NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP PHỤ NHIÊN LIỆU TỪ ĐIỆN PHÂN NƯỚC Trình bày tổng quan về vấn đề ứng dụng nhiên liệu hydro vào động cơ Trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình cháy của động cơ và quá trình điện phân. Tính toán lượng HHO cần thiết cho động cơ. Thiết kế chế tạo bộ điện phân . Thực nghiệm điện phân và thí nghiệm trên xe gắn máy.
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ô nhiễm không 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 cú nồng độ trung bỡnh năm vượt quỏ 50 àg/m 3 tại 126 thành phố trờn thế giới cú thể là nguyên nhân của khoảng 130 nghìn ca tử vong sớm Chất lượng không khí nói chung và không khí đô thị nói riêng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Các nguồn khí thải trong công nghiệp, đặc biệt là từ động cơ đốt trong ô tô có thể làm suy giảm chất lượng không khí Khí thải sinh ra là nhiên liệu không cháy hết, khí CO và khí NOx, HC… Các khí này có ảnh hưởng rất xấu tới môi trường, đặc biệt là những nơi có lượng xe lưu thông 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 con người Theo trang aqicn.org, Việt Nam lọt top 10 các nước đứng đầu về ô nhiễm không khí Ngoài ra, từ lúc 15h ngày 22 tháng 2 năm 2020, Tổ chức Air Visual đã công bố Hà Nội là thành phố có mức ô nhiễm nhất thế giới
Ngoài ra, quá trình khai thác sử dụng nguồn nguyên liệu luôn gắn liền với quá 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 các nhà cung cấp nước ngoài 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 toàn 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 nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu Các nhà máy công nghiệp và ô tô 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 quá trình đốt cháy thoát ra từ động cơ Thử nghiệm khí thải thường được thực hiện với một đầu dò được đặt vào dòng 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 không được đốt cháy mà nó đi qua động cơ và thoát ra ngoài 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 không 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 không xấu, nhưng nó được thử nghiệm để hiểu rõ hơn về các đặc tính đốt cháy Biết được phần trăm ôxy trong khí thải, người ta có thể ước tính tỷ lệ không khí / nhiên liệu của động cơ khi nó chạy CO và CO2 lần lượt là cacbon monoxit và cacbon đioxit Khí CO không 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 không khí với một lượng lớn góp phần vào hiệu ứng nhà kính và do đó là sự nóng lên toàn 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 không 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 trong gây mất nguồn và không còn 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 vô 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 đòi hỏi thay thế toàn bộ hệ thống, không 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 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
Xuất phát từ những vấn đề thực tế nên trên, nghiên cứu này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về quá trình cháy của động cơ, quá 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 toán và ứng dụng thực nghiệm trên mô hình động cơ xe gắn máy để giảm hàm lượng khí thải HC và CO.
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Điện phân dung dịch kiềm Điện phân nước kiềm được biết đến là quá 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); 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 Nm 3 H2 / h Hiện nay ngành công nghiệp đã phát triển các bộ điện phân có thể cung cấp lên tới khoảng 670 Nm 3 /h
Hình 1.1 Máy điện phân của Công ty Cổ phần “Uralkhimmash” SEU-40 (a) và FV-500 (b) Điện phân nước kiềm được sử dụng để tách nước thành khí hydro và oxy bằng cách sử dụng năng lượng điện Các phản ứng hóa học được cho trong phương trình (1) - (3) Ở catot, các phân tử nước là bị khử bởi các electron thành hiđro và các ion hiđroxit mang điện tích âm Ở cực dương, hiđroxit các ion bị ôxy hóa thành ôxy và nước trong khi giải phóng các điện tử Nhìn chung, một phân tử nước phản ứng với hiđro và oxi theo tỉ lệ 2: 1
Overall reaction: H2O(l) H2(g) + 0.5 O2(g) (3) Điện áp tế bào cần thiết cho phản ứng điện hóa này có thể được xác định bằng nhiệt động lực học Entanpi tự do ∆RG của phản ứng trong (4) có thể được tính bằng entanpi phản ứng ∆RH, nhiệt độ T và entropi phản ứng ∆RS ∆RG = ∆RH − T ã ∆RS (4) Điện áp tế bào thuận nghịch Urev trong (5) được xác định bằng tỷ lệ entanpi phản ứng tự do ∆RG thành tích của số electron trao đổi z = 2 và hằng số Faraday F(96,485 C mol − 1 )
5 Ở nhiệt độ 25 ◦ C và áp suất môi trường là 1 bar (điều kiện tiêu chuẩn), phản ứng tự do entanpi cho phản ứng tách nước là ∆RG = 237 kJ mol − 1 , dẫn đến điện áp tế bào có thể đảo ngược của Urev = −1,23 V Khi phản ứng tự do entanpi dương ở điều kiện tiêu chuẩn, sự tách nước các quy trình là một phản ứng không tự phát Do không thể đảo ngược, điện áp tế bào thực tế cần phải cao hơn so với điện áp tế bào thuận nghịch cho phản ứng tách nước Điện áp nhiệt đẳng áp Uth trong phương trình (6) phụ thuộc vào entanpi của phản ứng ∆RH, được cấu tạo bởi entanpi phản ứng tự do ∆RG và tổn thất nhiệt khụng hồi phục T ã ∆RS
Uth = − ∆RH z ã F (6) Ở điều kiện tiêu chuẩn, entanpi phản ứng điện phân nước là ∆RH = 286 kJ mol − 1
Do đó, điện áp nhiệt đẳng áp là Uth = −1,48 V
Sơ đồ dòng chảy của quá trình điện phân nước kiềm được thể hiện trong (hình 1.1.1) Chất điện phân là được bơm qua ngăn điện phân, nơi các khí sản phẩm được tạo thành Trong khi đối lưu tự nhiên có thể là một giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí, độ phủ khí của bề mặt điện cực có thể nâng cao tế bào yêu cầu điện áp và do đó làm tăng chi phí hoạt động Ngoài ra, hầu hết các máy điện giải nước kiềm hệ thống cung cấp sự kiểm soát nhiệt độ cho chất điện phân để duy trì một phạm vi nhiệt độ tối ưu
Hình 1.1.1 Sơ đồ dòng chảy của máy điện phân nước kiềm Chất điện phân được bơm qua tế bào điện phân nơi diễn ra quá trình tiến hóa khí Bộ tách khí liền kề tách cả hai pha, và pha lỏng chảy trở lại ngăn điện phân Bộ trao đổi nhiệt đảm bảo rằng nhiệt độ tối ưu được duy trì và khí sản phẩm có thể được làm sạch sau đó
Hỗn hợp hai pha của chất điện phân lỏng và khí sản phẩm rời khỏi tế bào điện phân và đi vào các thiết bị tách khí tiếp theo Hầu hết, sự phân tách giai đoạn được thực hiện trong thời gian hợp lý và được đựng trong bình Khí sản phẩm được khử và làm khô trước khi được tinh chế đến mức mong muốn Chất lỏng chất điện phân ra khỏi thiết bị tách khí và được bơm trở lại ngăn xếp điện phân Khi sản phẩm khí hòa tan trong dung dịch chất điện ly, sự trộn lẫn của cả hai chu kỳ điện phân gây ra tổn thất và cao hơn tạp chất khí Một giải pháp thay thế có thể là sử dụng các chu kỳ điện phân được phân tách một phần với sự cân bằng đường cân bằng mực chất lỏng của cả hai bình Với các chu kỳ điện phân tách biệt, chất điện nồng độ sẽ tăng ở cực âm do tiêu thụ nước và giảm ở cực dương bên do sản xuất nước Do đó, thỉnh thoảng, chất điện phân đòi hỏi phải trộn để duy trì độ dẫn điện tối ưu
1.2.3 Thiết kế và điện áp tế bào
Thiết kế của ngăn điện phân phụ thuộc vào nhà sản xuất; tuy nhiên, có thể quan sát thấy có một số những điểm tương đồng Hai biến thể của thiết kế tế bào được thể hiện trong
(Hình 2.3) Kiềm trước đó máy điện phân nước sử dụng một hệ thống lắp ráp thông thường với khoảng cách xác định giữa cả hai điện cực Sau đó, khái niệm này được thay thế bằng cụm không khe hở, nơi các điện cực được ép trực tiếp vào bộ phân tách để giảm thiểu tổn thất ohmic do chất điện phân Vật liệu xốp như Zirfon ™ Perl UTP 500 (AG FA) hoặc màng trao đổi anion dày đặc có thể được sử dụng làm chất phân tách
Hình 1.1.2 Các thiết kế tế bào khác nhau cho quá trình điện phân nước kiềm Trong khi ( a ) hiển thị một quy ước lắp ráp có khoảng cách xác định giữa cả hai điện cực, ( b ) mô tả cụm không có khe hở trong đó các điện cực được ép trực tiếp lên thiết bị phân tách
Trong quá trình hoạt động, điện áp tế bào yêu cầu luôn cao hơn điện áp tế bào thuận nghịch do các hiệu ứng khác nhau Một cấu hình điện áp tế bào được tính toán được hiển thị trong (Hỡnh 1.1.3) Ngoài ohmic mất đi , I ã Rohm , cú quỏ ỏp kớch hoạt của cỏc điện cực, η hành động Điện trở ohmic của tế bào thiết kế bị ảnh hưởng bởi độ dẫn điện tử của vật liệu điện cực, độ dẫn điện riêng của chất điện phân, độ dẫn ion của vật liệu phân tách và hiệu ứng bong bóng khí
Hình 1.1.3 Điện áp tế bào được tính toán của máy điện phân nước kiềm trong khí quyển ở nhiệt độ của 60 ◦ C theo Công thức (8) Điện áp tổng thể của tế bào bao gồm điện áp tế bào cú thể đảo ngược U rev , tổn thất ohmic I ã R ohm và quỏ ỏp kớch hoạt η act
Thiết kế không có khe hở cố gắng loại bỏ sự thất thoát chất điện phân bằng cách giảm thiểu khoảng cách điện cực Giữa cả hai điện cực vẫn có một khoảng cách tối thiểu, điều này có thể làm tăng điện áp của tế bào Sự kích hoạt quá điện áp được xác định bởi vật liệu điện cực Trong khi niken là điện cực được sử dụng nhiều nhất vật chất, nó cung cấp quá điện áp rất cao cho các phản ứng tiến hóa oxy và hydro
Do đó, vật liệu xúc tác điện được thêm vào các điện cực Sắt là một chất xúc tác tiết kiệm chi phí cho phản ứng tiến hóa oxy Molypden làm giảm quá áp cho sự phát triển của hydro ở cực âm
Một số tác giả đã đề xuất các mối tương quan cho việc mô hình hóa điện thế tế bào Phương trình (7) xem xét nhiệt độ hoạt động và mật độ dòng điện j bằng cách mô tả các yếu tố phụ thuộc với thực nghiệm thông số Trong khi các thông số ri phản ánh tổn thất ohmic, s và t i đại diện cho quá điện áp kích hoạt của các phản ứng tiến hóa hydro và oxy
Mối tương quan này có thể được mở rộng với các tác động của áp suất vận hành p trong
(8) bằng cách thêm các thông số thực nghiệm d i , xác định các tổn thất bổ sung do vận hành
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 toán của quá trình điện phân nước để sản xuất HHO; lựa chọn vật liệu phù hợp và tối ưu để làm bình điện phân; xây dựng mô hình điều khiển, kiểm soát quá trình điện phân sản xuất HHO đáp ứng các chế độ làm việc của động cơ
- Cơ sở lý thuyết, tính toán các thông 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 mô hình động cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu kép xăng – HHO để giảm phát thải, đánh giá hiệu quả của mô hình bằng cách đo lượng khí thải động cơ tại trung tâm đăng kiểm
1.4 Đối tượng và khách thể 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
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
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
- Nghiên cứu lý thuyết và các tính toán: quá 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 soát lưu lượng khí HHO sinh ra và cung cấp cho động cơ
- Nghiên cứu mô 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
- Nghiên cứu, khảo sát về đặc tính cũng như hiệu suất của quá 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
1.8.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu lý thuyết, tính toán về quá trình điện phân
- Nghiên cứu lý thuyết, tính toán định lượng về quá trình cháy của động cơ cũng như lượng khí thải sinh ra khi có và không có phụ nhiên liệu HHO
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.
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.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết và các tính toán: quá 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 soát lưu lượng khí HHO sinh ra và cung cấp cho động cơ
- Nghiên cứu mô 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.
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu, khảo sát về đặc tính cũng như hiệu suất của quá 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
Phương pháp nghiên cứu
1.8.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu lý thuyết, tính toán về quá trình điện phân
- Nghiên cứu lý thuyết, tính toán định lượng về quá trình cháy của động cơ cũng như lượng khí thải sinh ra khi có và không có phụ nhiên liệu HHO
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
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khả năng ứng dụng
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 công bố rằng công nghệ ứng dụng nhiên liệu hydro có thể giảm ô nhiễm khí thải động cơ xăng Nhiên liệu hydro được quan tâm vì những đặc tính giảm ô nhiễm môi trường, có thể có nguồn nguyên 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 hòa 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 công nghệ sạch với chi phí thấp
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
Bảng 2.1 Tính chất của các nhiên liệu [25]
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 hòa khí có HHO, tỉ lệ hòa khí được tính theo công thức:
Trong đó: 𝑚̇a là khối lượng không 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 không khí/nhiên liệu lí tưởng của xăng; AFRHHOst là tỉ lệ không 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 không cần thêm một lượng oxy nào Do đó, AFRHHOst
=0, dẫn đến tỉ lệ hòa khí của hỗn hợp nhiên liệu kép HHO-xăng là:
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 hòa 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 còn cho khả năng giảm tiêu hao nhiên liệu khi thêm hydro vào xăng
- Tốc độ cháy của nhiên liệu hydro khá cao so với xăng (4,4 lần) giúp hỗn hợp cháy nhanh hơn khi có mặt hydro Việc quá trình cháy diễn ra nhanh chóng giúp giảm lượng nhiệt hao phí tổn thất qua thành xylanh, qua đó giúp tăng hiệu suất nhiệt đối với ứng dụng hydro thêm vào xăng Bên cạnh đó các đặc tính khác như: nhiệt trị cao, nhiệt độ cháy cao cũng góp phân tăng hiệu suất của động cơ
- Các tính chất về tốc độ cháy cao, khả năng cháy nghèo, nhiệt độ ngọn lửa cao có thể ảnh hưởng tích cực đến các thành phần khí thải như HC, CO, nhưng cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến phát thải NOx
- Bên cạnh các ưu điểm, các tính chất trên có khả năng ảnh hưởng tiêu cực đến kích nổ vì liên quan đến sự gia tăng nhiệt độ và áp suất buồng đốt cục bộ trên động cơ sử dụng nhiên liệu kép hydro-xăng vì tốc độ cháy của hydro và xăng không đồng đều Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về mặt này
Hai kiểu hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng được ứng dụng đó là: hệ thống nạp hydro sau cánh bướm ga trên động cơ sử dụng bộ chế hòa khí và hệ thống phun nhiên liệu hydro trên đường nạp
2.1.3 Điều chế hydro bằng phương pháp điện phân nước
Hydro được tạo ra từ quá trình điện phân nước, và được gọi là Hydroxy (HHO), nhiều nghiên cứu khác nhau được thực hiện về điện phân để sản xuất hydro như phương pháp điện phân kiềm, điện phân sử dụng màng trao đổi proton PEM và điện phân nước nhiệt độ cao, tuy nhiên chủ yếu tập trung vào điện phân kiềm với mô hình HHO sử dụng trên các phương tiện xe ô tô, xe máy - đây cũng là phương pháp sản xuất Hydroxy trong bài báo cáo này
Trong phương pháp điện phân dung dịch kiềm, nước được điện phân bởi nguồn điện một chiều với hai điện cực (hoặc các tấm điện cực, được làm từ các kim loại trơ như bạch kim, thép không gỉ…) đặt trong nước (môi trường H + với dung dịch thường là KOH) Khí H2 sẽ xuất hiện ở điện cực âm (do sự hút ion H + ở cực tích điện electron) và O2 sẽ xuất hiện ở cực dương (do sự hút ion O 2- ở cực tích điện proton) Giả sử hiệu quả là lý tưởng, số lượng hydro tạo ra sẽ gấp đôi lượng oxi, và cả hai đều tỷ lệ thuận với tổng lượng điện được thực hiện bởi dung dịch Tuy n hiên,
Cơ sở lý thuyết về định lượng nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ
trong nhiều tế bào cạnh tranh phản ứng phụ xảy ra, dẫn đến các sản phẩm khác nhau và ít hơn so với kết quả lý tưởng
Nước nguyên chất sẽ không bị điện phân do điện trở quá lớn (I=0) Do vậy, muốn điện phân nước cần hòa thêm các chất điện ly mạnh như muối tan, axit tan, bazơ mạnh,…KOH, (NaOH) là chất điện phân vì đây là một bazơ mạnh, dẫn điện tốt, dễ tan trong nước, hấp thụ tốt các ion H2 khi hòa tan trong nước và được ứng dụng nhiều trong công nghiệp sản xuất hidro Ion K + (Na + ) có tính khử mạnh nên đẩy nhanh quá trình khử tại catot Bản chất của dòng điện trong chất điện phân là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm theo chiều ngược điện trường
Khối lượng HHO thu được được tính theo công thức Faraday:
- m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)
- A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực
- n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận
- I: cường độ dòng điện trung bình của ắc quy (A)
- F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10 -19 6,022.10 23 ≈ 96500 C.mol -1 )
2.2 Cơ sở lý thuyết về định lượng nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ xăng
Lưu lượng khí nạp được tính theo phương pháp tốc độ tỉ trọng Trong phương pháp này, lưu lượng khối lượng khí nạp được xác định dựa trên các biến số áp suất và nhiệt độ của không khí, tốc độ động cơ và hiệu suất nạp:
Trong đó: D là dung tích xylanh; 𝜂 𝑣 là hiệu suất nạp; 𝑚̇ 𝑎 là lưu lượng khối lượng không khí; n là tốc độ động cơ; 𝑚̇ 𝐸𝐺𝑅 là lưu lượng khối lượng khí luân hồi; 𝑑 0 , 𝑝 0 , 𝑇 0 lần
27 lượt là mật độ, áp suất, nhiệt độ không khí tại điều kiện chuẩn; p, T, lần lược là áp suất, nhiệt độ không khí tại điều kiện thực tế Đối với hiệu suất nạp 𝜂 𝑣 = 1
Trong đó, ε là tỉ số nén của động cơ; áp suất khí nạp trước xupap nạp (Pk); nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk); áp suất cuối quá trình nạp (Pa); độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (ΔT); hệ số nạp thêm λ1; hệ số quét buồng cháy λ2; hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt; áp suất khí sót (Pr); chỉ số giãn nở đa biến trung bình (m)
Lượng nhiên liệu phun vào động cơ được tính toán thông qua tỉ lệ hòa khí AFR và chế độ hoạt động của động cơ:
𝑇 (𝐴𝐹𝑅) 𝑑𝑚 (2.7) Đối với động cơ không trang bị hệ thống luân hồi khí thải:
𝑇 (𝐴𝐹𝑅) 𝑑𝑚 (2.8) Đây là phương trình xác định lưu lượng nhiên liệu trên động cơ xăng truyền thống
2.2.2 Quá trình cháy trong động cơ Áp dụng Định luật nhiệt động học thứ nhất để khảo sát một lượng môi chất m đi qua hệ thống Hóa năng tỏa ra do quá trình cháy trong động cơ được tính theo biểu thức:
Trong đó: m: khối lượng môi chất, 𝑛 𝑖 là số mol của môi chất i trong một đơn vị khối lượng của môi chất công tác, ∆ℎ̃ 0
𝑓,𝑖 enthalpi hình thành của môi chất i trong môi trường
Công cực đại của động cơ có thể rút ra được thông qua áp dụng Định luật nhiệt động học thứ hai cho hệ thống hở như Hình 2.1 Nhiên liệu được xem là đồng nhất và gọi chung là môi chất m Xét lượng môi chất m đi qua hệ thống Hình 2.1 Định luật bảo toàn năng lượng cho ta:
Trong đó: ∆Wu: là công có ích truyền cho bên ngoài, ∆𝑊: công trao đổi quá trình cháy đẳng áp, ∆𝑄: nhiệt lượng trao đổi quá trình cháy đẳng áp, Q HV : Nhiệt trị của nhiên liệu
Hình 2.1 Hệ thống hở dùng để khảo sát động cơ đốt trong
Vì sự truyền nhiệt ∆Q chỉ xay ra đối với môi trường không khí ở nhiêt độ T A , định luật nhiệt động học thứ hai có thể viết:
Kết hợp (2.6) và (2.7) ta có:
Thông thường p 0 = p A và T D – T A Công cực đại nhận được khi p C = p A và T C = T A trong điều kiện đó:
Trong đó G = H - TS gọi là năng lượng tự do Gibbs và (∆𝐺) 𝑇 𝐴 𝑃 𝐴 , là độ tăng năng lương Gibbs trong phản ứng của hỗn hợp nhiên liệu không khí điều kiện nhiệt độ T A và áp suất p A Giá trị - (∆𝐺) 𝑇 𝐴 𝑃 𝐴 , η sẽ cực đại khi sự cháy diễn ra hoàn toàn
Hiệu suất của chu trình công tác được đánh giá bằng tỉ số giữa công thực tế nhận được và công cực đại (2.14), tỉ số này còn gọi là hiệu suất biến đổi thực tế:
Trong đó: 𝜂 𝑎 là hiệu suất của quá trình công tác ĐỘNG CƠ Khí xả
29 Đại lượng (∆𝐺) 𝑇 𝐴 𝑃 𝐴 đối với nhiên liệu thực tế rất khó xác định Thông thường chỉ có đại lượng (∆ℎ) 𝑇 𝐴 được xác định bằng cách đo đạc Trong các phản ứng trên đây, H2O ở dạng hơi Đối với các hydrocarbon thông thường ∆h°298 và ∆g°298 rất gần nhau vì ở
𝑇 Đối với loại nhiên liệu thực tế - ∆h°298 được đo trực tiếp và tính bằng tích số giữa nhiệt trị của nhiên liệu và khối lượng nhiên liệu được đốt cháy, nên có thể định nghĩa công riêng phần bởi biểu thức sau đây:
Trong đó: W c là công riêng phần (công tương ứng với lượng nhiên liệu m f ), h f là hiệu suất biến đổi nhiên liệu, m f là lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, Q LHV là nhiệt trị thấp của nhiên liệu Đối với các nhiên liệu hydrocarbon Δh°≈Δg° nên công riêng phần trong biến đổi nhiên liệu và công riêng phần trong biến đổi thực tế xấp xỉ bằng nhau.
Cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân
Trong điều kiện tiêu chuẩn (25 o C (298 0 K), 1bar), phản ứng tách nước được thực hiện như sau:
2O2 (k) Giả sử phản ứng trên là thuận nghịch và thực hiện trong điều kiện đẳng nhiệt, thì khi đó:
𝛥𝐺(𝑇) = 𝛥𝐻(𝑇) − 𝑇 𝛥𝑆(𝑇): nhiệt lượng (2.17) Trong đó: 𝛥𝐻(J/mol): là hệ số thay đổi enthanpi của phản ứng, 𝛥𝐻 có thể tăng lên đến 2250 0 C (phản ứng tách nước thu nhiệt) Độ biến thiên enthanpi chính là tổng năng lượng cần cung cấp cho hệ để phân ly nước thành hydro và oxi
𝑚𝑜𝑙) : sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs
Lượng điện đủ để điện phân 1mol nước ở điều kiện chuẩn:
Trong đó: E 0 là điện áp nhiệt động tiêu chuẩn (≈1,229V) Tuy nhiên, nó cũng có thể xác định bởi 1 điện áp điện phân khác, gọi là điện áp nhiệt đẳng áp (ETN ) – là điện áp cần thiết để quá trình điện phân nước xảy ra ở nhiệt độ không đổi, không trao đổi nhiệt:
𝑛𝐹 (2.19) Ở nhiệt độ nhỏ hơn 100 0 C, ETN(T) = ∆𝐻(𝑇)
2𝐹=1.48𝑉 Khi điện áp nhỏ hơn E 0 thì phản ứng điện phân sẽ không xảy ra vì không đủ năng lượng
Khi đặt một hiệu điện thế U chẳng hạn như E0 < U < ETN thì quá trình điện phân có thể xảy ra nhưng cần có nhiệt từ xung quanh Nếu không cung cấp nhiệt thì nhiệt độ của phân tử điện phân sẽ giảm Ở điện thế tế bào nhiệt hạch, phản ứng phân ly nước sẽ diễn ra ở nhiệt độ không đổi, không có sự trao đổi nhiệt đến môi trường xung quanh Ở điện áp cao hơn điện áp nhiệt điện, quá trình điện phân tỏa nhiệt và tỏa ra môi trường xung quanh
Các hàm 𝛥𝐻, T.𝛥𝑆, 𝛥𝐺 là các hàm nhiệt động lực học chính liên quan đến phản ứng tách nước Sự thay đổi đột ngột của 𝛥𝐻 và T.𝛥𝑆 là do sự hóa hơi của nước ở thể lỏng thành hơi
Hình 2.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của các thông số nhiệt động chính đối với quá trình điện phân nước
Thuật ngữ không thứ nguyên 𝜂TD được định nghĩa là tỷ số giữa sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs và sự thay đổi entanpi có thể được sử dụng để biểu thị phần năng lượng
31 điện cần thiết cho sự tách nước Vì cả 𝛥𝐺 (T) và 𝛥𝐻 (T) đều là hàm của nhiệt độ hoạt động, nên 𝜂TD cũng là hàm của nhiệt độ hoạt động:
Với ETN là điện áp cần thiết để quá trình điện phân xảy ra mà không cần quá trình truyền hay trao đổi nhiệt
E(T) là điện áp tối đa có thể dùng để điện phân nước mà không tỏa nhiệt
Như có thể thấy trong Hình 2.2, enthanpi của sự phân ly nước không thay đổi đáng kể theo nhiệt độ vận hành Ngược lại, sự thay đổi đáng kể của số hạng entropi dẫn đến giảm đáng kể năng lượng tự do Gibbs và điện áp điện phân tương ứng Do đó, η TD của điện năng cần thiết để tách nước cũng giảm theo nhiệt độ
Một biểu thức định lượng của điện áp nhiệt động cần thiết để tách nước thành hydro và oxy có thể được suy ra từ công thức Nernst chung E(T) là một hàm của nhiệt độ hoạt động, áp suất riêng phần của chất phản ứng (PO2, PH2) và hoạt độ nước (aH2O) trong chất điện phân:
2.3.1.2 Động học và hiệu suất Ở trạng thái cân bằng, phản ứng tách nước xảy ra với một tốc độ nhỏ vô hạn Để tách nước thành hydro và oxi, điện áp U đặt vào điện phân phải lớn hơn đáng kể so với điện áp nhiệt động E để cho mật độ dòng điện J đáng kể chạy qua tế bào điện phân
𝑈(𝑗) = 𝐸 + 𝜂 𝑐 (𝑗) + 𝜂 𝑎 (𝑗) + 𝐽𝑅 𝑒𝑙 (𝑗) (2.22) Trong quá trình điện phân, các điện trở chính đối với dòng điện là:
- Quá áp trong quá trình truyền điện tích giữa cực dương/chất điện phân (ηa) và giữa cực âm/chất điện phân (ηc)
- Điện trở suất của chất điện phân Rel
Trường hợp điện phân nước sử dụng chất điện li đậm đặc, các giá trị ηa và ηc sẽ được thể hiện qua phương trình Tafel: η = a + b + ln𝐼 (2.23)
𝛼.𝑛.𝐹 với α = 0,5 là hệ số electron được chuyển do phản ứng chuyển hóa, i0 là mật độ dòng điện trao đổi (A/m 2 )
Có thế thấy trên công thức (2.22), η giảm khi nhiệt độ tăng, do đó nhiệt độ hoạt động của phân tử điện phân tăng nên lượng điện tiêu thụ giảm do ∆𝐺 (ηTD) giảm và động học tổng thể được cải thiện Tuy nhiên, η tăng khi J tăng Hiệu suất entanpi 𝜂 𝛥𝐻 là:
Một đặc tính quan trọng khác của phân tử điện phân là hiệu suất dòng điện (faraday):
Thông thường, giá trị 𝜂 𝐹 ≈ 1, tuy nhiên giá trị thật sự thu được thấp hơn đáng kể vì:
- Tiêu thụ năng lượng được sử dụng để điện phân các tạp chất có trong chất điện phân;
- Sự tái hợp tự phát của các sản phẩm phản ứng không được tách ra một cách thích hợp trong quá trình vận hành;
- Tổn thất dòng điện trong quá trình điệm phân
2.3.1.3 Công nghệ chủ yếu trong điện phân nước
Có 2 thông số chính để tiến hành khảo sát điện phân nước là nhiệt độ (đã khảo sát ở mục 2.1.1) và độ pH của chất điện phân
- Đối với thông số nhiệt độ thì ta khảo sát ở 3 trường hợp: nhiệt độ thấp (T