Nghiên cứu giảm thiểu phát thải cho động cơ xe gắn máy bằng phương pháp cung cấp phụ nhiên liệu từ điện phân nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU
TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC

GVHD: ThS. LÊ QUANG VŨ
SVTH: LÊ MINH NHẬT QUANG – 16145482
THẠCH NGỌC HUY – 16145651

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2021


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 01 năm 2021

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. Lê Minh Nhật Quang
2. Thạch Ngọc Huy

MSSV: 16145482

MSSV: 16145651

Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tơ
Khóa: 2016 – 2021

Lớp: 169450A

1. Tên đề tài
NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP
CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU HHO TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC
2. Nhiệm vụ đề tài
- Trình bày tổng quan về vấn đề ứng dụng nhiên liệu hydro vào động cơ, tình hình nghiên
cứu trong và ngồi nước.
- Trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình cháy của động cơ và quá trình điện phân.
- Thực nghiệm điện phân để tính tốn lượng HHO cần thiết cho động cơ.
- Nghiên cứu bộ điều khiển điện phân.

3. Sản phẩm của đề tài
- Tập thuyết minh
- Một bài báo khoa học đăng nội san Khoa CKĐ 2021.
- Mơ hình bình điện phân.
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 02/11/2020
5. Ngày hồn thành nhiệm vụ: 25/01/2021
TRƯỞNG BỘ MƠN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn điện tử ô tô

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: Lê Minh Nhật Quang

MSSV: 16145482

Họ và tên sinh viên: Thạch Ngọc Huy

MSSV: 16145651

Tên đề tài:NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP
CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU HHO TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV hướng dẫn: ThS. Lê Quang Vũ

Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy)
2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................

2.2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................

2.3.Kết quả đạt được:
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................


2.4. Những tồn tại (nếu có):
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................

3. Đánh giá:

1.

2.

Điểm
tối đa

Mục đánh giá

TT

Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm đạt
được

30

Đúng format với đầ y đủ cả hình thức và nội dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật,
khoa học xã hợi…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy
trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…

5

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm

100

4. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng 01 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn
((Ký, ghi rõ họ tên)


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn điện tử ô tô

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: Lê Minh Nhật Quang

MSSV: 16145482

Họ và tên sinh viên: Thạch Ngọc Huy

MSSV: 16145651

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP
CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU HHO TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV phản biện: ThS. Vũ Đình Huấn

Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

3. Kết quả đạt được:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................


5. Câu hỏi:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

6. Đánh giá:

1.

2.

Điểm
tối đa

Mục đánh giá

TT

Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm
đạt được

30

Đúng format với đầ y đủ cả hình thức và nội dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật,
khoa học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy
trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…

5

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm

100

7. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng 01 năm 2021

Giảng viên phản biện
((Ký, ghi rõ họ tên)


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG
PHÁP CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU HHO TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC

Họ tên sinh viên: 1. LÊ MINH NHẬT QUANG

MSSV: 16145482

2. THẠCH NGỌC HUY

MSSV: 16145651

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tơ
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản
biện và các thành viên trong Hội đồng bảo về. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh
đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2021


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập tại Trường cũng như trong q trình làm đồ án tốt
nghiệp, nhóm chúng em đã được Nhà trường và quý Thầy Cô tạo cho môi trường học tập
tốt, truyền đạt giảng dạy những kiến thức, kinh nghiệm thực tế rất tận tâm để chúng em
có nền tảng kiến thức vững chải sau khi tốt nghiệp.
Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy ThS. Lê Quang Vũ vì sự hướng
dẫn đề tài tận tình cũng như tạo mọi cơ hội tốt nhất để cho chúng em trong suốt quá trình
làm đồ án tốt nghiệp và đưa ra định hướng, nhận xét để chúng em khắc phục và sửa chữa.
Và cũng xin cảm ơn đến Nhà trường, đặc biệt là quý Thầy Cơ Khoa Cơ khí động
lực đã hướng dẫn, bổ sung kiến thức cho nhóm chúng em trong suốt quá trình học tập
vừa qua.

Trong quá trình học tập cũng như thực hiện đồ án, nhóm cũng có nhiều hạn chế và
thiếu sót vì một số lý do khách quan và chủ quan. Do đó chúng em kính mong q Thầy
Cơ cũng như bạn bè thông cảm và nhận về những nhận xét để nhóm hồn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 1 năm 2021
LÊ MINH NHẬT QUANG, THẠCH NGỌC HUY.

i


TĨM TẮT
Ảnh hưởng của khí thải động cơ đến mơi trường và sức khỏe con người là ngày
càng nghiêm trọng, cùng với đó là những quy định nghiêm ngặt về tiêu chuẩn khí thải
của động cơ. Quyển thuyết minh này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết của cơng nghệ điện
phân tiên tiến hiện nay để sản xuất phụ nhiên liệu hydrogen (HHO) cũng như cơ sở để
ứng dụng phụ nhiên liệu HHO vào động cơ xăng để giảm phát thải ra mơi trường. Trong
q trình cung cấp phụ nhiên liệu, lượng HHO sinh ra sau quá trình điện phân nước được
bộ điều khiển điện phân tính tốn dựa vào các tín hiệu và cảm biến. Sau đó đưa vào
đường ống nạp của động cơ trước cánh bướm ga sao cho tỉ lệ hỗn hợp HHO và hịa khí
đảm bảo được mọi chế độ làm việc và công suất của động cơ. Với đặc tính cháy của
HHO, hiệu suất nhiệt của động cơ xăng tăng 10%, tiêu hao nhiên liệu giảm 34%, CO
giảm 18%, HC giảm 14% và NOx giảm 15%. Nghiên cứu đã phần nào giải quyết được
bài toán về khí thải động cơ, bên cạnh đó đưa ra những cơng thức tính tốn định lượng
nhiên liệu để cung cấp phụ nhiên liệu sao cho hợp lý. Ngoài ra còn đưa ra phương pháp
điện phân tối ưu để sản xuất phụ nhiên liệu HHO và xây dựng mơ hình thực nghiệm trên
động cơ xe gắn máy để kiểm chứng.

ii

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i
TÓM TẮT ...................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ....................................................................................................................iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................viii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề............................................................................................................. 1
1.2. Tình hình nghiên cứu ........................................................................................... 3
1.2.1. Điện phân dumg dịch kiềm ............................................................................... 3
1.2.2. Điện phân công nghệ màng lọc PEM ............................................................... 4
1.2.3. Ứng dụng nhiên liệu kép trên động cơ sử dụng HHO ....................................... 5
1.3. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 6
1.4. Đối tượng và khách thể nghiên cứu .................................................................... 7
1.5. Giả thuyết nghiên cứu.......................................................................................... 7
1.6. Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................... 7
1.7. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 7
1.8. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 8
1.8.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ................................................................... 8
1.8.2. Phương pháp quan sát ..................................................................................... 8
1.8.3. Phương pháp khảo sát thực nghiệm ................................................................. 8
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 9
2.1. Khả năng ứng dụng ............................................................................................. 9
2.1.1. Nhiên liệu hydro .............................................................................................. 9
2.1.2. Đánh giá về khả năng ứng dụng qua tính chất của nhiên liệu ........................ 10
2.1.3. Điều chế hydro bằng phương pháp điện phân nước ....................................... 11
2.2. Cơ sở lý thuyết về định lượng nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ ........ 12
2.2.1. Định lượng nhiên liệu .................................................................................... 12

2.2.2. Quá trình cháy trong động cơ. ....................................................................... 13
2.3. Cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân ........................................................... 15
2.3.1. Tổng quan ...................................................................................................... 15
2.3.2. Điện phân nước có chứa dung dịch kiềm........................................................ 20
iii


2.3.3. Điện phân nước với màng ngăn trao đổi proton ............................................. 22
2.3.4. Điện phân nước nhiệt độ cao ......................................................................... 28
CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH HỆ THỐNG ........................................................................ 32
3.1. Mơ hình ứng dụng phụ nhiên liệu HHO ........................................................... 32
3.2. Tính tốn lưu lượng HHO cần thiết trên động cơ xe gắn máy ........................ 33
3.3. Hệ thống điều chế HHO ..................................................................................... 36
3.3.1. Cấu tạo hệ thống............................................................................................ 36
3.3.2. Tính tốn lượng HHO .................................................................................... 38
3.3.3. Mơ hình thí nghiệm ........................................................................................ 39
3.3.4. Thiết kế bộ điện phân ..................................................................................... 40
3.4. Hệ thống điều khiển HHO ................................................................................. 42
3.4.1. Giới thiệu phần cứng ..................................................................................... 42
3.4.2. Tín hiệu từ động cơ để điều khiển bình điện phân .......................................... 49
3.4.3. Điều khiển bình điện phân ............................................................................. 50
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ............................................................................................ 57
4.1. Kết quả đạt được................................................................................................ 57
4.2. Khó khăn và những vấn đề tồn tại .................................................................... 57
4.3. Kiến nghị và hướng phát triển .......................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 59
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 61

iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Proton exchange membrane

PEM

Air Fuel Ratio

AFR

Membrane Electrode Assembly

MEA

Solid Polymer Electrolyte

SPE

Platinum Group Metal

PGM

Solid-oxide water electrolysis

SOWE

Solid-oxide fuel cell

SOFC

v


DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1. Máy điện phân của Cơng ty “Uralkhimmash” SEU-40 (a) và FV-500 (b)........... 4
Hình 1.2. Máy điện phân PEM HOGEN S Series by Proton OnSite..................................... 4
Hình 1.3. Máy điện phân PEM của Yara (Norsk Hydro Electrolysers)................................ 4
Hình 2.1. Hệ thống hở dùng để khảo sát động cơ đốt trong.................................................. 14
Hình 2.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các thơng số nhiệt động chính đối với q trình điện
phân nước.............................................................................................................................. 16
Hình 2.3. Thế điện cực so với độ pH của phản ứng tách nước ở 2 môi trường.................... 20

Hình 2.4. Đồ thị biểu diễn khả năng điện phân dung dịch kiềm................................. 22
Hình 2.5. Mơ tả q trình điện phân với màng ngăn trao đổi proton (PEM)........................ 23
Hình 2.6. Cấu trúc phân tử của màng Nafion của hãng DuPont de Nemours (Mỹ).............. 23
Hình 2.7. Đường cong phân cực điện áp của các tế bào điện phân nước PEM.................... 26
Hình 2.8. Sơ đồ điện phân oxit rắn........................................................................................ 28
Hình 2.9. Ảnh chụp các tấm lưỡng cực và MEA được sử dụng trong Cơng nghệ điện
phân SOFC............................................................................................................................. 29
Hình 2.10. Đường cong phân cực được đo trên công nghệ điện phân SOFC 5x5 cm2......... 30
Hình 3.1. Mơ hình thiết kế hệ thống phụ nhiên liệu vào động cơ xe gắn máy....................... 33
Hình 3.2. Cấu tạo bộ điện phân............................................................................................. 37
Hình 3.3. Đồ thị đặc tính ngồi của động cơ đốt trong......................................................... 39
Hình 3.4. Thực nghiệm điện phân 2 tấm inox để tính tốn và thiết kế.................................. 40
Hình 3.5. Thiết kế bộ điện phân cho mơ hình từ kết quả thực nghiệm và tính tốn.............. 40
Hình 3.6. Chế tạo bình điện phân sau khi thiết kế và tính tốn............................................. 41
Hình 3.7. Bình nước phụ của bộ điện phân........................................................................... 42

Hình 3.8 Arduino Uno............................................................................................................ 43
Hình 3.9. Các chân Arduino Uno R3..................................................................................... 45
Hình 3.10. Transistor cơng suất TIP142............................................................................... 47
Hình 3.11. IC LM358............................................................................................................. 47
Hình 3.12. Ký hiệu mạch IC khuếch đại thuật tốn LM358.................................................. 48
Hình 3.13. Sơ đồ chân IC khuếch đại thuật tốn LM358...................................................... 49
Hình 3.13. Sơ đồ chân IC khuếch đại thuật tốn LM358...................................................... 50
Hình 3.14. Sơ đồ hoạt động của bobin đánh lửa................................................................... 50
vi


Hình 3.15. Tín hiệu IGT......................................................................................................... 50
Hình 3.16. Sơ đồ mạch cầu phân áp...................................................................................... 51
Hình 3.17. Tín hiệu xung IGT ở tốc độ cầm chừng................................................................ 52
Hình 3.18. Tín hiệu IGT khi tăng tốc..................................................................................... 52
Hình 3.19. Xung PWM sau khi chuyển đổi ở tốc độ cầm chừng............................................ 53
Hình 3.20. Xung PWM khi tăng tốc....................................................................................... 53
Hình 3.21. Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển điện phân............................................................. 54
Hình 3.22. Mơ hình tổng thể của đề tài................................................................................. 55
Hình 3.23. Bộ điều khiển điện phân....................................................................................... 56
Hình 3.24. Bình điện phân..................................................................................................... 56

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1. Tính chất của các nhiên liệu........................................................................... 10

Bảng 2.2. So sánh công nghệ điện phân PEM và điện phân nước kiềm......................... 26
Bảng 2.3. Độ dẫn ion của một số chất điện phân rắn ở Nhiệt độ khác nhau................. 29
Bảng 3.1. Thông số Arduino Uno.................................................................................... 44

viii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Ơ nhiễm khơng khí là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất ở các đô thị, đặc
biệt là tại các nước đang phát triển. Theo những nghiên cứu gần đây, việc phơi nhiễm bụi
có nồng độ trung bình năm vượt q 50 µg/m3 tại 126 thành phố trên thế giới có thể là
nguyên nhân của khoảng 130 nghìn ca tử vong sớm. Chất lượng khơng khí nói chung và
khơng khí đơ thị nói riêng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Các nguồn khí thải trong
cơng nghiệp, đặc biệt là từ động cơ đốt trong ơ tơ có thể làm suy giảm chất lượng khơng
khí. Khí thải sinh ra là nhiên liệu khơng cháy hết, khí CO và khí NOx, HC…. Các khí
này có ảnh hưởng rất xấu tới mơi trường, đặc biệt là những nơi có lượng xe lưu thơng lớn,
khí CO có thể gây ra các triệu chứng thiếu ơ xi, ảnh hướng tới sinh hoạt, năng suất lao
động cũng như sức khỏe của con người. Theo trang aqicn.org, Việt Nam lọt top 10 các
nước đứng đầu về ô nhiễm không khí. Ngồi ra, từ lúc 15h ngày 22 tháng 2 năm 2020,
Tổ chức Air Visual đã công bố Hà Nội là thành phố có mức ơ nhiễm nhất thế giới.
Ngồi ra, quá trình khai thác sử dụng nguồn nguyên liệu ln gắn liền với q
trình phát triển của xã hội. Việc khai thác nguồn tài nguyên cũng là nguyên nhân gây ra
biết bao biến động chính trị. Từ cuối thế kỷ 19 đến nay, dầu mỏ ít nhiều là tác nhân gây
nên những cuộc tranh giành quyền lực, dẫn đến những cuộc đại khủng hoảng kinh tế thế
giới và cuối cùng là hai cuộc chiến tranh thế giới trong thế kỷ 20. Vào đầu những năm
1970, do dầu đột ngột tăng giá, kinh tế thế giới, nhất là ở những nước công nghiệp tiên
tiến, đã rơi vào một cuộc khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng. Từ đó tới nay những
biến động về giá dầu đã trở thành mối quan tâm hàng ngày, hàng giờ. Nền kinh tế toàn
cầu đang ngày càng phụ thuộc vào năng lượng như hiện nay thì dầu mỏ giữ vai trò quan

trọng hàng đầu. Giá dầu tác động tới sự phát triển nền kinh tế toàn cầu và hầu như mọi
ngành công nghiệp đều phụ thuộc rất lớn vào nguồn tài nguyên quý giá này. Thực tế đang
chứng minh rằng thế giới sẽ dần dần được vận hành bởi động lực là dầu mỏ cho đến khi
nhân loại tìm ra được một loại nhiên liệu khác đủ sức thay thế hoàn toàn. Nằm trong sự
ảnh hưởng chung, Việt Nam cũng không tránh khỏi những biến động và chịu ảnh hưởng
sâu sắc từ những biến động trong ngành dầu mỏ do Việt Nam hiện nay là nước nhập khẩu
100% các sản phẩm tinh chế từ dầu thô, lệ thuộc nhiều vào ác nhà cung cấp nước ngoài.

1


Giá xăng và nhiên liệu tăng cao ảnh hưởng nghiêm trọng tới nền kinh tế quốc gia và đời
sống của người dân.
Hiện tượng nóng lên tồn cầu được coi là một trong những vấn đề lớn mà cộng
đồng khoa học phải đối mặt. Nhiều giả thuyết đề cập đến sự gia tăng nồng độ khí thải
trong khí quyển là một trong những ngun nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên tồn
cầu. Các nhà máy cơng nghiệp và ơ tơ là nguồn chính của khí thải. Vì chúng sử dụng
năng lượng liên quan đến quá trình đốt cháy dầu làm nguồn năng lượng. Khí thải chỉ đơn
giản là khí thải hoặc nhiên liệu thừa của q trình đốt cháy thốt ra từ động cơ. Thử
nghiệm khí thải thường được thực hiện với một đầu dị được đặt vào dịng khí thải. Mỗi
phương tiện di chuyển trên đường đều có những yêu cầu sạch nhất định mà nó cần phải
đáp ứng. Máy lấy mẫu khí thải, được gọi là máy phân tích khí, đo năm loại khí. Các khí
này là HC, NOX, O2, CO và CO2. HC, đề cập đến hydrocacbon, đơn giản là một thuật ngữ
khác để chỉ nhiên liệu khơng được đốt cháy mà nó đi qua động cơ và thốt ra ngồi khí
thải. Cường độ khói tỷ lệ với lượng HC trong khí thải. HC cũng được coi là nguy hiểm
khi hít phải. NOX dùng để chỉ các oxit của Nitơ. Phát thải NOX cao thường được nhận
thấy với khơng khí nén và được đốt nóng cao có chứa nitơ. NOX là một loại khí thải có
mùi khác đối với hơi thở ở mức cao. Người ta cũng đo O2 là oxy chưa cháy hết trong khí
thải. Mặc dù O2 rõ ràng là khơng xấu, nhưng nó được thử nghiệm để hiểu rõ hơn về các
đặc tính đốt cháy. Biết được phần trăm ơxy trong khí thải, người ta có thể ước tính tỷ lệ

khơng khí / nhiên liệu của động cơ khi nó chạy. CO và CO2 lần lượt là cacbon monoxit
và cacbon đioxit. Khí CO khơng mùi gây đau đầu và cuối cùng là tử vong do giữ lại O2
từ cơ thể người nếu nó tồn tại với số lượng lớn. CO2 có trong khơng khí với một lượng
lớn góp phần vào hiệu ứng nhà kính và do đó là sự nóng lên tồn cầu. HC thường là vấn
đề tồi tệ nhất đối với động cơ xe. Nhiều thứ có thể tạo ra HC cao như thời gian cháy
chậm, bộ chuyển đổi xúc tác kém. NOX thường kém hơn trên các động cơ có độ nén cao
hơn. Tất cả các động cơ đều tạo ra NOX nhưng việc sử dụng van lưu hồi khí thải (EGR)
sẽ làm mát và làm chậm tốc độ đốt cháy của động cơ. Điều này làm giảm đáng kể giá trị
NOX. CO liên quan đến hiệu suất của quá trình đốt cháy trong động cơ và cũng bị ảnh
hưởng nhiều bởi tỷ lệ nhiên liệu trên khơng khí của động cơ. CO2 cũng là một chỉ số khí
thải của động cơ. Nhưng HC và NOX cho đến nay là những vấn đề lớn nhất. Bộ chuyển
đổi xúc tác làm sạch phần lớn lượng khí thải và cần được thay thế khi chúng bị hỏng bên
2


trong gây mất nguồn và khơng cịn hiệu quả. Một sự thay đổi trong mối quan tâm của các
nhà khoa học, được quan sát gần đây, đối với động cơ tiêu thụ nhiên liệu và phát thải
thấp hơn đã diễn ra.
Như vậy việc giảm lượng khí thải động cơ là một nhu cầu thực tế hết sức có ý
nghĩa. Bên cạnh đó, việc tăng hiệu suất động cơ và tiết kiệm nhiên liệu cũng có ý nghĩa
kinh tế vơ cùng to lớn. Có nhiều giai pháp để xử lý khí thải cũng như tiết kiệm nhiên liệu
như thiết kế lại buồng đốt, thiết kế hệ thống phun nhiên liệu, lắp thêm các bộ lọc, thêm
xúc tác vào nhiên liệu,…. Tuy nhiên đó là những giải pháp hết sức phức tạp, gần như địi
hỏi thay thế tồn bộ hệ thống, khơng phù hợp với người dân nghèo. Hiện nay phương
pháp phù hợp và được ưa chuộng nhất trên thế giới là sử dụng khí điện phân hydrogen
(HHO) để thêm vào hỗn hợp nhiên liệu. Khi kết hợp với HHO trong buồng đốt, nhiên
liệu được đốt cháy gần như hoàn toàn do đó giảm được phần lớn nhiên liệu khơng cháy
hết và CO, NOx. Với đặc tính cháy của H2 khi thêm vào hỗn hợp nhiên liệu sẽ cải thiện
đáng kể hiệu suất động cơ (20-30%) và tiết kiệm phần lớn nhiên liệu (tùy theo thiết kế,
thường là 30%). Một số nghiên cứu của các nhà khoa học Ấn Độ và Nga cho thấy sử

dụng HHO cho động cơ sẽ giảm đến 90% khí thải CO, từ 10-90% nhiên liệu khơng cháy
hết, tăng từ 3-10% công suất động cơ cùng nhiều ưu điểm vượt trội khác.
Xuất phát từ những vấn đề thực tế nên trên, bài báo cáo này sẽ trình bày cơ sở lý
thuyết về quá trình cháy của động cơ, q trình điện phân nước để sản xuất khí HHO
cũng như khả năng ứng dụng phụ nhiên liệu vào động cơ xăng. Từ đó làm cơ sở để tính
tốn và ứng dụng thực nghiệm trên mơ hình động cơ xe gắn máy để giảm hàm lượng khí
thải HC và CO.
1.2. Tình hình nghiên cứu
1.2.1. Điện phân dumg dịch kiềm
Điện phân nước kiềm được biết đến là q trình chính của phản ứng tách nước.
Các ứng dụng quân sự liên quan đến việc sử dụng đồng vị hydro đã thúc đẩy sự phát triển
của công nghệ. Các nhà máy điện phân nước nặng và sản xuất đơteri đầu tiên được xây
dựng ở Na Uy. Ngày nay, một số công ty đang sản xuất máy điện phân kiềm để sản xuất
hydro cấp điện phân: NEL hydrogen (một bộ phận trước đây của Norsk Hydro Co., Na
Uy); Hydrogenics Corporation (đã mua lại Stuart Energy Systems Corp. vào năm 2005);
3


Teledyne (Teledyne Energy Systems, Inc. là công ty con của Teledyne Technologies Inc,
Maryland, Hoa Kỳ); công ty Nga “Uralkhimmash”; De Nora (Ý), với sản phẩm chính là
pin điện phân để sản xuất clo. Năng lực sản xuất của các hệ thống công nghiệp thường là
5 - 500 Nm3 H2 / h. Hiện nay ngành công nghiệp đã phát triển các bộ điện phân có thể
cung cấp lên tới khoảng 670 Nm3/h.

Hình 2.1. Máy điện phân của Công ty Cổ phần “Uralkhimmash” SEU-40 (a)
và FV-500 (b).
1.2.2. Điện phân công nghệ màng lọc PEM
Hiện nay, các nhà sản xuất máy điện giải PEM nước công nghiệp lớn là Hamilton
Sundstrand (Mỹ), Proton OnSite (Mỹ) và Yara (Na Uy). Các công ty này đã tạo ra các
máy điện phân hoạt động dưới áp suất lên đến 2,8 MPa với công suất lên đến 26 m3 / h và

có thể kết hợp lắp đặt điện phân với cơng suất 260 m3/h (Hình 1.2 và 1.3).

Hình 1.2. Máy điện phân PEM HOGEN S
Series by Proton OnSite. Năng suất 1m3H2/h;
tiêu thụ điện năng 5,6-9,0 kWh/m3; điện phân
2,3-3,8 V; áp suất đầu ra 1,4 MPa; kích
thước 97x78x106 cm3; trọng lượng 215 kg.

Hình 1.3. Máy điện phân PEM của Yara
(Norsk Hydro Electrolysers). Năng suất
10Nm3H2/h; tiêu thụ điện năng 4,4
kWh/m3; áp suất đầu ra 3.0MPa; độ tinh
khiết hydro 99,9% (O2 là tạp chất chính)
4


Công ty H-tec của Đức sản xuất các mẫu thử nghiệm nhỏ của máy điện giải PEM
nước cho mục đích giáo dục. Các nghiên cứu và phát triển của máy điện phân PEM được
thực hiện ở nhiều quốc gia, ví dụ, ở Pháp, Nhật Bản và Ấn Độ. Khả năng tiến bộ đáng kể
trong lĩnh vực này đã được chứng minh thơng qua chương trình WE-NET của Nhật Bản,
nơi một tế bào được phát triển và thử nghiệm thành công với diện tích bề mặt 2500 cm2,
điện áp hoạt động 1.556 V ở 800C, mật độ dòng điện 1 A / cm2 và hiệu suất chuyển hóa
năng lượng là 95,1%. Hiệu suất này được giải thích bằng sự gần nhau của điện áp điện
phân với điện áp nhiệt điện (khoảng 1,48 V). Việc phát triển các thiết bị điện phân PEM
tiên tiến với áp suất cao (lên đến 5,0 MPa) đã được thực hiện thành công trong dự án
GenHyPEM của Chương trình Khung Châu Âu lần thứ 6. Mục tiêu của dự án này là phát
triển các màng kín khí mới, các chất xúc tác nano hiệu suất cao (bao gồm cả phi bạch
kim) và bộ thu dòng sinh học để cải thiện hiệu quả của quá trình chuyển khối. Tại Nga,
các nghiên cứu và phát triển hệ thống điện phân PEM nước trong hơn 20 năm được thực
hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia “Viện Kurchatov”, Xí nghiệp Đơn vị Nhà nước

Liên bang “Red Star” và các tổ chức khác.
1.2.3. Ứng dụng nhiên liệu kép trên động cơ sử dụng HHO
Nghiên cứu của nhóm tác giả: Mohamed M. EL-Kassaby, Yehia A. Eldrainy,
Mohamed E. Khidr, Kareem I. Khidr – Khoa Cơ khí, Đại học Alexandria (Ai Cập) đã
nghiên cứu về “Ảnh hưởng của việc bổ sung khí hydroxy (HHO) đến hiệu suất và khí
thải của động cơ xăng”. Nội dung của cơng trình nghiên cứu này là xây dựng một hệ
thống tạo HHO cải tiến đơn giản và đánh giá ảnh hưởng của việc bổ sung khí hydroxyl
HHO, như một chất cải thiện hiệu suất động cơ vào nhiên liệu xăng đối với hiệu suất và
khí thải của động cơ. Bộ điện phân được thiết kế, chế tạo và tối ưu hóa cho năng suất khí
HHO tối đa trên mỗi công suất đầu vào. Các thông số được tối ưu hóa là số lượng các
tấm cực, khoảng cách giữa chúng, loại và số lượng của hai chất xúc tác Kali Hydroxit
(KOH) và Natri hydroxit (NaOH). Hiệu suất của động cơ xăng Skoda Felicia 1.3 GLXi
được đánh giá khi có và khơng có HHO được tối ưu hóa. Ngồi ra, lượng khí thải CO,
HC và NOx được đo bằng máy phân tích khí thải TECNO TEST TE488. Kết quả cho
thấy năng suất cực đại của khí HHO của tế bào là 18 L / h khi sử dụng 2 tấm cực có
khoảng cách 1 mm và 6 g / L của KOH. Kết quả cũng cho thấy hiệu suất nhiệt của động

5


cơ xăng tăng 10%, tiêu thụ nhiên liệu giảm 34%, CO giảm 18%, HC giảm 14% và NOx
giảm 15%.
Nghiên cứu của nhóm tác giả Balaji Subramanian, Venugopal Thangavel - Trường
Kỹ thuật Cơ khí, Học viện Cơng nghệ Vellore, Chennai, Ấn Độ về “Phân tích hệ thống
tạo khí HHO”. Bài báo này trình bày khảo sát sản xuất khí HHO thơng qua q trình
điện phân. Một phép tính số đã được thực hiện bằng cơng thức thực nghiệm để dự đốn
việc sản xuất khí HHO. Phân tích hiệu suất của máy điện phân cho thấy rằng tối đa 0,75
LPM khí HHO được tạo ra ở 80 ° C và bằng cách cung cấp 40 A-h. Tính tốn số cho thấy
ở điều kiện làm việc tương tự, khí HHO tạo ra là 1,3 LPM. Xu hướng của cả thí nghiệm
và mơ hình là giống nhau về sự thay đổi dòng điện và tốc độ tạo khí HHO. Bài báo này

cũng trình bày ảnh hưởng của các thông số như nồng độ dung dịch điện phân đến điện
thế, ảnh hưởng của thời gian và ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sản xuất. Năng lượng
cần thiết và số lượng mô-đun hoặc đơn vị sản xuất khí HHO ứng dụng cho động cơ cũng
được phân tích.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Với mong muốn nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu kép hydro – xăng trên động cơ xe gắn
máy để giảm phát thải ra môi trường, nên mục tiêu cần nghiên cứu là:
- Cơ sở lý thuyết, các tính tốn của q trình điện phân nước để sản xuất HHO; lựa
chọn vật liệu phù hợp và tối ưu để làm bình điện phân; xây dựng mơ hình điều khiển,
kiểm sốt q trình điện phân sản xuất HHO đáp ứng các chế độ làm việc của động cơ.
- Cơ sở lý thuyết, tính tốn các thơng số nhiên liệu của quá trình cháy trên động cơ
xăng truyền thống và động cơ sử dụng phụ nhiên liệu HHO. So sánh và chỉ ra được
những ưu điểm vượt trội giữa động cơ xăng truyền thống và động cơ sử dụng phụ nhiên
liệu HHO.
- Phát triển trên mơ hình động cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu kép xăng – HHO để
giảm phát thải, đánh giá hiệu quả của mơ hình bằng cách đo lượng khí thải động cơ tại
Trung tâm đăng kiểm.

6


1.4. Đối tượng và khách thể nghiên cứu
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
- Quá trình điện phân nước thu HHO, bộ điều khiển điện phân.
- Quá trình cháy của động cơ xe máy.
- Đặc tính cháy của khí HHO khi nạp vào buồng đốt.
- Sản phẩm cháy trước và sau khi nạp khí HHO vào buồng đốt.
1.4.2. Khách thể nghiên cứu
Nghiên cứu sản xuất khí HHO bằng phương pháp điện phân, ứng dụng phụ nhiên
liệu HHO đưa vào động cơ xe gắn máy nhằm giảm phát thải ra môi trường..

1.5. Giả thuyết nghiên cứu
Nhiên liệu hydro là một loại nhiên liệu thay thế có đặc tính phù hợp có thể sử dụng
như một nhiên liệu thứ hai trên hệ thống nhiên liệu kép của động cơ xăng nhằm cải thiện
hiệu suất động cơ và các thành phần khí thải. Trên hệ thống nhiên liệu kép này, hydro
được cung cấp dưới dạng hỗn hợp HHO trược tiếp từ bình điện phân bằng nguồn năng
lượng từ ắc quy. Lưu lượng khí HHO được điều khiển bằng bộ điều khiển điện phân và
căn cứ vào công suất, điều kiện làm việc của động cơ để cung cấp lượng khí thích hợp,
sau đó được đưa vào đường ống nạp trước cánh bướm ga. Với các đặc tính cháy giúp triệt
tiêu các sản phẩm cháy sót của động cơ xăng, ứng dụng phụ nhiên liệu HHO sẽ giảm
lượng khí thải độc hại đáng kể, đặc biệt là HC.
1.6. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết và các tính tốn: q trình điện phân, đặc tính cháy của động cơ
xăng, định lượng nhiên liệu của động cơ xăng.
- Nghiên cứu bộ điều khiển điện phân để kiểm sốt lưu lượng khí HHO sinh ra và cung
cấp cho động cơ.
- Nghiên cứu mơ hình động cơ xe gắn máy, tiến hành cung cấp phụ nhiên liệu vào
động cơ, sau đó so sánh và đánh giá kết quả.
1.7. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu, khảo sát về đặc tính cũng như hiệu suất của q trình điện phân. Ngoài
ra tham khảo một số bài báo khoa học để đưa ra giải pháp điệp phân tối ưu nhất.
- Nghiên cứu ứng dụng phụ nhiên liệu là sản phẩm của quá trình điện phân nước vào
động cơ xăng để giảm phát thải.
7


1.8. Phương pháp nghiên cứu
1.8.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu lý thuyết, tính tốn về q trình điện phân.
- Nghiên cứu lý thuyết, tính tốn định lượng về q trình cháy của động cơ cũng như
lượng khí thải sinh ra khi có và khơng có phụ nhiên liệu HHO.

1.8.2. Phương pháp quan sát
Cung cấp phụ nhiên liệu HHO và đường ống nạp trước cánh bướm ga.
1.8.3. Phương pháp khảo sát thực nghiệm
- Khảo sát lượng HHO sinh ra ở các chế độ hoạt động của xe
- Khảo sát lượng khí thải trước và sau khi cung cấp phụ nhiên liệu.

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khả năng ứng dụng nhiên liệu hydro làm phụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong
để giảm phát thải ra môi trường
Hiện nay, sức ép về môi trường và vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đặt
ra một thách thức lớn cho cả thế giới về việc giảm ô nhiễm môi trường và tìm kiếm các
nguồn nhiên liệu thay thế, tái tạo như: hydro, nhiên liệu sinh học, v.v.. Trong các nghiên
cứu gần đây, Cơ quan Năng lượng thế giới (IEA) đã cơng bố rằng cơng nghệ ứng dụng
nhiên liệu hydro có thể giảm ơ nhiễm khí thải động cơ xăng. Nhiên liệu hydro được quan
tâm vì những đặc tính giảm ơ nhiễm mơi trường, có thể có nguồn ngun liệu dồi dào để
sản xuất là từ nước, và các đặc tính ưu việt liên quan đến hiệu suất động cơ. Nhiên liệu
hydro có thể sử dụng dạng hịa trộn với xăng trên nhiều phương pháp kỹ thuật của hệ
thống nhiên liệu kép khác nhau.
Hydro có thể sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như khí thiên nhiên, dầu, than đá
và phương pháp điện phân nước. Trong các phương pháp trên, phương pháp điện phân
nước cho chi phí thấp nhất. Phương pháp ứng dụng điện phân nước đang rất được chú ý
do ứng dụng nguồn năng lượng tái tạo và đó là một cơng nghệ sạch với chi phí thấp.
2.1.1. Nhiên liệu hydro
Nhiên liệu hydro sử dụng trên động cơ đốt trong có thể ở dạng hydro nguyên chất
và dạng hỗn hợp hydro và oxy (HHO). Dạng HHO có thể sản xuất từ phương pháp điện
phân. Tính chất của hai dạng nhiên liệu hydro gần như giống nhau. Từ Bảng 2.1 cho thấy
so với xăng, nhiên liệu hydro cho năng lượng đánh lửa nhỏ hơn xăng 12,5 lần, tốc độ

cháy cao hơn 4,3 lần, nhiệt độ cháy, nhiệt độ ngọn lửa cao hơn và hệ số nhiệt trị thấp cao
hơn 2,7 lần và nhiệt trị cao hơn 2,7 lần.

9


Bảng 2.1. Tính chất của các nhiên liệu.
Tính chất

H2

HHO

Xăng

Giới hạn cháy (%V)

4-75

4-95

1,2-6

Năng lượng đánh lửa (mJ)

2

2

25

Tốc độ cháy (m/s)

1,9

1,87

0,37-0,43

Nhiệt độ tự cháy (K)

858

843

500-750

Nhiệt độ cháy (K)

2933

3073

2282

Nhiệt trị thấp (MJ/kg)

119,96 120,9 44,79

Trong hỗn hợp hịa khí có HHO, tỉ lệ hịa khí được tính theo cơng thức:

𝜆=

𝑚̇𝑎
𝑚̇𝑔 .𝐴𝐹𝑅𝑔𝑠𝑡 +𝑚̇𝐻𝐻𝑂 .𝐴𝐹𝑅𝐻𝐻𝑂𝑠𝑡

(2.1)

Trong đó: 𝑚̇a là khối lượng khơng khí vào xylanh trong 1 giây, 𝑚̇g là khối lượng
xăng phun vào xylanh trong 1 giây, 𝑚̇HHO là khối lượng hydro phun vào xylanh trong 1
giây, AFRgst là tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu lí tưởng của xăng; AFRHHOst là tỉ lệ khơng
khí/nhiên liệu lí tưởng của HHO. Trong phương trình cháy của HHO trong xylanh động
cơ chỉ sinh ra nước và HHO tự cháy mà khơng cần thêm một lượng oxy nào. Do đó,
AFRHHOst =0, dẫn đến tỉ lệ hịa khí của hỗn hợp nhiên liệu kép HHO-xăng là:
𝜆=

𝑚̇𝑎
𝑚̇𝑔 .𝐴𝐹𝑅𝑔𝑠𝑡

(2.2)

Phương trình (2.2) là tỉ lệ của hệ thống nhiên liệu xăng. Điều đó có nghĩa là khi
thêm HHO vào xylanh, tỉ lệ hịa khí trong hỗn hợp vẫn không thay đổi so với động cơ
xăng nguyên thủy và hệ thống điều khiển nhiên liệu không cần điều chỉnh tỉ lệ này. Đây
là điểm thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng sử dụng nhiên liệu
HHO trên động cơ sử dụng xăng truyền thống.
2.1.2. Đánh giá về khả năng ứng dụng nhiên liệu hydro qua tính chất của nhiên liệu
- Nhiên liệu hydro có giới hạn cháy cao, điều đó sẽ mở rộng giới hạn cháy nghèo
cho động có sử dụng nhiên liệu kép hydro-xăng. Đặc tính hày cịn cho khả năng giảm tiêu
hao nhiên liệu khi thêm hydro vào xăng.

10