Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống nhiên liệu kép hydro xăng trên động cơ xăng với ứng dụng năng lượng mặt trời sản xuất hydro

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu diesel hoặc xăng trên tàu thuyền và phương tiện giao thông đường bộ có hiệu suất chuyển hóa năng lượng thấp, gây ra khí thải độc hại như CO và NOx, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người Việc giảm khí thải động cơ không chỉ cần thiết về mặt môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế lớn, đặc biệt cho ngư dân, khi mỗi lít dầu và giờ đánh bắt đều ảnh hưởng đến thu nhập của họ Giải pháp cải thiện khí thải và tiết kiệm nhiên liệu 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 sử dụng khí điện phân HHO để bổ sung vào hỗn hợp nhiên liệu đang được ưa chuộng, giúp giảm đáng kể lượng khí thải và cải thiện hiệu suất động cơ từ 20-30%, tiết kiệm nhiên liệu lên đến 30% Nghiên cứu từ các nhà khoa học Ấn Độ và Nga cho thấy HHO có thể giảm tới 90% khí thải CO và tăng công suất động cơ từ 3-10%, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội khác.

Mô hình nghiên cứu này hiện chưa được khảo sát rộng rãi cả trong và ngoài nước, do đó, cần thiết phải xây dựng một cơ sở lý thuyết đầy đủ và chính xác Bài viết này cung cấp một nền tảng lý thuyết cho việc tính toán trạng thái cân bằng năng lượng trong hệ thống nhiên liệu kép sử dụng năng lượng mặt trời trực tiếp Cơ sở lý thuyết này bao gồm các phương trình tính toán định lượng nhiên liệu, rất quan trọng cho quá trình điều khiển động cơ Đây sẽ là nền tảng cho các mô phỏng và thí nghiệm, phục vụ cho nghiên cứu chuyên sâu về hiệu suất động cơ và ô nhiễm khí thải trong quá trình hoạt động của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu

Môi trường hiện nay đang đối mặt với ô nhiễm nghiêm trọng và hiệu ứng nhà kính không có dấu hiệu giảm Nghiên cứu cho thấy khí thải từ động cơ chiếm tỷ lệ lớn trong ô nhiễm này Quá trình cháy trong buồng cháy động cơ lý tưởng chỉ tạo ra CO2, H2O và N2, nhưng thực tế lại sinh ra nhiều chất độc hại như NOx, CO, CnHm, SO2 và bụi hữu cơ Những chất này là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường Ô nhiễm không khí được định nghĩa là sự thay đổi thành phần không khí do sự hiện diện của các chất lạ, gây hại cho sức khỏe con người Hầu hết các chất thải từ động cơ đều là những tác nhân gây ô nhiễm.

Tại TP Hồ Chí Minh, các nhà khoa học cảnh báo về tình trạng ô nhiễm không khí nghiêm trọng, đặc biệt là sự gia tăng nồng độ các chất độc hại như benzene và nitơ oxit Đáng chú ý, nồng độ bụi PM10 tại một số khu vực đã đạt mức cao, gây lo ngại cho sức khỏe cộng đồng.

Nồng độ bụi mịn PM2.5 tại Việt Nam đạt 80 microgam/m³, vượt xa mức cho phép Các chất ô nhiễm khác như SO2 lên đến 30 microgam/m³ và benzene có nơi đạt 35-40 microgam/m³ Hàng năm, giao thông Việt Nam thải ra khoảng sáu triệu tấn CO2, 61.000 tấn CO, 35.000 tấn NO2, 12.000 tấn SO2 và hơn 22.000 tấn các chất ô nhiễm khác.

CmHn nồng độ các chất có hại trong không khí ở các đô thị lớn vượt quá mức cho phép nhiều lần, riêng SO2 cao gấp 2-3 lần

Chúng em thực hiện đề tài này để nghiên cứu quy trình sản xuất khí HHO và ứng dụng thực tế của nó Mô hình thử nghiệm trên động cơ sẽ giúp đánh giá hiệu quả của khí HHO khi kết hợp với xăng, từ đó xác định hướng đi chính xác cho việc ứng dụng khí HHO trong động cơ Đây là công nghệ hứa hẹn cho tương lai.

Giới hạn đề tài

Đề tài này mang tính mới mẻ và có độ khó cao trong việc nghiên cứu, cùng với việc nhiều nguồn tài liệu không chính xác, dẫn đến khó khăn trong quá trình thực hiện Nhóm nghiên cứu chỉ có thể dựa vào những lý thuyết cơ bản và do thời gian hạn chế, nên chỉ thực hiện được đề tài trong một giới hạn nhất định mà không thể mở rộng thêm.

Phương pháp nghiên cứu

 Tìm kiếm tài liệu, lý thuyết cơ bản về điện phân, phối hợp HHO+xăng.

 Các hướng nghiên cứu và các công trình nghiên cứu trước về điện phân nước.

 Tính toán nguồn năng lượng mặt trời để tạo ra HHO.

 Thí nghiệm kiểm tra kết quả thu được.

 Thử sử dụng nguồn 12v điện phân điều chế khí hydro.

Phương tiện nghiên cứu và thiết kế

 Sử dụng 2 tấm pin mặt trời công suất 20W dòng 1A.

 Dùng đồng hồ đo điện áp bộ cell.

 Thí nghiệm trên động cơ xe máy, xây dựng mô hình ở tại nhà.

Ý nghĩa việc sử dụng nhiên liệu mới ô tô

- Tạo nguồn nhiên liệu phong phú

- Tạo nhiều hệ thống nhiên liệu trong động cơ đốt trong. b Ý nghĩa khoa học:

 Nghiên cứu, phát triển nhiên liệu mới trong tương lai.

 Cải thiện môi trường trái đất.

 Giải tỏa áp lực việc cạn kiệt nhiên liệu.

 Là bước nhảy lớn trong nghành ô tô nói riêng và kỹ thuật nói riêng.

NỘI DUNG

Động cơ nhiệt là loại máy biến đổi nhiệt năng thành cơ năng, thường sử dụng nhiên liệu để tạo ra nhiệt năng thông qua quá trình đốt cháy Các động cơ nhiệt được chia thành hai nhóm chính: động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài Đối với động cơ đốt trong, nhiên liệu được đốt cháy trực tiếp trong không gian làm việc của động cơ, trong khi động cơ đốt ngoài sử dụng lò đốt riêng để tạo nhiệt cho môi chất công tác, sau đó dẫn vào không gian làm việc để chuyển hoá nhiệt năng thành cơ năng.

Các loại động cơ như động cơ xăng, diesel, piston quay, piston tự do, động cơ phản lực và turbine khí đều thuộc nhóm Động cơ đốt trong Ngược lại, động cơ hơi nước kiểu piston, turbine hơi nước và động cơ Stirling thuộc nhóm Động cơ đốt ngoài Trong tài liệu chuyên ngành, thuật ngữ "Động cơ đốt trong" thường chỉ loại động cơ cổ điển với cơ cấu truyền lực kiểu piston-thanh truyền-trục khuỷu, trong đó piston chuyển động tịnh tiến trong xylanh Các loại động cơ đốt trong khác được gọi bằng tên riêng như động cơ piston quay, piston tự do, động cơ phản lực và turbine khí Trong giáo trình này, thuật ngữ động cơ đốt trong (ĐCĐT) được hiểu theo quy ước này và có thể phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Khái niệm về ĐCĐT

Động cơ nhiệt là loại máy biến đổi nhiệt năng thành cơ năng, thường sử dụng nhiên liệu để tạo ra nhiệt năng thông qua quá trình đốt cháy Các loại động cơ nhiệt được chia thành hai nhóm chính: động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài Trong động cơ đốt trong, nhiên liệu được đốt cháy trực tiếp trong không gian làm việc, nơi diễn ra quá trình chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng Ngược lại, động cơ đốt ngoài đốt cháy nhiên liệu trong lò riêng biệt để tạo nhiệt cho môi chất công tác, sau đó môi chất này được dẫn vào không gian làm việc của động cơ để chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng.

Theo phân loại, động cơ được chia thành hai nhóm chính: động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài Các loại động cơ như động cơ xăng, diesel, piston quay, piston tự do, động cơ phản lực và turbine khí thuộc nhóm động cơ đốt trong Trong chuyên ngành, thuật ngữ "Động cơ đốt trong" thường chỉ động cơ cổ điển với cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu, nơi piston di chuyển trong xylanh Các động cơ đốt trong khác có tên riêng như động cơ piston quay, động cơ piston tự do, động cơ phản lực và turbine khí Trong giáo trình này, động cơ đốt trong (ĐCĐT) được hiểu theo cách này và có thể phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm nguyên lý hoạt động như động cơ phát hoả bằng tia lửa, động cơ diesel, động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ.

Tiêu chí phân loại Phân loại

- Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng dễ bay hơi như: xăng, alcohol, benzol, v.v.

- Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng khó bay hơi, như: gas oil, mazout, v.v.

- Động cơ chạy bằng khí đốt.

Phương pháp phát hoả nhiên liệu

- Động cơ phát hoả bằng tia lửa.

Cách thức thực hiện chu trình công tác

Phương pháp nạp khí mới vào không gian công tác

- Động cơ không tăng áp.

- Động cơ tăng áp. Đặc điểm kết cấu

- Động cơ một hàng xylanh ; động cơ hình sao

- Động cơ có xylanh thẳng đứng, ngang, nghiêng.

- Động cơ thấp tốc, trung tốc và cao tốc.

- Động cơ công suất nhỏ, trung bình và lớn.

- Động cơ xe cơ giới đường bộ.

Nguyên lý làm việc và một số đặc điểm của ĐCĐT

1.2.1 Những khái niệm và định nghĩa cơ bản

1.2.1.1.1 Tên gọi một số bộ phận cơ bản

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel 4 kỳ.

1- Lọc không khí, 2- Ống nạp, 3- Xupap nạp, 4- Xupap xả, 5- Ống xả,6- Bình giảm thanh, 7- Nắp xylanh, 8- Xylanh, 9- Piston, 10- Xecmang,11- Thanh truyền, 12- Trục khuỷu, 13- Cacte, 14- Vòi phun nhiên liệu

1.2.1.1.2 Điểm chết, Điểm chết trên, Điểm chết dưới

Điểm chết là vị trí trong cơ cấu truyền lực, nơi mà bất kể lực tác dụng lên đỉnh piston lớn đến mức nào, trục khuỷu vẫn không thể quay.

• Điểm chết trên (ĐCT) là vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó piston cách xa trục khuỷu nhất.

• Điểm chết dưới (ĐCD) là vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó piston ở gần trục khuỷu nhất.

 Khoảng cách giữa ĐCT và ĐCD.

1.2.1.1.4.Không gian công tác của xylanh

Không gian bên trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston, nắp xylanh và thành xylanh, trong đó thể tích không gian công tác (V) sẽ thay đổi khi piston di chuyển.

 Phần không gian công tác của xylanh khi piston ở ĐCT.

1.2.1.1.6 Dung tích công tác của xylanh (VS)

 Thể tích phần không gian công tác của xylanh được giới hạn bởi hai mặt phẳng vuông góc với đường tâm của xylanh và đi qua ĐCT, ĐCD:

(1.1) Trong đó : D - đường kính của xylanh; S - hành trình của piston.

Hình 1.2 ĐCT, ĐCD và thể tích không gian công tác của xylanh.

 Tỷ số giữa thể tích lớn nhất của không gian công tác của xylanh (Va) và thể tích của buồng đốt (Vc). a s c c c v v v v v

1.2.1.1.8 Môi chất công tác (MCCT)

Chất trung gian đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng Trong các giai đoạn khác nhau của chu trình công tác, chất này có thành phần và trạng thái biến đổi, được gọi bằng nhiều tên khác nhau như khí mới, sản phẩm cháy, khí thải, khí sót, hỗn hợp cháy và hỗn hợp khí công tác.

Khí mới, hay còn gọi là khí nạp, là loại khí được đưa vào không gian làm việc của xylanh thông qua cửa nạp Trong động cơ diesel, khí mới chủ yếu là không khí, trong khi ở động cơ xăng, khí mới là sự kết hợp giữa không khí và xăng.

• Sản phẩm cháy - những chất được tạo thành trong quá trình đốt cháy nhiên liệu trong không gian công tác của xylanh, ví dụ: CO2, H2O, CO, SO2, NOx, v.v

Khí thải là hỗn hợp các chất được thải ra từ không gian làm việc của xylanh sau khi đã dãn nở để tạo ra cơ năng Đối với động cơ đốt trong, khí thải bao gồm sản phẩm cháy, nitơ (N2) và oxy (O2) còn dư.

• Khí sót - phần sản phẩm cháy còn sót lại trong không gian công tác của xylanh sau khi cơ cấu xả đã đóng hoàn toàn.

• Hỗn hợp cháy (HHC) - hỗn hợp của nhiên liệu và không khí.

• Hỗn hợp khí công tác - hỗn hợp nhiên liệu - không khí – khí sót.

 Quá trình thay đổi trạng thái và thành phần của MCCT trong xylanh diễn ra trong một giai đoạn nào đó của chu trình công tác.

1.2.1.1.10 Chu trình công tác (CTCT)

 Tổng cộng tất cả các quá trình công tác diễn ra trong khoảng thời gian tương ứng với một lần sinh công ở một xylanh.

 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của áp suất của MCCT trong xylanh theo thể tích của không gian công tác hoặc theo góc quay của trục khuỷu.

Hình 1.3 Đồ thị công của động cơ 4 kỳ.

Nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp

Hình 1.4 Chu trình công tác của động cơ diesel 4 kỳ.

Động cơ 4 kỳ hoàn thành mỗi chu trình công tác sau 4 hành trình của piston, với các đồ thị biểu diễn chu trình công tác bao gồm: đồ thị công, đồ thị góc và đồ thị công khai triển Thời điểm quan trọng trong chu trình bao gồm thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu ở động cơ diesel hoặc thời điểm đánh lửa của buji ở động cơ xăng, thời điểm áp suất cháy đạt giá trị cực đại, thời điểm xupap xả bắt đầu mở, thời điểm xupap nạp bắt đầu mở và thời điểm xupap nạp đóng hoàn toàn, cùng với thời điểm xupap xả đóng hoàn toàn.

 Trong hành trình nạp, piston được trục khuỷu kéo từ ĐCT đến ĐCD Xupap nạp mở, xupap xả đóng Không khí được hút vào xylanh qua xupap nạp.

Trong quá trình nén, piston được trục khuỷu đẩy từ ĐCD đến ĐCT, lúc này cả hai loại xupap (nạp và xả) đều đóng Áp suất và nhiệt độ của khí trong xylanh tăng dần do sự nén của piston Khi piston gần đến ĐCT (điểm cf), nhiên liệu được phun vào buồng đốt và tự bốc cháy, dẫn đến sự gia tăng đột ngột về áp suất và nhiệt độ trong xylanh.

Trong quá trình sinh công, khí có áp suất cao trong xylanh đẩy piston từ ĐCT đến ĐCD, làm trục khuỷu quay Cả hai loại xupap vẫn được giữ kín trong giai đoạn này, trong khi quá trình cháy nhiên liệu vẫn tiếp tục diễn ra ở giai đoạn đầu của hành trình sinh công.

Trong quá trình xả, piston được trục khuỷu đẩy từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT) Khi này, xupap nạp đóng lại và xupap xả mở ra, cho phép khí thải trong xy lanh được đẩy ra ngoài qua xupap xả.

Bảng 2.2 Tóm tắt chu trình công tác của động cơ 4 kỳ

Hành trình NẠP NÉN SINH CÔNG XẢ

Chuyển vị của piston ĐCT ĐCD ĐCD ĐCT ĐCT ĐCD ĐCD ĐCT

Xupap nạp Mở Đóng Đóng Đóng

Xupap xả Đóng Đóng Đóng Mở

Khí mới đi vào xylanh Không khí - - -

Vòi phun nhiên liệu Đóng Mở tại c f Đóng tạickf Đóng

Môi chất công tác KK + Khí sót

1.3.2 Chu trình công tác của ĐCĐT

Trong động cơ đốt trong (ĐCĐT), quá trình chuyển đổi hóa năng của nhiên liệu thành cơ năng diễn ra thông qua nhiều quá trình lý - hóa theo một trình tự nhất định và lặp lại theo chu kỳ Mỗi chu kỳ hoạt động này được gọi là chu trình công tác.

Chu trình công tác (CTCT) của động cơ đốt trong là tổng hợp tất cả các thay đổi về nhiệt độ, áp suất, thể tích và thành phần hóa học của môi trường cháy trong xylanh, bắt đầu từ khi nhiên liệu được nạp vào cho đến khi được xả ra Mỗi CTCT đại diện cho một lần sinh công trong xylanh.

1.3.2.1 Các chỉ tiêu chất lượng của chu trình công tác

 Để đánh giá chất lượng của CTCT về phương diện nhiệt động, người ta thường dùng hai đại lượng: hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình.

1.3.2.2 Hiệu suất nhiệt của chu trình

Hiệu suất nhiệt của chu trình (η) được tính bằng tỷ lệ giữa công chu trình (Wct) và tổng nhiệt lượng cung cấp cho máy chuyển đổi năng lượng trong một chu trình (Q1) Công thức tính hiệu suất nhiệt là η = Wct / Q1.

Hiệu suất nhiệt là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả kinh tế của chu trình Khi cung cấp cùng một lượng nhiệt cho MCCT, chu trình có hiệu suất nhiệt cao hơn sẽ sản sinh ra nhiều cơ năng hơn.

1.3.2.3 Áp suất trung bình của chu trình

 (Ptb) được xác định bằng tỷ số giữa công chu trình (Wct) và dung tích công tác của xylanh (VS).

Áp suất trung bình là yếu tố quan trọng đánh giá hiệu quả kỹ thuật của chu trình Trong cùng một dung tích công tác, chu trình có áp suất trung bình cao hơn sẽ tạo ra công lớn hơn Tùy thuộc vào cách xác định công chu trình (Wct), chúng ta có thể phân biệt giữa các khái niệm như hiệu suất nhiệt, hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị, áp suất lý thuyết trung bình, áp suất chỉ thị trung bình và áp suất có ích trung bình.

Nhiên liệu hydro

Nhiên liệu hydro cho 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 Hai dạng nhiên liệu này có tính chất tương tự nhau Theo bảng 1, nhiên liệu hydro có năng lượng đánh lửa thấp hơn xăng 12,5 lần, 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 1.3 Tính chất của các nhiên liệu

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 đó, a là khối lượng không khí vào xylanh trong 1 giây, g là khối lượng xăng phun vào xylanh trong 1 giây, và HHO là khối lượng hydro phun vào xylanh trong 1 giây Tỉ lệ không khí/nhiên liệu lí tưởng của xăng được ký hiệu là AFR gst, trong khi AFR HHOst là tỉ lệ không khí/nhiên liệu lí tưởng của HHO Trong quá trình cháy của HHO trong xylanh động cơ, chỉ có nước và HHO tự cháy được sinh ra mà không cần thêm oxy, dẫn đến AFR HHOst = 0 Do đó, tỉ lệ hòa khí của hỗn hợp nhiên liệu kép HHO-xăng được xác định.

Phương trình (1.6) thể hiện tỉ lệ của hệ thống nhiên liệu xăng, cho thấy rằng khi thêm HHO vào xylanh, tỉ lệ hòa khí trong hỗn hợp không thay đổi so với động cơ sử dụng xăng nguyên thủy Điều này có nghĩa là hệ thống điều khiển nhiên liệu không cần 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.

1.4.1 Ứng dụng hydro trên động cơ: a Lịch sử ứng dụng hydro trên động cơ ô tô:

Cùng với sự phát triển của công nghệ ô tô, nhiên liệu hydro đã được áp dụng vào động cơ đốt trong từ lâu Trong quá khứ, quá trình điện phân nước chỉ diễn ra trong phòng thí nghiệm Năm 1870, Nikolaus August Otto đã phát hiện ra rằng hydro có thể trở thành một loại nhiên liệu cho động cơ đốt trong, khi ông cho rằng xăng quá nguy hiểm Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ ô tô ngày nay, xăng đã trở nên ít nguy hiểm hơn.

Hầu hết các thí nghiệm ban đầu về động cơ sử dụng nhiên liệu từ các loại khí như khí thiên nhiên và khí propane Tuy nhiên, khí hydro không đáp ứng được các yêu cầu cần thiết để trở thành nhiên liệu cho động cơ đốt trong trong giai đoạn đó.

Khí hydro cháy nhanh hơn so với các nhiên liệu khác, dẫn đến việc lượng nhiên liệu - không khí có thể bị cháy hết trong đường ống nạp trước khi van nạp kịp đóng Hơn nữa, hydro cũng cung cấp ít năng lượng hơn so với xăng.

Trong Thế chiến thứ I, hydro được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ tàu ngầm, giúp tận dụng nguồn nước uống được thải ra từ động cơ Ngoài ra, khí hydro cũng từng được xem xét như một lựa chọn nhiên liệu cho động cơ máy bay.

Vào những năm 1920, Rudolf A Erren đã tiên phong trong việc ứng dụng nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong, thành công chuyển đổi hơn 1000 động cơ sang sử dụng hydro.

Dự án của ông bao gồm xe tải và xe buýt, trong đó nổi bật là tàu ngầm chạy bằng hydro do Erren chuyển đổi sau Thế chiến thứ II Sự phát hiện này đã góp phần làm tăng sự phổ biến của nhiên liệu hydro.

Vào năm 1924, Ricardo thực hiện các bài kiểm tra đầu tiên về hiệu suất động cơ chạy bằng hydro, sử dụng động cơ 1 xylanh với các tỉ số nén khác nhau Kết quả cho thấy, tại tỉ số nén 7:1, động cơ đạt hiệu suất cao nhất là 43% Ngược lại, với tỉ số nén 9,9:1, hiệu suất giảm xuống còn 41,3%, tương ứng với mức giảm khoảng 0,58 - 0,8%.

Vào năm 1972, Roger Billings đã hợp tác với Đại học Brigham Young để chuyển đổi một chiếc xe Volkswagen thành xe chạy bằng khí hydro, giành chiến thắng trong cuộc thi Urban Vehicle Competition Chiếc xe này nổi bật với vị trí đầu tiên trong hạng mục xe có lượng khí thải thấp nhất nhờ phương pháp phun hydro trực tiếp vào buồng đốt.

Vào năm 1975, Robert Zweig đã thành công trong việc chuyển đổi một xe tải nhỏ thành xe chạy bằng hydro, đưa nó vào sử dụng thực tế Để khắc phục hiện tượng nổ sớm của hydro, ông đã lắp thêm một supap nạp nhằm giảm áp suất khí nạp Chiếc xe hoạt động bằng khí nén hydro với cấu trúc đơn giản, và ông đã được công nhận bởi tổ chức American Hydrogen Association.

Mỹ công nhận trong một cuộc triển lãm xe tải công cộng tại Mỹ.

Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven đã thành công trong việc chuyển đổi động cơ Wankel thông thường sang sử dụng khí hydro Kết quả cho thấy, động cơ Wankel chạy bằng khí hydro hoạt động hiệu quả hơn so với động cơ truyền thống, nhờ vào việc buồng đốt giảm thiểu các chất ô nhiễm hydrocacbon.

Mazda đã thành công trong việc chuyển đổi một trong những chiếc xe động cơ quay của họ để sử dụng hydro làm nhiên liệu Thiết kế đặc biệt của động cơ quay giúp giữ khí hydro và không khí tách biệt cho đến khi chúng vào buồng đốt, từ đó giảm thiểu hiện tượng nổ sớm của hydro.

Tại viện công nghệ Ấn Độ, các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi động cơ đánh lửa sang chạy bằng hydro và rút ra kết luận rằng hydro cho phép một khoảng tỉ lệ nhiên liệu và không khí rất rộng, đồng thời yêu cầu động cơ có tỉ số nén cao hơn (khoảng 11:01) Việc sử dụng hydro mang lại hiệu suất nhiên liệu cao hơn từ 30 - 50% so với xăng Đối với động cơ Diesel, tỉ số nén khi sử dụng hydro giảm từ 16,5:1 xuống 14,5:1, và một lượng nhỏ hydro được phun vào xylanh cùng với Diesel để hỗ trợ quá trình cháy, với nhiệt độ đánh lửa cao nhất cần thiết là 585 độ C.

Nhiên liệu xăng

Xăng là dung dịch nhẹ chứa hydrocacbon, dễ bay hơi và dễ cháy, được chiết xuất từ dầu mỏ và chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ xăng Thành phần hóa học của xăng rất phức tạp, được chia thành hai phần chính: hydrocacbon và phi hydrocacbon Phân đoạn xăng, với nhiệt độ sôi dưới 180°C, bao gồm các hydrocacbon từ C5 đến C10, bao gồm cả parafinic, naptenic và aromatic Ngoài ra, xăng còn chứa các hợp chất lưu huỳnh, nitơ và oxy, trong đó lưu huỳnh thường ở dạng mercaptan, nitơ chủ yếu ở dạng pyridin, và oxy xuất hiện ít dưới dạng phenol.

Có hai hiện tượng cháy có thể xảy ra:

Khi lượng hòa khí cháy chỉ tạo ra công suất có ích cho động cơ mà không gây ra lực cản cho chuyển động của piston, quá trình cháy diễn ra bình thường Điều này chỉ xảy ra khi bu-gi đánh lửa kích hoạt sự cháy của hòa khí khi nó vào động cơ.

Kích nổ là hiện tượng tự bốc cháy của hòa khí trong buồng đốt do nhiệt độ và áp suất cao, xảy ra trước khi tia lửa từ bugi lan tỏa Hiện tượng này tạo ra sự tương tác giữa hai màng áp suất ngược chiều, dẫn đến va đập cơ học ảnh hưởng đến cơ cấu động cơ Sự va chạm giữa các làn sóng áp suất của các đám cháy khác nhau và với thành xylanh tạo ra tiếng gõ kích nổ Kích nổ gây ra lực cản piston đi lên, gây hại cho động cơ và làm giảm công suất máy.

Cháy kích nổ xảy ra do nhiệt độ và áp suất quá cao, kết hợp với trị số octane thấp của xăng hoặc sự tồn tại của muội than nóng trong xy lanh Trị số octane thể hiện khả năng chống kích nổ của xăng; xăng có trị số octane cao giúp động cơ có tỉ số nén cao hoạt động hiệu quả hơn Ngược lại, việc sử dụng xăng có trị số octane thấp cho động cơ tỉ số nén cao sẽ dẫn đến cháy kích nổ Đồng thời, xăng có trị số octane cao sử dụng cho động cơ tỉ số nén thấp sẽ gây khó khăn trong việc cháy, dẫn đến tình trạng cháy không hết, tạo cặn than, làm bẩn máy và tiêu tốn nhiên liệu.

 Ví dụ một số loại xăng:

+ Xăng Mogas 95 (M95): được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén trên 9,5/1 như các xe hơi đời mới, xe đua có trị số octane là 95.

+ Xăng Mogas 92 (M92): được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén 9,5/1, có trị số octane là 92.

+ Xăng Mogas 83 (M83): được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén8/1, có trị số octane là 83 Hiện xăng này không được sử dụng trên thị trường Việt Nam.

Xăng sinh học E5 là loại nhiên liệu được tạo ra bằng cách pha trộn 5% ethanol vào xăng A95, thay thế cho phụ gia chì Sản phẩm này không chỉ giúp giảm ô nhiễm môi trường mà còn nâng cao hiệu suất động cơ, góp phần vào việc phát triển năng lượng bền vững.

 Tính bay hơi thích hợp:

Để xăng cháy hiệu quả trong động cơ, nó cần phải bay hơi đúng cách Xăng bay hơi thích hợp giúp động cơ hoạt động tối ưu, trong khi xăng bay hơi không phù hợp có thể dẫn đến giảm công suất, tiêu tốn nhiều nhiên liệu và gây ra các sự cố kỹ thuật.

- Hiện tượng nghẹt xăng hay nút hơi.

 Tính ổn định hóa học cao:

Tính ổn định hóa học của xăng, hay khả năng giữ vững bản chất hóa học trước các ảnh hưởng từ môi trường, bị tác động bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, diện tích tiếp xúc với không khí, độ sạch và khô của vật chứa Ngoài ra, mức độ tồn chứa và thời gian bảo quản cũng ảnh hưởng đến tính ổn định này; xăng có hàm lượng keo nhựa cao thường có tính ổn định hóa học thấp hơn.

 Không có sự ăn mòn, tạp chất cơ học và nước:

Xăng có khả năng ăn mòn kim loại do sự hiện diện của các hợp chất lưu huỳnh, axit và keo nhựa chưa được tinh chế hoàn toàn trong quá trình sản xuất.

-Tạp chất cơ học có trong xăng gồm những chất từ bên ngoài rơi vào trong quá trình bơm rót, vận chuyển như cát, bụi.

-Nước từ bên ngoài rơi vào xăng trong quá trình xuất, nhập, tồn chứa.

1.5.3 Định lượng nhiên liệu trên động cơ xăng:

Lưu lượng khí nạp được xác định bằng phương pháp tốc độ tỉ trọng, trong đó lưu lượng khối lượng khí nạp phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất và nhiệt độ không khí, tốc độ động cơ cùng với hiệu suất nạp.

D là dung tích xylanh, h là hiệu suất nạp, a là lưu lượng khối lượng không khí, n là tốc độ động cơ, và EGR là lưu lượng khối lượng khí luân hồi Các ký hiệu d0, p0, T0 lần lượt biểu thị mật độ, áp suất và nhiệt độ không khí tại điều kiện chuẩn, trong khi p và T là mật độ, áp suất và nhiệt độ không khí tại điều kiện thực tế.

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:

(1.13) Đối với động cơ không trang bị hệ thống luân hồi khí thải Phương trình (1.13) trở thành:

(1.14) Đây là phương trình xác định lưu lượng nhiên liệu trên động cơ xăng truyền thống.

Mô hình quá trình cháy trong động cơ

Áp dụng Định luật nhiệt động học thứ nhất để nghiên cứu một lượng môi chất m đi qua hệ thống Năng lượng hóa học giải phóng trong quá trình cháy của động cơ được tính toán thông qua công thức cụ thể.

Trong công thức này, m đại diện cho khối lượng của môi chất, n i là số mol của môi chất i trong một đơn vị khối lượng của môi chất công tác, và Dh o f i, là enthalpie hình thành của môi chất i trong điều kiện nhiệt độ TA và áp suất p0.

Công cực đại của động cơ được xác định thông qua Định luật nhiệt động học thứ hai trong hệ thống hở Nhiên liệu được coi là đồng nhất và được gọi là môi chất m Khi xem xét lượng môi chất m đi qua hệ thống, Định luật bảo toàn năng lượng cho ta mối quan hệ: ΔQ - Δ = ΔH.

Trong đó: ∆W u : là công có ích truyền cho bên ngoài,DW : công trao đổi quá trình cháy đẳng áp,DQ : nhiệt lượng trao đổi quá trình cháy đẳng áp,

Q HV : Nhiệt trị của nhiên liệu

Hình 1.8 Hệ thống hở dùng để khảo sát động cơ đốt trong.

Vì sự truyền nhiệt ∆Q chỉ xảy ra đối với môi trường không khí ở nhiêt độ

T A , định luật nhiệt động học thứ hai có thể viết:

≤ ΔS (1.17) Kết hợp (9) và (10) ta có: Δ ≤ -(ΔH - ΔS) (1.15)

Thông thường p 0 = p A và T D – T A Công cực đại nhận được khi p C = p A và

Năng lượng tự do Gibbs, được biểu thị bởi công thức G = H - TS, là một yếu tố quan trọng trong phản ứng của hỗn hợp nhiên liệu và không khí tại nhiệt độ T_A và áp suất p_A Độ tăng năng lượng Gibbs, ký hiệu là -(ΔG)T p_A A, sẽ đạt giá trị tối đa khi quá trình cháy diễn ra hoàn toàn.

Hiệu suất của chu trình công tác được xác định bằng tỷ lệ giữa công thực tế nhận được và công cực đại, được gọi là hiệu suất biến đổi thực tế.

Hiệu suất của chu trình công tác phụ thuộc vào đại lượng (DG) T pA A, tuy nhiên việc xác định đại lượng này cho nhiên liệu thực tế rất khó khăn Thông thường, chỉ có –(Δh)Ta được xác định thông qua đo đạc Trong các phản ứng, H2O tồn tại ở dạng hơi Đối với các hydrocarbon thông thường, ∆h°298 và ∆g°298 gần như tương đương nhau vì tại 298°K, ∆ ̃°≪∆ℎ°/T Đối với nhiên liệu thực tế, ∆h°298 được đo trực tiếp và tính toán bằng tích số giữa nhiệt trị của nhiên liệu và khối lượng nhiên liệu được đốt cháy, từ đó có thể định nghĩa công riêng phần bằng biểu thức phù hợp.

Công riêng phần (W c) tương ứng với lượng nhiên liệu (m f) được cung cấp cho chu trình, trong khi hiệu suất biến đổi nhiên liệu là h f Nhiệt trị thấp của nhiên liệu được ký hiệu là Q LHV Đối với các nhiên liệu hydrocarbon, Δh° gần bằng Δg°, do đó công riêng phần trong biến đổi nhiên liệu và công riêng phần trong biến đổi thực tế có thể xem là xấp xỉ bằng nhau.

1.7 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 không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm tiêu hao nhiên liệu khi kết hợp hydro vào xăng.

Nhiên liệu hydro có tốc độ cháy cao hơn xăng gấp 4,4 lần, giúp hỗn hợp cháy nhanh hơn và giảm lượng nhiệt hao phí qua thành xylanh Sự nhanh chóng trong quá trình cháy này không chỉ tăng hiệu suất nhiệt cho ứng dụng hydro khi pha trộn với xăng mà còn nhờ vào các đặc tính như nhiệt trị cao và nhiệt độ cháy cao, góp phần nâng cao hiệu suất động cơ.

Tốc độ cháy cao, khả năng cháy nghèo và nhiệt độ ngọn lửa cao có thể tác động tích cực đến các thành phần khí thải như HC và CO, nhưng cũng có thể dẫn đến những ảnh hưởng tiêu cực đối với mức phát thải.

Mặc dù nhiên liệu kép hydro-xăng mang lại nhiều ưu điểm, nhưng các tính chất của chúng cũng có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng kích nổ Điều này liên quan đến sự gia tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt cục bộ của động cơ, do tốc độ cháy của hydro và xăng không đồng đều.

2.7.Khái niệm và cơ chế của quá trình điện phân

Điện phân là quá trình oxi hóa - khử diễn ra tại bề mặt các điện cực khi dòng điện một chiều đi qua chất điện li ở dạng nóng chảy hoặc dung dịch.

 Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học.

2.7.2 Cơ chế của quá trình điện phân

 Cation (+) di chuyển về phía catot xảy ra quá trình khử.

 Anion (-) di chuyển về phía anot xảy ra quá trình oxi hóa.

 Dưới tác dụng của điện trường các cation chuyển dời về phía catot, còn các anion chuyển về phía anot của điện cực.

- Tại catot xảy ra quá trình khử: cation nào có tính oxi hóa mạnh nhất sẽ nhận electron của nguồn điện trước.

- Tại anot xảy ra quá trình oxi hóa: anion nào có tính khử mạnh hơn sẽ nhường electron cho nguồn điện trước

Cực âm (-) Catot Cực dương (+) Anot

Fe Cu Zn S    Cl Br I  ;  ; 

Trong quá trình điện phân, cation di chuyển về cực âm (catot) dưới tác động của điện trường, trong khi anion hướng về cực dương (anot) Tại các điện cực này, các phản ứng hóa học diễn ra, dẫn đến hiện tượng phóng điện.

- Tại catot xảy ra quá trình khử cation (M n+ + ne → M) còn tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion (X n- → X + ne).

- Người ta phân biệt: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch chất điện li trong nước, điện phân dùng điện cực dương tan.

2.7.3.Sự điện phân của các chất điện li:

1.7.3.1 Điện phân chất điện li nóng chảy:

Trong thực tế, quá trình điện phân thường được áp dụng cho các hợp chất như muối, bazơ và oxit, đặc biệt là đối với các hợp chất MCln, M(OH)n và Al2O3, trong đó M là kim loại thuộc nhóm IA và IIA Quá trình này chủ yếu diễn ra ở nhiệt độ cao với các kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Ba, Ca, Mg và Al, những kim loại này nằm ở vị trí mạnh trong dãy thế điện cực.

Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Phương trình điện phân là:

Cần có màng ngăn không cho Cl2 tác dụng trở lại với Na ở trạng thái nóng chảy

33 làm giảm hiệu suất của quá trình điện phân Một số chất phụ gia như NaF, KCl giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hệ…

Ví dụ 2: Điện phân NaOH nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot ( – ) NaOH Anot ( + ) 4| Na + + 1e → Na 4OH - → O2 + 2H2O + 4e Phương trình điện phân là:

Ví dụ 3: Điện phân Al2O3 nóng chảy pha thêm criolit (Na3AlF6) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot ( – ) Al2O3 Anot ( + ) 4| Al 3+ + 3e → Al 3| 2O 2- → O2 + 4e Phương trình điện phân là:

- Criolit (Na3AlF6) có vai trò quan trọng nhất là làm giảm nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 từ

2050 o C xuống khoảng 900 o C, ngoài ra nó còn làm tăng độ dẫn điện của hệ và tạo lớp ngăn cách giữa các sản phẩm điện phân và môi trường ngoài

- Anot làm bằng than chì thì điện cực bị ăn mòn dần do chúng cháy trong oxi mới sinh:

 Phương pháp này dùng để điều chế Al trong công nghiệp từ quặng Al2O3.nH2O.

2.7.3.2 Điện phân dung dịch chất điện li trong nước:

Trong quá trình điện phân dung dịch, ngoài các ion từ chất điện li, còn có sự hiện diện của các ion H+ và OH- từ nước, làm cho việc xác định sản phẩm điện phân trở nên phức tạp Sản phẩm thu được sẽ khác nhau tùy thuộc vào tính khử và tính oxi hóa của các ion trong bình điện phân.

Ví dụ: khi điện phân dung dịch NaCl, các ion Na + , H + (H2O) chạy về catot còn các ion

Cl - , OH - (H2O) chạy về anod Ion nào trong số chúng sẽ phóng điện ở các điện cực

Khái niệm và cơ chế của quá trình điện phân

 Tinh chế một số kim loại như Cu, Pb, Zn Fe Ag, Au…

 Mạ điện: Điện phân với anot tan cũng được dùng trong mạ điện, nhằm bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn và tạo vẻ đẹp cho vật mạ.

Anot là kim loại được sử dụng để mạ, ví dụ như vàng, trong khi catot là vật thể cần được mạ, chẳng hạn như cái thìa Lớp mạ thường rất mỏng, có độ dày dao động từ 5.10^-5 đến 1.10^-3 cm.

PHƯƠNG PHÁP ỨNG DỤNG HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU KÉP HYDRO- XĂNG

Mô hình hệ thống cung cấp nhiên liệu hydro sau cánh bướm ga

Hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng trên động cơ sử dụng bộ chế hòa khí với ngõ nạp hydro được thiết kế sau cánh bướm ga Nhiên liệu hydro được hút vào động cơ nhờ chênh lệch áp suất giữa ống nạp khí hydro và sau cánh bướm ga, trong khi áp suất trước cánh bướm ga phụ thuộc vào hệ thống được sử dụng Mô hình nghiên cứu cho thấy hệ thống này sử dụng bình lưu trữ hydro, với áp suất trước bướm ga phụ thuộc vào độ mở của van điều khiển lưu lượng hydro, giúp xác định các mức tỉ lệ hydro.

Mô hình này có ưu điểm nổi bật là tính đơn giản, với thiết kế dựa trên hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí có sẵn trên động cơ Van điều khiển nhiên liệu có thể dễ dàng cài đặt ở các độ mở cố định, giúp xác định trước các tỉ lệ lưu lượng hydro một cách hiệu quả.

Nhược điểm của hydro là khả năng hòa trộn với không khí kém, chủ yếu do phụ thuộc vào sự chênh lệch áp suất Hơn nữa, sự hiện diện của bình chứa nhiên liệu hydro tiềm ẩn nhiều nguy cơ không an toàn cho hệ thống.

Việc kiểm soát nhiên liệu liên quan đến việc xác định độ mở của van điều khiển lưu lượng hydro, với tỉ lệ lưu lượng hydro được tính dựa trên phần trăm thể tích khí nạp Tỉ lệ này thường nằm trong khoảng từ 1% đến 4,5% so với tổng thể tích khí nạp Để xác định chính xác tỉ lệ giữa hydro và dòng khí nạp, cần phải xem xét thông tin về độ mở cánh bướm ga, van lưu lượng hydro và các thành phần áp suất liên quan.

Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm hệ thống nhiên liệu cung cấp hydro sau bướm ga

1 Bình chứa hydro; 2 Điều áp; 3 Bình tràn; 4 Lọc; 5 Van đinh lượng; 6 Bình ngăn cháy ngược 7 Bình dập lửa; 8 Động cơ; 9 Máy đo công suất; 10 Điều áp; 11 Cảm biến; 12 Máy tính

Mô hình hệ thống phun nhiên liệu hydro

Hệ thống phun nhiên liệu hydro trên đường nạp được thiết kế với kim phun lắp trên ống nạp và hệ thống điện tử điều khiển tự động Nhiên liệu hydro được phun vào ống nạp theo sự điều khiển của bộ điều khiển điện tử, kiểm soát thời điểm và thời gian mở kim phun Mô hình nghiên cứu này vẫn yêu cầu sử dụng bình lưu trữ hydro.

Ưu điểm của việc trang bị kim phun cho nhiên liệu hydro là khả năng phun tơi và hòa trộn với không khí tốt hơn, từ đó cải thiện hiệu suất quá trình cháy Hơn nữa, tỉ lệ khối lượng nhiên liệu hydro được điều khiển một cách chính xác hơn nhờ vào bộ điều khiển điện tử.

Nhược điểm là sự phức tạp của hệ thống điều khiển Việc tồn tại bình chứa hydro với áp suất cao rất không an toàn cho hệ thống.

Việc điều khiển lưu lượng hydro phụ thuộc vào tín hiệu thời gian mở kim phun, cho phép hệ thống điều khiển điện tử tự động điều chỉnh chính xác lượng hydro phun vào mỗi xy lanh động cơ Hệ thống này được cài đặt để xác định các giá trị tỉ lệ đặt trước, từ đó thực hiện các thí nghiệm trên các tỉ lệ hydro xác định nhằm tìm ra kết quả tối ưu và đặc tính hoạt động của động cơ cũng như khí thải.

Hình 2.2 Hệ thống nhiên liệu kép kim phun.

Bình chứa hydro là thiết bị quan trọng trong hệ thống cung cấp năng lượng, kết hợp với điều áp và đo áp hydro để đảm bảo hiệu suất tối ưu Việc đo lưu lượng hydro và chống cháy ngược là cần thiết để duy trì an toàn Kim phun hydro và bướm ga giúp điều chỉnh lượng khí vào động cơ, trong khi bộ đo gió và van cầm chừng hỗ trợ trong việc kiểm soát luồng không khí ECU và ECU tự tạo là bộ não điều khiển, phối hợp với máy tính để quản lý hoạt động của hệ thống Bình nhiên liệu, đo nhiên liệu và lọc xăng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiên liệu sạch cho kim phun xăng Bộ đánh lửa và bugi đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hiệu quả, trong khi ngõ quan sát giúp theo dõi tình trạng hoạt động của các thiết bị.

20.Khuếch đại nạp; 21.Chuyển đổi A/D; 22.Bộ phân tích cháy; 23.cảm biến oxy; 24.Phân tích A/F.

Mô hình hóa hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng với nguồn nhiên liệu

Nhóm tác giả đã thiết kế mô hình hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng kết hợp giữa hệ thống nhiên liệu xăng truyền thống và hệ thống sản xuất nhiên liệu hydro từ điện phân nước sử dụng năng lượng mặt trời Hệ thống xăng sử dụng phun xăng điện tử, với lượng nhiên liệu được điều chỉnh từ ECU Năng lượng mặt trời tạo ra dòng điện cho bình điện phân HHO cell, sản xuất hỗn hợp nhiên liệu hydro và oxy mHHO theo định luật Faraday Tất cả mHHO sinh ra được đưa vào động cơ trước cánh bướm ga, và bộ lọc hút ẩm giúp ngăn ngừa cháy ngược Hỗn hợp này được trộn với khí nạp trước khi vào xy lanh, với tín hiệu khối lượng HHO và khí nạp được gửi về ECU để điều chỉnh độ mở bướm ga và lượng xăng phun Tín hiệu dòng điện, khối lượng khí nạp và công suất yêu cầu được sử dụng để hiệu chỉnh và điều khiển hệ thống.

Thông tin về ge, Pe, NOx, CO và HC được sử dụng làm tín hiệu để phân tích và đánh giá hệ thống Dữ liệu được thu thập bằng máy tính nhằm đánh giá suất tiêu hao nhiên liệu ge, công suất động cơ Pe và hàm lượng các thành phần khí thải như NOx, HC và CO.

Hình 2.3 Mô hình hệ thống nhiên liệu kép hydro – xăng đề xuất.

2.3.1 Tính toán lưu lượng nhiên liệu hydro:

Với hệ thống hình 2 3 , giá trị mHHO được tính tham khảo từ (1.21) và (1.2).

Từ (2.2), khối lượng HHO thu được theo định luật Faraday với hiệu suất h f trong một khoảngthời gian t với dòng điện i(t) là:

Trong đó: mHHO là khối lượng HHO sinh ra, h f là hiệu suất điện phân (h f = 50% ÷

Lưu lượng theo khối lượng của HHO ( m HHO ) sinh ra là:

Lưu lượng HHO thu được phụ thuộc vào BXMT Ir, mà BXMT này thay đổi theo vị trí địa lý và thời điểm trong ngày Để phản ứng điện ly xảy ra, nước nguyên chất cần được pha thêm tạp chất, với ba loại tạp chất phổ biến là KOH, NaOH và K2CO3.

2.3.1 Tính toán về năng lượng và công suất động cơ trên hệ thống năng lượng kép hydro –xăng:

Lượng nhiên liệu cung cấp vào động cơ là tổng hợp từ xăng và HHO Tương ứng lưu lượng nhiên liệu được viết:

, g HHO m m đã được thiết lập ở (10) và (22)

60 2 o sp g v EGR o dm f sp o out n D p T M S m m d R P p T F Z U

 � � � � � �  � �  (2.6) Đối với động cơ không trang bị hệ thống luân hồi khí thải:

2.3.1.2 Lưu lượng nhiên liệu trên mỗi xylanh:

Khối lượng nhiên liệu cung cấp vào một xylanh là:

Trong động cơ, m f xylanh đại diện cho khối lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi lần sinh công trong một xylanh Z là tổng số xylanh có trong động cơ, trong khi (AF)R dm thể hiện tỷ lệ hòa khí cần thiết cho quá trình hoạt động.

Trên hệ thống nhiên liệu kép sử dụng trực tiếp HHO, việc điều khiển nhiên liệu chỉ áp dụng cho tính toán lượng xăng phun vào mỗi xylanh.

(2.9)Tương tự khối lượng HHO cung cấp vào mỗi xylanh:

HHO HHO xylanh dm m m nZ R

2.3.1.3 Điều khiển công suất động cơ

Khi xe hoạt động trên đường, công suất động cơ phụ thuộc vào tín hiệu chân ga của lái xe Đối với động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu kép HHO (hydro) và xăng, công suất được xác định từ việc kết hợp đốt cháy hai loại nhiên liệu này, tạo ra hiệu suất tối ưu cho xe.

Công suất động cơ (P) bao gồm công suất riêng phần của xăng (Pcg) và công suất riêng phần của HHO (PcHHO) Để duy trì công suất ổn định khi HHO biến đổi, hệ thống điều khiển nhiên liệu xăng cần xác định chính xác khối lượng HHO nạp vào động cơ và điều chỉnh lưu lượng xăng tương ứng Do đó, cần có công cụ tính toán để hoán đổi hai thành phần công suất này Để tính toán Pcg và PcHHO, tham khảo công thức (4.19).

W cHHO  HHO m HHO Q LHV HHO (2.13)

W cg là công riêng phần của xăng, h g là hiệu suất biến đổi nhiên liệu của xăng, mg là khối lượng nhiên liệu xăng, Q LHV g là nhiệt trị thấp của xăng Đồng thời, W cHHO là công riêng phần của HHO, m HHO là khối lượng của HHO và η HHO là hiệu suất biến đổi nhiên liệu của HHO.

Q là nhiệt trị thấp của HHO.

Từ 16 ta có công thức riêng của xăng:

W cHHO m /  hho Q LHV HHO (2.15) Đặt k là tỉ số giữa công riêng của HHO với công riêng của xăng ta có:

Hiệu suất của quá trình cháy xăng và HHO có thể được xem là tương đương do chúng diễn ra đồng thời với các điều kiện cháy tương tự Điều này cho thấy hiệu suất cháy được gọi là hiệu suất quá trình cháy.

Do đó, k cũng có thể gọi là tỉ số giữa nhiệt trị thấp của HHO và xăng.

(2.17) Dựa vào bảng 4.1 ta có:

Công sinh ra trên một đơn vị khối lượng của HHO được định nghĩa là k lần công sinh ra trên một đơn vị khối lượng của xăng Theo các công thức (4.19), (4.31) và (4.32), tổng công có thể được tính toán một cách chính xác.

W g m Q g LHV HHO m HHO Q LHV HHO

Công suất động cơ được định nghĩa là công sinh ra trong một đơn vị thời gian Để tính toán công suất động cơ, có thể sử dụng công thức (4.30) và tham khảo công thức (4.38), trong đó khối lượng m được thay thế bằng lưu lượng khối lượng m.

. g HHO g HHO g LHV HHO LHV

Trong phương trình (4.40), công suất của động cơ được xác định dựa trên nhiệt trị thấp của xăng, cùng với lưu lượng khối lượng xăng và lưu lượng khối lượng HHO, được điều chỉnh bằng hệ số quy đổi k.

Trong đó về mặt điều khiển động cơ, công suất động cơ P được xem là công suất yêu cầu

P dm của chân ga được điều khiển bởi lái xe (P P dm) Hệ thống nhiên liệu phải đáp ứng yêu cầu công suất từ phía lái xe Để đạt được yêu cầu công suất này, hệ thống cần xác định các biến số quan trọng.

m HHO Kết hợp (4.9) và (4.23) vào (4.40) ta có được:

(AFR) g a sp dm f HLV sp dm out m M S p Q k P

(AFR) g v EGR sp dm f HLV f sp dm out n D P T m d

PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIÊN LIỆU KÉP HIDRO – XĂNG