp vào
• 4.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH
• 4.2. Ứng dụng nhiên liệu hydro trên động cơ xăng
• 4.2.1. Động cơ thử nghiệm
• 4.2.2. Phương pháp điều khiển bằng phương pháp cấp khí trên đường ống nạp
• 4.2.3. Tính toán sơ bộ lượng hỗn hợp lượng không khí cung cấp cho động cơ
• 4.3. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ HẠN CHẾ VÀ PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI, KIẾN NGHỊ
• Hạn chế và hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ đốt trong vẫn là nguồn động lực chính trong giao thông, mặc dù ô tô điện đang dần phổ biến. Tuy nhiên, ô tô điện gặp nhiều thách thức như giá thành cao và cơ sở hạ tầng chưa phát triển. Do đó, động cơ đốt trong vẫn chiếm ưu thế. Việc sử dụng động cơ này đang đối mặt với hai vấn đề lớn: ô nhiễm khí thải và an ninh năng lượng. Các nhà sản xuất ô tô đã cải tiến công nghệ để giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm nhiên liệu. Nhiên liệu thay thế như LPG và CNG đã được ứng dụng, nhưng vẫn phát thải độc hại. Hydrogen là một lựa chọn tiềm năng, có thể cải thiện ô nhiễm và công suất động cơ. Tuy nhiên, việc tạo ra và lưu trữ hydrogen vẫn là thách thức lớn. Khóa luận này tập trung vào việc thiết kế thiết bị tạo hydrogen cho động cơ xăng, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của hydrogen trong động cơ đốt trong.

II. Mục tiêu phương pháp và đối tượng nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và chế tạo bộ tạo khí hydrogen, đánh giá hiệu suất và khả năng ứng dụng của hydrogen trong động cơ xăng. Phương pháp nghiên cứu bao gồm tìm hiểu tài liệu, tính toán thiết kế và thực nghiệm. Đối tượng nghiên cứu là bộ tạo khí hydrogen và động cơ xăng. Nghiên cứu sẽ đánh giá các phương pháp điều chế khí hydrogen, trong đó phương pháp điện phân được ưu tiên do tính đơn giản và hiệu quả. Việc đánh giá hiệu suất của bộ tạo khí hydrogen sẽ giúp xác định khả năng thay thế xăng bằng hydrogen, từ đó mở rộng ứng dụng trong các chế độ vận hành khác nhau.

III. Cơ sở lý thuyết ứng dụng hydrogen làm nhiên liệu động cơ đốt trong

Hydrogen có tính chất đặc biệt, có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ xăng. Việc điều chế hydrogen có thể thực hiện qua nhiều phương pháp như điện phân nước, khí hóa sinh khối, và oxi hóa không hoàn toàn. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, nhưng điện phân nước được xem là phương pháp đơn giản và hiệu quả nhất. Việc tích trữ và vận chuyển hydrogen cũng là một thách thức lớn, đòi hỏi các giải pháp công nghệ tiên tiến. Sử dụng hydrogen trong động cơ xăng không chỉ giúp giảm ô nhiễm mà còn cải thiện hiệu suất động cơ. Nghiên cứu này sẽ đánh giá khả năng ứng dụng hydrogen trong động cơ xăng và tác động của nó đến hiệu suất vận hành.

IV. Tính toán thiết kế bộ tạo hydrogen và ứng dụng trên động cơ đốt trong

Thiết kế bộ tạo hydrogen dựa trên nguyên lý điện phân nước, trong đó nước được phân tách thành hydrogen và oxy. Các thông số như điện áp, nồng độ dung dịch NaOH sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất tạo khí hydrogen. Thiết kế bộ điện phân cần đảm bảo tính hiệu quả và an toàn trong quá trình hoạt động. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số này có thể tối ưu hóa lượng khí hydrogen sản sinh. Việc ứng dụng hydrogen vào động cơ xăng sẽ được thực hiện qua việc điều chỉnh hệ thống nạp khí, từ đó đánh giá hiệu quả sử dụng nhiên liệu hydrogen so với xăng truyền thống.

V. Kiểm tra và thử nghiệm thiết bị tạo khí giàu hydrogen

Thử nghiệm thiết bị điện phân kiềm cho thấy ảnh hưởng của điện áp và nồng độ dung dịch NaOH đến hiệu suất tạo khí hydrogen. Kết quả cho thấy rằng tăng điện áp sẽ làm tăng lượng khí hydrogen sản sinh, tuy nhiên cần phải cân nhắc đến nhiệt độ và độ ổn định của dung dịch. Việc ứng dụng hydrogen trên động cơ xăng đã được thực hiện qua các thử nghiệm thực tế, cho thấy khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí thải. Kết quả thử nghiệm cho thấy động cơ sử dụng hỗn hợp xăng và hydrogen có hiệu suất cao hơn so với động cơ chỉ sử dụng xăng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu nguồn động lực phục vụ giao thông vận tải và các ngành công nghiệp, nông nghiệp hiện nay, động cơ đốt trong vẫn giữ vai trò chủ đạo. Dù các dòng ô tô điện và xe lai (hybrid) đang dần phát triển, việc ứng dụng đại trà các phương tiện này vẫn gặp nhiều rào cản lớn về chi phí sản xuất, công nghệ lưu trữ pin, hạ tầng trạm sạc cũng như nguy cơ gây ô nhiễm môi trường trong chuỗi khai thác và xử lý pin sau sử dụng. Trong bối cảnh đó, động cơ đốt trong tiếp tục đối mặt với hai thách thức sống còn: sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch (an ninh năng lượng) và các tiêu chuẩn kiểm soát khí thải bảo vệ môi trường ngày càng nghiêm ngặt.

Các giải pháp nhiên liệu thay thế truyền thống như khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên nén (CNG) hay nhiên liệu sinh học (biodiesel, cồn) bộc lộ nhiều hạn chế về mức độ phụ thuộc gốc hóa thạch, công nghệ chưng cất phức tạp hoặc mật độ năng lượng thấp. Hydrogen nổi lên như một nguồn nhiên liệu tiềm năng với mật độ năng lượng theo khối lượng cao (nhiệt trị thấp đạt 119,7 MJ/kg) và sản phẩm cháy sạch (chủ yếu là hơi nước, không phát thải khí nhà kính $CO_2$). Tuy nhiên, việc ứng dụng hydrogen trên phương tiện cơ giới gặp khó khăn lớn trong khâu hóa lỏng ở nhiệt độ cực thấp (-253°C tiêu tốn khoảng 30 MJ/kg) hoặc nén ở áp suất cao (200 bar), dẫn đến chi phí vận chuyển và nguy cơ mất an toàn cao. Do đó, định hướng nghiên cứu thiết bị tạo hỗn hợp khí giàu hydrogen (HHO/hydroxyl) bằng phương pháp điện phân nước trực tiếp ngay trên xe (on-board generation) và nạp bổ sung vào động cơ xăng là một hướng đi thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm:

1. Nghiên cứu, đánh giá các phương pháp điều chế và lựa chọn phương pháp điện phân nước kiềm để tính toán, thiết kế và chế tạo bộ tạo khí giàu hydrogen (HHO).
2. Đánh giá hiệu suất tạo khí và các yếu tố ảnh hưởng (điện áp cấp, nồng độ dung môi xúc tác NaOH, nhiệt độ vận hành) của thiết bị điện phân.
3. Nghiên cứu phương pháp cấp khí hydrogen vào đường ống nạp và đánh giá khả năng vận hành, mức độ tiết kiệm nhiên liệu của động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp xăng/HHO.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị điện phân nước kiềm tạo khí HHO và động cơ xăng (động cơ xe máy Honda Wave).
• Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế cơ khí thiết bị điện phân dạng khô (dry cell) bằng phần mềm Autodesk Inventor; thử nghiệm đo lưu lượng khí và nhiệt độ dung dịch tại phòng thí nghiệm; thử nghiệm ứng dụng cấp khí HHO qua đường ống nạp trên động cơ xăng ở chế độ vận hành không tải (cầm chừng 1200 vòng/phút) trong thời gian 25 phút.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên các nền tảng lý thuyết nhiệt động học động cơ đốt trong và điện hóa học:

• Khung lý thuyết chu trình công tác động cơ: Phân tích thành phần môi chất công tác, hệ số dư lượng không khí ($\lambda$), lượng không khí lý thuyết ($L_0, M_0$), sản vật cháy hoàn toàn và không hoàn toàn, hệ số biến đổi phân tử lý thuyết ($\beta_0$) và thực tế ($\beta$).
• Lý thuyết nhiệt động và tính chất vật lý của hydrogen: Đánh giá trị số octan (>130), giới hạn cháy rộng ($\alpha = 0,14 \div 10$), tốc độ lan tràn màng lửa (2,37 m/s), năng lượng đánh lửa cực tiểu (0,02 mJ) và khoảng cách dập tắt màng lửa (0,6 mm) so với xăng và metan.
• Lý thuyết điện phân dung dịch kiềm: Phản ứng phân ly nước tạo $H_2$ tại cực âm (cathode) và $O_2$ tại cực dương (anode) với sự hỗ trợ dẫn điện của chất xúc tác kiềm NaOH.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Phương pháp lý thuyết: Tính toán hóa học phản ứng cháy, cân bằng khối lượng - thể tích khí nạp và xác định các thông số kỹ thuật điện phân.
• Phương pháp mô hình hóa: Thiết kế kết cấu 3D các chi tiết của bộ điện phân bằng phần mềm Autodesk Inventor.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình thử nghiệm, đo đạc lưu lượng khí HHO sinh ra theo các cấp điện áp và nồng độ NaOH; kiểm tra khả năng tiết kiệm nhiên liệu xăng trên động cơ thực tế.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu tính toán nhiệt động theo công thức kinh nghiệm ĐCĐT, tiêu chuẩn nhiên liệu TCVN 5689-92 và số liệu đo đạc thực nghiệm trên băng thử.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Khóa luận triển khai thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình thiết bị điện phân nước kiềm tạo khí giàu hydrogen tích hợp trên động cơ:

• Cấu tạo bộ điện phân kiềm kiểu khô: Gồm 2 tấm đế bảo vệ bên ngoài, cụm các tấm điện cực kim loại (anode và cathode mạ xúc tác) xen kẽ, và hệ thống gioăng đệm cao su làm kín chịu nhiệt nhằm ngăn ngừa rò rỉ dung dịch điện phân và khí sinh ra.
• Hệ thống xử lý và cấp khí: Bình chứa dung môi kết hợp tách khí, bình lọc ẩm và ngăn cháy ngược (bubbler), đường ống dẫn khí chuyên dụng và van một chiều.
• Phương thức cấp nhiên liệu: Khí HHO sinh ra được dẫn trực tiếp vào cổ hút (đường ống nạp) của động cơ xăng nhờ áp suất chân không sinh ra trong kỳ nạp. Phương thức này không cần bình tích trữ áp suất cao, khí sinh ra được động cơ tiêu thụ tức thời, đảm bảo an toàn phòng chống cháy nổ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nhiên liệu sử dụng trong động cơ đốt trong

Chương này trình bày tổng quan về môi chất công tác và các dạng nhiên liệu lỏng, khí sử dụng trong động cơ đốt trong. Tác giả phân tích cấu trúc hydrocacbon (ankan, napten, aren), các chỉ tiêu chống kích nổ của xăng (trị số octan RON, MON, tỷ số nén có lợi) và chỉ tiêu tự cháy của diesel (số xê-tan $X_e = 35 \div 55$, chỉ số diesel $D$).

Nhiên liệu	Đơn vị	Nhiệt trị cao
Củi	kJ/kg	14.000
Than đá	kJ/kg	25.000
Khí thiên nhiên	$\text{kJ/m}^3\text{tc}$	39.000
Fuel oil	kJ/kg	43.000
Xăng	kJ/kg	44.700
Diesel	kJ/kg	45.500
Dầu hôi	kJ/kg	46.000
Butan - Propan	kJ/kg	49.000

Chương 1 đi sâu thiết lập phương trình phản ứng cháy hoàn toàn và không hoàn toàn, tính toán lượng không khí cần thiết $L_0$ ($L_0 = \frac{1}{0,23}(\frac{8}{3}C + 8H - O)$) và $M_0$. Chương này cũng phân tích sự thay đổi thể tích khí cháy thông qua hệ số biến đổi phân tử ($\Delta M > 0, \beta > 1$), chứng minh quá trình cháy làm tăng thể tích môi chất và sinh công có ích, đồng thời nhấn mạnh vai trò của việc cháy đủ oxy để giảm phát thải độc hại CO và muội than.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết ứng dụng hydrogen làm nhiên liệu động cơ đốt trong

Chương 2 tập trung phân tích các đặc tính lý - hóa đặc biệt của hydrogen khi ứng dụng làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, đồng thời so sánh trực tiếp với khí metan và hơi xăng.

Tính chất vật lý - hóa học	Hydro ($H_2$)	Mê-tan ($CH_4$)	Hơi xăng
Tỉ trọng tại 1 atm, 300 K ($\text{kg/m}^3$)	0,08	0,72	5,11
Hệ số khuếch tán vào không khí ($\text{cm}^2\text{/s}$)	0,61	0,16	0,05
Giá trị nhiệt trị thấp (MJ/kg)	119,7	50,0	44,79
Mật độ năng lượng ở 1 atm, 15°C ($\text{kJ/m}^3$)	10.050	37.700	210.495
Mật độ năng lượng ở trạng thái lỏng ($\text{kJ/m}^3$)	8.491.000	20.920.400	31.150.000
Thành phần thể tích lý tưởng trong hỗn hợp (%)	29,53	9,48	1,65
Tỷ lệ khối lượng không khí/nhiên liệu lý tưởng	34,3	17,2	14,8
Nhiệt cháy hỗn hợp với 1 kg không khí (MJ/kg kk)	3,4	2,9	3,0
Giới hạn cháy theo hệ số dư lượng không khí $\lambda$	0,14 ÷ 10	0,7 ÷ 2,1	0,7 ÷ 1,4
Giới hạn cháy theo % thể tích trong không khí	4 ÷ 75	5,3 ÷ 15	1,4 ÷ 7,6
Năng lượng đánh lửa tối thiểu yêu cầu (mJ)	0,02	0,29	0,24
Tốc độ màng lửa ở $\alpha=1$ (m/s)	2,37	0,42	0,41
Trị số ốc-tan	> 130	110 ÷ 120	90 ÷ 100
Nhiệt độ tự cháy (K)	858	813	500 ÷ 700
Khoảng cách dập tắt màng lửa (mm)	0,6	2,0	2,0

Chương này cũng khảo sát 4 phương án cấp nhiên liệu: cấp xăng vào đường nạp, phun hydro dạng khí vào đường nạp (công suất giảm ~15% do chiếm thể tích nạp), phun hydro dạng lỏng vào đường nạp (tăng hiệu suất ~15%), và phun hydro trực tiếp áp suất cao vào buồng cháy (tăng công suất ~21%). Tiếp đó, tác giả đánh giá các công nghệ sản xuất hydrogen: khí hóa sinh khối, biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước ($250^\circ\text{C}-650^\circ\text{C}$ với cồn; $450^\circ\text{C}-900^\circ\text{C}$ với xăng), oxy hóa không hoàn toàn ($900^\circ\text{C}-1100^\circ\text{C}$), biến đổi hóa với $CO_2$ (>800°C), và điện phân nước (kiềm, PEM, SOE), làm cơ sở lựa chọn phương pháp điện phân kiềm.

Chương 3: Tính toán - Thiết kế bộ tạo hydro và ứng dụng trên động cơ đốt trong

Chương 3 trình bày các bước tính toán và thiết kế chi tiết bộ sinh khí HHO:

• Cơ sở tính toán quá trình điện phân: Xác định tỉ lệ thể tích khí thoát ra ($2/3\ H_2$ và $1/3\ O_2$), thể tích khí ở điều kiện tiêu chuẩn và khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp HHO.
• Thiết kế cơ khí: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor xây dựng mô hình 3D cho các tấm đế, tấm điện cực và hệ thống gioăng làm kín.
• Lựa chọn hóa chất điện phân: Chọn dung dịch kiềm NaOH làm chất xúc tác để tăng cường độ dẫn điện của nước mà không làm mòn điện cực nhanh như môi trường axit.
• Xây dựng sơ đồ nguyên lý vận hành toàn bộ hệ thống tạo và cấp khí HHO vào động cơ đốt trong.

Chương 4: Kiểm tra và thử nghiệm thiết bị tạo khí giàu hydro

Chương 4 thực hiện các khảo nghiệm thực tế:

• Thử nghiệm thiết bị điện phân: Khảo sát ảnh hưởng của điện áp cấp vào và nồng độ chất xúc tác NaOH đến thời gian sản sinh 5 lít khí HHO và sự gia tăng nhiệt độ của dung môi điện phân.
• Thử nghiệm trên động cơ: Lắp đặt thiết bị trên động cơ xe máy Honda Wave, khoan và bổ sung cổng cấp khí HHO tại cổ hút nạp.
• Đánh giá kinh tế nhiên liệu: Vận hành động cơ ở chế độ không tải (cầm chừng 1200 vòng/phút) trong 25 phút; so sánh tiêu hao nhiên liệu giữa chế độ chỉ dùng xăng truyền thống và chế độ có bổ sung khí HHO.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đạt được các kết quả kỹ thuật và đóng góp thực tiễn sau:

• Chế tạo thành công thiết bị điện phân nước kiềm kiểu khô: Thiết bị vận hành ổn định, sinh khí HHO liên tục, không bị rò rỉ dung dịch hay rò rỉ khí nhờ kết cấu gioăng đệm cao su và tấm đế chịu lực ép tốt.
• Xác định quy luật sinh khí của bộ điện phân: Lưu lượng khí sinh ra tỷ lệ thuận với điện áp cấp vào và nồng độ NaOH; tuy nhiên khi tăng nồng độ và điện áp quá cao, nhiệt độ của dung dịch điện phân tăng nhanh, đòi hỏi kiểm soát nồng độ tối ưu để cân bằng giữa lưu lượng khí và nhiệt độ làm việc.
• Minh chứng hiệu quả trên động cơ xăng: Động cơ Honda Wave vận hành êm ái ở chế độ cầm chừng 1200 vòng/phút khi cấp bổ sung HHO qua đường nạp. Quá trình cháy diễn ra nhanh và kiệt hơn nhờ khoảng cách dập tắt màng lửa nhỏ (0,6 mm) và tốc độ màng lửa cao (2,37 m/s), giúp tiết kiệm lượng xăng tiêu thụ trong 25 phút thử nghiệm so với khi không có HHO.
• Đóng góp về mặt giải pháp: Đề xuất phương án khả thi trong việc hoán cải động cơ xăng cỡ nhỏ hiện hành để sử dụng nhiên liệu sạch dạng bổ sung (HHO) mà không cần thay đổi lớn kết cấu cơ khí của động cơ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận còn một số hạn chế do điều kiện thời gian và trang thiết bị nghiên cứu:

• Phạm vi thử nghiệm động cơ mới dừng lại ở chế độ không tải (cầm chừng 1200 vòng/phút), chưa đánh giá toàn diện trên toàn bộ dải tải trọng và tốc độ vòng tua cao của động cơ.
• Thiết bị điện phân kiềm phát sinh nhiệt lượng khi làm việc kéo dài, chưa tích hợp hệ thống làm mát dung môi chuyên dụng.
• Hệ thống cấp khí HHO hoạt động thuần cơ học dựa trên độ chân không đường nạp, chưa có mạch điều khiển điện tử (ECU/PWM) tự động điều chỉnh lưu lượng HHO theo tín hiệu cảm biến tải động cơ.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

• Thiết kế mạch điều khiển công suất PWM kết hợp cảm biến để tự động tối ưu hóa lượng khí HHO theo từng chế độ làm việc của động cơ.
• Tích hợp hệ thống làm mát dung dịch điện phân để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định trong thời gian dài.
• Đo đạc chính xác nồng độ phát thải khí xả ($CO, HC, NO_x$) bằng thiết bị phân tích khí chuyên dụng và mở rộng thử nghiệm trên động cơ ô tô công suất lớn.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và cán bộ kỹ thuật chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Kỹ thuật Năng lượng:

• Phần lý thuyết (Chương 1 và 2): Cung cấp hệ thống công thức tính toán chu trình nhiệt động cơ, các phản ứng cháy và bảng đối chiếu thông số vật lý chi tiết giữa hydrogen, metan và xăng.
• Phần thiết kế và thực nghiệm (Chương 3 và 4): Cung cấp quy trình thiết kế 3D bằng Inventor, phương pháp gia công chế tạo máy điện phân nước kiềm kiểu khô và sơ đồ hoán cải đường ống nạp thực tế trên động cơ xe máy.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hydrogen có nhiệt trị theo khối lượng rất cao nhưng mật độ năng lượng theo thể tích lại thấp hơn xăng?
Nhiệt trị thấp theo khối lượng của hydrogen đạt 119,7 MJ/kg, cao gấp 3,1 lần so với xăng (44,79 MJ/kg). Tuy nhiên, do hydrogen là nguyên tố nhẹ nhất với khối lượng phân tử 2,016 và tỉ trọng ở điều kiện tiêu chuẩn chỉ đạt $0,08\ \text{kg/m}^3$ (nhẹ hơn không khí gần 14 lần và chỉ bằng 1,6% khối lượng riêng của xăng), nên mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích ở áp suất khí quyển chỉ đạt $10.050\ \text{kJ/m}^3$, thấp hơn nhiều so với hơi xăng ($210.495\ \text{kJ/m}^3$).

2. Phương án cấp khí hydrogen vào đường ống nạp có ưu và nhược điểm gì so với phương án phun trực tiếp vào buồng đốt?
Phương án cấp khí vào đường ống nạp có ưu điểm là kết cấu đơn giản, chi phí gia công chế tạo thấp và dễ dàng hoán cải trên các động cơ hiện hành. Tuy nhiên, nhược điểm là thể tích khí hydrogen chiếm tới 29,53% thể tích không gian nạp, làm giảm lượng không khí nạp vào xilanh, dẫn đến công suất phát ra của động cơ giảm khoảng 15% so với chạy 100% xăng. Ngược lại, phương án phun hydro trực tiếp vào xilanh giữ nguyên khối lượng khí nạp và có thể tăng công suất động cơ lên khoảng 21%, nhưng đòi hỏi công nghệ chế tạo vòi phun áp suất cao phức tạp.

3. Vì sao tác giả lựa chọn công nghệ điện phân nước kiềm thay vì công nghệ màng trao đổi proton (PEM)?
Điện phân màng PEM sử dụng các kim loại quý hiếm đắt tiền như vàng, bạch kim và iridium làm vật liệu chế tạo, khiến chi phí sản xuất cực kỳ cao và hiệu quả điện phân thực tế chưa tối ưu so với chi phí bỏ ra. Trong khi đó, máy điện phân nước kiềm sử dụng các vật liệu dễ kiếm, giá thành rẻ (điện cực phủ nickel/đồng, dung dịch xúc tác kiềm NaOH), kết cấu cơ khí đơn giản và độ bền cao, phù hợp cho việc chế tạo và ứng dụng trực tiếp trên phương tiện.

4. Đặc tính tốc độ màng lửa và năng lượng đánh lửa của hydrogen ảnh hưởng như thế nào đến sự làm việc của động cơ xăng?
Tốc độ màng lửa của hydrogen đạt 2,37 m/s ở $\alpha=1$ (gấp khoảng 10 lần so với xăng là 0,41 m/s), giúp quá trình cháy diễn ra nhanh chóng, giảm nguy cơ kích nổ và ngăn ngừa hiện tượng cháy không triệt để ở tốc độ cao; tuy nhiên sự cháy quá nhạy có thể đòi hỏi phải giảm góc đánh lửa sớm để tránh tiếng gõ và cháy ngược trên đường nạp. Đồng thời, năng lượng đánh lửa tối thiểu của hydro chỉ là 0,02 mJ (bằng khoảng 1/10 so với xăng là 0,24 mJ), cho phép động cơ làm việc ổn định ở vòng tua cao (trên 4000 vòng/phút) mà không bị hiện tượng bỏ lửa.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu toàn diện cơ sở lý thuyết nhiệt động của động cơ đốt trong và các đặc tính lý - hóa của hydrogen so với nhiên liệu truyền thống. Nhóm tác giả đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế trên phần mềm Autodesk Inventor và chế tạo thực tế bộ tạo khí giàu hydrogen bằng phương pháp điện phân nước kiềm kiểu khô sử dụng xúc tác NaOH. Kết quả thử nghiệm cấp khí HHO vào cổ hút của động cơ Honda Wave ở chế độ cầm chừng 1200 vòng/phút trong 25 phút đã chứng minh khả năng cải thiện quá trình cháy và tiết kiệm nhiên liệu xăng, tạo tiền đề kỹ thuật cho việc phát triển các hệ thống tạo hydrogen on-board trên động cơ đốt trong công suất lớn hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1. Khái niệm về môi chất công tác của động cơ Môi chất công tác là chất trung gian để thực hiện chu trình công tác, bao gồm chất ô-xy hoá như không khí hoặc ô-xy (trong những trường hợp đặc biệt), nhiên liệu và sản vật cháy. Trong chu trình công tác, môi chất công luôn thay đổi thành phần và tính chất lý hoá. Trong quá trình nạp, mỗi chất nạp vào xy lanh là không khí đối với động cơ diesel; là hỗn hợp không khí với nhiên liệu đối với động cơ xăng và động cơ gas, được gọi là khi nạp mới.

Trong quá trình nén, môi chất công tác là một hỗn hợp bao gồm khi nạp mới và khi sót, hỗn hợp khi đó còn được gọi là hỗn hợp công tác. Trong quá trình giãn nở và quá trình thải, môi chất công tác là sản vật cháy. Nhiên liệu sử dụng trong động cơ đốt trong hiện nay Nhiên liệu là thành phần quan trọng nhất của môi chất công tác, có ảnh hưởng quyết định đến kết cấu cũng như các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ. Động cơ đốt trong thông thường sử dụng chủ yếu nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng.

Nhiên liệu khí Nhiên liệu khí bao gồm khí thiên nhiên như khí từ mỏ dầu hoặc mỏ khí đốt; khí công nghiệp như khí do chưng cất dầu mỏ, luyện than cốc; khí lò ga do khí hoá nhiên liệu rắn như gố, than; khí sinh vật (biogas). Bất kỳ loại nhiên liệu khí nào cũng là hỗn hợp cơ học của các khí cháy và khí trơ với điều kiện bỏ qua các thành phần tạp chất. Một cách tổng quát có thê coi cấu trúc phân tử của mỗi khí cháy bao gồm các-bon, hy-dro và ô-xy là C mHnOr. Vì vậy, đối với một đơn vị nhiên liệu khí (ví dụ như 1 kg, kmol hay m3 tiêu chuẩn.1) Dựa vào nhiệt trị Q (kJ/m3tc) người ta phân nhiên liệu khí thành ba loại như sao:  Nhiệt trị cao: Q = 23 ÷ 28 (kJ/m3tc) ví dụ như khí thiên nhiên, khí phụ phẩm chưng cất dầu mỏ.

 Nhiệt trị trung bình: Q = 16 ÷ 23 (kJ/m3tc) như khí lò luyện than cốc. 15  Nhiệt trị thấp: Q = 4 ÷ 16 (kJ/m3tc) như khí lò ga và khí sinh vật. Động cơ chạy các nhiên liệu khí như khí thiên nhiên nên CNG (Compressed Natural Gas) hay khí hoá lỏng LPG (Liquidfied Petroleum Gas) có ưu điểm là ít ô nhiễm môi trường và tiết kiệm vì giá khí đốt rẻ hơn so với xăng. Nhiều hãng taxi ở Việt Nam đã và đang chuyển đổi xe chạy xăng sang chạy cả xăng và khi đốt.

Nhiên liệu lỏng Phần lớn động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu lỏng có nhiều loại nhưng theo nguồn gốc có thể chia thành hai loại. Loại thứ nhất có gốc hoá thạch như xăng, dầu hoả, diesel. Loại thứ hai có nguồn gốc thực vật như mê-tha-nôl, ê-tha- nôl, dầu thực vật như dầu dừa, dầu hạt cải.

Đa số động cơ nhiên liệu lỏng hiện nay dùng nhiên liệu gốc hoá thạch như xăng và diesel. Trong quá trình chưng cất dầu mỏ, người ta thu được lần lượt xăng, dầu hoả, nhiên liệu diesel, dầu máy và nhựa đường. Về thành phần, xăng và nhiên liệu diesel thực chất là hỗn hợp của các loại các-bua-hy-dro khác nhau chia thành các nhóm sau đây. • Các-bua-hy-drô béo: bao gồm pa-ra-phin còn gọi là an-kan có công thức hoá học là CnH2n + 2; ô-lê-phin CnH2n, và a-xê-ty-len CnH2n - 2.

Trong đó, ô-lê-phin và a- xê-ty-len là những các-bua-hy-dro không no thường không chữa trong đầu thỏ nhưng xuất hiện trong quá trình chung cất. Trong nhóm này, pa-ra-phin là thành phần đóng vai trò chủ yếu. Pa-ra-phin (an-kan) là các-bua-hy-dro no có hai dạng là an-kan thường và đồng vị còn gọi là i-so-an-kan. An-kan thường có mạch thẳng hở, ví dụ như xê-tan C16 H34 hình 1.

Cấu trúc phân tử của xê-tan C10H34 16 Đặc điểm chung của an-kan thường là có tính ổn định hoá học ở nhiệt độ cao kém, do đó dễ dàng tham gia phản ứng với ô-xy tạo nên quá trình tự cháy. Vì vậy, nếu nhiên liệu diesel càng có nhiều an-kan thường thì có tính tự cháy càng cao. Cấu trúc phân tử của i-sô-ốc-tan C8H18 An-kan đồng vị có mạch nhánh nên cấu trúc phân tử khá bền vững, có tính ổn định hoá học cao, khó tự cháy hay nói cách khác khó bị kích nổ (xem. Ví dụ điển hình của an-kan đồng vị là i-sô-ốc-tan C8H18 hình1.

Nếu xăng có nhiều thành phần an-kan đồng vị thì tính chống kích nổ càng cao. Cấu trúc phân tử Hình 1. Cấu trúc phân tử xy-clô-pen-tan C5H10 mê-tyl-ben-zen C6H5CH3 Náp-ten: CnH2n còn gọi là xy-clan có kết cấu phân tử mạch vòng, ví dụ xy-clô- pen-tan C5H10, hình 1. Náp-ten do có kết cấu phân tử rất bền vững nên có tính chống kích nổ rất cao.

Các-bua-hy-drô thơm: CnH2n-6. có cấu trúc phân tử mạch vòng với nhân ben-zen nên rất bền vững, chống kích nổ rất tốt, ví dụ mê-tyl-ben-zen C6H5CH3, (hình 1.4) 17 Nếu bỏ qua các thành phần tạp chất, nhiên liệu lỏng nói chung kể cả xăng và diesel chỉ bao gồm các-bon, hy-drô và ô-xy. Do đó công thức cấu tạo tính cho một đơn vị đo lường (ví dụ như 1 kg, 1 kmol.2) Ví dụ, nhiên liệu diesel D1 và D2 theo TCVN 5689-92 có C = 0,84 ÷ 0,88; H=0,10 ÷0,14; phần còn lại là O. Trong xăng và nhiên liệu diesel có tới 80 đến 90% là an-kan và xy-clan.

Tỷ lệ các loại các-bua-hy-dro nêu trên phụ thuộc vào loại nhiên liệu cụ thể và quyết định tính chất lý hoá của nhiên liệu đó. Đánh giá về sự cháy của nhiên liệu Diesel Trong số các thông số vật lý có nhiệt độ tự cháy phần nào nói lên tính tự cháy của nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, nhiệt độ tự cháy xác định như trên chưa nêu lên bản chất của quá trình tự cháy trong động cơ diesel, đó là quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu- không khí trong buồng cháy động cơ tự cháy do nén. Vì thế, người ta còn sử dụng những thông số đặc trưng cho tính tự cháy của nhiên liệu diesel sau đây.

Tỷ số nén tới hạn 𝜺th Tỷ số nén tới hạn εth là tỷ số nén của một động cơ có kết cấu đặc biệt (có thể thay đổi được tỷ số nén) dùng làm động cơ thí nghiệm, làm việc ở một chế độ nhất định và có góc phun sớm 13° trước điểm chết trên (ĐCT), khi đó hỗn hợp bốc cháy đúng tại ĐCT. Một trong những loại động cơ thí nghiệm như vậy là động cơ BASF (CHLB Đức). Rõ ràng là εth càng nhỏ thì tính tự cháy của nhiên liệu càng cao. α-mê-tyl-naph-ta-lin 18 1.

Số xê-tan Số xê-tan Xe của nhiên liệu là phần trăm thể tích của xê-tan (C16H34 mạch thẳng) trong hỗn hợp với α-mê-tyl-naph-ta-lin (α-C10H7CH3, hình 1-5), hỗn hợp này có tỷ số nén tới hạn εth giống như εth của nhiên liệu. Theo định nghĩa trên, xê-tan có Xe = 100, còn α-mê-tyl-naph-ta-lin có số Xe = 0. Nhiên liệu diesel dùng trong thực tế có Xe = 35 ÷ 55. Số Xe càng lớn thì tính tự cháy càng cao.

Chỉ số diesel Chỉ số diesel D là một đại lượng qui ước xác định trong phòng thí nghiệm theo công thức sau: 𝑫 (141,5 - 131.3) Trong đó: - γ là trọng lượng riêng (g/cm3) của nhiên liệu ở 15°C. - A là điểm a-ni-lin của nhiên liệu. Đó là nhiệt độ (°C) kết tủa của hỗn hợp nhiên liệu cần thí nghiệm và a-ni-lin (C6H5NH2,) có tỷ lệ 1:1. Nhiên liệu có D càng lớn thì tính tự cháy càng cao.

Đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu xăng Tính chống kích nổ biểu thị khả năng giữ cho nhiên liệu không tự cháy trước khi màng lửa từ bu-gi lan tràn tới. Tính chống kích nổ là một trong những chỉ tiêu chất lượng của xăng và được đánh giá thông qua những thông số sau đây. Tỷ số nén có lợi Tỷ số nén có lợi εth là tỷ số nén lớn nhất cho phép về mặt kích nổ. Tỷ số nén có lợi εth được xác định trên động cơ đặc biệt (có thể thay đổi tỷ số nén) tương tự như tỷ số nén tới hạn εth đối với nhiên liệu diesel đã xét ở trên.

Số ốc-tan Số ốc-tan O của nhiên liệu là phần trăm thể tích của i-sô-ốc-tan C 8H18 (mạch nhánh, hình 1.2) với hép-tan C7H16 (mạch thẳng), hỗn hợp này có tỷ số nén có lợi bằng với tỷ số nén có lợi của nhiên liệu. 19 Theo định nghĩa trên, i-số-ốc tan có O = 100 và hép-tan có O = 0. Các loại xăng thông dụng có O = 80÷100. Nhiên liệu cho động cơ cường hoá, ví dụ như xe đua chẳng hạn, có thể có O >100.

Hiện nay chúng ta đang sử dụng các loại xăng không chì (hàm lượng chì khoáng nhỏ hơn 0,013 g/l) MOGAS 90, 92 và 95 có số ốc-tan RON tương ứng là 90, 92 và 95. (RON - Research Octane Number, phân biệt với MON - Motor Octane Number. Thông thường MON nhỏ hơn RON 5÷10 đơn vị). Đối với mỗi loại nhiên liệu cụ thể nếu tính tự cháy càng cao thì tính chống kích nổ càng kém và ngược lại.

Quan hệ này được thể hiện qua công thức kinh nghiệm sau đây: O = 120 - 2 Xe (1. Phản ứng cháy của nhiên liệu và sản vật cháy Quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu - không khí diễn ra trong buồng cháy bao gồm hàng loạt các phản ứng hoá học với các sản phẩm trung gian nối tiếp nhau rất phức tạp. Để đơn giản, chúng ta chỉ xét phản ứng cháy của các-bon và hy-drô trong nhiên liệu tạo ra sản phẩm cháy cuối cùng cho hai trường hợp là cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn. Nhiên liệu cháy hoàn toàn phản ứng cháy và lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu Các-bon và hy-drô trong nhiên liệu phản ứng cháy hoàn toàn với ô-xy theo các phản ứng sau: C+0₂ = CO₂ (1.6) Để tính lượng không khí cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (nl), ta sử dụng (3-5) và (3-6) cho hai trường hợp là LO (kg/kgnl) và MO(kmol/kgnl).

𝐋𝐨 Từ các phương trình (1) và (2), ta có thể viết: 12 kg cac-bon + 32 kg ô-xy→ 44 kg cac-bon-nic (1.7) 4 kg hy-drô + 32 kg ô-xy → 36 kg nước (1.8) 20 Theo công thức (1.2), trong 1 kg nhiên liệu có C kg các-bon, H kg hy-drô và O kg ô-xy.8) tính cho C kg các-bon và H kg hy-drô sẽ có dạng: C kg cac − bon + C kg ô − xy → C kg cac − bon − nic (1.9) H kg hy-drô + 8H kg ô-xy → 9H kg nước (1.10) Lượng ô-xy cần thiết Oo để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu sẽ là tổng lượng ô- xy của (1.