TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ô nhiễm không khí đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng ở các đô thị, đặc biệt tại các nước đang phát triển, với nghiên cứu cho thấy mức độ phơi nhiễm bụi mịn vượt quá 50 µg/m³ tại 126 thành phố trên thế giới có thể dẫn đến khoảng 130 nghìn ca tử vong sớm Chất lượng không khí, đặc biệt là không khí đô thị, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó khí thải từ công nghiệp và động cơ ô tô là nguyên nhân chính làm suy giảm chất lượng không khí Khí thải này bao gồm các chất độc hại như CO và NOx, có thể gây ra các triệu chứng thiếu oxy, ảnh hưởng đến sinh hoạt, năng suất lao động và sức khỏe con người Theo aqicn.org, Việt Nam nằm trong top 10 quốc gia có mức ô nhiễm không khí cao nhất.
Tổ chức Air Visual đã công bố Hà Nội là thành phố có mức ô nhiễm nhất thế giới
Quá trình khai thác nguyên liệu luôn liên quan chặt chẽ đến sự phát triển xã hội và là nguyên nhân gây ra nhiều biến động chính trị Kể từ cuối thế kỷ 19, dầu mỏ đã trở thành yếu tố chính trong các cuộc tranh giành quyền lực, dẫn đến những cuộc khủng hoảng kinh tế toàn cầu và hai cuộc chiến tranh thế giới trong thế kỷ 20.
Kể từ cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1970 do giá dầu tăng đột ngột, kinh tế toàn cầu, đặc biệt là ở các nước công nghiệp phát triển, đã phải đối mặt với những biến động liên tục về giá dầu Dầu mỏ hiện nay đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong nền kinh tế toàn cầu, ảnh hưởng đến sự phát triển của hầu hết các ngành công nghiệp Thực tế cho thấy, thế giới sẽ tiếp tục phụ thuộc vào dầu mỏ cho đến khi một nguồn năng lượng thay thế khả thi được phát hiện Việt Nam, với việc nhập khẩu 100% các sản phẩm tinh chế từ dầu thô và phụ thuộc vào các nhà cung cấp nước ngoài, cũng không thể tránh khỏi những tác động từ biến động trong ngành dầu mỏ.
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 đang trở thành một trong những thách thức lớn nhất mà cộng đồng khoa học phải đối mặt, với nguyên nhân chính là sự gia tăng nồng độ khí thải trong khí quyển Các nhà máy công nghiệp và ô tô là những nguồn thải khí chính, do quá trình đốt cháy nhiên liệu Khí thải từ động cơ được phân tích để đo lường các thành phần như HC, NOX, O2, CO và CO2 HC, hay hydrocacbon, là nhiên liệu chưa được đốt cháy và có thể gây hại khi hít phải NOX, các oxit của Nitơ, thường xuất hiện trong khí thải từ không khí nén nóng, và O2 được đo để hiểu rõ hơn về quá trình cháy CO, một khí độc không mùi, có thể gây nguy hiểm đến tính mạng, trong khi CO2 đóng góp vào hiệu ứng nhà kính Để giảm thiểu khí thải HC và NOX, việc sử dụng công nghệ như van lưu hồi khí thải (EGR) giúp làm mát và giảm tốc độ đốt cháy, từ đó giảm ô nhiễm môi trường.
NOX và CO ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất đốt cháy trong động cơ, trong khi tỷ lệ nhiên liệu và không khí cũng đóng vai trò quan trọng CO2 là một chỉ số khí thải khác, nhưng HC và NOX vẫn là những vấn đề lớn nhất hiện nay Bộ chuyển đổi xúc tác giúp làm sạch phần lớn khí thải, tuy nhiên, cần được thay thế khi bị hỏng.
Gần đây, các nhà khoa học đã chuyển sự chú ý của mình sang động cơ tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả và phát thải thấp hơn, nhằm giảm thiểu tác động môi trường.
Giảm lượng khí thải động cơ là nhu cầu thiết yếu và mang lại ý nghĩa kinh tế lớn thông qua việc tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu Các giải pháp như thiết kế lại buồng đốt hay lắp thêm bộ lọc thường phức tạp và tốn kém, không phù hợp với người dân nghèo Phương pháp được ưa chuộng hiện nay là sử dụng khí điện phân hydrogen (HHO) kết hợp vào hỗn hợp nhiên liệu Việc này giúp nhiên liệu cháy gần như hoàn toàn, giảm thiểu khí thải CO và NOx, đồng thời cải thiện hiệu suất động cơ từ 20-30% và tiết kiệm khoảng 30% nhiên liệu Nghiên cứu từ các nhà khoa học Ấn Độ và Nga cho thấy HHO có thể giảm đến 90% khí thải CO và từ 10-90% nhiên liệu không cháy hết, đồng thời tăng công suất động cơ từ 3-10% với nhiều lợi ích vượt trội khác.
Bài báo cáo này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về quá trình cháy của động cơ và quá trình điện phân nước để sản xuất khí HHO, đồng thời khám phá khả năng ứng dụng khí HHO như một phụ gia nhiên liệu cho động cơ xăng Mục tiêu là tính toán và thực nghiệm trên mô hình động cơ xe gắn máy nhằm giảm hàm lượng khí thải HC và CO.
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 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);
Teledyne Energy Systems, Inc., a subsidiary of Teledyne Technologies Inc based in Maryland, USA, collaborates with Russian company Uralkhimmash and Italian firm De Nora, specializing in the production of electrolytic cells for chlorine manufacturing These industrial systems are known for their significant production capabilities.
5 - 500 Nm 3 H2 / h Hiện nay ngành công nghiệp đã phát triển các bộ điện phân có thể cung cấp lên tới khoảng 670 Nm 3 /h
Hình 2.1 Máy điện phân của Công ty Cổ phần “Uralkhimmash” SEU-40 (a) và FV-500 (b)
1.2.2 Điện phân công nghệ màng lọc PEM
Hiện nay, các nhà sản xuất máy điện giải PEM nước công nghiệp lớn bao gồm Hamilton Sundstrand (Mỹ), Proton OnSite (Mỹ) và Yara (Na Uy) Các công ty này đã phát triển các máy điện phân có khả năng hoạt động dưới áp suất lên đến 2,8 MPa và công suất tối đa đạt 26 m³/h, đồng thời có thể kết hợp lắp đặt hệ thống điện phân với công suất lên đến 260 m³/h.
Hình 1.2 Máy điện phân PEM HOGEN S
Series by Proton OnSite Năng suất 1m 3 H 2 /h; tiêu thụ điện năng 5,6-9,0 kWh/m 3 ; điện phân
2,3-3,8 V; áp suất đầu ra 1,4 MPa; kích thước 97x78x10 6 cm 3 ; trọng lượng 215 kg
Máy điện phân PEM của Yara (Norsk Hydro Electrolysers) có năng suất 10 Nm³ H2/h, tiêu thụ điện năng 4,4 kWh/m³, với áp suất đầu ra đạt 3.0 MPa và độ tinh khiết của hydro lên đến 99,9%, trong đó O2 là tạp chất chính.
Công ty H-tec của Đức chuyên sản xuất các mẫu thử nghiệm nhỏ máy điện giải PEM nước phục vụ giáo dục Nghiên cứu và phát triển máy điện phân PEM diễn ra tại nhiều quốc gia như Pháp, Nhật Bản và Ấn Độ Chương trình WE-NET của Nhật Bản đã chứng minh khả năng tiến bộ với tế bào có diện tích bề mặt 2500 cm2, điện áp hoạt động 1.556 V ở 80°C, mật độ dòng điện 1 A/cm2 và hiệu suất chuyển hóa năng lượng đạt 95,1% Hiệu suất này gần với điện áp nhiệt điện khoảng 1,48 V Dự án GenHyPEM trong khuôn khổ Chương trình Khung Châu Âu lần thứ 6 đã thành công trong việc phát triển các thiết bị điện phân PEM tiên tiến với áp suất cao lên đến 5,0 MPa, tập trung vào việc tạo ra màng kín khí mới và chất xúc tác nano hiệu suất cao Tại Nga, nghiên cứu hệ thống điện phân PEM nước đã được thực hiện trong hơn 20 năm tại Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia “Viện Kurchatov” và các tổ chức khác.
1.2.3 Ứng dụng nhiên liệu kép trên động cơ sử dụng HHO
Nghiên cứu của nhóm tác giả từ Đại học Alexandria, Ai Cập, đã khám phá ảnh hưởng của việc bổ sung khí hydroxy (HHO) vào động cơ xăng nhằm cải thiện hiệu suất và giảm khí thải Họ đã phát triển một hệ thống tạo HHO đơn giản và tối ưu hóa bộ điện phân để đạt năng suất khí tối đa Các yếu tố như số lượng tấm cực, khoảng cách giữa chúng, và loại cũng như số lượng chất xúc tác KOH và NaOH được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất Động cơ xăng Skoda Felicia 1.3 GLXi được thử nghiệm với và không có HHO, đồng thời đánh giá lượng khí thải CO.
HC và NOx được đo bằng máy phân tích khí thải TECNO TEST TE488 Kết quả cho thấy năng suất cực đại của khí HHO đạt 18 L/h khi sử dụng 2 tấm cực với khoảng cách 1 mm và nồng độ KOH là 6 g/L Thêm vào đó, kết quả cũng chỉ ra hiệu suất nhiệt của động cơ.
6 cơ xăng tăng 10%, tiêu thụ nhiên liệu giảm 34%, CO giảm 18%, HC giảm 14% và NOx giảm 15%
Nghiên cứu của nhóm tác giả Balaji Subramanian, Venugopal Thangavel - Trường
Bài báo về "Phân tích hệ thống tạo khí HHO" của Kỹ thuật Cơ khí, Học viện Công nghệ Vellore, Chennai, Ấn Độ, trình bày khảo sát sản xuất khí HHO thông qua quá trình điện phân Nghiên cứu đã thực hiện các phép tính để dự đoán sản lượng khí HHO, cho thấy máy điện phân có thể tạo ra tối đa 0,75 LPM ở 80 °C với dòng điện 40 A-h Dựa trên các điều kiện tương tự, tính toán cho thấy khí HHO có thể đạt 1,3 LPM Xu hướng của thí nghiệm và mô hình đều cho thấy sự tương đồng trong việc thay đổi dòng điện và tốc độ tạo khí HHO Bài báo cũng phân tích ảnh hưởng của các thông số như nồng độ dung dịch điện phân, thời gian và nhiệt độ đến tốc độ sản xuất khí Ngoài ra, năng lượng cần thiết và số lượng mô-đun sản xuất khí HHO cho động cơ cũng được xem xét.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng nhiên liệu kép hydro - xăng trên động cơ xe gắn máy nhằm giảm thiểu phát thải ra môi trường.
Quá trình điện phân nước để sản xuất HHO dựa trên các cơ sở lý thuyết và tính toán chính xác Việc lựa chọn vật liệu phù hợp và tối ưu cho bình điện phân là rất quan trọng Đồng thời, cần xây dựng mô hình điều khiển và kiểm soát quá trình điện phân để đảm bảo sản xuất HHO hiệu quả, đáp ứng các chế độ làm việc của động cơ.
Bài viết này sẽ phân tích cơ sở lý thuyết và tính toán các thông số nhiên liệu trong quá trình cháy của động cơ xăng truyền thống so với động cơ sử dụng phụ nhiên liệu HHO Qua đó, chúng tôi sẽ so sánh và chỉ ra những ưu điểm vượt trội của động cơ HHO, như hiệu suất năng lượng cao hơn, giảm thiểu khí thải độc hại và tiết kiệm nhiên liệu Sự chuyển mình từ động cơ xăng truyền thống sang công nghệ HHO không chỉ mang lại lợi ích về môi trường mà còn nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ.
Mô hình động cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu kép xăng – HHO được phát triển nhằm giảm thiểu phát thải Để đánh giá hiệu quả của mô hình này, lượng khí thải của động cơ sẽ được đo tại Trung tâm đăng kiểm.
Đối tượng và khách thể nghiên cứu
- Quá trình điện phân nước thu HHO, bộ điều khiển điện phân
- Quá trình cháy của động cơ xe máy
- Đặc tính cháy của khí HHO khi nạp vào buồng đốt
- Sản phẩm cháy trước và sau khi nạp khí HHO vào buồng đốt
Nghiên cứu sản xuất khí HHO thông qua quá trình điện phân đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng của HHO như một nhiên liệu phụ trong động cơ xe gắn máy, giúp giảm thiểu phát thải ra môi trường Việc sử dụng HHO không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.
Giả thuyết nghiên cứu
Nhiên liệu hydro là một lựa chọn thay thế hiệu quả cho hệ thống nhiên liệu kép của động cơ xăng, giúp cải thiện hiệu suất và giảm khí thải Hydro được cung cấp dưới dạng hỗn hợp HHO từ bình điện phân, sử dụng năng lượng từ ắc quy Lưu lượng khí HHO được điều chỉnh bởi bộ điều khiển điện phân, dựa trên công suất và điều kiện làm việc của động cơ, trước khi được đưa vào ống nạp Việc sử dụng HHO không chỉ tối ưu hóa quá trình cháy mà còn giảm thiểu đáng kể các khí thải độc hại, đặc biệt là hydrocarbon (HC).
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết và các tính toán: quá trình điện phân, đặc tính cháy của động cơ xăng, định lượng nhiên liệu của động cơ xăng
- Nghiên cứu bộ điều khiển điện phân để kiểm soát lưu lượng khí HHO sinh ra và cung cấp cho động cơ
- Nghiên cứu mô hình động cơ xe gắn máy, tiến hành cung cấp phụ nhiên liệu vào động cơ, sau đó so sánh và đánh giá kết quả.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu và khảo sát về đặc tính cũng như hiệu suất của quá trình điện phân là rất quan trọng Bằng cách tham khảo các bài báo khoa học, chúng ta có thể đưa ra giải pháp tối ưu nhất cho quá trình điện phân, từ đó nâng cao hiệu quả và ứng dụng trong thực tiễn.
- Nghiên cứu ứng dụng phụ nhiên liệu là sản phẩm của quá trình điện phân nước vào động cơ xăng để giảm phát thải
Phương pháp nghiên cứu
1.8.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu lý thuyết, tính toán về quá trình điện phân
Nghiên cứu lý thuyết và tính toán định lượng về quá trình cháy của động cơ cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong lượng khí thải sinh ra khi sử dụng phụ nhiên liệu HHO so với khi không sử dụng Việc phân tích này giúp hiểu rõ hơn về hiệu quả của HHO trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ động cơ.
Cung cấp phụ nhiên liệu HHO và đường ống nạp trước cánh bướm ga
1.8.3 Phương pháp khảo sát thực nghiệm
- Khảo sát lượng HHO sinh ra ở các chế độ hoạt động của xe
- Khảo sát lượng khí thải trước và sau khi cung cấp phụ nhiên liệu
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khả năng ứng dụng
để giảm phát thải ra môi trường
Sức ép về môi trường và cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đang tạo ra thách thức lớn cho toàn cầu trong việc giảm ô nhiễm và tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế Theo Cơ quan Năng lượng thế giới (IEA), công nghệ nhiên liệu hydro có khả năng giảm ô nhiễm khí thải từ động cơ xăng Nhiên liệu hydro được chú trọng nhờ vào đặc tính thân thiện với môi trường, nguồn nguyên liệu dồi dào từ nước, và hiệu suất động cơ vượt trội Nó có thể được sử dụng kết hợp với xăng thông qua nhiều phương pháp kỹ thuật trong hệ thống nhiên liệu kép.
Hydro có thể được sản xuất từ nhiều nguồn như khí thiên nhiên, dầu mỏ, than đá và phương pháp điện phân nước Trong số các phương pháp này, điện phân nước là lựa chọn có chi phí thấp nhất và đang thu hút sự chú ý nhờ vào việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo Công nghệ điện phân nước không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn là một giải pháp sạch, thân thiện với môi trường.
Nhiên liệu hydro, sử dụng trong động cơ đốt trong, có hai dạng chính là hydro nguyên chất và hỗn hợp hydro-oxy (HHO), với HHO được sản xuất qua phương pháp điện phân Cả hai dạng nhiên liệu này có tính chất tương tự nhau Theo Bảng 2.1, nhiên liệu hydro có năng lượng đánh lửa thấp hơn 12,5 lần so với xăng, nhưng lại có tốc độ cháy cao hơn 4,3 lần, cùng với nhiệt độ cháy và nhiệt độ ngọn lửa cao hơn, cũng như hệ số nhiệt trị và nhiệt trị cao hơn 2,7 lần so với xăng.
Bảng 2.1 Tính chất của các nhiên liệu
Giới hạn cháy (%V) 4-75 4-95 1,2-6 Năng lượng đánh lửa (mJ) 2 2 25 Tốc độ cháy (m/s) 1,9 1,87 0,37-0,43 Nhiệt độ tự cháy (K) 858 843 500-750 Nhiệt độ cháy (K) 2933 3073 2282 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 119,96 120,9 44,79
Trong hỗn hợp hòa khí có HHO, tỉ lệ hòa khí được tính theo công thức:
Trong quá trình hoạt động của động cơ, 𝑚̇a biểu thị khối lượng không khí vào xylanh trong 1 giây, trong khi 𝑚̇g là khối lượng xăng phun vào xylanh trong cùng khoảng thời gian Bên cạnh đó, 𝑚̇HHO đại diện cho khối lượng hydro được phun vào xylanh mỗi giây Tỉ lệ không khí/nhiên liệu lý tưởng cho xăng được ký hiệu là AFRgst, còn AFRHHOst là tỉ lệ tương tự cho HHO Đặc biệt, trong quá trình cháy của HHO trong xylanh, chỉ có nước được sinh ra và HHO có khả năng tự cháy mà không cần thêm oxy, dẫn đến AFRHHOst bằng 0 Kết quả là tỉ lệ hòa khí của hỗn hợp nhiên liệu kép HHO-xăng được xác định.
Phương trình (2.2) thể hiện tỉ lệ của hệ thống nhiên liệu xăng, cho thấy rằng việc thêm HHO vào xylanh không làm thay đổi tỉ lệ hòa khí trong hỗn hợp so với động cơ xăng nguyên thủy Điều này có nghĩa là hệ thống điều khiển nhiên liệu không cần phải điều chỉnh tỉ lệ này, tạo thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng sử dụng HHO trên động cơ xăng truyền thống.
2.1.2 Đánh giá về khả năng ứng dụng nhiên liệu hydro qua tính chất của nhiên liệu
Nhiên liệu hydro có giới hạn cháy cao, giúp mở rộng giới hạn cháy nghèo cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép hydro-xăng Đặc tính này còn cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu khi thêm hydro vào xăng.
Nhiên liệu hydro có tốc độ cháy cao gấp 4,4 lần so với xăng, giúp hỗn hợp cháy nhanh hơn và giảm lượng nhiệt hao phí qua thành xylanh, từ đó nâng cao hiệu suất nhiệt khi ứng dụng hydro vào xăng Ngoài ra, các đặc tính như nhiệt trị cao và nhiệt độ cháy cao cũng góp phần cải thiện hiệu suất động cơ.
Tốc độ cháy cao, khả năng cháy nghèo và nhiệt độ ngọn lửa cao có thể cải thiện các thành phần khí thải như hydrocarbon (HC) và carbon monoxide (CO), nhưng đồng thời cũng có thể dẫn đến sự gia tăng phát thải nitrogen oxides (NOx).
Mặc dù nhiên liệu kép hydro-xăng mang lại nhiều ưu điểm, nhưng các tính chất của nó có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng kích nổ do sự gia tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt Sự không đồng đều trong tốc độ cháy của hydro và xăng là nguyên nhân chính dẫn đến vấn đề này Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào trên thế giới về khía cạnh này.
Có hai kiểu hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng được áp dụng: đầu tiên là hệ thống nạp hydro sau cánh bướm ga cho động cơ sử dụng bộ chế hòa khí, và thứ hai là hệ thống phun nhiên liệu hydro trên đường nạp.
2.1.3 Điều chế hydro bằng phương pháp điện phân nước
Hydro, hay còn gọi là Hydroxy (HHO), được sản xuất thông qua quá trình điện phân nước Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về các phương pháp điện phân như điện phân kiềm, điện phân sử dụng màng trao đổi proton (PEM) và điện phân nước ở nhiệt độ cao Tuy nhiên, bài báo cáo này chủ yếu tập trung vào điện phân kiềm, đặc biệt là mô hình HHO được ứng dụng trong các phương tiện giao thông như ô tô và xe máy.
Trong phương pháp điện phân dung dịch kiềm, nước được điện phân bằng nguồn điện một chiều với hai điện cực làm từ kim loại trơ như bạch kim hoặc thép không gỉ Trong môi trường dung dịch kiềm như KOH, khí H2 xuất hiện ở điện cực âm do sự hút ion H+, trong khi khí O2 xuất hiện ở điện cực dương do sự hút ion O2- Nếu quá trình diễn ra lý tưởng, lượng hydro sản sinh sẽ gấp đôi lượng oxy, và cả hai khí này đều tỷ lệ thuận với tổng lượng điện năng được cung cấp.
Trong quá trình 12 dịch, nhiều tế bào cạnh tranh có thể gây ra phản ứng phụ, dẫn đến sự hình thành các sản phẩm khác nhau và số lượng sản phẩm thu được thường ít hơn so với kết quả lý tưởng.
Nước nguyên chất không dẫn điện do điện trở cao, vì vậy cần thêm các chất điện ly mạnh như muối, axit hoặc bazơ mạnh để điện phân nước KOH và NaOH là những chất điện phân hiệu quả, dễ hòa tan trong nước và dẫn điện tốt, thường được sử dụng trong sản xuất hydro Các ion K+ và Na+ có khả năng khử mạnh, giúp tăng tốc quá trình khử tại catot Dòng điện trong chất điện phân là sự di chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược lại.
Khối lượng HHO thu được được tính theo công thức Faraday:
- m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)
- A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực
- n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận
- I: cường độ dòng điện trung bình của ắc quy (A)
- F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10 -19 6,022.10 23 ≈ 96500 C.mol -1 ).
Cơ sở lý thuyết về định lượng nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ
Lưu lượng khí nạp được xác định bằng phương pháp tốc độ tỉ trọng, trong đó lưu lượng khối lượng khí nạp dựa vào các yếu tố như áp suất và nhiệt độ của không khí, tốc độ động cơ, cũng như hiệu suất nạp.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu các yếu tố quan trọng liên quan đến động cơ, bao gồm dung tích xylanh (D), hiệu suất nạp (𝜂 𝑣), lưu lượng khối lượng không khí (𝑚̇ 𝑎), tốc độ động cơ (n), và lưu lượng khối lượng khí luân hồi (𝑚̇ 𝐸𝐺𝑅) Các thông số này đóng vai trò then chốt trong việc đánh giá hiệu suất và hoạt động của động cơ, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm khí thải.
Mật độ, áp suất và nhiệt độ không khí tại điều kiện chuẩn được ký hiệu lần lượt là 13, p và T Trong khi đó, p và T cũng đại diện cho áp suất và nhiệt độ không khí tại điều kiện thực tế Đối với hiệu suất nạp, giá trị được xác định là 𝜂 𝑣 = 1.
Trong động cơ, các yếu tố quan trọng bao gồm tỉ số nén ε, áp suất khí nạp trước xupap nạp (Pk), nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk), và áp suất cuối quá trình nạp (Pa) Ngoài ra, độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (ΔT), hệ số nạp thêm λ1, hệ số quét buồng cháy λ2, và hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt cũng đóng vai trò quan trọng Cuối cùng, áp suất khí sót (Pr) và chỉ số giãn nở đa biến trung bình (m) là các yếu tố cần xem xét để đánh giá hiệu suất của động cơ.
Lượng nhiên liệu phun vào động cơ được tính toán thông qua tỉ lệ hòa khí AFR và chế độ hoạt động của động cơ:
𝑇 (𝐴𝐹𝑅) 𝑑𝑚 (2.7) Đối với động cơ không trang bị hệ thống luân hồi khí thải:
𝑇 (𝐴𝐹𝑅) 𝑑𝑚 (2.8) Đây là phương trình xác định lưu lượng nhiên liệu trên động cơ xăng truyền thống
2.2.2 Quá trình cháy trong động cơ Áp dụng Định luật nhiệt động học thứ nhất để khảo sát một lượng môi chất m đi qua hệ thống Hóa năng tỏa ra do quá trình cháy trong động cơ được tính theo biểu thức:
Trong đó: m: khối lượng môi chất, 𝑛 𝑖 là số mol của môi chất i trong một đơn vị khối lượng của môi chất công tác, ∆ℎ̃ 0
𝑓,𝑖 enthalpi hình thành của môi chất i trong môi trường TA và áp suất 𝑝 0
Công cực đại của động cơ được xác định thông qua Định luật nhiệt động học thứ hai áp dụng cho hệ thống hở Trong đó, nhiên liệu được coi là đồng nhất và được gọi chung là môi chất m Khi xem xét lượng môi chất m đi qua hệ thống, Định luật bảo toàn năng lượng sẽ được áp dụng để tính toán.
Trong quá trình cháy đẳng áp, công có ích truyền ra ngoài được ký hiệu là ∆Wu, trong khi công trao đổi được ký hiệu là ∆W và nhiệt lượng trao đổi là ∆Q Nhiệt trị của nhiên liệu được biểu thị là Q HV.
Hình 2.1 Hệ thống hở dùng để khảo sát động cơ đốt trong
Vì sự truyền nhiệt ∆Q chỉ xay ra đối với môi trường không khí ở nhiêt độ T A , định luật nhiệt động học thứ hai có thể viết:
Kết hợp (2.6) và (2.7) ta có:
Thông thường p 0 = p A và T D – T A Công cực đại nhận được khi p C = p A và T C = T A trong điều kiện đó:
Năng lượng tự do Gibbs, được định nghĩa bởi công thức G = H - TS, đóng vai trò quan trọng trong phản ứng hóa học của hỗn hợp nhiên liệu và không khí Độ tăng năng lượng Gibbs (∆𝐺) 𝑇 𝐴 𝑃 𝐴 trong điều kiện nhiệt độ T A và áp suất p A sẽ đạt giá trị cực đại -(∆𝐺) 𝑇 𝐴 𝑃 𝐴 khi quá trình cháy diễn ra hoàn toàn.
Hiệu suất của chu trình công tác được xác định bằng tỷ số giữa công thực tế nhận được và công cực đại, được gọi là hiệu suất biến đổi thực tế.
Trong đó: 𝜂 𝑎 là hiệu suất của quá trình công tác ĐỘNG CƠ Khí xả
Việc xác định đại lượng ∆𝐺 đối với nhiên liệu thực tế là một thách thức lớn, trong khi đại lượng ∆ℎ thường được đo đạc dễ dàng hơn Trong các phản ứng, nước tồn tại ở dạng hơi, và đối với các hydrocarbon thông thường, giá trị ∆h°298 và ∆g°298 thường rất gần nhau.
Đối với nhiên liệu thực tế, ∆h°298 được xác định bằng cách đo trực tiếp và tính toán dựa trên tích số giữa nhiệt trị của nhiên liệu và khối lượng nhiên liệu được đốt cháy Do đó, công riêng phần có thể được định nghĩa qua biểu thức sau.
Công riêng phần (W c) tương ứng với lượng nhiên liệu (m f) và hiệu suất biến đổi nhiên liệu (h f) đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (Q LHV) cũng là yếu tố cần xem xét Đối với các nhiên liệu hydrocarbon, công riêng phần trong biến đổi nhiên liệu gần như tương đương với công riêng phần trong biến đổi thực tế, do đó Δh°≈Δg°.
Cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân
Trong điều kiện tiêu chuẩn (25 o C (298 0 K), 1bar), phản ứng tách nước được thực hiện như sau:
2O2 (k) Giả sử phản ứng trên là thuận nghịch và thực hiện trong điều kiện đẳng nhiệt, thì khi đó:
Độ biến thiên năng lượng của phản ứng tách nước được mô tả bởi công thức 𝛥𝐺(𝑇) = 𝛥𝐻(𝑇) − 𝑇 𝛥𝑆(𝑇), trong đó 𝛥𝐻 (J/mol) là hệ số thay đổi enthalpy Đặc biệt, 𝛥𝐻 có thể đạt đến 2250 °C, cho thấy năng lượng cần thiết để phân ly nước thành hydro và oxi là rất lớn.
𝑚𝑜𝑙) : sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs
Lượng điện đủ để điện phân 1mol nước ở điều kiện chuẩn:
Điện áp nhiệt động tiêu chuẩn (E 0) khoảng 1,229V, và nó có thể được xác định thông qua một điện áp điện phân khác, được gọi là điện áp nhiệt đẳng áp (ETN) ETN là điện áp cần thiết để quá trình điện phân nước diễn ra ở nhiệt độ không đổi mà không có sự trao đổi nhiệt.
𝑛𝐹 (2.19) Ở nhiệt độ nhỏ hơn 100 0 C, ETN(T) = ∆𝐻(𝑇)
2𝐹=1.48𝑉 Khi điện áp nhỏ hơn E 0 thì phản ứng điện phân sẽ không xảy ra vì không đủ năng lượng
Khi áp dụng hiệu điện thế U trong khoảng E0 < U < ETN, quá trình điện phân có thể diễn ra nhưng cần có nhiệt từ môi trường xung quanh Nếu không có nguồn nhiệt bổ sung, nhiệt độ của các phân tử trong quá trình điện phân sẽ giảm Tại điện thế của tế bào nhiệt hạch, phản ứng phân ly nước diễn ra ở nhiệt độ không đổi mà không cần trao đổi nhiệt với môi trường Khi điện áp vượt quá điện áp nhiệt điện, quá trình điện phân sẽ phát sinh nhiệt và tỏa ra môi trường xung quanh.
Các hàm nhiệt động lực học chính như 𝛥𝐻, T.𝛥𝑆 và 𝛥𝐺 đóng vai trò quan trọng trong phản ứng tách nước Sự thay đổi đột ngột của 𝛥𝐻 và T.𝛥𝑆 xảy ra do quá trình hóa hơi của nước từ thể lỏng sang thể hơi.
Hình 2.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của các thông số nhiệt động chính đối với quá trình điện phân nước
Thuật ngữ không thứ nguyên 𝜂TD được định nghĩa là tỷ số giữa sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs và sự thay đổi entanpi, cho phép biểu thị phần năng lượng trong các quá trình nhiệt động lực học.
17 lượng điện cần thiết cho sự tách nước Vì cả 𝛥𝐺 (T) và 𝛥𝐻 (T) đều là hàm của nhiệt độ hoạt động, nên 𝜂TD cũng là hàm của nhiệt độ hoạt động:
Với ETN là điện áp cần thiết để quá trình điện phân xảy ra mà không cần quá trình truyền hay trao đổi nhiệt
E(T) là điện áp tối đa có thể dùng để điện phân nước mà không tỏa nhiệt
Enthalpi của sự phân ly nước không thay đổi đáng kể theo nhiệt độ, nhưng sự thay đổi của entropi lại ảnh hưởng lớn đến năng lượng tự do Gibbs và điện áp điện phân Kết quả là, điện năng cần thiết để tách nước (η TD) cũng giảm theo nhiệt độ.
Biểu thức định lượng điện áp nhiệt động cần thiết để tách nước thành hydro và oxy có thể được suy ra từ công thức Nernst Điện áp E(T) phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động, áp suất riêng phần của các chất phản ứng (PO2, PH2) và hoạt độ nước (aH2O) trong chất điện phân.
2.3.1.2 Động học và hiệu suất Ở trạng thái cân bằng, phản ứng tách nước xảy ra với một tốc độ nhỏ vô hạn Để tách nước thành hydro và oxi, điện áp U đặt vào điện phân phải lớn hơn đáng kể so với điện áp nhiệt động E để cho mật độ dòng điện J đáng kể chạy qua tế bào điện phân
𝑈(𝑗) = 𝐸 + 𝜂 𝑐 (𝑗) + 𝜂 𝑎 (𝑗) + 𝐽𝑅 𝑒𝑙 (𝑗) (2.22) Trong quá trình điện phân, các điện trở chính đối với dòng điện là:
- Quá áp trong quá trình truyền điện tích giữa cực dương/chất điện phân (ηa) và giữa cực âm/chất điện phân (ηc)
- Điện trở suất của chất điện phân Rel
Trường hợp điện phân nước sử dụng chất điện li đậm đặc, các giá trị ηa và ηc sẽ được thể hiện qua phương trình Tafel: η = a + b + ln𝐼 (2.23)
𝛼.𝑛.𝐹 với α = 0,5 là hệ số electron được chuyển do phản ứng chuyển hóa, i0 là mật độ dòng điện trao đổi (A/m 2 )
Trong công thức (2.22), có thể thấy rằng η giảm khi nhiệt độ tăng, dẫn đến nhiệt độ hoạt động của phân tử điện phân tăng, từ đó làm giảm lượng điện tiêu thụ do ∆𝐺 (ηTD) giảm và cải thiện động học tổng thể Ngược lại, η lại tăng khi dòng điện J tăng Hiệu suất entanpi 𝜂 𝛥𝐻 được đề cập trong bối cảnh này.
Một đặc tính quan trọng khác của phân tử điện phân là hiệu suất dòng điện (faraday):
Thông thường, giá trị 𝜂 𝐹 ≈ 1, tuy nhiên giá trị thật sự thu được thấp hơn đáng kể vì:
- Tiêu thụ năng lượng được sử dụng để điện phân các tạp chất có trong chất điện phân;
- Sự tái hợp tự phát của các sản phẩm phản ứng không được tách ra một cách thích hợp trong quá trình vận hành;
- Tổn thất dòng điện trong quá trình điệm phân
2.3.1.3 Công nghệ chủ yếu trong điện phân nước
Có 2 thông số chính để tiến hành khảo sát điện phân nước là nhiệt độ (đã khảo sát ở mục 2.1.1) và độ pH của chất điện phân
- Đối với thông số nhiệt độ thì ta khảo sát ở 3 trường hợp: nhiệt độ thấp (T