Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp khí HHO cho động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu xăng HHO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
============

NGUYỄN CÔNG HÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP KHÍ HHO CHO
ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU XĂNG - HHO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN THỊ THU HƯƠNG

HàNội –Năm 2014


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu trong luận văn là trung thực.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2014

Học viên

Nguyễn Công Hùng

HV: Nguyễn Công Hùng

i

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CẢM ƠN
Với tư cách là tác giả của luận văn này, Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần
Thị Thu Hương đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để
tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn
Chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học,
Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận
văn tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học
và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và
làm luận văn.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động
cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi
những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành đề tài luận văn này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và
làm luận văn.
Học viên

Nguyễn Công Hùng

HV: Nguyễn Công Hùng

ii

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ vi
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... ix
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ...............................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HHO ....................................... 3
1.1. Nhiên liệu HHO ...........................................................................................3
1.1.1. Khái quát về nhiên liệu HHO..................................................................3
1.1.2. Tính chất của nhiên liệu HHO ...............................................................3
1.2. Quy trình và thiết bị sản xuất HHO quy mô nhỏ ........................................5
1.2.1. Hệ thống sản xuất khí HHO ở quy mô nhỏ[14] .....................................5
1.2.2. Lựa chọn và chế tạo một số thiết bị sản xuất khí HHO .........................6
1.2.3. Điện phân nước thành khí HHO ..........................................................12
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PHUN HHO VÀ
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHUN KHÍ HHO VÀO ĐỘNG CƠ................. 14
2.1. Động cơ thử nghiệm ..................................................................................... 14
2.2. Lắp đặt hệ thống phun ............................................................................... 15
2.2.1. Lắp đặt các chi tiết chính .......................................................................15

2.2.2. Kiểm tra lưu lượng phun khí HHO ........................................................18
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.

Bộ điều khiển hệ thống cung cấp khí HHO .............................................. 19
Cảm biến đo tốc độ động cơ ....................................................................... 23
Van bổ sung thêm không khí từ bên ngoài ............................................... 23
Kết luận chương 2 ....................................................................................... 24

CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM .............. 26
3.1. Phương pháp thử nghiệm..........................................................................26
3.2. Quy trình, đối tượng và bố trí thử nghiệm ...............................................26
3.2.1. Quy trình ..............................................................................................26
3.2.2. Đối tượng thử nghiệm ..........................................................................27
3.2.3. Thiết bị thử nghiệm ...............................................................................27

HV: Nguyễn Công Hùng

iii

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ CÓ BỔ SUNG HHO 38
4.1. Các tính năng kinh tế - kỹ thuật................................................................38
4.2. Các thành phần phát thải ...........................................................................42

4.2.1. Phát thải NOx ........................................................................................42
4.2.2. Phát thải HC ........................................................................................45
4.2.3. Phát thải CO ........................................................................................49
4.2.4. Phát thải CO2 .......................................................................................52
4.3. Kết luận chương 4 ....................................................................................57
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................59

HV: Nguyễn Công Hùng

iv

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật động cơ xe máy Honda [6] .........................................14
Bảng 2.2: Lưu lượng khí HHO phun vào động cơ trong kỳ nạp ..............................19
Bảng 3.1: Quy trình thử nghiệm động cơ xe máy trên băng thử DIDACTA ...........26
Bảng 4.1: Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ khi sử dụng xăng và hỗn
hợp xăng + HHO .......................................................................................................38
Bảng 4.2: Độ cải thiện của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử
dụng hỗn hợp xăng + HHO so với khi sử dụng xăng ...............................................39
Bảng 4.3: Nồng độ phát thải NOx (ppm) của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp
xăng + HHO ..............................................................................................................42
Bảng 4.4: Độ tăng của nồng độ NOx trong khí thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp
xăng + HHO so với khi sử dụng xăng .......................................................................43
Bảng 4.5: Nồng độ phát thải HC (ppm) của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp

xăng + HHO ..............................................................................................................45
Bảng 4.6: Độ giảm của nồng độ HC trong khí thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp
xăng + HHO so với khi sử dụng xăng .......................................................................47
Bảng 4.7: Nồng độ phát thải CO (ppm) của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp
xăng + HHO ..............................................................................................................49
Bảng 4.8: Độ tăng của nồng độ CO trong khí thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp
xăng + HHO so với khi sử dụng xăng .......................................................................50
Bảng 4.9: Nồng độ phát thải CO2 (ppm) của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp
xăng + HHO ..............................................................................................................53
Bảng 4.10: Độ giảm của nồng độ CO2 trong khí thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp
xăng + HHO so với khi sử dụng xăng .......................................................................54

HV: Nguyễn Công Hùng

v

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của bình sản xuất khí HHO ..............................................5
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống sản xuất khí HHO .............................................................6
Hình 1.3: Kết cấu và hình ảnh bình điện phân (bên trái bằng nhựa, bên phải Inox) ..7
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý bình điện phân nước ........................................................8
Hình 1.5: Bình ngưng tụ..............................................................................................9
Hình 1.6: Nắp bình ngưng tụ.....................................................................................10
Hình 1.7: Máy hút chân không ..................................................................................10
Hình 1.8: Khung lắp thiết bị sản xuất khí HHO........................................................11

Hình 1.9: Hệ thống sản xuất khí HHO từ nước ........................................................12
Hình 1.10: Thời gian sản xuất HHO phụ thuộc vào lượng chất điện phân...............13
Hình 2.1: Trục cam có lắp thêm trục cảm biến tốc độ quay động cơ .......................15
Hình 2.2: Vị trí lắp vòi phun khí HHO .....................................................................16
Hình 2.3: Kết cấu van giảm áp ..................................................................................16
Hình 2.4: Van điện từ ................................................................................................17
Hình 2.5: Vòi phun khí HHO ....................................................................................17
Hình 2.6: Lắp vòi phun khí HHO và van bổ sung thêm không khí ..........................18
Hình 2.7: Bộ EHC điều khiển hệ thống nhiên liệu phun khí HHO ..........................20
Hình 2.8: Giao diện chương trình điều khiển quá trình phun khí HHO ...................22
Hình 2.9: Nguyên lý của cảm biến tốc độ .................................................................23
Hình 2.10: Van bi ......................................................................................................24
Hình 3.1: Kết cấu băng thử phanh thủy lực (Didacta T101D) ..................................28
Hình 3.2: Bộ điều khiển EC kết nối với máy tính .....................................................28
Hình 3.3: Hệ thống đo suất tiêu thụ nhiên liệu AVL-733S ......................................29
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống AVL-733S ...............................30
Hình 3.5: Giao diện hệ thống đo suất tiêu thụ nhiên liệu AVL-733S .......................31
Hình 3.6: Tủ phân tích khí xả CEBII ........................................................................32
Hình 3.7: Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO. ..........................................................33
Hình 3.8: Sự ảnh hưởng của H2O tới kết quả đo CO ................................................34
HV: Nguyễn Công Hùng

vi

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 3.9: Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx ..............................................35

Hình 3.10 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm. .............................................................36
Hình 3.11: Giao diện tủ phân tích khí xả CEBII .......................................................37
Hình 4.1: Diễn biến công suất và suất tiêu hao của động cơ sử dụng xăng và hỗn
hợp xăng và HHO khi bướm ga mở 20%..................................................................40
Hình 4.2: Diễn biến công suất và suất tiêu hao của động cơ sử dụng xăng và hỗn
hợp xăng và HHO khi bướm ga mở 30%..................................................................40
Hình 4.3: Diễn biến công suất và suất tiêu hao của động cơ sử dụng xăng và hỗn
hợp xăng và HHO khi bướm ga mở 50%..................................................................41
Hình 4.4: Diễn biến công suất và suất tiêu hao của động cơ sử dụng xăng và hỗn
hợp xăng và HHO khi bướm ga mở 70%..................................................................41
Hình 4.5: Diễn biến phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 20% .................................................................................43
Hình 4.6: Diễn biến phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 30% .................................................................................44
Hình 4.7: Diễn biến phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 50% .................................................................................44
Hình 4.8: Diễn biến phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 70% .................................................................................45
Hình 4.9: Diễn biến phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng và
HHO khi bướm ga mở 20% ......................................................................................47
Hình 4.10: Diễn biến phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 30% .................................................................................47
Hình 4.11: Diễn biến phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 50% .................................................................................48
Hình 4.12: Diễn biến phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 70% .................................................................................48
Hình 4.13: Diễn biến phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 20% .................................................................................51
HV: Nguyễn Công Hùng

vii

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 4.14: Diễn biến phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 30% .................................................................................51
Hình 4.15: Diễn biến phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 50% .................................................................................52
Hình 4.16: Diễn biến phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 70% .................................................................................52
Hình 4.17: Diễn biến phát thải CO2 của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 20% .................................................................................54
Hình 4.18: Diễn biến phát thải CO2 của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 30% .................................................................................55
Hình 4.19: Diễn biến phát thải CO2 của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 50% .................................................................................55
Hình 4.20: Diễn biến phát thải CO2 của động cơ khi sử dụng xăng và hỗn hợp xăng
và HHO khi bướm ga mở 70% .................................................................................56
Hình 4.21: Độ chênh lệch khi sử dụng xăng và HHO so với khi sử dụng xăng .......56

HV: Nguyễn Công Hùng

viii

MSSV: CA120132

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI NÓI ĐẦU
Khí HHO là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi
về môi trường và kinh tế. Trong thực tế, khí HHO là năng lượng sạch, gần như
không phát thải khí ô nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước. Từ nước qua quá trình điện
phân có thể thu được khí HHO. Vì vậy, khí HHO là nguồn năng lượng gần như vô
tận hay có thể tái sinh được.
Trong điều kiện Việt Nam, nhất là trong giai đoạn hiện nay việc sử dụng khí
HHO chưa có. Vì vậy, để có thể thử nghiệm với nhiên liệu khí HHO, ngoài việc sản
xuất ra một lượng khí HHO để thử nghiệm, tính toán lựa chọn và chế tạo một số bộ
phận chính để sản xuất và lưu chứa nhiên liệu khí HHO, còn phải tính toán, thiết kế
để có thể lắp đặt và đưa được lượng khí này tham gia vào quá trình cháy của động
cơ. Sau đó thực hiện quá trình thử nghiệm đối chứng, phân tích và so sánh các
thông số về kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu truyền
thống và nhiên liệu có bổ sung thêm khí HHO để có kết luận về tính hiệu quả và
khả năng ứng dụng khí HHO sử dụng trên động cơ đốt trong. Chính vì các lý do
trên tôi đã chon đề tài “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp khí HHO cho động
cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu xăng - HHO ”
Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Trần Thị Thu Hương cùng với sự giúp đỡ
của các thầy cô trong bộ môn Động cơ đốt trong và phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong em đã hoàn thành luận văn này. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức
và trình độ hiểu biết có hạn nên khó có thể tránh khỏi các thiếu sót. Kính mong sự
chỉ bảo đóng góp của các thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày …… tháng…. Năm 2014
Học viên thực hiện

HV: Nguyễn Công Hùng

ix

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
I. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nguồn nhiên liệu truyền thống sử dụng cho động cơ đốt trong đang ngày càng
cạn kiệt, đồng thời khí xả của động cơ đốt trong là một trong những nguyên nhân
chính gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Bên cạnh
đó, sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do hiệu ứng nhà kính buộc chúng ta đưa việc
giảm CO2 thành một trong những vấn đề ưu tiên nghiên cứu của động cơ đốt trong.
Quá trình cháy nhiên liệu hoá thạch chứa cacbon (C) tất yếu sinh ra CO2, nên
việc làm giảm nồng độ chất khí này chỉ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiện
liệu chứa ít cacbon, nhiên liệu sạch hoặc giảm suất tiêu hao nhiên liệu, nghĩa làm tăng
tính kinh tế của động cơ. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp xăng+HHO (xăng
+ Hydro và oxy) cho động cơ nói chung và cho động cơ đốt cháy cưỡng bức nói riêng
có ý nghĩa khoa học quan trọng, góp phần tạo tiền đề cho các đề tài sử dụng nhiên liệu
sạch trong tương lai. Đây cũng là mục đích của đề tài nghiên cứu mà em chọn.
II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài này hướng tới nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu HHO vào
động cơ lưỡng nhiên liệu xăng-HHO. Trong nội dung đề tài này, các vấn đề liên quan
đến việc lắp đặt hệ thống phun khí HHO và điều khiển quá trình phun khí vào động cơ
sẽ được trình bày. Nội dung luận văn gồm bốn phần.
Thứ nhất là nghiên cứu các tính chất của nhiên liệu HHO, các phương pháp tạo
ra khí HHO, ảnh hưởng của nhiên liệu HHO tới quá trình làm việc của động cơ đốt
trong đã được nghiên cứu lý thuyết hay được chứng minh bằng thực nghiệm.
Thứ hai nghiên cứu việc lắp đặt hệ thống phun khí HHO và điều khiển quá trình

phun khí vào động cơ.
Thứ ba trình bày các phương pháp và quy trình thử nghiệm.
Thứ tư trình bày các kết quả thử nghiệm động cơ có bổ sung HHO.
III.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

HV: Nguyễn Công Hùng

1

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Khí HHO là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi
về môi trường và kinh tế. Khí HHO là năng lượng sạch, gần như không phát thải khí ô
nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước. Từ nước qua quá trình điện phân có thể thu được khí
HHO.
Trong điều kiện Việt Nam, nhất là trong giai đoạn hiện nay việc sử dụng khí
HHO chưa có. Vì vậy, để có thể thử nghiệm với nhiên liệu khí HHO, ngoài việc sản
xuất ra một lượng khí HHO để thử nghiệm, tính toán lựa chọn và chế tạo một số bộ
phận chính để sản xuất và lưu chứa nhiên liệu khí HHO, còn phải tính toán, thiết kế để
có thể lắp đặt và đưa được lượng khí này tham gia vào quá trình cháy của động cơ. Sau
đó thực hiện quá trình thử nghiệm đối chứng, phân tích và so sánh các thông số về
kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống và nhiên
liệu có bổ sung thêm khí HHO để có kết luận về tính hiệu quả và khả năng ứng dụng
khí HHO sử dụng trên động cơ đốt trong.
Kết quả của đề tài có ý nghĩa thực tiễn đối với việc nghiên cứu, sử dụng nhiên

liệu HHO cho động cơ đốt trong. Giúp các nhà sản xuất lựa chọn chế tạo động cơ
lưỡng nhiên liệu xăng - HHO phù hợp, giúp người tiêu dùng hiểu hơn về nhiên liệu
HHO. Đồng thời đóng góp cơ sở khoa học cho các nhà quản lý trong việc xây dựng
các chính sách phát triển động cơ lưỡng nhiên liêu HHO và xăng.
IV. Các nội dung chính của luận văn
Nội dung của đề tài bao gồm những vấn đề sau:
- Chương 1: Tổng quan về nhiên liệu HHO.
- Chương 2: Nghiên cứu lắp đặt hệ thống phun và điều khiển quá trình phun khí
HHO vào động cơ.
- Chương 3: Phương pháp và quy trình thử nghiệm.
- Chương 4: Kết quả thử nghiệm động cơ có bổ sung HHO.

HV: Nguyễn Công Hùng

2

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HHO
1.1. Nhiên liệu HHO
1.1.1. Khái quát về nhiên liệu HHO
HHO là loại khí đa dạng, tuyệt diệu và hữu hiệu, và cũng thân thiện môi trường
quá trình cháy chỉ sinh ra sản phẩm là hơi nước, và không tạo khí thải nhà kính. Khí
này được tạo ra bằng cách điện phân nước với một bình điện phân. Điện sẽ tách nước
thành hai loại khí, hydro và oxy. Kết quả là một hỗn hợp khí có thể được chế tạo bất
cứ lúc nào.

1.1.2. Tính chất của nhiên liệu HHO
1.1.2.1. Tính chất hoá lý cơ bản của HHO
Khí HHO được gọi là oxy-hydro hoặc khí màu nâu. Về mặt hóa lý, khí HHO là
hỗn hợp của hydro và oxy là sản phẩm của quá trình điện phân nước.
Khí HHO không độc, do đó rất an toàn để dùng trong công nghệ. Khí HHO có
thể cháy ở nhiệt độ rất cao. Trong không khí nó có thể cháy ở 230 độ C tuy nhiên khi
tiếp xúc với kim loại cứng khí HHO có khả năng cắt xuyên qua kim loại ở nhiệt độ
hơn 6000 độ C.
1.1.2.2. Thành phần hydro và oxy
Sử dụng định luật bảo toàn khối lượng, trong mọi quá trình biến đổi của vật
chất thì các nguyên tố và khối lượng tương ứng của chúng luôn luôn được bảo toàn.
Có nghĩa là tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng sản
phẩm tạo thành.
Phương trình phản ứng:
H2O

Điện phân

H2 + 1/2 O2

Theo định luật bảo toàn khối lượng, khi điện phân 1 kg H2O sẽ thu được 1 kg
hỗn hợp H2 và O2

HV: Nguyễn Công Hùng

3

MSSV: CA120132

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Điện phân

1 kg H2O

H2
1kg
O2

Mặt khác:
Cứ 18 kg H2O  2 kg H2 và 16 kg O2
Nếu 1 kg H2O  x kg H2 và y kg O2
Suy ra :

x

1.2
 0,111kg
18

y

1.16
 0,889kg
18

Kết luận: khi điện phân 1kg H2O thu được 0,111 kg H2 và 0,889kg O2
1.1.2.2. Thể tích khí thoát ra ở điều kiện tiêu chuẩn
Ở điều kiện tiêu chuẩn, thể tích khí thoát ra từ quá trình điện phân 1 kg nước

được tính toán như sau:
VH2  n.22, 4 

1000
.22, 4  1244 lít
18

VO2  n.22, 4 

1000
.22, 4  622 lít
18.2

Như vậy, ở điều kiện này, 1 lít nước sản xuất được tối đa 1.866 lít HHO.
1.1.2.3. Khối lượng riêng trung bình của khí HHO
Khi điện phân 1 mol H2O (tức là 18 gam H2O):
H2 O



H2

+

1/2O2

1 mol

1 mol

0,5 mol

18 gam

2 gam

16 gam

Phần trăm thể tích của 2 khí H2 và O2 trong hỗn hợp:

1
.100%  66, 67%
1,5
0,5
%O2 
.100%  33,33%
1,5
%H 2 

HV: Nguyễn Công Hùng

4

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Khối lượng phân tử trung bình (gọi tắt là khối lượng trung bình) ở điều kiện
tiêu chuẩn của hỗn hợp khí H2 và O2



66, 67.2  33,33.32 1
.
 0,54(kg / m3 )
100
22, 4

1.2. Quy trình và thiết bị sản xuất HHO quy mô nhỏ
Quá trình điện phân nước thu khí HHO xảy ra dưới tác dụng của dòng điện một
chiều. Phương pháp này sử dụng công nghệ đơn giản, dễ dàng và có kết cấu nhỏ gọn
(hình 1.1)[1 5].

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của bình sản xuất khí HHO
1.2.1. Hệ thống sản xuất khí HHO ở quy mô nhỏ [14]
Sơ đồ hệ thống sản xuất khí HHO (hình 1.2) gồm có: máy biến thế 1, bình điện
phân 2, bình ngưng tụ 3,4 và 5, bộ lọc tách nước 6, solenoidd thường mở 7, bình chứa
áp suất thấp 8, rơle áp suất 9, van điện từ 10, máy hút chân không 11 và bình chứa áp
suất cao 12.
Khi đóng mạch điện (máy biến thế 1 hoặc bình ắc qui) cung cấp cho bình điện
phân, nước trong bình điện phân nóng lên, bay hơi theo đường ống đến bình ngưng tụ
3, 4, 5 qua bộ lọc 6, nước và hơi nước sẽ được ngăn lại, khí HHO tiếp tục vào bình
chứa áp suất thấp 8. Trong bình chứa 8 đạt giá trị áp suất 0,5 kG/cm2, rơle áp suất điều

HV: Nguyễn Công Hùng

5

MSSV: CA120132

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

khiển khởi động từ đóng mạch, máy hút chân không 11 hút và nén khí HHO vào bình
chứa áp suất cao 12.

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống sản xuất khí HHO
1- Máy biến thế hoặc bình ắc qui 8-Bình chứa khí HHO áp suất thấp
2- Bình điện phân

9- Rơle áp suất

3,4,5 -Bình ngưng tụ

10- Van điện từ

6- Bộ lọc tách nước

11-Máy hút chân không

7- Solenoi thường mở

12-Bình chứa khí HHO áp suất cao

1.2.2. Lựa chọn và chế tạo một số thiết bị sản xuất khí HHO
1.2.2.1. Bình điện phân
Bình điện phân là một trong những bộ phận quan trọng nhất (hình 1.3), lượng
khí HHO nhiều hay ít phụ thuộc vào bình điện phân và điện áp. Nếu bình có lượng
nước quá lớn, việc sản xuất khí HHO sẽ chậm và ngược lại.

Thân bình (1) và nắp bình (2) được làm bằng nhựa plastic hay Inox, trên nắp
bình có lỗ để bổ sung nước (3), ống bay hơi (4) và 2 bản cực âm và dương (5).

HV: Nguyễn Công Hùng

6

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hai bản cực âm và dương bên trong thân bình được lắp thêm các tấm thép để
tăng tiết diện nung nóng. Bản cực và các tấm thép được chế tạo bằng thép không gỉ
(Inox 304, 316 hoặc bạch kim).

Hình 1.3: Kết cấu và hình ảnh bình điện phân (bên trái bằng nhựa, bên phải
inox
1-Thân bình điện phân

4- Ống bay hơi

2-Nắp bình điện phân

5- Bản cực âm

3- Lỗ bổ sung nước

6- Bản cực dương

- Nguyên lý hoạt động của bình điện phân:
Nguồn điện một chiều được nối với hai điện cực, hoặc hai tấm (thường được
làm từ một số kim loại trơ như bạch kim hoặc thép không gỉ) được đặt trong nước
(hình 1.4). Hydro sẽ xuất hiện ở âm cực (điện cực tích điện âm), oxy sẽ xuất hiện ở
dương cực (điện cực điện tích dương). Vì vậy, dòng điện đi qua tách nước thành khí
hydro và oxy. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydro sinh ra ở điện
cực âm và oxy ở điện cực dương:
- Phản ứng trên catot:
2 H2O + 2e-  H2 + 2OHHV: Nguyễn Công Hùng

7

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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

O2

H2

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý bình điện phân nước
1- Nguồn điện một chiều (ắcqui); 2- Dây dẫn điện; 3- Bình điện phân
1.2.2.2. Bình ngưng tụ
Trong hệ thống luôn luôn có hơi nước nóng trong đường ống. Để giải quyết vấn
đề này, phải sử bình ngưng tụ để tách nước. Hệ thống này sử dụng 3 bình ngưng tụ,

bản vẽ chi tiết của các bình này được thể hiện trong (hình 1.5) và (hình 1.6).

HV: Nguyễn Công Hùng

8

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

l? 6

2 M10

R84

84

A

A

A-A

250






84

R84

M10

20

140

12

(a)





M10

(b)
Hình 1.5: Bình ngưng tụ
(a - kiểu bình trụ đứng, b - kiểu bình ngang)

HV: Nguyễn Công Hùng

9

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật



12

70

12

70

35

35

2 M10







M10

Hình 1.6: Nắp bình ngưng tụ

1.2.2.3. Máy hút chân không
Sử dụng máy hút chân không làm máy nén khí HHO. Máy hút chân không kiểu
piston, chuyển động tịnh tiến nhờ tay quay điều khiển piston. Chuyển động của piston
đồng thời thực hiện 2 quá trình nạp khí và xả khí qua hệ thống van một chiều (hình
1.7).

Hình 1.7: Máy hút chân không
Khi piston đi xuống, thể tích phần không gian phía trên piston lớn dần, áp suất
giảm xuống van xả đóng, van nạp mở ra khí HHO được nạp vào phía trên piston.

HV: Nguyễn Công Hùng

10

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Khi piston đi lên, thể tích không gian phía trên piston nhỏ dần, áp suất tăng dần
van nạp đóng, van xả mở ra, khí HHO được nén đẩy vào bình chứa. Cứ như vậy máy
hút chân không hoạt động để nén khí HHO.
1.2.2.4. Khung lắp đặt hệ thống sản xuất HHO
Hệ thống gồm các bình điện phân, bình ngưng tụ, máy hút chân không, biến áp
được lắp đặt trên một khung lắp nhằm đảm bảo tính linh hoạt trong vận chuyển và thử
nghiệm. Sơ đồ khung lắp được thể hiện ở (hình 1.8).
440

850

350

850

240

670

230

440

440

Hình 1.8: Khung lắp thiết bị sản xuất khí HHO
HV: Nguyễn Công Hùng

11

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.2.2.5. Hệ thống sản xuất khí HHO
Hệ thống sản xuất khí HHO từ nước (hình 1.9) được phát triển theo sơ đồ ở
(hình 1.2), sử dụng 3 bình điện phân: Bình 1 dùng 0,2 lít nước cất điện áp 8,6V, bình 2
sử dụng 0,4 lít nước cất điện áp 9,8V và bình 3 sử dụng 0,4 lít nước cất điện áp 17V.

Hình 1.9: Hệ thống sản xuất khí HHO từ nước

1.2.3. Điện phân nước thành khí HHO
1.2.3.1. Nước để sản xuất khí HHO
Nước là thành phần chính để sản xuất ra khí HHO, nước có nhiều loại như:
- Nước cứng: Là loại nước chứa nhiều chất khoáng hòa tan như: canxi, magiê.
Sử dụng nước cứng sản xuất khí HHO có nhược điểm khi đun nóng nước cứng thì
canxi cacbonat (CaCO3) và magie cacbonat (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong
thành bình và các bản cực của bình điện phân. Vì vậy, không thể chọn nước cứng để
xản xuất khí HHO.
- Nước mềm: Là nước đã được loại bỏ thành phần các chất khoáng nêu trên
bằng cách lọc thô (bằng máy móc) hoặc lọc tinh (bằng hóa chất).
- Nước cất: Nước cất là nước tinh khiết, nguyên chất, được điều chế bằng cách
chưng cất. Thành phần nước cất hoàn toàn không chứa các tạp chất hữu cơ hay vô cơ.
Đây là loại nước được sử dụng để sản xuất khí HHO.
1.2.3.2. Chất điện phân
Để sản xuất khí HHO nhanh và hiệu quả cần sử dụng một số chất điện phân
như: kali hydroxit (KOH), nátri hydroxit (NaOH) vì các chất này phản ứng mãnh liệt
với nước và giải phóng một lượng nhiệt lớn.
1.2.3.3. Điện áp
HV: Nguyễn Công Hùng

12

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Máy biến thế hoặc bình ắc qui là nguồn cấp điện cho bình điện phân. Điện áp
có thể sử dụng là loại 12V hoặc 24V. Điện áp là phần quan trọng để đun nóng nước
tạo thành khí HHO.

1.2.3.4. Kết quả sản xuất khí HHO từ nước
Hình 1.10 dưới đây cho thấy thời gian sản xuất khí HHO khi sử dụng 4 gram
chất điện phân NaOH hòa trộn với 1lít nước cất trong thời gian 3 giờ 20 phút thì đạt
được áp suất trong bình loại 12 kG là 3,5 kG/cm2, sử dụng 8 gam NaOH hòa trộn với
1lít nước cất trong thời gian 3 giờ thì đạt được áp suất trong bình là 3,5 kg/cm2, sử
dụng 12 gram NaOH hòa trộn với 1lít nước cất trong thời gian 2 giờ 40 phút đạt được
áp suất trong bình là 3,5 kG/cm2. Vì vậy, càng tăng chất điện phân thì thời gian sản
xuất khí HHO càng ngắn. Tuy nhiên, nếu sử dụng chất điện phân lớn thì dòng điện sẽ
tăng lên và dễ dẫn đến hỏng biến thế. Do đó nên chọn chất điện phân phù hợp với biến
thế.
3,50
3,00

Thời gian (giờ)

2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
1

2

3

Hàn lượng NaOH (gram )

Hình 1.10: Thời gian sản xuất HHO phụ thuộc vào lượng chất điện phân

HV: Nguyễn Công Hùng

13

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PHUN HHO VÀ ĐIỀU KHIỂN
QUÁ TRÌNH PHUN KHÍ HHO VÀO ĐỘNG CƠ
2.1. Động cơ thử nghiệm
Nhằm lượng hóa tác động của việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-khí HHO
đối với tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ dựa trên cơ sở các phương
án cung cấp khí HHO cho động cơ được thể hiện trong kết quả mô phỏng, các nội
dung thử nghiệm được tiến hành đối với động cơ xe máy trên băng thử DIDACTA.
Các nội dung chủ yếu của phần thử nghiệm bao gồm:
-

Đo công suất, mômen và mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ khi sử dụng
nhiên liệu xăng RON 92 và hỗn hợp xăng RON 92 + khí HHO .

-

Phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng RON 92 và hỗn hợp xăng
RON 92+khí HHO.

-

Đánh giá tác động của việc bổ sung thêm không khí bên ngoài cho động cơ
trong trường hợp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng RON 92+khí HHO.

Động cơ xe máy do Honda sản xuất năm 1996 được sử dụng làm đối tượng thử
nghiệm. Thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm được thể hiện trong (bảng 2.1).
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật động cơ xe máy Honda [6]
Stt
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

Thông số kỹ thuật
Kiểu động cơ
Số xylanh
Đường kính xylanh
Hành trình piston
Dung tích xylanh
Tỉ số nén
Độ nâng xupáp

Góc mở sớm xupáp nạp
Góc đóng muộn xupáp nạp
Góc mở sớm xupáp xả
Góc đóng muộn xupáp xả
Góc đánh lửa sớm
Bộ chế hòa khí (đường kính ống Venturi)

HV: Nguyễn Công Hùng

14

Đánh lửa cưỡng bức
1
50mm
49,5mm
97,1 cm3
9:1
1mm
2o
25o
33o
0o
15o
16mm

MSSV: CA120132


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trước thử nghiệm, để đảm bảo tình trạng hoạt động ổn định, động cơ được bảo
dưỡng và thay mới các bộ phận truyền động, hệ thống đánh lửa và hệ thống cung cấp
nhiên liệu.
Phục vụ cho quá trình thử nghiệm, trên trục cam của động cơ có lắp thêm một
trục có đường kính 12mm đưa ra ngoài để lắp cảm biến tốc độ động cơ (hình 2.1).

Hình 2.1: Trục cam có lắp thêm trục cảm biến tốc độ quay động cơ
2.2. Lắp đặt hệ thống phun
2.2.1. Lắp đặt các chi tiết chính
2.2.1.1. Vị trí lắp vòi phun
Khí HHO được sản xuất từ hệ thống trong (hình 2.2) và được cấp vào động cơ
xe máy qua vòi phun. Dựa vào kết quả tính toán mô phỏng bằng phần mềm AVLBOOST, vị trí thích hợp để lắp vòi phun được xác định.
Để bổ sung khí HHO vào động cơ, trên đường nạp, sau bộ chế hòa khí khoan 2
lỗ đường kính 5mm lệch nhau 180o, lỗ thứ nhất lắp ống bổ sung thêm không khí cách
bộ chế hòa khí 20mm, lỗ thứ hai cách bộ chế hòa khí 30mm lắp vòi phun khí HHO
(hình 2.2).

HV: Nguyễn Công Hùng

15

MSSV: CA120132