Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống nhiên liệu kép hydro xăng trên động cơ xăng với ứng dụng năng lượng mặt trời sản xuất hydro
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.96 MB, 111 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN NHIÊN LIỆU KÉP HYDRO - XĂNG TRÊN ĐỘNG
CƠ XĂNG VỚI ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU HYDRO.
SVTH: LÊ QUANG HUY
MSSV: 16345010
SVTH: LÊ MINH LUÂN
MSSV: 16345017
GVHD: ThS. VÕ XUÂN THÀNH
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN NHIÊN LIỆU KÉP HYDRO - XĂNG TRÊN ĐỘNG
CƠ XĂNG VỚI ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU HYDRO.
SVTH: LÊ QUANG HUY
MSSV: 16345010
SVTH: LÊ MINH LUÂN
MSSV: 16345017
GVHD: ThS. VÕ XUÂN THÀNH
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018
i
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 15 tháng 01 năm 2018
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. Lê Quang Huy
MSSV: 16345010
2. Lê Minh Luân
MSSV: 16345017
Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô.
Mã ngành đào tạo: 52510205
Hệ đào tạo: Đại học chính quy.
Mã hệ đào tạo:
Khóa: 2016-2018
Lớp: 16345
Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển nhiên liệu kép hydro xăng trên động cơ xăng với ứng dụng năng lượng Mặt Trời sản xuất nhiên liệu Hydro.
1. Nhiệm vụ đề tài
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về nhiên liệu HHO, động cơ xăng và hệ thống điều khiển.
- Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển nhiên liệu kép cung cấp hydro sau cánh bướm ga.
- Vận hành thử nghiệm hệ thống.
- Đánh giá kết quả.
2.
-
Sản phẩm của đề tài
Sơ đồ thiết kế.
- Mơ hình.
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 20/10/2017
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/01/2018
TRƯỞNG BỘ MÔN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
ii
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 15 tháng 01 năm 2018
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển nhiên liệu kép hydro - xăng
trên động cơ xăng với ứng dụng năng lượng Mặt Trời sản xuất nhiên liệu Hydro.
Họ tên sinh viên: 1. Lê Quang Huy
MSSV: 16345010
2. Lê Minh Luân
MSSV: 16345017
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ơ tơ
I. NHẬN XÉT
1.
Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
.....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
2.
Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)
.....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không):
................................................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10):
.................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018
Giảng viên hướng dẫn.
iii
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển nhiên liệu kép hydro - xăng
trên động cơ xăng với ứng dụng năng lượng Mặt Trời sản xuất nhiên liệu Hydro.
Họ tên sinh viên: 1. Lê Quang Huy
MSSV: 16345010
2. Lê Minh Luân
MSSV: 16345017
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ơ tơ
I. NHẬN XÉT
1.
Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
2.
Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): ............................... .............................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10):… ............................... ............................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018
Giảng viên phản biện
iv
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018
XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển nhiên liệu kép hydro - xăng
trên động cơ xăng với ứng dụng năng lượng Mặt Trời sản xuất nhiên liệu Hydro.
Họ tên sinh viên: 1. Lê Quang Huy
MSSV: 16345010
2. Lê Minh Luân
MSSV: 16345017
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ôtô
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 15 tháng 01 năm 2018
v
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm em em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng
góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến sự hướng dẫn tận tình của thầy ThS.Võ Xn
Thành đã tạo điều kiện cho nhóm hồn thành đề tài, áp dụng được những kiến thức đã học
vào thực tiễn nghề nghiệp trong suốt quá trình làm đồ án.
Em cũng xin chân thành cảm tất cả quý thầy cơ khoa Cơ khí động lực Trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã bổ sung cho em kiến thức về các môn đại cương
cũng như các mơn chun ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều
kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã ln tạo điều kiện, quan
tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt q trình học tập và hồn thành đồ án.
LÊ QUANG HUY
LÊ MINH LUÂN
TP HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2018
vi
TĨM TẮT
-
Vấn đề nghiên cứu:
Đề tài của nhóm nghiên cứu về việc điều khiển kết hợp nhiên liệu kép hydro-xăng cũng
như có thể nắm bắt nguyên lý để chế tạo hệ thống điều khiển theo điều kiện làm việc của
động cơ và tính chất của nhiên liệu.
-
Hướng tiếp cận đề tài:
Thơng qua một số tài liệu báo chí, các bài nghiên cứu trong nước và nước ngồi, thơng
qua mơn học Năng lượng mới trên ô tô, các kiến thức đã học về động cơ đốt trong cũng
như về tính chất của nhiên liệu.
-
Cách giải quyết về các vấn đề yêu cầu của đề tài:
Mơ hình hóa đề tài để có thể hiểu rõ hơn cũng như có thể nắm rõ được nguyên lý làm
việc của hệ thống, đi kèm với thuyết minh bằng lý thuyết để giải thích rõ hơn về mơ hình
-
Các kết quả đạt được:
Một mơ hình thực tế làm ví dụ để mơ tả cũng như chỉ ra được nguyên lý làm việc của hệ
thống điều khiển mà đề tài đặt ra. Đồng thời tiếp nhận và hiểu rõ được một khối lượng kiến
thức về khí HHO cũng như biết được cách điều chế và áp dụng khí HHO vào thực tiễn.
vii
MỤC LỤC
TRANG BÌA .......................................................................................................................... ii
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................................................................... ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .................................................................iii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .................................................................... iv
XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN ................................................................................. v
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... vi
TÓM TẮT ............................................................................................................................ vii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... viii
BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... xii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH.................................................................................................. xii
DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................................... xiv
1.6. Ý nghĩa việc sử dụng nhiên liệu mới ô tô ..................................................................... 3
PHẦN 2: NỘI DUNG ............................................................................................................ 4
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ............................................................. 4
1.1.1.Phân loại ĐCĐT ......................................................................................................... 4
1.2.1. Những khái niệm và định nghĩa cơ bản .................................................................... 6
viii
1.3.2. Chu trình cơng tác của ĐCĐT .................................................................................. 12
1.3.2.1. Các chỉ tiêu chất lượng của chu trình cơng tác .................................................... 13
1.3.2.2. Hiệu suất nhiệt của chu trình ............................................................................... 13
1.3.2.3. Áp suất trung bình của chu trình .......................................................................... 13
1.4. Nhiên liệu hydro .......................................................................................................... 14
1.4.1. Ứng dụng hydro trên động cơ ................................................................................. 15
1.4.2. Điều chế hydro bằng phương pháp sử dụng NLMT điện phân nước ....................... 22
1.5. Nhiên liệu xăng ............................................................................................................ 23
1.5.1. Định nghĩa ............................................................................................................... 23
1.5.2. Tính chất ................................................................................................................. 23
1.5.3. Định lượng nhiên liệu trên động cơ xăng ............................................................... 25
1.6. Mơ hình quá trình cháy trong động cơ......................................................................... 26
1.7.1. Khái niệm ................................................................................................................ 28
1.7.2. Cơ chế của quá trình điện phân............................................................................... 28
ix
1.7.3. Sự điện phân của các chất điện li ............................................................................ 29
1.7.3.1. Điện phân chất điện li nóng chảy........................................................................ 29
1.7.3.2. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước ...................................................... 31
1.7.3.3. Một số ví dụ ........................................................................................................ 32
1.7.3.4. Định luật Faraday................................................................................................ 35
1.7.3.5. Ứng dụng của điện phân ..................................................................................... 36
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ỨNG DỤNG HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU KÉP HYDROXĂNG .................................................................................................................................. 36
2.1. Mơ hình hệ thống cung cấp nhiên liệu hydro sau cánh bướm ga ................................ 36
2.2. Mơ hình hệ thống phun nhiên liệu hydro ..................................................................... 37
2.3 Mơ hình hóa hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng với nguồn nhiên liệu hydro từ sử dụng
NLMT điện phân nước ........................................................................................................ 38
2.3.1.Tính tốn lưu lượng nhiên liệu hydro ...................................................................... 39
2.3.1.1.Lưu lượng nhiên lệu ............................................................................................. 40
2.3.1.2.Lưu lượng nhiên liệu trên mỗi xy lanh ................................................................ 41
2.3.1.3. Điều khiển công suất động cơ ............................................................................. 42
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIÊN LIỆU KÉP
HIDRO – XĂNG ................................................................................................................. 45
3.1.1. Cấu tạo tổng quát và nguyên lý hoạt động................................................................ 45
3.1.1.1. Cấu tạo tổng quát ................................................................................................. 45
3.1.1.2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................................ 46
3.2. Chế tạo hệ thống điều khiển ........................................................................................ 48
3.2.1. Cấu tạo từng bộ phận .............................................................................................. 48
3.2.1.1. Hệ thống điều chế khí Hydro .............................................................................. 48
3.2.2. Hệ thống điều khiển lưu lượng khí ......................................................................... 52
3.3. Q trình cháy của HHO ............................................................................................. 54
3.4. Quá trình cháy của hỗn hợp HHO và xăng .................................................................. 54
3.4.1. Phương trình phản ứng ........................................................................................... 54
3.4.2. Công suất động cơ .................................................................................................. 55
x
3.4.3. Khí thải.................................................................................................................... 56
3.5. Phương pháp điều khiển nhiên liệu trên động cơ nhiên liệu kép xăng – Hydro ......... 56
3.5.1. Lý thuyết điều khiển động cơ theo sự thay đổi của lưu lượng HHO ...................... 56
3.5.1.1. Khối lượng nhiên liệu sử dụng trong 1 giây (ṁf ) .............................................. 56
3.5.1.2. Suất tiêu hao nhiên liệu (ge) ................................................................................ 58
3.5.1.3. Khối lượng nhiên liệu tiêu hao của xăng (mcon.g ) và Hydro (mcon.H2) ................ 58
3.5.1.4. Cơng thức tính khối lượng xăng phun vào xy lanh động cơ .............................. 59
CHƯƠNG 4. MƠ HÌNH THỰC TIỄN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CHO HỆ
THỐNG CUNG CẤP KHÍ HYDRO SAU CÁNH BƯỚM GA.......................................... 60
4.1. Các thành phần của bộ điều khiển điện tử ................................................................... 60
4.1.1. ARDUINO .............................................................................................................. 60
4.1.1.1 . Giới thiệu về Arduino ........................................................................................ 60
4.1.1.2. Giới thiệu về board Arduino Uno ...................................................................... .62
4.1.1.3. Các cổng vào/ra................................................................................................... 65
4.1.1.4. Giới thiệu Arduino Nano CH340 ........................................................................ 66
4.1.1.5. Phần mềm điều khiển, nạp lệnh cho Arduino và bộ mã lệnh điều khiển mơ hình67
4.1.1.5.1. Phần mềm điều khiển Arduino IDE ................................................................ 67
4.2. Mơ hình thực tiễn của đề tài ........................................................................................ 70
4.3. Ngun lý làm việc của mơ hình ................................................................................. 72
4.4. Thực nghiệm mơ hình .................................................................................................. 72
4.4.1.Lý do và mục đích.................................................................................................... 72
4.4.2.Sơ đồ q trình thực nghiệm và các thiết bị dùng để đo lường thực nghiệm .......... 72
4.4.2.1.Trường hợp khơng có cơ cấu điều khiển bướm ga (TH1) ................................... 80
4.4.2.2.Trường hợp có cơ cấu điều khiển bướm ga (TH2) .............................................. 84
4.4.3.Nhận xét kết quả ...................................................................................................... 88
4.5. Nhược điểm.................................................................................................................. 89
PHẦN 3. TỔNG KẾT................................................................................................................................ 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................... 91
PHỤ LỤC .................................................................................................................................................... 93
xi
BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Động cơ đốt trong
ĐCĐT
Điểm chết trên
ĐCT
Điểm chết dưới
ĐCD
Hỗn hợp nhiên liệu khí hydro và oxy
HHO
Hành trình của piston
S
Buồng đốt
VC
Dung tích cơng tác của xylanh
VS
ε
Tỷ số nén
Mơi chất cơng tác
MCCT
Chu trình cơng tác
CTCT
Hiệu suất nhiệt của chu trình
η
Hỗn hợp cháy
HHC
Cơng chu trình
Wct
Nhiệt lượng trong một chu trình
Q1
Áp suất trung bình
Pct
Thiết bị giảm áp lực
PRD
Thiết bị giảm nhiệt độ
TRD
Năng lượng mặt trời
NLMT
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel 4 kỳ .......................................................................... 6
Hình 1.2 ĐCT,ĐCD và thể tích cơng tác của xy lanh ........................................................... 7
xii
Hình 1.3 Đồ thị cơng của động cơ 4 kỳ ............................................................................... 30
Hình 1.4 Chu trình cơng tác của động cơ diesel 4 kỳ .......................................................... 31
Hình 1.5 Các đồ thị biểu diễn chu trình cơng tác của động cơ 4 kỳ .................................... 35
Hình 1.6 Hệ thống lưu trữ khí hydro ................................................................................... 37
Hình 1.7 Hệ thống lưu trữ khí hydro lỏng ........................................................................... 38
Hình 1.8 Hệ thống hở dùng để khảo sát động cơ đốt trong ................................................ 39
Hình 1. 9 Sơ đồ điện phân Nacl ........................................................................................... 40
Hình 1.10 Sơ đồ điện phân 2Al2O3 ................................................................................................................................. 41
Hình 1.11 Điện phân dung dịch Cuso4 với Anot bằng Cu ................................................... 45
Hình 1.12 Phương pháp mạ điện ......................................................................................... 47
Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm hệ thống nhiên liệu cung cấp hydro sau bướm ga .................... 49
Hình 2.2 Hệ thống nhiên liệu kép kim phun ........................................................................ 50
Hình 2.3 Mơ hình hệ thống nhiên liệu kép hydro – xăng đề xuất ....................................... 52
Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống ...................................................................................... 46
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu kép hydro – xăng sử dụng bộ chế hịa khí .................. 48
Hình 3.3 Hệ thống điều khiển khí hydro ............................................................................. 49
Hình 3.4 Các chi tiết của một bộ Cell tách nước thành hho ................................................ 50
Hình 3.5 Hình dáng bộ Cell ................................................................................................. 51
Hình 3.6 Giao diện phần mềm HHOCALCULATOR ........................................................ 52
Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển lưu lượng khí HHO .................................................... 53
Hình 3.8 Cơng suất của động cơ hydro – xăng so với động cơ xăng .................................. 57
Hình 4.1 Arduino Uno ......................................................................................................... 63
Hình 4.2 Các cổng vào/ra của Arduino Uno ........................................................................ 65
Hình 4.3 Arduino Nano CH340 ........................................................................................... 66
Hình 4.4 Giao diện phần mềm IDE ..................................................................................... 67
Hình 4.5 Các nút lệnh của phần mềm Arduino IDE ............................................................ 68
Hình 4.6 Vùng viết chương trình của phần mềm IDE ......................................................... 68
Hình 4.7 Vùng thơng báo ..................................................................................................... 69
Hình 4.8 Lưu ý chọn cổng đầu vào cho Arduino................................................................. 69
xiii
Hình 4.9 Mơ hình tổng thể ................................................................................................... 70
Hình 4.10 Cảm biến lưu lượng khí hydro ............................................................................ 70
Hình 4.11 Cơ cấu điều khiển bướm ga ................................................................................ 70
Hình 4.12 Bình nhiên liệu .................................................................................................... 71
Hình 4.13 Bình lọc khí HHO thứ cấp .................................................................................. 72
Hình 4.14 Bình chứa dung dịch KOH ................................................................................. 72
Hình 4.15 Sơ đồ lắp đặt pin NLMT ..................................................................................... 74
Hình 4.16 Diode xung 20SQ045 .......................................................................................... 75
Hình 4.17 Sơ đồ chân tín hiệu của cảm biến ....................................................................... 75
Hình 4.18 Sơ đồ chân Encoder ............................................................................................ 76
Hình 4.19 Thơng số kỹ thuật Step Motor ............................................................................ 77
Hình 4.20 Cơ cấu điều khiển bướm ga ................................................................................ 78
Hình 4.21 Cảm biến lưu lượng Hydro và Encoder đo tốc độ động cơ ................................ 78
Hình 4.22 Arduino Nano CH340 xử lý tín hiệu đầu vào và xuất kết quả ........................... 79
Hình 4.23 Sơ đồ vị trí và sơ đồ mạch điện các thiết bị đo đạc ............................................ 80
Hình 4.24 Sơ đồ khối quy trình thực nghiệm trong TH1..................................................... 81
Hình 4.25 Sơ đồ tham gia hoạt động của các thiết bị trong TH1 ........................................ 81
Hình 4.26 Đồ thị biểu diễn số liệu theo bảng trong TH1 .................................................... 82
Hình 4.27 Sơ đồ khối quá trình thực hiện trong TH2 .......................................................... 85
Hình 4.28 Sơ đồ tham gia hoạt động của các thiết bị trong TH2 ........................................ 86
Hình 4.29 Đồ thị theo bảng số liệu trong TH2 .................................................................... 87
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại ĐCĐT .................................................................................................... 5
Bảng 1.2. Tóm tắt chu trình cơng tác của động cơ 4 kỳ .................................................. 12
Bảng 1.3. Tính chất của các nhiên liệu ................................................................................ 14
Bảng 1.4. Bảng phân cực ..................................................................................................... 29
xiv
Bảng 4.1. Thông số Arduino Uno ........................................................................................ 66
Bảng 4.2. Tốc độ đo thực nghiệm ứng với lượng HHO sinh ra trong TH1......................... 81
Bảng 4.3. Tốc độ đo thực nghiệm ứng với lượng HHO sinh ra trong TH2......................... 86
xv
PHẦN 1. TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài:
Hầu hết các động cơ của tàu thuyền và các phương tiện vận tải đường bộ đều là động cơ đốt trong
sử dụng nhiên liệu diesel hoặc xăng. Nhược điểm của loại động cơ này là hiệu suất chuyển hóa năng
lượng rất thấp, sinh ra khí thải là nhiên liệu khơng cháy hết, khí CO và khí NOx. Các khí này có ảnh
hưởng rất xấu tới môi trường, đặc biệt là những nơi có lượng xe lưu thơng lớn, khí CO có thể gây ra các
triệu chứng thiếu ô xi, ảnh hướng tới sinh hoạt, năng suất lao động cũng như sức khỏe của người dân
nơi đây. 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 vô cùng lớn, đăc biệt là
ứng dụng cho các tàu thuyền đánh bắt hải sản. Mỗi lít dầu, mỗi giờ đánh bắt đối với họ là miếng thịt,
miếng cá để cải thiện bát cơm vốn đã mặn mịi gió biển. Có nhiều giải 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, không phù hợp với người dân nghèo. Hiện nay phương pháp được ưa chuộng nhất
trên thế giới là sử dụng khí điện phân HHO để thêm vào hỗn hợp nhiên liệu. Khi kết hợp với HHO
trong buồng đốt, nhiên liệu được đốt cháy gần như hồn tồn do đó giảm được phần lớn nhiên liệu
không 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 không cháy hết, tăng từ 3-10% công suất động cơ cùng
nhiều ưu điểm vượt trội khác.
Hiện nay mơ hình này chưa được nghiên cứu ở phạm vi cả trong và ngoài nước. Để thực hiện việc
nghiên cứu chun sâu về mơ hình này, cần có một cơ sở lý thuyết đầu đủ và chính xác. Bài viết này
trình bày một cơ sở lý thuyết có thể làm cơ sở cho mọi tính tốn về trạng thái cân bằng năng lượng trên
hệ thống nhiên liệu kép sử dụng trực tiếp NLMT. Cơ sở lý thuyết này là các phương trình tính tốn định
lượng nhiên liệu sẽ cần thiết trong quá trình điều khiển động cơ. Đây là một cơ sở cho q trình mơ
phỏng và thực nghiệm cho các nghiên cứu chuyên sâu về hiệu suất động cơ và ơ nhiễm khí thải của
động cơ trong quá trình hoạt động của hệ thống.
1
Mục tiêu nghiên cứu:
Vì mơi trường hiện nay đang ơ nhiễm, hiệu ứng nhà kính, đang xảy ra nghiêm trọng
khơng có dấu hiệu giảm. Qua q trình tìm hiểu và nghiên cứu cho ta thấy khí thải thải ra
mơi trường từ động cơ chiếm đa số. Để biết được tại sao động cơ ôtô, xe máy lại gây ô
nhiễm, phải xét đến quá trình cháy diễn ra trong buồng cháy của động cơ. Theo nguyên lý,
quá trình cháy lý tưởng chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Nhưng trong thực tế, thì quá trình cháy
xảy ra trong buồng cháy của động cơ khơng lý tưởng như vậy. Q trình cháy thực tế sinh
ra các chất độc nguy hiểm như: NOx, CO, CnHm, SO2, và bụi hữu cơ,…Chính những chất
này là ngun nhân gây ra ơ nhiễm mơi trường.
Ơ nhiễm được hiểu như sau: “Khơng khí được coi là ơ nhiễm khi thành phần của nó bị
thay đổi do có sự hiện diện của các chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được
hay gây ra sự khó chịu đối với con người khi hít phải”.
Đa phần những chất do động cơ thải ra là những chất gây ơ nhiễm. Tại TP Hồ Chí Minh,
các nhà khoa học đã báo động về tình trạng ơ nhiễm khơng khí, đặc biệt là sự gia tăng nồng
độ các chất độc hại trong khơng khí như: benzene, nitơ oxit,…Nồng độ bụi đặc trưng PM10
có nơi đạt tới 80 microgam /m3 trong khi nồng độ cho phép nhỏ hơn con số này nhiều lần.
Nồng độ SO2 lên đến 30 microgam/m3, nồng độ benzene có nơi đạt 35-40 microgam/m3. Và
hàng năm, Việt Nam các phương tiện giao thông đã thải ra sáu triệu tấn CO2, sáu mươi mốt
nghìn tấn CO, ba mươi lăm nghìn tấn NO2, mười hai nghìn tấn SO2 và hơn hai mươi hai nghìn
tấn CmHn. nồng độ các chất có hại trong khơng khí ở các đơ thị lớn vượt quá mức cho phép
nhiều lần, riêng SO2 cao gấp 2-3 lần.
Từ thực tế đó chúng em thực hiện đề tài này nhằm tìm hiểu về quá trình tạo ra khí HHO
và đưa vào ứng dụng thực tế, tiến hành tạo mơ hình thử nghiệm trên động cơ để xem tính năng
vượt trội của khí HHO khi kết hợp với xăng, từ đó có cái nhìn và hướng đi chính xác nhất cho
việc đưa khí HHO vào sử dụng cho động cơ. Đây cũng là một công nghệ nhắm đến cho tương
lai sau này.
Giới hạn đề tài
Do đây là một đề tài mới mẻ và độ khó trong q trình tìm hiểu là khá cao, đồng thời các
nguồn tài liệu cũng có nhiều điểm khơng chính xác nên q trình thực hiện cũng gặp nhiều
2
khó khăn. Nhóm chỉ xây dựng từ những lý thuyết cơ bản cộng với việc thời gian thực hiện
cũng khá ngắn nên nhóm chỉ thực hiện được đề tài ở một giới hạn cho phép chứ không thể đi
xa hơn được.
Phương pháp nghiên cứu
Tìm kiếm tài liệu, lý thuyết cơ bản về điện phân, phối hợp HHO+xăng.
Các hướng nghiên cứu và các cơng trình nghiên cứu trước về điện phân nước.
Tính tốn nguồn năng lượng mặt trời để tạo ra HHO.
Thí nghiệm kiểm tra kết quả thu được.
Thử sử dụng nguồn 12v điện phân điều chế khí hydro.
Phương tiện nghiên cứu và thiết kế
Sử dụng 2 tấm pin mặt trời cơng suất 20W dịng 1A.
Dùng đồng hồ đo điện áp bộ cell.
Thí nghiệm trên động cơ xe máy, xây dựng mơ hình ở tại nhà.
Bình ắc qui 12v 5Ah.
1.6 . Ý nghĩa việc sử dụng nhiên liệu mới ô tô
a. Ý nghĩa thực tiễn:
- Tạo nguồn nhiên liệu phong phú.
- Tạo nhiều hệ thống nhiên liệu trong động cơ đốt trong.
b. Ý nghĩa khoa học:
Nghiên cứu, phát triển nhiên liệu mới trong tương lai.
Cải thiện môi trường trái đất.
Giải tỏa áp lực việc cạn kiệt nhiên liệu.
Là bước nhảy lớn trong nghành ơ tơ nói riêng và kỹ thuật nói riêng.
3
PHẦN 2. NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm về ĐCĐT:
Là một loại động cơ nhiệt, tức là loại máy có chức năng biến đổi nhiệt năng thành
cơ năng. Các loại động cơ nhiệt phổ biến hiện nay khơng được cung cấp nhiệt năng từ bên
ngồi một cách trực tiếp mà được cung cấp nhiên liệu, sau đó nhiên liệu được đốt cháy để
tạo ra nhiệt năng. Căn cứ vào vị trí đốt nhiên liệu, người ta chia các loại động cơ nhiệt thành
hai nhóm: động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài. Ở động cơ đốt trong, nhiên liệu được
đốt cháy trực tiếp trong không gian công tác của động cơ và cũng tại đó diễn ra q trình
chuyển hố nhiệt năng thành cơ năng. Ở động cơ đốt ngoài, nhiên liệu được đốt cháy trong
lị đốt riêng biệt để cấp nhiệt cho mơi chất cơng tác (MCCT), sau đó MCCT được dẫn vào
khơng gian công tác của động cơ để thực hiện quá trình chuyển hố nhiệt năng thành cơ
năng.
1.1.1. Phân loại ĐCĐT:
Theo cách phân loại như trên thì các loại động cơ có tên thường gọi như: động cơ xăng,
động cơ diesel, động cơ piston quay, động cơ piston tự do, động cơ phản lực, turbine
khí đều có thể được xếp vào nhóm Động cơ đốt trong; cịn động cơ hơi nước kiểu piston,
turbine hơi nước, động cơ Stirling thuộc nhóm Động cơ đốt ngoài. Tuy nhiên, trong
các tài liệu chuyên ngành, thuật ngữ "Động cơ đốt trong" (Internal Combustion Engine)
thường được dùng để chỉ riêng loại động cơ đốt trong cổ điển có cơ cấu truyền lực kiểu
piston-thanh truyền-trục khuỷu, trong đó piston chuyển động tịnh tiến qua lại trong xylanh
của động cơ. Các loại động cơ đốt trong khác thường được gọi bằng các tên riêng, ví dụ:
động cơ piston quay (Rotary Engine), động cơ piston tự do (Free - Piston Engine), động cơ
phản lực (Jet Engine), turbine khí (Gas Turbine). Trong giáo trình này, thuật ngữ động cơ
đốt trong (viết tắt: ĐCĐT) cũng được hiểu theo quy ước nói trên. Có thể được phân loại theo
các tiêu chí khác nhau (Bảng 1.1-1). Căn cứ vào nguyên lý hoạt động, có thể chia ĐCĐT
thành các loại: động cơ phát hoả bằng tia lửa, động cơ diesel, động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ.
4
Bảng 1.1. Phân loại ĐCĐT
Tiêu chí phân loại
Loại nhiên liệu
Phân loại
-
Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng dễ bay
hơi như: xăng, alcohol, benzol, v.v.
-
Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng khó bay
hơi, như: gas oil, mazout, v.v.
- Động cơ chạy bằng khí đốt.
- Động cơ phát hoả bằng tia lửa.
Phương pháp phát hoả
- Động cơ diesel.
nhiên liệu
- Động cơ semidiesel.
Cách thức thực hiện
chu trình cơng tác
- Động cơ 4 kỳ.
Phương pháp nạp khí
mới vào khơng gian
cơng tác
- Động cơ khơng tăng áp.
- Động cơ 2 kỳ.
- Động cơ tăng áp.
- Động cơ một hàng xylanh ; động cơ hình sao
; hình chữ V, W, H, ...
Đặc điểm kết cấu
- Động cơ có xylanh thẳng đứng, ngang, nghiêng.
- Động cơ thấp tốc, trung tốc và cao tốc.
Theo tính năng
- Động cơ cơng suất nhỏ, trung bình và lớn.
- Động cơ xe cơ giới đường bộ.
- Động cơ thuỷ.
Theo công dụng
- Động cơ máy bay.
- Động cơ tĩnh tại.
5
1.2. Nguyên lý làm việc và một số đặc điểm của ĐCĐT:
1.2.1. Những khái niệm và định nghĩa cơ bản
1.2.1.1.1. Tên gọi một số bộ phận cơ bản
Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel 4 kỳ.
1- Lọc không khí, 2- Ống nạp, 3- Xupap nạp, 4- Xupap xả, 5- Ống xả,6- Bình
giảm thanh, 7- Nắp xylanh, 8- Xylanh, 9- Piston, 10- Xecmang,11- Thanh
truyền, 12- Trục khuỷu, 13- Cacte, 14- Vòi phun nhiên liệu.
1.2.1.1.2. Điểm chết, Điểm chết trên, Điểm chết dưới
• Điểm chết là vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó dù tác dụng lên đỉnh piston một lực lớn
bao nhiêu thì cũng khơng làm cho trục khuỷu quay.
• Điểm chết trên (ĐCT) là vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó piston cách xa trục khuỷu
nhất.
• Điểm chết dưới (ĐCD) là vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó piston ở gần trục khuỷu
nhất.
6
1.2.1.1.3. Hành trình của piston (S):
Khoảng cách giữa ĐCT và ĐCD.
1.2.1.1.4. Không gian công tác của xylanh
Khoảng không gian bên trong xylanh được giới hạn bởi: đỉnh piston, nắp xylanh và thành
xylanh. Thể tích của khơng gian cơng tác của xylanh (V) thay đổi khi piston chuyển động.
1.2.1.1.5. Buồng đốt (VC)
Phần không gian công tác của xylanh khi piston ở ĐCT.
1.2.1.1.6. Dung tích cơng tác của xylanh (VS)
Thể tích phần khơng gian cơng tác của xylanh được giới hạn bởi hai mặt phẳng vng
góc với đường tâm của xylanh và đi qua ĐCT, ĐCD:
D2
vs
S
4
(1.1)
Trong đó : D - đường kính của xylanh; S - hành trình của piston.
Hình 1.2. ĐCT, ĐCD và thể tích khơng gian cơng tác của xylanh.
1.2.1.1.7.
Tỷ số nén (ε)
Tỷ số giữa thể tích lớn nhất của khơng gian cơng tác của xylanh (Va) và thể tích của
buồng đốt (Vc).
va
v vc
s
vc
vc
(1.2)
7
1.2.1.1.8. Mơi chất cơng tác (MCCT)
Chất có vai trị trung gian trong quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Ở
những giai đoạn khác nhau của chu trình cơng tác, MCCT có thành phần, trạng thái
khác nhau và được gọi bằng những tên khác nhau như khí mới, sản phẩm cháy, khí thải,
khí sót , hỗn hợp cháy, hỗn hợp khí cơng tác.
• Khí mới - (cịn gọi là Khí nạp) - khí được nạp vào khơng gian công tác của
xylanh qua cửa nạp. Ở động cơ diesel, khí mới là khơng khí; ở động cơ xăng, khí mới
là hỗn hợp khơng khí-xăng.
• Sản phẩm cháy - những chất được tạo thành trong quá trình đốt cháy nhiên liệu
trong khơng gian cơng tác của xylanh, ví dụ: CO2, H2O, CO, SO2, NOx, v.v
• Khí thải - hỗn hợp các chất được thải ra khỏi không gian công tác của xylanh, sau
khi đã dãn nỡ để sinh ra cơ năng. Khí thải của động cơ đốt trong gồm có: sản phẩm
cháy, nitơ (N2) và oxy (O2) cịn dư.
• Khí sót - phần sản phẩm cháy cịn sót lại trong không gian công tác của xylanh sau
khi cơ cấu xả đã đóng hồn tồn.
• Hỗn hợp cháy (HHC) - hỗn hợp của nhiên liệu và khơng khí.
• Hỗn hợp khí cơng tác - hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí – khí sót.
1.2.1.1.9. Q trình cơng tác
Q trình thay đổi trạng thái và thành phần của MCCT trong xylanh diễn ra trong
một giai đoạn nào đó của chu trình cơng tác.
1.2.1.1.10. Chu trình cơng tác (CTCT)
Tổng cộng tất cả các q trình cơng tác diễn ra trong khoảng thời gian tương ứng với
một lần sinh công ở một xylanh.
1.2.1.1.11. Đồ thị công
Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của áp suất của MCCT trong xylanh theo thể tích của
khơng gian cơng tác hoặc theo góc quay của trục khuỷu.
8
Hình 1.3. Đồ thị cơng của động cơ 4 kỳ.
9
