Tình hình nghiên cứu trên thế giới

HỖN HỢP XĂNG VÀ KHÍ HHO

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Radu Chiriac, Trường ÐH Bách khoa Bucharest (năm 2006) cùng cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng khí giàu hyđrô đươ ̣c ta ̣o ra từ quá trình điê ̣n phân nước (hỗn hợp khí hyđrô-ôxy, khí Brown hay khí HHO ; sau đây được go ̣i thống nhất là khí HHO ) trên động cơ 4 xylanh với dung tích 1,4 lít. Khí HHO đƣợc phun vào đường nạp với các giá trị lưu lượng khác nhau (300, 500, 700 và 850 lít/giờ).

Động cơ hoạt động ở tải nhỏ, hỗn hợp đậm (=0,920,94) và hỗn hợp nhạt (=1,181,2), tốc độ động cơ giữ nguyên ở 1600 vòng/phút [43].

Khi hoạt động ở hỗn hợp đậm (Hình 1.3), hiệu suất có ích của động cơ tăng khi bổ sung khí HHO với lưu lượng không quá lớn (nhỏ hơn 850 lít/giờ). Hiệu suất có ích của động cơ đạt cực đại khi lưu lượng của khí HHO là 300 lít/giờ, cao hơn khoảng 7,4% so với động cơ nguyên bản.

Hình 1.3 Ảnh hưởng của khí HHO bổ sung đến hiệu suất có ích của động cơ ở các góc đánh lửa, lưu lượng HHO khác nhau, hỗn hợp đậm [43]

Hình 1.3 cũng cho thấy rõ xu hướng giảm góc đánh lửa sớm khi bổ sung khí HHO do tốc đô ̣ cháy của hỗ n hợp không khí, nhiên liê ̣u kết hợp với khí HHO ở chế

đô ̣ hỗn hợp đâ ̣m này rất cao.

Khi hoạt động ở chế độ hỗn hợp nhạt, ở tất cả các giá trị lưu lượng khí HHO khác nhau, hiệu suất có ích của động cơ đều tăng lên, đạt cực đại khi lưu lượng khí HHO đạt giá trị 300 lít/giờ, tăng khoảng 50% so với trường hợp sử du ̣ng nhiên liê ̣u xăng (Hình 1.4).

Hình 1.4 Ảnh hưởng của khí HHO bổ sung đến hiệu suất có ích của động cơ ở các góc đánh lửa, lưu lượng HHO khác nhau, hỗn hợp nhạt [43]

Ngoài ra, ở chế độ hỗn hợp nhạt hơn này , góc đánh lửa sớm có ít ảnh hưởng hơn đến hiê ̣u suất có ích của đô ̣ng cơ . Tuy nhiên, khi lượng HHO bổ sung càng cao thì cần thiết phải điều chỉnh giảm góc đánh lửa sớm.

Changwei Ji, Trường ĐH Công nghệ Bắc Kinh (năm 2011) đã nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp hyđrô -ôxy cho động cơ 4 xylanh, đánh lửa đốt cháy cưỡng bức, dung tích 1,6 lít. Trong nghiên cứu của Changwei Ji, hỗn hợp hyđrô-ôxy không được hòa trộn với nhau từ trước mà chỉ được hòa tr ộn với nhau trên đường nạp thông qua hai hệ thống cung cấp khí riêng biệt [25,26,28] theo sơ đồ bố trí thƣ̉

nghiê ̣m được thể hiê ̣n trên Hình 1.5.

Hình 1.5 Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp hỗn hợp khí hyđrô-ôxy cho động cơ

1. Bình ôxy; 2. Van điều chỉnh áp suất ôxy; 3. Thiết bị đo áp suất ôxy; 4. Thiết bị đo lưu lượng ôxy;

5. Bình hyđrô; 6. Van điều chỉnh áp suất hyđrô; 7. Thiết bị đo áp suất hyđrô; 8. Thiết bị đo lưu lượng hyđrô; 9. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp; 10. Bướm ga; 11. Van không tải; 12. Vòi phun ôxy;

13. Bộ ECU nguyên bản; 14. Bộ ECU mới; 15. Máy tính điều khiển; 16. Bình nhiên liệu; 17. Thiết bị đo lưu lượng xăng; 18. Bơm nhiên liệu; 19. IC đánh lửa; 20. Vòi phun xăng; 21. Van chống cháy ngược; 22. Vòi phun hyđrô; 23. Bugi có gắn cảm biến áp suất; 24. Cảm biến ôxy; 25. Phân tích hệ

số A/F; 26. ống lấy mẫu; 27. Thiết bị phân tích khí thải; 28. Thiết bị phân tích quá trình cháy; 29.

Bộ chuyển đổi A/D; 30. Bộ khuếch đại tín hiệu; 31. Cảm biến tốc độ; 32. Trục khuỷu; a. Tín hiệu từ ECU cũ đến ECU mới; b1. Tín hiệu từ máy tính đến bộ ECU mới; b2. Tín hiệu từ bộ ECU mới đến máy tính điều khiển

Thử nghiệm tại tốc độ 1400 vòng/phút, áp suất tuyệt đối đường nạp (MAP) đƣợc giữ ở giá trị 61,5 kPa, tỷ lệ khí phun vào chiếm 0%, 2% và 4% thể tích tổng lượng khí nạp . Nhằm mô phỏng viê ̣c phun khí HHO vào đường na ̣p , lượng khí hyđrô-ôxy phun vào đươ ̣c điều chỉnh nhằm đa ̣t tỷ lê ̣ 2:1 theo thể tích thông qua điều chỉnh thời gian mở của hai vòi phun. Hệ số dƣ lƣợng không khí giữ ở giá trị lý

tưởng ( = 1) bằng cách giảm lượng xăng phun vào đường nạp. Tỷ lệ thể tích của hỗn hợp (HHO) và của hyđrô (Hyđrô) đƣợc tính toán nhƣ sau:

HHO = [(QHyđrô + QÔxy) / (QHyđrô + QÔxy + QAir)] x 100%

Hyđrô = [QHyđrô / (QHyđrô + QAir)] x 100%

Kết quả thƣ̉ nghiê ̣ m cho thấy , ở mọi giá trị của hệ số dƣ lƣợng không khí , hiệu suất có ích và áp suất có ích trung bình (Bmep) của động cơ tăng khi bổ sung khí hyđrô và hỗn hợp hyđrô+ôxy vào đường nạp (Hình 1.6).

Hình 1.6 Diễn biến hiệu suất có ích và áp suất có ích trung bình theo hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ H2 hay hỗn hợp 2H2+O2 so vớ i tổng lượng khí nạp

Khi phun khí hyđrô và hỗn hợp hyđrô-ôxy vào đường nạp động cơ với tỷ lệ lần lƣợt là 2% và 4% thể tích tổng lƣợng khí nạp đi vào xylanh, ở các giá trị  nhỏ, cùng một tỷ lệ , hiệu suất có ích của động cơ khi phun hỗn hợp hyđrô -ôxy thấp hơn so với khi chỉ phun hyđrô , tuy nhiên khi  tăng dần thì có chiều hướng ngược lại . Điều này có thể giải thích thông qua mật độ năng lƣợng ta ̣i mỗi giá tri ̣  của hỗn hợp (xăng+không khí+hyđrô-ôxy) cao hơn so với (xăng+không khí+hyđrô) nên làm tăng nhiệt độ cháy trong xylanh, gia tăng tổn thất nhiệt. Khi tăng hệ số dƣ lƣợng không khí  đến ngƣỡng hỗn hợp nghèo, do có thêm ôxy trong hỗn hợp nên giúp cho quá trình cháy hoàn toàn hơn ở chế độ này , vì vậy, hiệu suất có ích của động cơ khi phun hỗn hợp hyđrô -ôxy cao hơn khi chỉ phun hyđrô trong vùng hỗn hợp nghèo. Áp suất có ích trung bình của động cơ khi chỉ phun hyđrô ở giá trị  lớn (hỗn hợp nghèo) cao hơn so với xăng, tuy nhiên khi  nhỏ, giá trị này lại thấp hơn giá trị của động cơ nguyên bản. Ở chế độ này, lƣợng không khí không đủ để đốt

cháy hết nhiên liệu, vì vậy khi tỷ lệ hyđrô trong khí nạp càng lớn, áp suất có ích trung bình của động cơ càng giảm. Tuy nhiên, khi phun hỗn hợp hyđrô-ôxy ở mọi giá trị , áp suất có ích trung bình đều tăng do trong hỗn hợp khí nạp có thêm thành phần ôxy, nhiên liệu có đủ không khí để cháy hoàn toàn giúp nâng cao áp suất có ích trung bình. Qua đó, ta thấy đƣợc tính kinh tế của động cơ khi phun hỗn hợp hyđrô-ôxy vào đường nạp cao hơn so với trường hợp chỉ sử du ̣ng nhiên liê ̣u xăng hay chỉ bổ sung thêm khí hyđrô.

Phát thải CO và HC khi có bổ sung hỗn hợp khí 2H2+O2 hay chỉ bổ sung hyđrô thấp hơn so với trường hợp đô ̣ng cơ nguyên bản . Xét ở cùng một hệ số dư lươ ̣ng không khí , hàm lượng ôxy trong khí nạp trong trường hợp có bổ sung hỗn hơ ̣p 2H2+O2 hay chỉ bổ sung hyđrô cao hơn , lươ ̣ng hyđrô cácbon đươ ̣c ôxy hóa tốt hơn và khả năng ôxy hóa CO thành CO 2 cũng tốt hơn. Tuy nhiên nhiệt độ cháy lớn, phản ứng tạo thành NOx dễ thực hiện hơn, vì vậy phát thải NOx tăng (Hình 1.7).

Hình 1.7 Diễn biến các phát thải chính của động cơ theo hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ H2 hay hỗn hợp 2H2+O2 so vớ i tổng lượng khí nạp

Ngoài ra GS. Changwei Ji cũng nghiên cứu ảnh hưởng khi sử dụng hỗn hợp xăng và hyđrô đến tính năng, phát thải của động cơ ở chế độ khởi động, không tải, hỗn hợp nhạt [27, 29. Đây là một trong những nghiên cứu có tính định hướng cho việc sử dụng hỗn hợp HHO cho động cơ

Thực nghiệm đƣợc tiến hành trên động cơ xăng 4 xylanh, dung tích 1.6L do công ty Hyundai sản xuất. Hyđrô được điều chế từ quá trình điện phân nước, đƣợc chứa trong bình với áp suất 16 MPa, hyđrô phun với áp suất 0,3 MPa, thời điểm đóng và mở vòi phun hyđrô đƣợc điều khiển bởi bộ ECU mới (đƣợc phát triển để phục vụ đề tài nghiên cứu). Sơ đồ của hệ thống cung cấp khí hyđrô cho động cơ đƣợc thể hiện trong (Hình 1.8).

Hình 1.8 Sơ đồ của hệ thống cung cấp khí hyđrô cho động cơ

1. Bình chứa hyđrô; 2. Van điều chỉnh áp suất; 3. Thiết bị đo áp suất; 4. Thiết bị đo lưu lượng hyđrô; 5. Van chống cháy ngược; 6. Vòi phun hyđrô; 7. Bướm ga; 8. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp; 9. Van không tải; 10. ECU nguyên bản; 11. ECU mới; 12. Máy tính;

13. Bình nhiên liệu; 14. Đồng hồ đo lưu lượng nhiên liệu; 15. Bơm nhiên liệu; 16. Vòi phun nhiên liệu; 17. IC đánh lửa; 18. Bugi có gắn cảm biến áp suất; 19. Cảm biến tốc độ quay trục khuỷu; 20. Bộ khuếch đại; 21. Bộ chuyển đổi A/D; 22. Máy tính phân tích đặc tính cháy; 23. Cảm biến ôxy; 24. Thiết bị tính toán A/F; 15. Đầu lẫy mẫu khí thải; 26. Tủ

phân tích khí thải Horiba MEXA-7100; a. Tín hiệu từ bộ ECU nguyên bản đến bộ ECU mới; b1. Tín hiệu điều chỉnh/điều khiển từ máy tính; b2. Dữ liệu từ bộ ECU mới đến máy tính.

Chế độ không tải: khi phun hyđrô vào đường nạp và chiếm 3% thể tích, giá trị λ thay đổi từ 1  1,4, hiệu suất nhiệt chỉ thị của động cơ tăng lên, sự thay đổi lớn

nhất khi hoạt động ở chế độ hỗn hợp nhạt, cụ thể tại λ = 1,37, hiệu suất nhiệt chỉ thị của động cơ có bổ sung hyđrô cao hơn 46,38% so với động cơ nguyên bản (Hình1.9).

Hình 1.9 Diễn biến hiệu suất nhiệt chỉ thị của động cơ theo hệ số dư lượng không khí khi có và không có hyđrô bổ sung ở chế độ không tải

Hình 1.10 Diễn biến nồng độ phát thải của động cơ theo hệ số dư lượng không khí khi có và không có hyđrô bổ sung ở chế độ không tải

Ở chế độ không tải, quá trình cháy sẽ kém hơn, dẫn đến HC và CO tăng, đặc biệt trong điều kiện hỗn hợp nghèo. Hyđrô có đặc tính cháy tốt hơn xăng, vì vậy khi bổ sung hyđrô, sẽ giúp cải thiện quá trình cháy, nên HC và CO đều giảm so với động cơ nguyên bản, những vùng có hỗn hợp nhạt nồng độ HC giảm khi bổ sung khí hyđrô, cụ thể HC giảm 76,44% tại λ = 1,37. Vì hoạt động ở chế độ không tải,

nên sau khi bổ sung hyđrô, độ mở của van không tải sẽ giảm, làm giảm lƣợng không khí đi vào, hỗn hợp thiếu ôxy. Thêm vào đó, do lƣợng khí hyđrô bổ sung trong trường hợp này rất nhỏ, nên những ảnh hưởng của hyđrô đến nhiệt độ quá trình cháy nhỏ, nên nhiệt độ cháy giảm, nồng độ NOx giảm

Chế độ hỗn hợp nghèo: Khí hyđrô chiếm 3% và 6% thể tích, hiệu suất nhiệt có ích của động cơ tăng.

Hình1.11 Diễn biến hiệu suất nhiệt có ích theo hệ số dư lượng không khí ứng với các lưu lượng khí hyđrô bổ sung

Khi hoạt động ở chế độ này, phát thải CO, HC và CO2 đều giảm. Trong khi đó NOx lại tăng lên.

Hình1.12 Diễn biến nồng độ phát thải chính của động cơ theo hệ số dư lượng không khí ứng với các lưu lượng khí hyđrô bổ sung

Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm : khi góc đánh lửa sớm quá lớn (240 trước ĐCT khi λ=1,2 và 320 trước ĐCT khi λ=1,4) thì công suất động cơ sẽ giảm khi có khí hyđrô bổ sung do thời điểm bắt đầu cháy sớm, dẫn đến hiện tƣợng vừa cháy vừa nén, nên công dành cho quá trình nén sẽ lớn hơn.

Hình 1.13 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến imep và hiệu suất nhiệt có ích khi có và không có hyđrô bổ sung ở λ=1,2 và 1,4

Hoạt động ở chế độ hỗn hợp nghèo tới hạn: Động cơ hoạt động ở hỗn hợp nghèo là một giải pháp giúp nâng cao hiệu suất của động cơ. Vì vậy hiện nay, phát triển động cơ hoạt động ở chế độ nghèo là một trong những hướng phát triển được các nhà khoa học quan tâm. Khi có hyđrô bổ sung, giới hạn cháy nghèo của động cơ sẽ đƣợc cải thiện, cụ thể giới hạn cháy của xăng là λ=1,45. Tuy nhiên khi khí hyđrô chiếm 1%, 3% và 4,5% thể tích, giới hạn cháy nghèo tăng lên lần lƣợt là λ=1,55;

λ=1,97 và λ=2,55. Khi hyđrô chiếm 1% thể tích, áp suất có ích trung bình và hiệu suất có ích của động cơ lớn nhất, tuy nhiên khi tăng tỷ lệ hyđrô lên 3% và 4,5%, cả hai giá trị này đều giảm do hỗn hợp quá nhạt .

Hình 1.14 Áp suất có ích trung bình và hiệu suất nhiệt có ích của động cơ tại giới hạn cháy nghèo ứng với các tỷ lệ hyđrô khác nhau

Sự thay đổi nồng độ phát thải theo tỷ lệ của hyđrô trong hỗn hợp ở chế độ nghèo tới hạn đƣợc thể hiện trong hình 1.15.

Hình 1.15 Sự thay đổi nồng độ các phát thải của động cơ theo tỷ lệ hyđrô trong hỗn hợp khi hoạt động ở chế độ nghèo tới hạn

Thành phần CO, HC và NOx đều có xu hướng giảm khi tăng tỷ lệ hyđrô từ 0–4,5% thể tích. Do hoạt động tại chế độ nghèo tới hạn, nên hỗn hợp thừa ôxy, giúp cho quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn.

Nghiên cứu của T .D’Andrea (năm 2003) cùng cộng sự tại trường đa ̣i ho ̣c Windsor Canada cũng cho kết quả khá tương đồng với nghiên c ứu của Changwei Ji ở trên.

T.D’Andrea cùng cộng sự đã bổ sung hỗn hợp khí nén bao gồm 98% không khí + 2% hyđrô và 97% khí nén + 2% hyđrô + 1% ôxy vào đường nạp đã được cải tiến của mô ̣t động cơ 2 xylanh, 4 kỳ có dung tích là 570 cm3. Kết quả nghi ên cƣ́u cho thấy công có ích của động cơ tăng , rút ngắn thời gian cháy và giảm sự dao động trong chu kỳ làm việc khi hoạt động ở hỗn hợp nghèo. Khi hỗn hợp tiến gần đến nồng độ lý tưởng thì sự thay đổi này là không đáng kể [44].

Khi có ôxy đi cùng với hyđrô, mômen động cơ tăng nhẹ so với trường hợp chỉ cung cấp hyđrô , khoảng 12 N.m, phát thải NO tăng 500 ppm so với khi hoạt động ở chế độ lý tưởng do tốc độ cháy lớn , hàm lượng ôxy trong khí nạp lớn (hỗn hơ ̣p nha ̣t hơn), đƣợc thể hiện trong Hình 1.16.

Hình 1.16 Sự thay đổi mômen và phát thải NO khi bổ sung 2%H2 và 2%H2+1%O2 vào đường nạp động cơ

Ngoài các nghiên cứu sử dụng khí HHO trên động cơ xăng , khí HHO còn đươ ̣c nghiên cứu sử du ̣ng trên đô ̣ng cơ Diesel . Ali Can Yilmaz và các cộ ng sự tại trường ĐH Cukurova , Adana Thổ Nhĩ Kỳ (năm 2011) thực hiê ̣n nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp HHO đến đặc tính động cơ Diesel [19], [21]. Kết quả nghiên cƣ́u cho thấy , khi bổ sung khí HHO , mômen của đô ̣ng cơ tăng trung bình 19,1%;

phát thải CO, HC và suất tiêu hao nhiên liê ̣u giảm trung bình lần lượt là 13,5%, 5%

và 14%.

Các nghiên cứu cung cấp khí HHO cho động cơ thực hiện ở trong phòng thí nghiê ̣m đều cho thấy ƣu viê ̣t rõ rê ̣t của khí này đối với tính năng kỹ t huật của đô ̣ng cơ. Các nghiên cứu này chính là cơ sở để triển khai sử dụng khí HHO trên ô tô . Tuy nhiên, nhằm đáp ứng đươ ̣c mu ̣c đích này , thiết bi ̣ sản xuất khí HHO phải đảm bảo gọn nhẹ và có khả năng lắp đặt trực tiếp lên ô tô.

Nhằm đáp ứng được yêu cầu trên , quá trình điện phân nước thu khí HHO đươ ̣c thực hiê ̣n nhờ dòng điện một chiều . Phương pháp này sử dụng công nghệ đơn giản, kết cấu nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt trên động cơ ô tô 50,55,56. Hình 1.17 trình bày nguyên lý của thiết bị sản xuất khí HHO dùng trên ô tô .

Hình 1.17Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sản xuất khí HHO 55

Nguyên lý hoạt động của bình điện phân là sử dụng nguồn điện một chiều của ắc quy được nối với hai điện cực đặt trong nước (Hình 1.17). Hyđrô sẽ xuất hiện ở điê ̣n cực âm (catot) và ôxy sẽ xuất hiện ở điện cực dương (anot). Vì vậy, dòng điện đi qua tách nước thành khí hyđrô và khí ôxy. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Khí hyđrô sinh ra ở điện cực âm và khí ôxy ở điện cực dương:

- Phản ứng trên catot: 2 H2O + 2e-  H2 + 2OH- - Phản ứng trên anot: 2 OH-  H2O + 1/2 O2 + 2e- - Tổng quát: 2 H2O + điện năng  2 H2 + O2

Khí HHO sẽ tiếp tục đưa đến bình lọc tách hơi nước nóng, sau đó chuyển tiếp vào đường nạp của động cơ.

Khí HHO đang được ứng dụng trên phương tiện vận tải ở nhiều nước . Năm 2008 Bồ Đào Nha có 300 xe sử dụng nhiên liệu hỗn hợp xăng-khí HHO và dầu Diesel-khí HHO đầu tiên và cũng năm 2008 công nghệ phun nhiên liệu HHO đƣợc sử dụng trên xe buýt ở CANADA 55, 57. Hình 1.18a,b cung cấp một số hình ảnh về phương tiê ̣n sử du ̣ng khí HHO.

Hình 1.18a Ô tô sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng - khí HHO 52,55.