Nghiên cứu sự thay đổi tính năng kỹ thuật của động cơ đốt cháy cưỡng bức khi sử dụng hỗn hợp xăng khí brown

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI
HỌC NHA TRANG
]]]]]]]]]]]ƣ

CAO VĂN TÀI

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH NĂNG KỸ THUẬT
CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY CƢỠNG BỨC KHI SỬ DỤNG
HỖN HỢP XĂNG - KHÍ BROWN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

KHÁNH HÒA – 2015


ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

CAO VĂN TÀI

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH NĂNG KỸ THUẬT
CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY CƢỠNG BỨC KHI SỬ DỤNG
HỖN HỢP XĂNG - KHÍ BROWN

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số : 62520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS LÊ ANH TUẤN
2. PGS. TS NGUYỄN VĂN NHẬN

KHÁNH HÒA – 2015


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác.
Nha Trang, ngày 10 tháng 12 năm 2015
Tác giả luận án
Cao Văn Tài


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, Khoa sau đại
học, Khoa K thu t Giao thông, Trường

ại học

ha Trang, đ

tạo đi u

kiện thu n lợi cho tôi học t p, nghiên cứu và hoàn thành lu n án
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Anh Tuấn,
Trường

ại học Bách Khoa Hà

Trường

ại học

v

ội và PGS.TS. Nguyễn Văn Nhận

ha Trang đ hướng dẫn tôi hết sức t n tình và chu đáo

mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành lu n án Tôi

c ng xin cám ơn

S. TS T

n

thông và các th y cô trong khoa đ

i

Th i, Trư ng khoa K

thu t giao

luôn giúp đỡ và dành cho tôi những

đi u kiện hết sức thu n lợi để thực hiện lu n án này
Duy

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Phạm Hữu Tuyến, NCS

guy n

inh, ThS

guy n

ức Khánh đ

guy n Thế Trực, KS

guy n Duy Tiến và ThS

giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và triển khai các

thử nghiệm tại phòng th nghiệm động cơ đ t trong Lực Trường

ại học Bách Khoa Hà

iện Cơ Kh

ộng

ội

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Cao đẳng ngh
Nha Trang cùng các bạn bè đồng nghiệp đ

h u thuẫn và động viên tôi

trong su t quá trình nghiên cứu học t p
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các th y phản biện, các
th y trong hội đồng chấm lu n án đ

đồng ý đọc duyệt và góp các ý

kiến quý báu để tôi có thể hoàn thành lu n án này và định hướng
nghiên cứu trong tương lai
Cu i cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn
bè, những người đ

động viên khuyến kh ch tôi trong su t thời gian tôi

tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này
Nghiên cứu sinh
C o Văn Tài

iii

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục các chữ và ký hiệu viết tắt

vii

Danh mục các bảng

ix

Danh mục các ảnh, hình vẽ và đồ thị

xi

Mở đầu

1

Chƣơng 1 TỔNG QUAN

3

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

3

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH NĂNG KỸ THUẬT

5

KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP XĂNG VÀ KHÍ HHO CHO ĐỘNG CƠ
ĐỐT CHÁY CƢỠNG BỨC
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

5

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc

17

1.2.3. Một số vấn đề tồn t i đối với các nghiên cứu sử dụng kh HHO cho

17

động cơ đốt trong
1.3 MỤC TIÊU ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

18

1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu

18

1.3.2. Đối tƣợng nghiên cứu

19

1.3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu

19

1.4 PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

20

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

20

1.5.1. Ý nghĩa khoa học

20

1.5.2. T nh thực tiễn của đề tài

21

1.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1

21

Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH TÍNH NĂNG KỸ THUẬT

23


iv

CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY CƢỠNG BỨC KHI SỬ DỤNG HỖN
HỢP NHIÊN LIỆU XĂNG-KHÍ HHO
2.1 NHIỆN LIỆU DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY CƢỠNG BỨC

23

2.1.1 Nhiên liệu xăng

23

2.1.2 Kh BROWN

26

2.1.3 Tỷ lệ hỗn hợp kh HHO bổ sung và đề xuất phƣơng án

31

2.2 TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY CƢỠNG BỨC

32

2.2.1 Tốc độ của động cơ

32

2.2.2 Tải của động cơ

33

2.2.3 Hiệu suất của động cơ

35

2.3 QUÁ TRÌNH CHÁY HỖN HỢP XĂNG KH NG KHÍ VÀ XĂNG KHÍ

36

HHO KH NG KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ
2.3.1 Hình thành hỗn hợp xăng - kh HHO - không kh

36

2.3.2 Lý thuyết cháy ở động cơ xăng

41

2.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2

49

Chƣơng 3 TÍNH TOÁN SỰ THAY ĐỔI TÍNH NĂNG KỸ THUẬT

50

CỦA ĐỘNG CƠ XE HONDA WAVE KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP
XĂNG

KHÍ HHO

3.1 TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ XE HONDA WAVE

51

3.1.1 Động cơ sử dụng nhiên liệu xăng truyền thống

51

3.1.2 Động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng kh HHO

66

3.1.3 Nhận xét

68

3.2 XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG TRÊN M
HÌNH M

69

PHỎNG CỦA PHẦN MỀM AVL-BOOST

3.2.1 Trình tự ch y mô phỏng

71

3.2.2 Đánh giá độ ch nh xác của mô hình

72

3.2.3 Đánh giá khả năng cung cấp kh HHO cho động cơ

73

3.2.4 Đánh giá đặc t nh ngoài của động cơ

78


v

3.2.5 Đặc t nh cháy của động cơ sử dụng hỗn hợp xăng

kh HHO

79

3.2.6 Lƣợng kh HHO cung cấp cho động cơ Honda wave mô phỏng

81

3.2.7 Ảnh hƣởng góc đánh lửa đến quá trình cháy của xăng và hỗn hợp

82

xăng kh HHO có bổ sung không kh
3.2.8 Ảnh hƣởng của việc cung cấp kh HHO cho động cơ xăng đến công

87

suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải
3.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3

90

Chƣơng 4 THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG KHÍ HHO TRÊN ĐỘNG CƠ

92

XE HONDA WAVE
4.1 SƠ ĐỒ BỐ TRÍ VÀ TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM

92

4.1.1 Sơ đồ bố tr thử nghiệm

92

4.1.2 Trang thiết bị thực nghiệm

93

4.1.3 Giới thiệu kết quả sản xuất kh HHO

99

4.2 XÁC ĐỊNH VÙNG THỬ NGHIỆM QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM VÀ

99

CHỌN LƢỢNG KHÍ HHO BỔ SUNG
4.2.1 Xác định vùng thử nghiệm

99

4.2.2 Quy trình thử nghiệm

100

4.2.3 Chọn lƣu lƣợng kh HHO và không kh cung cấp cho các chế độ làm

102

việc của động cơ
4.3 KẾT QU THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

105

4.3.1 Đánh giá chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật

105

4.3.2 Đánh giá chỉ tiêu môi trƣờng

109

4.3.3 Quan hệ của các thông số kinh tế, kỹ thuật và môi trƣờng của động cơ

117

với lƣợng kh HHO cung cấp
4.4 SO SÁNH KẾT QU M

PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

119

4.4.1 Đặc t nh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu

119

4.4.2 Nồng độ phát thải CO, HC và NOx của mô phỏng và thực nghiệm

120

4.5 TÍNH TOÁN HIỆU QU KINH TẾ KHI SỬ DỤNG KHÍ HHO

122

4.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4

122


vi

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

124

5.1 KẾT LUẬN

124

5.2 KIẾN NGHỊ

125

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

126

TÀI LIỆU THAM KHẢO

127

DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC

132


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

Diễn giải

A/F

-

Tỷ lệ hỗn hợp

AVL-Boost

-

Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo)

C

ppm

Cacbon

CO

ppm

Mônôxit cacbon

CO2

ppm

Cacbonic

COM

-

Cổng giao tiếp máy t nh d ng nối tiếp

CP

-

Ch nh phủ

CEBII

-

Tủ phân t ch kh xả (Combustion Emission Bench)

BCHK

-

Bộ chế hòa kh

ĐCĐT

-

Động cơ đốt trong

ĐCT

-

Điểm chết trên

ECU

-

Bộ điều khiển trung tâm

EHC

-

Bộ điều khiển cung cấp HHO(Electronic HHO control)

EURO

-

Tiêu chuẩn châu Âu

GTVT

-

Giao thông vận tải

ge

g/kW.h

gqtk

-

HC

ppm

Suất tiêu hao nhiên liệu
Góc quay trục khuỷu
Hyđrôcacbon

HHO

-

Hỗn hợp kh Hyđrô và ôxy, còn đƣợc gọi là kh Brown

H2

-

Hyđrô

H2 O

lt

Nƣớc

LPG

-

Kh dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroium Gas)

LNG

-

Kh thiên nhiên hóa lỏng (Liquefild Natural Gas)

MP

-

Mô phỏng

MCCT

-

Môi chất công tác

n

vg/ph

Tốc độ quay động cơ


viii

Ne

kW

Công suất động cơ

NOx

ppm

Oxit nitơ

N2

-

Nitơ

O2

-

Ôxy

Pb

-

Chì

PC

-

Máy t nh

ppm

-

Phần triệu

SO2

-

Lƣu huỳnh điôxit

TN

-

Thực nghiệm

VOC

-

Hỗn hợp các chất hữu cơ bay hơi (Volatile Organic
Compounds)



-

Hệ số dƣ lƣợng không kh (Lambda)



-

Khối lƣợng riêng

f

Độ TK

Góc đánh lửa sớm


ix

DANH MỤC CÁC B NG
Bảng 2.1 Tiêu chuẩn TCCS 01:2009/PETROLIMEX quy định giới h n cho phép
đối với 15 chỉ tiêu dành cho xăng RON 92 và xăng RON 95 ................... 25
Bảng 2.2 Nhiệt trị của một số lo i nhiên liệu ........................................................... 27
Bảng 2.3 Nhiệt độ tự đánh lửa của hyđrô và nhiên liệu thông dụng ........................ 28
Bảng 2.4 Đặc t nh của nhiên liệu .............................................................................. 29
Bảng 2.5 Điểm chớp cháy của hyđrô và một số nhiên liệu thông dụng ................... 29
Bảng 2.6 Xu hƣớng thay đổi tỷ lệ nhiên liệu trong tƣơng lai ................................... 31
Bảng 3.1 Hệ số của phƣơng trình trao đổi nhiệt t i cửa n p và thải ........................ 60
Bảng 3.2 Chuỗi phản ứng hình thành NOx ............................................................... 65
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật động cơ xe máy Honda wave ...................................... 69
Bảng 3.4 Danh mục các phần tử sử dụng trong mô hình ........................................ 70
Bảng 3.5 Sự thay đổi của các thành phần phát thải, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu
suất chỉ thị khi giữ công suất động cơ không đổi, tốc độ động cơ
3000v/ph .................................................................................................. 75
Bảng 3.6 Lƣợng kh HHO cung cấp ......................................................................... 80
Bảng 4.1 Chế độ thử nghiệm .................................................................................. 100
Bảng 4.2 Lƣu lƣợng kh HHO cung cấp theo vị tr bƣớm ga và tốc độ động cơ

(l t/phút) ................................................................................................. 103
Bảng 4.3 Mức độ cải thiện công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử
dụng hỗn hợp xăng HHO và xăng HHO k.kh so với khi sử dụng xăng
(%) ......................................................................................................... 106
Bảng 4.4 Mức độ cải thiện Mômen của động cơ khi sử dụng hỗn hợp xăng HHO
và xăng HHO k.kh so với khi sử dụng xăng (%) ............................... 108
Bảng 4.5 Nồng độ phát thải NOx tăng trung bình khi sử dụng hỗn hợp xăng HHO
và xăng HHO k.kh so với khi sử dụng xăng (%) ............................... 109
Bảng 4.6 Nồng độ phát thải HC giảm trung bình khi sử dụng hỗn hợp xăng HHO
và xăng HHO k.kh so với khi sử dụng xăng (%) ............................... 110


x

Bảng 4.7 Nồng độ phát thải CO trung bình khi sử dụng hỗn hợp xăng HHO và
xăng HHO k.kh so với khi sử dụng xăng (%) .................................... 113
Bảng 4.8 Nồng độ phát thải CO2 trung bình khi sử dụng hỗn hợp xăng HHO và
xăng HHO k.kh so với khi sử dụng xăng (%) .................................... 114
Bảng 4.9 So sánh sử dụng hỗn hợp xăng HHO k.kh và xăng HHO với nhiên liệu
truyền thống xăng (%) ........................................................................... 115
Bảng 4.10 So sánh độ tăng công suất và độ giảm suất tiêu hao nhiên liệu khi bổ
sung kh HHO và không kh (so với động cơ nguyên bản) giữa mô phỏng
và thực nghiệm....................................................................................... 119
Bảng 4.11 So sánh độ sai lệch các thành phần phát thải NOx, CO và HC khi bổ
sung không kh và không kh (so với động cơ nguyên bản) giữa mô
phỏng và thực nghiệm .......................................................................... 121


xi

DANH MỤC CÁC NH HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
H nh 1.1 Tỷ lệ phát thải các kh ô nhiễm theo các nguồn phát thải ch nh của Việt Nam
năm 2008 ..................................................................................................... 3

H nh 1.2 Tỷ lệ phát thải do các phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ của Việt Nam................... 4
H nh 1.3 Ảnh hƣởng của kh HHO bổ sung đến hiệu suất có ch của động cơ ở các
góc đánh lửa, lƣu lƣợng HHO khác nhau, hỗn hợp đậm ............................. 6
H nh 1.4 Ảnh hƣởng của kh HHO bổ sung đến hiệu suất có ch của động cơ ở các
góc đánh lửa, lƣu lƣợng HHO khác nhau, hỗn hợp nh t ............................. 6
H nh 1.5 Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp hỗn hợp kh hyđrô-ôxy cho động cơ ..... 7
H nh 1.6 Diễn biến hiệu suất có ch và áp suất có ch trung bình theo hệ số dƣ
lƣợng không kh và tỷ lệ H2 hay hỗn hợp 2H2+O2 so với tổng lƣợng kh
n p.............................................................................................................. 8
H nh 1.7 Diễn biến các phát thải ch nh của động cơ theo hệ số dƣ lƣợng không kh
và tỷ lệ H2 hay hỗn hợp 2H2 O2 so với tổng lƣợng kh n p ................... 9
H nh 1.8 Sơ đồ của hệ thống cung cấp kh hyđrô cho động cơ ............................... 10
H nh 1.9 Diễn biến hiệu suất nhiệt chỉ thị của động cơ theo hệ số dƣ lƣợng không
kh khi có và không có hyđrô bổ sung ở chế độ không tải cơ ................. 11
H nh 1.10 Diễn biến nồng độ phát thải của động cơ theo hệ số dƣ lƣợng không kh
khi có và không có hyđrô bổ sung ở chế độ không tải ............................ 11
H nh1.11 Diễn biến hiệu suất nhiệt có ch theo hệ số dƣ lƣợng không kh ứng với
các lƣu lƣợng kh hyđrô bổ sung ............................................................. 12
H nh1.12 Diễn biến nồng độ phát thải ch nh của động cơ theo hệ số dƣ lƣợng
không kh ứng với các lƣu lƣợng kh hyđrô bổ sung ............................... 12
H nh 1.13 Ảnh hƣởng của góc đánh lửa sớm đến imep và hiệu suất nhiệt có ch khi
có và không có hyđrô bổ sung ở λ=1,2 và 1,4 ......................................... 13
H nh 1.14 Áp suất có ch trung bình và hiệu suất nhiệt có ch của động cơ t i giới
h n cháy nghèo ứng với các tỷ lệ hyđrô khác nhau ................................. 13
H nh 1.15 Sự thay đổi nồng độ các phát thải của động cơ theo tỷ lệ hyđrô trong
hỗn hợp khi ho t động ở chế độ nghèo tới h n........................................ 14

xii

H nh 1.16 Sự thay đổi mômen và phát thải NO khi bổ sung 2%H2 và 2%H2+1%O2
vào đƣờng n p động cơ .............................................................................. 15
H nh 1.17 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sản xuất kh HHO ...................................... 16
H nh 1.18a Ô tô sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng - kh HHO ................................ 17
H nh 1.18b Ô tô sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Diesel-kh HHO ................................ 17
H nh 2.1a Cấu trúc của phân tử nƣớc ....................................................................... 27
H nh 2.1b Cấu trúc của phân tử kh HHO ................................................................ 28
H nh 2.2 Giới h n cháy của hyđrô theo nhiệt độ ...................................................... 30
H nh 2.3 Giới h n cháy của một số nhiên liệu ở điều kiện thƣờng .......................... 30
H nh 2.4 Các điểm đặc trƣng trên đặc t nh tốc độ của ĐCĐT ................................. 32
H nh 2.5 Ảnh hƣởng của  đến t và i ................................................................... 38
H nh 2.6 Ảnh hƣởng của  đến Ne và ge ở động cơ xăng ........................................ 39
H nh 2.7 Ảnh hƣởng của  đến hàm lƣợng các chất HC, CO và NOx trong kh thải
của động cơ xăng ..................................................................................... 39
H nh 2.8 Đặc t nh của bộ chế hòa kh ...................................................................... 40
H nh 2.9 Giới h n cháy của hỗn hợp cháy ............................................................... 46
H nh 2.10 Tốc độ phản ứng dây chuyền................................................................... 48
H nh 3.1 Cân b ng năng lƣợng trong xylanh động cơ ............................................. 52
H nh 3.2 Ngọn lửa tiến gần đến thành xylanh và bắt đầu quá trình cháy sát vách .. 58
H nh 3.3 Tỷ lệ mol CO t nh toán theo góc quay trục khuỷu .................................... 61
H nh 3.4 Tỷ lệ mol CO t nh toán theo giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dƣ lƣợng
không kh ................................................................................................. 62
H nh 3.5 Nồng độ HC theo góc quay trục khuỷu và độ dày màng dầu .................... 64
H nh 3.6 Giao diện bổ sung kh HHO (H2 và O2) .................................................... 68
H nh 3.7 Mô hình mô phỏng động cơ Honda wave ................................................. 70
H nh 3.8a So sánh đƣờng đặc t nh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô

phỏng và thực nghiệm t i chế độ 30% tải, động cơ sử dụng nhiên liệu
xăng.......................................................................................................... 72


xiii

H nh 3.8b So sánh đƣờng đặc t nh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô
phỏng và thực nghiệm t i chế độ 30% tải, động cơ sử dụng xăng kh
HHO có bổ sung không kh (xăng HHO k.kh ) .................................... 73
H nh 3.9 Sự biến thiên hiệu suất chỉ thị của động cơ theo λ và lƣu lƣợng kh HHO,
động cơ vận hành ở chế độ toàn tải, 3000v/ph ........................................ 74
H nh 3.10 Sự biến thiên công suất động cơ theo λ và lƣu lƣợng kh HHO, động cơ
vận hành ở chế độ toàn tải, 3000v/ph ...................................................... 74
H nh 3.11 Sự biến thiên suất tiêu hao nhiên liệu theo λ và lƣu lƣợng kh HHO, động
cơ vận hành ở chế độ toàn tải, 3000v/ph ................................................. 75
H nh 3.12 Mức độ cải thiện về hiệu suất chỉ thị và suất tiêu hao nhiên liệu của động
cơ theo lƣợng HHO cung cấp ở chế độ công suất 1,97kW, tốc độ vòng
quay 3000v/ph ......................................................................................... 75
H nh 3.13 Diễn biến áp suất và tốc độ tăng áp suất t i λ = 1,4 ................................ 77
H nh 3.14 Diễn biến nhiệt độ và tốc độ toả nhiệt t i λ = 1,4.................................... 77
H nh 3.15 Diễn biến đƣờng đặc t nh ngoài của động cơ xe Honda wave ................ 78
H nh 3.16 Diễn biến tỷ lệ nhiên liệu cháy, áp suất và nhiệt độ trong xylanh theo góc
quay trục khuỷu theo các trƣờng hợp 1, trƣờng hợp 2 và trƣờng hợp 3. .79
H nh 3.17 So sánh hệ số dƣ lƣợng không kh tƣơng ứng với các lo i nhiên liệu khác
nhau.......................................................................................................... 80
H nh 3.18 Diễn biến tỷ lệ cháy trong xylanh động cơ khi bổ sung kh HHO không
kh vào đƣờng n p ở các góc đánh lửa khác nhau .................................. 82
H nh 3.19 Diễn biến áp suất trong xylanh động cơ khi bổ sung kh HHO không kh
vào đƣờng n p ở các góc đánh lửa khác nhau ......................................... 83
H nh 3.20 Diễn biến tốc độ tăng áp suất trong xylanh động cơ khi bổ sung kh

HHO không kh vào đƣờng n p ở các góc đánh lửa khác nhau nhau ... 84
H nh 3.21 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh động cơ khi bổ sung kh
HHO không kh vào đƣờng n p ở các góc đánh lửa khác nhau ............. 85
H nh 3.22 Diễn biến nhiệt độ cháy trong xylanh động cơ khi bổ sung kh
HHO không kh vào đƣờng n p ở các góc đánh lửa khác nhau ............ 86


xiv

H nh 3.23 Biến thiên công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng
xăng và hỗn hợp xăng HHO không kh ................................................ 87
H nh 3.24 Biến thiên nồng độ các thành phần phát thải CO, HC và NO x trong
buồng cháy khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng HHO không kh ......... 88
H nh 4.1 Sơ đồ bố tr các thiết bị trong phòng thử nghiệm ...................................... 91
H nh 4.2 Sơ đồ cung cấp kh HHO cho động cơ ...................................................... 92
H nh 4.3 Đƣờng n p đã cải t o thêm lỗ bổ sung không kh và lỗ phun kh HHO ... 93
H nh 4.4 Trục cam có lắp thêm trục cảm biến tốc độ quay động cơ ........................ 93
H nh 4.5 Lắp cảm biến tốc độ .................................................................................. 93
H nh 4.6 Vòi phun kh HHO .................................................................................... 94
H nh 4.7 Bộ EHC điều khiển hệ thống nhiên liệu phun kh HHO ........................... 95
H nh 4.8 Giao diện chƣơng trình điều khiển quá trình phun kh HHO .................... 95
H nh 4.9 Bộ điều khiển EC kết nối với máy t nh ..................................................... 96
H nh 4.10 Giao diện hệ thống đo suất tiêu hao nhiên liệu AVL-733S ................... 97
H nh 4.11 Tủ phân t ch kh xả CEBII ...................................................................... 98
H nh 4.12 Diễn biến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ................................... 106
H nh 4.13 Diễn biến Mômen động cơ .................................................................... 107
H nh 4.14 Biến thiên nồng độ NOx khi sử dụng xăng, xăng HHO và xăng HHO
k.kh ....................................................................................................... 109
H nh 4.15 Biến thiên nồng độ HC của động cơ khi sử dụng xăng, xăng HHO và
xăng HHO k.kh .................................................................................. 111

H nh 4.16 Biến thiên nồng độ CO của động cơ khi sử dụng xăng, xăng HHO và
xăng HHO k.kh .................................................................................. 112
H nh 4.17 Biến thiên nồng độ CO2 của động cơ khi sử dụng xăng, xăng HHO và
xăng HHO k.kh .................................................................................. 114
H nh 4.18 Độ chênh lệch khi sử dụng hỗn hợp( xăng HHO không kh ) so với khi
sử dụng (xăng HHO) ............................................................................ 115
H nh 4.19 Biến thiên công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo lƣơng cung cấp kh
HHO ....................................................................................................... 116


xv

H nh 4.20 Biến thiên nồng độ phát thải CO và CO2 theo lƣợng HHO cung cấp .. 117
H nh 4.21 Biến thiên nồng độ phát thải HC và NOx theo lƣợng kh HHO cung
cấp .......................................................................................................... 117
H nh 4.22 Biến thiên công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của mô phỏng và thực
nghiệm ................................................................................................... 118
H nh 4.23 Biến thiên nồng độ CO và HC của mô phỏng và thực nghiệm ............. 120
H nh 4.24 Biến thiên nồng độ NOx của mô phỏng và thực nghiệm ....................... 120


1

MỞ ĐẦU
Hiện nay, động cơ đốt trong chiếm trên 80% tổng năng lƣợng đƣợc sản xuất
và sử dụng trên toàn thế giới và là một trong những nguồn gây ô nhiễm không kh
chủ yếu. T i Việt Nam, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu đi l i tăng
nhanh do đó tốc độ tăng trƣởng về số lƣợng phƣơng tiện giao thông luôn ở mức rất
cao. Với số lƣợng phƣơng tiện lớn, trong đó có một bộ phận lớn phƣơng tiện sử
dụng công nghệ c , l c hậu, có t nh kinh tế nhiên liệu thấp và phát thải ô nhiễm ra

môi trƣờng cao, đặc biệt là xe máy; hơn nữa, do tốc độ phát triển phƣơng tiện nhanh
nên nhu cầu nhiên liệu đối với phƣơng tiện vận tải c ng ngày một tăng; vấn đề đa
d ng hóa nhiên liệu, giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm cho phƣơng
tiện vận tải do đó ngày càng trở nên cấp bách.
Trong số các nhiên liệu thay thế nhƣ sinh khối, nhiên liệu sinh học, kh dầu
mỏ hóa lỏng (LPG), kh thiên nhiên (NG), kh đốt tổng hợp (syngas), kh sinh học
(biogas), kh hyđrô, kh Brown (hỗn hợp giữa kh hyđrô và ôxy theo tỷ lệ 2:1 về thể
t ch, hay còn gọi là kh HHO)....thì kh hyđrô và kh Brown chiếm ƣu thế về t nh
s n có và tái t o đƣợc của nguồn nguyên liệu sản xuất, c ng nhƣ khi cháy không
phát thải ô nhiễm ra môi trƣờng, do vậy đang nhận đƣợc sự quan tâm lớn của các
nhà khoa học.
Ý tưởng đề ra luận án này là bổ sung khí Brown và không khí vào đ ng c xe
máy Honda wave nh m n ng cao tính kinh t khi s d ng nhi n li u x ng và giảm
phát thải ô nhi m CO và HC ra môi trư ng
Thừa hƣởng những kết quả nghiên cứu về bổ sung hỗn hợp hyđrô ôxy, kh
Brown hoặc kh HHO của thế giới trên các động cơ điều khiển phun xăng điện tử
với hỗn hợp nhiên liệu nghèo, luận án này tập trung nghiên cứu sử dụng hỗn hợp
nhiên liệu xăng và kh Brown cho động cơ xe máy dùng bộ chế hòa kh – lo i động
cơ phổ biến nhất hiện nay ở Việt Nam nhƣng do công nghệ khá l c hậu nên việc
điều chỉnh tỷ lệ không kh /nhiên liệu hầu nhƣ không thể thực hiện đƣợc theo ý
muốn.


2

Những nội dung ch nh trong luận án bao gồm:
1.

Xây dựng mô hình t nh toán sự thay đổi t nh năng kỹ thuật cho
động cơ xe máy Honda wave sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng

kh Brown.

2.

Chế t o hệ thống cung cấp kh Brown cho động cơ và nghiên cứu
thực nghiệm đánh giá ảnh hƣởng đến t nh năng kỹ thuật của động
cơ. Ngoài ra luận án c ng chế t o hệ thống sản xuất kh Brown
nh m chủ động cung cấp kh cho động cơ trong suốt quá trình thực
nghiệm.

3.

Các kết quả thực nghiệm đƣợc so sánh với mô hình t nh toán, từ đó
đánh giá mức độ ch nh xác của mô hình lý thuyết, sự đúng đắn của
phƣơng pháp nghiên cứu và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

Những kết quả lý thuyết và thực nghiệm đ t đƣợc bƣớc đầu trong luận án
cho thấy việc bổ sung kh Brown và không kh vào động cơ xe Honda wave là khả
thi và có nhiều ƣu điểm trong việc cải thiện t nh kinh tế nhiên liệu và góp phần
giảm phát thải ô nhiễm CO và HC của động cơ. Hệ thống cung cấp kh Brown và
không kh cho động cơ xe máy sau khi đƣợc tiếp tục hoàn thiện theo hƣớng tối ƣu
k ch thƣớc, kết cấu, đánh giá tác động lâu dài đến động cơ và chú ý đến các điều
kiện an toàn của xe thì có thể đƣa vào ứng dụng trong thực tiễn.


3

Chƣơng 1

TỔNG QUAN

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Các phƣơng tiện vận tải không ngừng phát triển ở nƣớc ta trong khi cơ sở h
tầng giao thông không kịp đáp ứng đã dẫn đến tình tr ng tắc đƣờng nặng nề, nhất là
ở các thành phố lớn nhƣ Hà Nội và Thành phố Hồ Ch Minh. Hậu quả là ô nhiễm
môi trƣờng ngày càng báo động do tác động xấu của chúng đến sức khỏe của con
ngƣời và hệ sinh thái. Nồng độ các chất độc h i t i một số nút giao thông gần khu
dân cƣ t i Hà Nội và Thành phố Hồ Ch Minh vào giờ cao điểm đều vƣợt quá giới
h n cho phép, đòi hỏi chúng ta phải quan tâm nhiều hơn đến vấn đề ô nhiễm môi
trƣờng do các phƣơng tiện giao thông gây ra [11].
Hình 1.1 thể hiện tỷ lệ phát thải các kh gây ô nhiễm theo các nguồn thải
ch nh của Việt Nam năm 2010, trong đó, phát thải mônôx t cácbon (CO) và hợp
chất hữu cơ bay hơi (VOC) chủ yếu do phƣơng tiện giao thông vận tải gây ra, chiếm
lần lƣợt 85% và 95% tổng phát thải CO và VOC từ tất cả các nguồn [11].

H nh

T l phát thải các khí ô nhi m theo các ngu n phát thải chính c a
Vi t Nam n m
8
Về t l phát thải trong các phư ng ti n vận tải đư ng b , xe máy là đ i
tư ng chi m t l CO và VOC g n như tuy t đ i (Hình 1.2). Nguyên nhân dẫn tới
điều này chủ yếu do xe máy là phƣơng tiện sử dụng động cơ xăng, số lƣợng phƣơng


4

tiện lớn, trong khi đó hàm lƣợng công nghệ đối với lo i phƣơng tiện giá r này thấp
nên mức phát thải CO và VOC t nh trên đầu phƣơng tiện cao.

H nh

T l phát thải do các phư ng ti n c gi i đư ng b c a Vi t Nam [11]
Theo số liệu thống kê t nh đến tháng 06/2012, cả nƣớc có 1.475.955 ô tô

đang lƣu hành, 68.746 ô tô nhập khẩu và lắp ráp trong nƣớc; trong khi có tới
khoảng 34 triệu xe máy đang lƣu hành và 1.627.183 xe máy sản xuất lắp ráp mới;
ngoài ra số lƣợng các lo i tàu biển khoảng 1.603 chiếc và tàu sông khoảng 255.243
chiếc [12.
Nh m kiểm soát phát thải của phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ, Việt Nam đã
ch nh thức áp dụng tiêu chuẩn kh thải EURO2 của Châu Âu để h n chế lƣợng độc
h i phát ra từ ô tô, xe máy từ ngày 01/07/2007 (theo Quyết định số 249/2005-QĐTTg ngày 10/10/2005 của Thủ tƣớng Ch nh phủ). Quyết định 49/2011-QĐ-TTg
ngày 01/09/2011 đã phê duyệt lộ trình kiểm soát phát thải của phƣơng tiện cơ giới
đƣờng bộ. Theo đó, Việt Nam sẽ áp dụng tiêu chuẩn kh thải EURO 4 năm 2017 và
EURO 5 năm 2022. Điều này thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc bảo
vệ môi trƣờng.
Nhƣ vậy, việc nâng cao t nh kinh tế trong sử dụng nhiên liệu, giảm dần sử
dụng nhiên liệu hóa th ch và kiểm soát phát thải ô nhiễm ra môi trƣờng là nhiệm vụ
hết sức cấp bách nh m t o ra một bầu không kh đô thị s ch hơn và một môi trƣờng
t ô nhiễm. Một trong những giải pháp hƣớng tới các mục đ ch trên đó là bổ sung


5

kh Brown (hay còn gọi là khí HHO) vào đƣờng n p của động cơ truyền thống. Tuy
nhiên, các nghiên cứu bổ sung kh HHO trên thế giới chủ yếu đƣợc thực hiện trên
các động cơ phun xăng điện tử. Trong khi đó, t i Việt Nam lo i động cơ xăng xe
máy dùng bộ chế hòa kh là phƣơng tiện chiếm tỷ lệ lớn nhƣng chất lƣợng kỹ thuật
thấp và mức tiêu hao nhiên liệu c ng nhƣ nồng độ các thành phần kh xả độc h i
cao.
Xu t phát t các y u c u c a th c ti n n u tr n và khả n ng t sản xu t khí

Brown ph c v nghi n c u, NCS đ ti n hành luận án “Nghiên cứu sự thay đổi
tính năng kỹ thuật của động cơ đốt cháy cưỡng bức khi sử dụng hỗn hợp xăngkhí Brown” để ng d ng vi c dùng khí Brown vào đ ng c xe máy nh m giải quy t
v n đề giảm ô nhi m môi trư ng ở Vi t Nam và ti t ki m nhi n li u hóa thạch

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH NĂNG KỸ
THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY CƢỠNG BỨC KHI SỬ DỤNG
HỖN HỢP XĂNG VÀ KHÍ HHO
1.2.1 T nh h nh nghiên cứu trên thế giới
Radu Chiriac, Trƣờng H Bách khoa Bucharest (năm 2006) cùng cộng sự đã
tiến hành nghiên cứu ứng dụng kh giàu hyđrô đƣợc t o ra từ quá trình điện phân
nƣớc (hỗn hợp kh hyđrô-ôxy, kh Brown hay kh HHO; sau đây đƣợc gọi thống
nhất là kh HHO) trên động cơ 4 xylanh với dung t ch 1,4 l t. Kh HHO đƣợc phun
vào đƣờng n p với các giá trị lƣu lƣợng khác nhau (300, 500, 700 và 850 l t/giờ).
Động cơ ho t động ở tải nhỏ, hỗn hợp đậm (=0,920,94) và hỗn hợp nh t
(=1,181,2), tốc độ động cơ giữ nguyên ở 1600 vòng/phút [43].
hi hoạt đ ng ở h n h p đậm (Hình 1.3), hiệu suất có ch của động cơ tăng
khi bổ sung kh HHO với lƣu lƣợng không quá lớn (nhỏ hơn 850 l t/giờ). Hiệu suất
có ch của động cơ đ t cực đ i khi lƣu lƣợng của kh HHO là 300 l t/giờ, cao hơn
khoảng 7,4% so với động cơ nguyên bản.


6

H nh

3 Ảnh hưởng c a khí HHO bổ sung đ n hi u su t có ích c a đ ng c ở các
góc đánh l a, lưu lư ng HHO khác nhau, h n h p đậm [43]
Hình 1.3 c ng cho thấy r xu hƣớng giảm góc đánh lửa sớm khi bổ sung kh

HHO do tốc độ cháy của hỗn hợp không kh , nhiên liệu kết hợp với kh HHO ở chế

độ hỗn hợp đậm này rất cao.
hi hoạt đ ng ở ch đ h n h p nhạt, ở tất cả các giá trị lƣu lƣợng kh HHO
khác nhau, hiệu suất có ch của động cơ đều tăng lên, đ t cực đ i khi lƣu lƣợng kh
HHO đ t giá trị 300 l t/giờ, tăng khoảng 50% so với trƣờng hợp sử dụng nhiên liệu
xăng (Hình 1.4).

H nh

4 Ảnh hưởng c a khí HHO bổ sung đ n hi u su t có ích c a đ ng c ở các
góc đánh l a, lưu lư ng HHO khác nhau, h n h p nhạt [43]
Ngoài ra, ở chế độ hỗn hợp nh t hơn này, góc đánh lửa sớm có t ảnh hƣởng

hơn đến hiệu suất có ch của động cơ. Tuy nhiên, khi lƣợng HHO bổ sung càng cao
thì cần thiết phải điều chỉnh giảm góc đánh lửa sớm.


7

Changwei Ji, Trƣờng ĐH Công nghệ Bắc Kinh (năm 2011) đã nghiên cứu
ảnh hƣởng của hỗn hợp hyđrô-ôxy cho động cơ 4 xylanh, đánh lửa đốt cháy cƣỡng
bức, dung t ch 1,6 l t. Trong nghiên cứu của Changwei Ji, hỗn hợp hyđrô-ôxy không
đƣợc hòa trộn với nhau từ trƣớc mà chỉ đƣợc hòa trộn với nhau trên đƣờng n p
thông qua hai hệ thống cung cấp kh riêng biệt [25,26,28] theo sơ đồ bố tr thử
nghiệm đƣợc thể hiện trên Hình 1.5.

H nh

5 S đ tổng thể h th ng cung c p h n h p khí hyđrô-ôxy cho đ ng c

B nh ôxy;

Van điều chỉnh áp su t ôxy; 3 Thi t bị đo áp su t ôxy; 4 Thi t bị đo lưu lư ng ôxy;

5 B nh hyđrô; 6 Van điều chỉnh áp su t hyđrô; 7 Thi t bị đo áp su t hyđrô; 8 Thi t bị đo lưu
lư ng hyđrô; 9 Thi t bị đo lưu lư ng khí nạp;

Bư m ga;

Van không tải;

Vòi phun ôxy;

3 B ECU nguy n bản; 4 B ECU m i; 5 Máy tính điều khiển; 6 B nh nhi n li u; 7 Thi t
bị đo lưu lư ng x ng; 8 B m nhi n li u; 9 IC đánh l a;
ngư c;

Vòi phun x ng;

Van ch ng cháy

Vòi phun hyđrô; 3 Bugi có gắn cảm bi n áp su t; 4 Cảm bi n ôxy; 5 Ph n tích h

s A/F; 6

ng l y mẫu; 7 Thi t bị ph n tích khí thải; 8 Thi t bị ph n tích quá tr nh cháy; 9

B chuyển đổi A/D; 3

B khu ch đại tín hi u; 3 Cảm bi n t c đ ; 3 Tr c khu u; a Tín hi u t

ECU cũ đ n ECU m i; b Tín hi u t máy tính đ n b ECU m i; b

Tín hi u t b ECU m i đ n

máy tính điều khiển

Thử nghiệm t i tốc độ 1400 vòng/phút, áp suất tuyệt đối đƣờng n p (MAP)
đƣợc giữ ở giá trị 61,5 kPa, tỷ lệ kh phun vào chiếm 0%, 2% và 4% thể t ch tổng
lƣợng kh n p. Nh m mô phỏng việc phun kh HHO vào đƣờng n p, lƣợng kh
hyđrô-ôxy phun vào đƣợc điều chỉnh nh m đ t tỷ lệ 2:1 theo thể t ch thông qua điều
chỉnh thời gian mở của hai vòi phun. Hệ số dƣ lƣợng không kh giữ ở giá trị lý


8

tƣởng ( = 1) b ng cách giảm lƣợng xăng phun vào đƣờng n p. Tỷ lệ thể t ch của
hỗn hợp (HHO) và của hyđrô (Hyđrô) đƣợc t nh toán nhƣ sau:
HHO = [(QHyđrô + QÔxy) / (QHyđrô + QÔxy + QAir)] x 100%
Hyđrô = [QHyđrô / (QHyđrô + QAir)] x 100%
Kết quả thử nghiệm cho thấy, ở mọi giá trị của hệ số dƣ lƣợng không kh ,
hiệu suất có ch và áp suất có ch trung bình (Bmep) của động cơ tăng khi bổ sung
kh hyđrô và hỗn hợp hyđrô ôxy vào đƣờng n p (Hình 1.6).

H nh 6 Di n bi n hi u su t có ích và áp su t có ích trung b nh theo h s dư
lư ng không khí và t l H2 hay h n h p H2+O2 so v i tổng lư ng khí nạp
Khi phun kh hyđrô và hỗn hợp hyđrô-ôxy vào đƣờng n p động cơ với tỷ lệ
lần lƣợt là 2% và 4% thể t ch tổng lƣợng kh n p đi vào xylanh, ở các giá trị  nhỏ,
cùng một tỷ lệ, hiệu suất có ch 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 hƣớng ngƣợc l i.
Điều này có thể giải th ch thông qua mật độ năng lƣợng t i mỗi giá trị  của hỗn

hợp (xăng không kh hyđrô-ôxy) cao hơn so với (xăng không kh hyđrô) nên làm
tăng nhiệt độ cháy trong xylanh, gia tăng tổn thất nhiệt. Khi tăng hệ số dƣ lƣợng
không kh  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 ch của động cơ
khi phun hỗn hợp hyđrô-ôxy cao hơn khi chỉ phun hyđrô trong vùng hỗn hợp
nghèo. Áp suất có ch 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 l i thấp hơn
giá trị của động cơ nguyên bản. Ở chế độ này, lƣợng không kh không đủ để đốt