Nghiên cứu ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức dung biogas + HHO

Hệ thống đánh lửa hiện đại yêu cầu phải điều chỉnh góc đánh lửa sớm thay đổi linh hoạt và phù hợp với tất cả các chế độ làm việc nhằm phát huy hết công suất và hiệu suất của động cơ.. Hi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÔN NGUYỄN THÀNH SANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC DÙNG BIOGAS – HHO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng - Năm 2020

DUT.LRCC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÔN NGUYỄN THÀNH SANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC DÙNG BIOGAS – HHO

Chuyên Ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã Số : 85.20.11.6

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS TRẦN THANH HẢI TÙNG

2 TS LÊ MINH TIẾN

Đà Nẵng - Năm 2020

DUT.LRCC

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Tôn Nguyễn Thành Sang

DUT.LRCC

Mã số : 85.20.11.6 Khóa: 36 Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng

Tóm tắt: Một hệ thống điều khiển điện tử được thiết lập để chuyển đổi một động cơ

truyền thống thành động cơ phun Biogas được làm giàu bằng hydroxy Bổ sung hydroxy vào khí sinh học giúp cải thiện hiệu suất động cơ, giảm phát thải CO nhưng dẫn đến tăng nồng độ NOx Khí sinh học được làm giàu bởi 30% hydroxy là phù hợp nhất giữa tăng hiệu suất động cơ và giảm phát thải ô nhiễm Phun dual biogas hydroxy tạo ra sự phân bố hợp lý H2 và CH4 trong buồng cháy giúp cải thiện hiệu quả quá trình cháy và giảm phát thải ô nhiễm Tăng hàm lượng hydroxy dẫn đến giảm góc đánh lửa sớm tối ưu và giảm phạm vi thay đổi của nó theo tốc độ động cơ

Từ khóa: Năng lượng tái tạo, Biogas, Hydroxy, Phun dual, Động cơ đánh lửa cưỡng

bức

RESEARCH EFFECTS OF EARLY IGNITION ANGLE TO THE

EFFICIENCY OF FIRE USE BIOGAS - HHO Abstract: An electronic control system is set up to convert a traditional engine into

hydroxy enriched biogas dual port injection engine Hydroxy addition into biogas improves the engine performance, reduces CO emission but leads to an increase of NOx concentration Biogas enriched by 30CA hydroxy is the best compromise between engine performance and pollution emissions The dual injection of hydroxy and biogas creates an advantageous distribution of H2 and CH4 in combustion chamber which improves combustion efficiency and reduce pollutants emission Increase of hydroxy content leads to an decrease of optimal advance ignition angle and reduce the range of its variation with engine speed

Keywords: Renewable energy, Biogas, Hydroxy, Dual port injection, SI engine

DUT.LRCC

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

MỞ ĐẦU 1

1.Lý do chọn đề tài 1

2.Mục tiêu nghiên cứu 1

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

5.Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 4

1.1.TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BIOGAS - HHO TRÊN ĐỘNG CƠ 4

1.1.1.Tình hình sản xuất và sử dụng Biogas trên động cơ 4

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng HHO 5

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN HIỆN NAY 7

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ……… 8

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 11

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA BIOGAS – HHO 12

2.1.1 Tính chất lý hóa của Biogas 12

2.1.2 Tính chất lý hóa của HHO 13

2.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY BIOGAS – HHO TRONG ĐỘNG CƠ… ………14

2.2.1 Diễn biến của quá trình cháy bình thường trong động cơ đánh lửa cưỡng bức 14

2.2.2 Đặc điểm quá trình cháy của Biogas – HHO trong động cơ 17

2.3.ẢNH HƯỞNG GÓC ĐÁNH LỬA SỚM TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 21

2.3.1 Góc đánh lửa sớm 21

DUT.LRCC

2.4.2 Điều khiển đánh lửa sớm bằng CDI: 28

2.4.3 Điều khiển góc đánh lửa sớm điều khiển điện tử 29

2.4.4 So sánh các phương án điều khiển góc đánh lửa sớm 30

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 32

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM 33

3.1.CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ HONDA GX200 33

3.1.1 Thông số kỹ thuật của động cơ nguyên thủy 33

3.1.2 Thông số kỹ thuật máy phát điện EP 4000CX………34

3.1.3 Đặc điểm hệ thống đánh lửa nguyên thủy trên động cơ Honda GX 200. 34

3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ PHUN BIOGAS - HHO 35

3.2.1 Yêu cầu của hệ thống đánh lửa cho động cơ Honda GX 200 35

3.2.2 Phương án thiết kế hệ thống đánh lửa cho động cơ Honda GX 200 35

3.2.3 Tính toán góc đánh lửa sớm 38

3.2.4 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm 41

3.3 QUI TRÌNH THÍ NGHIỆM 45

3.3.1.Mục đích thí nghiệm 45

3.3.2 Các thông số cần đo 45

3.3.3 Trang thiết bị thí nghiệm 46

3.3.4.Quy trình thí nghiệm 50

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 51

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ 52

4.1 Nghiên cứu mô phỏng 52

4.1.1 Ảnh hưởng của chế độ tải động cơ đến biến thiên công chỉ thị chu trình theo hàm lượng HHO pha vào biogas 52

4.1.2 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đồ thị công 53

4.1.3 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đồ thị công 54

DUT.LRCC

4.2.2 So sánh biến thiên công suất động cơ theo góc đánh lửa sớm cho bởi mô

phỏng và thực nghiệm 61

4.2.3 Thiết lập giản đồ đánh lửa động cơ 63

4.3 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA THIẾT KẾ 66

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 666

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 677

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐƯỢC CÔNG BỐ……….69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DUT.LRCC

hiệu

bảng

1.1 Nguồn động lực trong nông nghiệp nông thôn 7 2.1 Các tính chất và thành phần của Biogas `13 3.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ GX200 5,5HP 33 3.2 Đặc điểm của đồng hồ và dòng điện 47

3.4 Bảng thông số kỹ thuật thiết bị DG86 49 4.1 Đồ thị góc đánh lửa được điều chỉnh theo tải và tốc độ động

cơ

64

4.2 Bảng số liệu thu thập từ quá trình chạy thực nghiệm ở các chế

độ tải khác nhau khi chạy bằng Biogas + 20% HHO

65

DUT.LRCC

sớm

24

2.10 Quan hệ góc đánh lửa sớm và tỷ số nén 24 2.11 Quan hệ góc đánh lửa sớm và tải ở các số vòng quay khác

nhau

25

2.12 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm ly tâm 26 2.13 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm bằng chân không 27 2.14 Sơ đồ chung hệ thống đánh lửa CDI 28 2.15 Sơ đồ khối hệ thống đánh lửa điều khiển bằng điện tử 29 2.16 So sánh đặc tính điều chỉnh góc đánh lửa sớm kiểu cơ khí

và điện tử

31

2.17 Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng 31 3.1 Cấu tạo hệ thống đánh lửa nguyên thủy 34 3.2 Sơ đồ vị trí lắp đặt các cảm biến và hệ thống điều khiển 36

DUT.LRCC

cơ điều khiển điện tử

3.4 Cụm động cơ máy phát điện sau cải tạo 38 3.5 Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bô bin đơn 40

3.7 Điều khiển đánh lửa ở chế độ khởi động 41 3.8 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động cơ 43 3.9 Hiệu chỉnh góc đánh lửa ở chế độ cầm chừng 44

3.12 Thiết bị đo góc đánh lửa sớm DG86 49

4.1 Ảnh hưởng của chế độ tải động cơ đến biến thiên công

chỉ thị chu trình theo hàm lượng HHO pha vào biogas khi động cơ chạy ở tốc độ 3600 vòng/phút

52

4.2 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đồ thị công khi sử

dụng nhiên liệu biogas M7C3 pha 40% HHO(BG=0,

=1, s=20 )

53

4.3 Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến biến thiên công chỉ

thị chu trình theo tốc độ động cơ khi sử dụng nhiên liệu

biogas M7C3 pha 40% HHO (=1, s=20)

cắt dọc xy (a) và mặt cắt xy, xz, yz của buồng cháy (b) tại thời điểm 330TK và 340TK

4.7 Ảnh hưởng của hàm lượng HHO đến biến thiên nồng độ

NOx trong buồng cháy khi BG=50 (a); Ảnh hưởng của

hàm lượng HHO đến biến thiên nhiệt độ cháy (b); Ảnh

hưởng của chế độ tải động cơ đến biến thiên nồng độ

NOx theo hàm lượng HHO (c)

58

4.8 Ảnh hưởng của hệ số tương đương (a) và hàm lượng HHO (b)

đến biến thiên nồng độ CO trong buồng cháy theo góc quay

trục khuỷu (Biogas M7C3, n=3600 v/ph,  =1,  s=20  BG=0  )

59

4.9 Ảnh hưởng của chế độ tải động cơ đến biến thiên nồng độ

CO theo hàm lượng HHO pha vào nhiên liệu Biogas

M7C3 khi động cơ chạy ở tốc độ 3600 vòng/phút

60

4.10 So sánh công suất động cơ cho bởi mô phỏng và thực

nghiệm khi chạy bằng Biogas ở tốc độ 2400 vòng/phút

62

4.11 So sánh công suất động cơ cho bởi mô phỏng và thực

nghiệm khi chạy bằng Biogas+20% HHO ở tốc độ 2400

vòng/phút

63

DUT.LRCC

Qkt Nhiệt trị thấp của 1kg nhiên liệu J/kg

L0 Lượng không khí lý thuyết đốt kiệt 1kg nl

Ký hiệu Hy lạp

 Hệ số dư lượng không khí

v Hệ số nạp

i Hiệu suất chỉ thị

m Hiệu suất cơ giới

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những thập niên vừa qua ngành động cơ đốt trong có những bước phát triển vượt bậc về công nghệ, cùng với sự phát triển chung đó ngành điều khiển tự động được ứng dụng trên trên động cơ ngày càng nhiều Các hệ thống điều khiển động cơ bằng cơ khí trước đây dần được thay thế bởi các hệ thống điều khiển điện tử tự động, góp phần làm cho quá trình điều khiển động cơ ngày càng chính xác và hiệu quả hơn Trong đó những hệ thống đó, hệ thống đánh lửa

là một hệ thống đặc biệt quan trọng, ảnh hưởng lớn tới quá trình làm việc của những động cơ đánh lửa cưỡng bức Hệ thống đánh lửa hiện đại yêu cầu phải điều chỉnh góc đánh lửa sớm thay đổi linh hoạt và phù hợp với tất cả các chế độ làm việc nhằm phát huy hết công suất và hiệu suất của động cơ

Hiện nay, hầu hết các động cơ kéo máy phát điện cỡ nhỏ có công suất thấp, sử dụng nhiên liệu xăng được nhà sản xuất thiết kế hệ thống đánh lửa đơn giản, với góc đánh lửa cố định nhằm giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm nên động cơ chỉ hoạt động hiệu quả ở một vài chế độ nhất định Khi thực hiện việc cải tạo các động cơ này sang sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO , hệ thống đánh lửa nguyên thủy không còn phù hợp dẫn đến hiệu quả sử dụng và các tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ khi dùng nhiên liệu Biogas + HHO còn thấp

Vì vậy, với mong muốn điều khiển linh hoạt góc đánh lửa và nâng cao các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật trên các động cơ xăng kéo máy phát điện được chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO , học viên chọn đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng Biogas + HHO ”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống tự động điều khiển góc đánh lửa sớm cho động cơ kéo máy phát điện Honda EP4000CX sử dụng nhiên liệu xăng chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO

DUT.LRCC

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Động cơ xăng Honda GX200 gắn trên máy phát điện Honda EP4000CX

đã được chuyển đổi sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu xác định góc đánh lửa phù hợp với các mức tải khác nhau và thiết kế chế tạo hệ thống tự động điều chỉnh góc đánh lửa theo tải cho động cơ Honda GX200 sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1 Cách tiếp cận

Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin dựa trên các công trình đã công bố về các hệ thống đánh lửa trên động cơ hiện nay, thiết kế- chế tạo và thử nghiệm, phân tích số liệu, viết báo cáo, trình bày báo cáo

4.2 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu

và ứng dụng năng lượng thay thế - Đại học Đà Nẵng

5 Cấu trúc luận văn

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Nêu tổng quan về tình tình nghiên cứu hệ thống đánh lửa trên động cơ và động cơ sử dụng nhiên liệu khí, tổng quan tình hình sử dụng máy phát điện, tình hình sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO trên động cơ và nêu rõ lý do chọn đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cung cấp các thông tin cơ bản của Biogas + HHO , cơ sở của quá trình cháy, ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm, cơ sở điều chỉnh góc đánh lửa sớm, phương pháp điều chỉnh góc đánh lửa sớm Chuẩn bị các bước cần thiết cho việc tính toán thiết kế, chế tạo và thí nghiệm ở chương sau

DUT.LRCC

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Nghiên cứu đặc điểm của động cơ thí nghiệm Honda GX200, đưa ra phương án thiết kế hệ thống đánh lửa mới Thiết kế chế tạo hệ thống đánh lửa mới Lên kế hoạch thí nghiệm, các thiết bị cần thiết cho việc thu thập số liệu Đánh giá sơ bộ kết quả

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ

Phân tích các số liệu thu được từ thí nghiệm, nhận xét đánh giá kết quả và đưa ra kết luận

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BIOGAS - HHO TRÊN ĐỘNG CƠ

1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng Biogas trên động cơ

Biogas là khí sinh học (thành phần gồm: CH4, CO2, H2S…) thu được từ

sự phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí Việc sử dụng khí Biogas phát triển rất nhanh trên khắp thế giới và tại Việt Nam, điều này đem lại lợi ích về môi trường và kinh tế Lượng CO2 và các độc tố khác trong khí thải sẽ giảm đi đáng kể khi sử dụng biogas thay thế nhiên liệu hóa thạch

Từ khoảng hơn mười năm nay, việc sử dụng Biogas đã trở nên quen thuộc đối với người dân Việt Nam Tuy Biogas đã được phổ biến rộng rãi nhưng việc

sử dụng nó vẫn còn rất hạn chế, chủ yếu dùng để đun nấu Những ứng dụng ban đầu này cũng đã đem lại nhiều lợi ích về tiết kiệm năng lượng và môi trường Theo tính toán, một hầm Biogas tiết kiệm được khoảng 2,3 tấn củi đun, tương đương với 0,03 ha rừng mỗi năm Việc sử dụng bã thải sinh học góp phần làm tăng sản lượng cây trồng và rau xanh Riêng các công trình Biogas trong Chương trình Biogas Việt Nam - Hà Lan hiện nay đã góp phần giảm thiểu 107.000 tấn CO2, tiết kiệm 13.000 tấn than, gần 3.300 tấn dầu lửa và 208.022 bình gas loại 13kg mỗi năm, đáp ứng nhu cầu năng lượng cho 160.000 người chủ yếu ở vùng nông thôn nghèo khó

Nước ta có gần 80% dân số sống ở nông thôn Hoạt động sản xuất và sinh hoạt ở khu vực này đòi hỏi một nguồn năng lượng rất lớn Sự gia tăng giá xăng dầu và giá điện trong thời gian gần đây đã gây rất nhiều khó khăn đối với vùng nông thôn Nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng tại chỗ để phát điện nhằm giảm chi phí năng lượng đã trở nên rất bức xúc, đặc biệt ở những nơi sản xuất nông nghiệp tập trung, các trại chăn nuôi có sẵn hầm Biogas

Để thỏa mãn nhu cầu đa dạng của việc ứng dụng Biogas trên động cơ đốt trong, giải pháp công nghệ chuyển đổi động cơ truyền thống sang sử dụng Biogas cần thỏa mãn các điều kiện sau:

DUT.LRCC

- Mang tính vạn năng cao, nghĩa là nguyên lý của bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu có thể áp dụng cho hầu hết các động cơ đang được sử dụng phổ biến với phạm vi thay đổi công suất rất rộng

- Khi chuyển đổi động cơ sang chạy bằng Biogas, bản chất quá trình công tác và kết cấu của các hệ thống động cơ nguyên thủy không thay đổi, nghĩa là khi không chạy bằng Biogas, động cơ có thể sử dụng lại xăng, dầu như trước khi cải tạo

- Các bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu cho động cơ sang chạy bằng Biogas phải có độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện sử dụng ở vùng nông thôn

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng HHO

HHO thường được sản xuất theo nhu cầu sử dụng tại chỗ, không lưu trữ Đối với động cơ đốt trong, HHO được sản xuất từ bình điện phân, cung cấp bổ sung trực tiếp vào đường nạp cùng với các loại nhiên liệu khác HHO được sản xuất khi động cơ chạy và dừng khi động cơ tắt Thiết bị sản xuất HHO nhỏ gọn,có thể bố trí tích hợp trên phương tiện giao thông cơ giới

HHO được điều chế từ quá trình điện phân nước, gồm H2 và O2 theo tỉ lệ 2:1 Hydrogen có nhiệt trị 120 MJ/kg, cao hơn xăng, dầu, CNG Trong điều kiện

áp suất khí trời và =1, HHO cháy khi nhiệt độ đạt 570°C Năng lượng cần thiết

để đánh lửa hỗn hợp này là 20 µJ Quá trình cháy xảy ra khi hàm lượng thể tích hydrogen trong hỗn hợp HHO nằm trong khoảng 4% - 95% Khi cháy, lượng nhiệt sinh ra là 241.8 kJ đối với 1 mole HHO Lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc và kiểu tổ chức quá trình cháy

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm cải thiện hiệu quả sản xuất và chất lượng khí HHO như thay đổi điện cực, chất điện phân, chất lượng nước, điều chỉnh dòng điện cung cấp cho thiết bị sản xuất HHO Thiết bị sản xuất HHO đấu trực tiếp vào nguồn điện, không có bộ điều chỉnh công suất có thể làm cho nhiệt độ của dung dịch lên đến 90°C Điều này có thể làm nóng chảy các chi

DUT.LRCC

tiết nhựa của thiết bị Mặt khác, khi nhiệt độ gia tăng, chất lượng khí HHO giảm

do có lẫn hơi nước Điều kiện nhiệt độ tốt nhất để sản xuất HHO là thấp hơn 70°C Sử dụng bộ cung cấp điện điều chỉnh xung (Pulse width modulation, pwm) có thể điều chỉnh công suất điện cung cấp cho bình điện phân HHO để nâng cao chất lượng khí Có thể điều chỉnh các thông số của bộ pwm để giữ cho nhiệt độ của bình điện phân HHO dưới 60°C

Chất điện phân sử dụng trong hệ thống là nước cất Để tăng hiệu quả sản sinh HHO, người ta pha vào nước chất xúc tác Chất xúc tác hoạt động như chất tạo ion và làm tăng độ dẫn điện trong bình điện phân Thông thường người ta dùng KOH, NaOH, NaCl, NaHCO, H2SO4, CH3CO2H, Na2SO4 Chất xúc tác tốt

là chất ít bị thay đổi trong quá trình điện phân Điều này có nghĩa là chất xúc tác giúp cho phản ứng diễn ra nhanh nhưng không tham dự vào phản ứng Thực nghiệm cho thấy KOH và NaOH là những chất xúc tác tốt nhất dùng cho bình điện phân nước KOH hiệu quả cao hơn NaOH và trong quá trình hoạt động KOH (pottassium hydroxide) có ưu điểm là giữ điện cực sạch, sản xuất HHO tinh khiết từ 95-100% Chất này có nhược điểm là ít thông dụng và dễ gây nguy hiểm khi sử dụng Chất điện phân khác cũng thường được dùng là NaOH cũng

có những ưu điểm như KOH nhưng gây ăn mòn điện cực Chất này cần được bảo quản kín để tránh hấp thụ carbon Hiệu suất điện phân tăng khi sử dụng nước tinh khiết Khi nước có chưa tạp chất thì các tạp chất này sẽ bám vào các điện cực có màu nâu, đen hay xanh cản trở hoạt động của điện cực Nồng độ chất điện phân trong nước vừa phải giúp gia tốc phản ứng tách nước thành H2 và

O2, giảm năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân Tuy nhiên khi nồng độ chất điện phân quá cao thì năng lượng cần thiết để sản sinh HHO gia tăng do mật độ chất điện phân bão hòa, ngăn cản sự dịch chuyển của các ion

Điện cực và bản cực trung gian thường làm bằng thép mạ kẽm/nhôm hay thép không rỉ Tốc độ ăn mòn của nhôm với KOH là 261,92 mpy (mile per year) đối với 1M KOH và đối với thép không rỉ là 1,882 mpy với cùng nồng độ KOH Hiệu quả điện phân có thể tăng khi bố trí bổ sung một điện cực ở giữa bình so

DUT.LRCC

với khi bố trí 2 điện cực ở hai đầu bình Điện cực của bình điện phân phù hợp được làm bằng thép không rỉ 316-L Điện cực âm có thể dùng thép không rỉ 302,

304 (điện thế tối thiểu) nhưng điện cực dương chủ yếu bằng thép không rỉ 316

-L Thông thường điện cực âm và điện cực dương làm bằng cùng vật liệu

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN HIỆN NAY

Nước ta là một nước nông nghiệp, năm 2017 sản phẩm nông nghiệp đạt 10% GDP, Theo số liệu ước tính của Tổng cục Thống kê, giá trị sản xuất toàn ngành nông nghiệp năm 2017 tăng 3,16% so với năm 2016, trong đó, trồng trọt tăng 2,23%, chăn nuôi tăng 2,16%, lâm nghiệp tăng 5,17% và thủy sản tăng 5,89% GDP nông lâm thủy sản tăng 2,9% (so với mức 2,95% năm 2013; 3,9% năm 2014; 2,6% của năm 2015 và 1,44% năm 2016)[1] tuy nhiên các ngành dịch vụ, công nghiệp cũng vì thế phát triển dựa theo sản phẩm nông nghiệp

Vì vậy trong chiến lược phát triển kinh tế nhằm đẩy nhanh mục tiêu công nghiệp hoá, hiện đại hóa đất nước, việc phát triển nền sản xuất nông nghiệp theo hướng hiện đại là một mục tiêu và yêu cầu cấp thiết

Để phát triển nhanh nền kinh tế nông nghiệp, việc tăng tỉ lệ cơ giới hoá là một trong những nhiệm vụ quan trọng, và để tăng tỉ lệ cơ giới hoá thì việc sử dụng động cơ đốt trong cũng chiếm một phần rất lớn

Theo thống kê của tổng cục Thống kê tính đến năm 2017 thì số lượng máy móc phục vụ cho quá trình cơ giới hóa trong nông nghiệp và nông thôn đã và đang tăng lên đáng kể so với năm 2007 (Bảng 1.1)

Năm Số lượng

Máy kéo, máy cày lớn 35

HP

Máy kéo, máy cày trung 12-35HP

Máy kéo, máy cày nhỏ dưới 12HP

Động cơ, máy phát điện

Phương tiện vận chuyển trên đường bộ

Phương tiện vận chuyển trên đường thủy

2017 Cái 32700 207112 275131 776261 202664 153790

2007 Cái 24380 105180 266098 600000 70289 95.735

DUT.LRCC

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ [2][3]

Động cơ đốt trong được cấu thành từ rất nhiều chi tiết, bộ phận Mỗi cụm chi tiết, bộ phận có kết cấu và nhiệm vụ riêng, nhưng giữa chúng có sự gắn kết chặt chẽ và phối hợp làm việc nhịp nhàng để cuối cùng biến nhiệt năng thành cơ năng Để động cơ sinh công tốt, hiệu quả thì quá trình cháy diễn ra ở cuối kì nén phải diễn ra một cách hoàn thiện Quá trình cháy chỉ diễn ra hoàn thiện khi có

sự hòa trộn tốt của hỗn hợp không khí và nhiên liệu đồng thời hệ thống đánh lửa lúc này cần phải tạo ra một tia lửa điện có năng lượng đủ lớn, đánh lửa đúng thời điểm, tương ứng với trình tự làm việc các xilanh và các chế độ làm việc khác nhau của động cơ

Hình 1.1 Hệ thống đánh lửa cơ khí

Trong những năm trước thập kỷ 70 hầu hết các động cơ đều sử dụng hệ thống đánh lửa điều khiển tiếp điểm bằng cơ khí ( hình 1.1 ) Hệ thống này bước đầu đã đáp ứng được việc tạo tia lửa đốt cháy nhiên liệu đúng thời điểm tương ứng với thứ tự làm việc của các xilanh Nhưng nó vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như: không đảm bảo tuổi thọ dài lâu, không ổn định trong quá trình làm việc do các tiếp điểm bị cháy rỗ, do đó làm thay đổi năng lượng và thời điểm đánh lửa dẫn đến quá trình cháy diễn ra không hoàn toàn trong động cơ

DUT.LRCC

Hình 1.2 Hệ thống đánh lửa bán dẫn không có tiếp điểm

Cùng với sự phát triển về mặt kỹ thuật trong các ngành công nghiệp điện

tử, các nhà sản xuất đã nghiên cứu và cho ra đời hệ thống đánh lửa điện tử với hai kiểu đặc trưng là: Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn có tiếp điểm và hệ thống đánh lửa bán dẫn không có tiếp điểm điều khiển ( hình 1.2 ) Hệ thống đánh lửa kiểu điện tử ra đời đã khắc phục được hầu hết các nhược điểm của hệ thống đánh lửa thường

Trong những năm cuối của thế kỷ XX, các nhà sản xuất đã nghiên cứu thử nghiệm và cho ra đời hệ thống đánh lửa điều khiển bằng chương trình có dùng

bộ chia điện và không dùng bộ chia điện Đặc biệt với sự ra đời của hệ thống đánh lửa trực tiếp ( hình 1.3 ) cùng với những ưu điểm vượt trội của nó đã góp phần nâng cao các tính năng kinh tế, kỹ thuật cho động cơ đồng thời góp phần giảm nồng độ khí xả gây ô nhiễm môi trường Các hệ thống đánh lửa này được điều khiển với một chương trình đã được tính toán, thử nghiệm cài đặt từ trước trên ECU ( Electronic Control Unit ) Do đó việc điều chỉnh tia lửa điện gần như chính xác với mọi điều kiện và chế độ làm việc của động cơ

DUT.LRCC

Hình 1.3 Hệ thống đánh lửa trực tiếp

Như vậy ứng dụng tự động hóa vào quá trình điều khiển hoạt động của hệ thống đánh lửa và điều chỉnh góc đánh lửa sớm trên các động cơ nhờ sự hỗ trợ của bộ điều khiển điện tử sẽ giúp quá trình thay đổi góc đánh lửa linh hoạt, chính xác đảm bảo công suất và hiệu suất động cơ tối ưu ở tất cả các chế độ làm việc

Ở nước ta, việc nghiên ứng dụng nhiên liệu thay thế trên động cơ đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ các động cơ xăng đã được thực hiện trong nhiều công trình của GS-TSKH Bùi Văn Ga, các luận án tiến sĩ và luận văn cao học Quá trình nghiên cứu cũng đã chỉ ra được những ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến hoạt động của động cơ và sự cần thiết phải thay đổi góc đánh lửa khi thực hiện chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng Biogas – HHO [5].Tuy nhiên đến nay các công trình nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho nhiên liệu Biogas - HHO vẫn còn hạn chế Đặc biệt đối với những động cơ cỡ nhỏ với công suất thấp, ảnh hưởng của góc đánh lửa không đáng kể, nhà suất xuất thiết kế hệ thống đánh lửa không có khả năng điều chỉnh và góc đánh lửa sơm tối ưu được lựa chọn tại những vùng công suất thường xuyên làm việc của động cơ nhằm cắt giảm chi phí và hạ giá thành sản phẩm, dẫn đến khi chuyển

DUT.LRCC

đổi sang sử dụng nhiên liệu Biogas - HHO động cơ làm việc không được tối ưu

Do đó khi đưa vào áp dụng thực tế thì các tính năng kinh tế, kỹ thuật của động

cơ chuyển đổi sử dụng Biogas - HHO chưa cao dẫn đến khó triển khai ứng dụng rộng rãi

Về mặt cấu tạo và nguyên lý hoạt động, cơ bản hệ thống đánh lửa cho động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas - HHO không khác nhiều so với hệ thống đánh lửa trên động cơ xăng Tuy nhiên, do khác nhau về bản chất nhiên liệu và diễn biến quá trình cháy nên ngoài những yêu cầu về sự cần thiết phải thay đổi góc đánh lửa sớm, hệ thống đánh lửa cho nhiên liệu Biogas - HHO yêu cầu điện

áp và năng lượng lượng đánh lửa cao hơn so với nhiên liệu xăng, loại bugi cũng được thiết kế có dải nhiệt hoạt động cao, điện cực được làm bằng các vật liệu tốt

để đảm bảo tia lửa đốt cháy hỗn hợp trong mọi điều kiện làm việc của động cơ

Vì vậy cần phải thiết kế hệ một thống đánh lửa phù hợp cho động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas - HHO với giá thành thấp, chủ động trong quá trình chuyển đổi, phát huy tính ưu việt của Biogas - HHO và nâng cao khả năng làm việc của động cơ

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Biogas - HHO với nhiều ưu điểm nổi bật, được nghiên cứu ứng dụng trên

động cơ kéo máy phát điện thay thế cho nguồn nhiên liệu truyền thống đang cạn kiệt không những giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu, mà còn giúp chủ động được nhu cầu điện năng đang ngày càng tăng Tuy nhiên những nghiên cứu trong nước chỉ mới dừng lại ở việc hoàn thiện hệ thống cung cấp, các nghiên cứu về hệ thống đánh lửa cho động cơ Biogas – HHO vẫn còn

hạn chế nên việc nghiên cứu đánh giá Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng Biogas – HHO để nâng cao các

tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ và góp phần đưa Biogas – HHO vào sử dụng rộng rãi trên động cơ máy phát điện là rất cần thiết

DUT.LRCC

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 1 đã có đánh giá tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng hệ thống đánh lửa trên động cơ sử dụng Biogas - HHO và những tồn tại trong quá trình nghiên cứu Chương 2 sẽ trình bày những cơ sở lý thuyết cho việc cải tiến thay thế hệ thống đánh lửa của động cơ dùng xăng khi chuyển sang dùng Bioggas – HHO

2.1 TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA BIOGAS – HHO

2.1.1 Tính chất lý hóa của Biogas

Biogas là một dạng năng lượng khí, đây là công nghệ dễ tiếp cận với vốn đầu tư ít Ưu điểm của nguồn năng lượng này là việc nó thay thế được các nguồn năng lượng khác nhau như: Than, củi, điện, nhiên liệu khí hoá lỏng và dầu.vv… Sau khi phân động vật được phân huỷ thì nó cho chất lưỡng hữu cơ giàu chất dinh dưỡng và không có mùi được sử dụng để cải thiện đất nông nghiệp tốt hơn phân bón tươi Bên cạnh đó ngăn ngừa nạn chặt phá rừng bảo vệ môi trường Chính vì vậy hiện nay, Biogas được sử dụng rộng rãi từ các trang trại nhỏ đến các trang trại lớn

Biogas từ các nguồn khác nhau thì có chất lượng tương đối khác nhau và phụ thuộc vào một số yếu tố nhất định Thành phần của Biogas phụ thuộc vào loại chất thải bị phân huỷ, độ dài của thời gian lưu trong chất thải trải qua quá trình phân huỷ

Biogas sinh ra từ quá trình phân huỷ kỵ khí là hỗn hợp của nhiều loại khí Hỗn hợp này thông thường bao gồm 60-70% CH4, 30-40% CO2, và ít hơn 1% hydrogen sulfide (H2S) Hàm lượng H2S nói chung vào khoảng từ 100 đến 2000 ppm Thỉnh thoảng cũng gặp trường hợp nhỏ hơn 2 ppm và cao hơn 8000 ppm Lượng vết nitrogen (đến 10%), hydrogen (đến 5%), oxygen, và các thành phần khác cũng có thể có mặt với nồng độ khác nhau

DUT.LRCC

Tuy nhiên, do hàm lượng của chúng quá nhỏ, nên chúng rất khó phát hiện

và thường chẳng quan trọng Biogas sau khi qua lọc thì thành phần gồm 70-90% CH4, 9-29% CO2

Khối lượng riêng 0.66kg/m3 1.82kg/m3

Nhiệt độ nguy hiểm 116.0 0F (=64.440C) 88.0 0F(=48.890C)

Áp suất nguy hiểm 45.8 at 72.97at

Nhiệt dung Cp (1atm) 6.962.10-4 J/ kg-0C

 Nhiệt trị của nhiên liệu Biogas:

Mêtan tinh khiết có nhiệt trị thấp khoảng (8115.2 Kcal/m3) Do Biogas chứa khoảng 70-90% mêtan nên nhiệt trị của Biogas nằm trong khoảng 5480 Kcal/m3 Trong luận văn này, thành phần của Biogas sau khi lọc qua NaOH là chứa 80% khí mêtan

2.1.2 Tính chất lý hóa của HHO

HHO (oxyhydrogen) là sản phẩm của quá trình điện phân nước, thành phần chính của HHO là khí hydro H2 và khí oxy O2

Quá trình điện phân: 2 H2O → 2 H2 + O2

DUT.LRCC

Quá trình cháy: 2 H2 + O2 → 2 H2O Oxyhydrogen có phạm vi dễ cháy hơn so với tất cả các nhiên liệu khác

Do đó, hydro có thể được đốt trong động cơ trên phạm vi rộng hỗn hợp nhiên liệu không khí Vì vậy, HHO đảm bảo đánh lửa nhanh chóng Ngoài ra, người ta

đã quan sát thấy rằng phương tiện chạy bằng HHO có mức tiêu thụ nhiên liệu thấp và thải ra ít khí nhà kính

2.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY BIOGAS – HHO TRONG ĐỘNG

Dựa vào đặc trưng biến thiên áp suất trên đồ thị p-v, người ta chia quá trình cháy của động cơ cháy cưỡng bức thành ba thời kì(hình 2.1)

Hình 2.1 Quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức

I- Cháy trễ, II- Cháy nhanh, III- Cháy rớt 1- Đánh lửa, 2- Hình thành màng lửa trung tâm, 3- Áp suất lớn nhất pz

DUT.LRCC

a Thời kì cháy trễ I (từ điểm 1 đến điểm 2, hình 2.1)

Tính từ lúc đánh lửa đến khi áp suất p tăng đột ngột Trong thời kì này áp suất trong xi lanh thay đổi tương tự như trường hợp không đánh lửa, phân tích các bức ảnh chụp buồng cháy cũng thấy được tính từ lúc bắt đầu đánh lửa, qua một thời gian ngắn đến lúc xuất hiện nguồn lửa được gọi là màng lửa trung tâm Thời điểm xuất hiện màng lửa trung tâm không nhất thiết trùng với thời điểm tăng đột ngột của áp suất p Thông thường màng lửa trung tâm xuất hiện trước một chút so với thời điểm tăng đột ngột của p

Hình 2.2 Ảnh chụp sự hình thành màng lửa trong buồng cháy[1]

Phân tích thời kỳ cháy trễ thấy rằng, sau khi bugi bật tia lửa điện hòa khí trong xilanh không cháy ngay mà thực hiện một loạt phản ứng sơ bộ tạo nên sản vật trung gian v.v…Trong thời kỳ này nhiệt lượng nhả ra của sản vật rất nhỏ, vì vậy không thấy rõ sự khác biệt của nhiệt độ và áp suất so với trường hợp không đánh lửa

Thời kỳ cháy trễ dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố : tính chất, trạng thái (áp suất, nhiệt độ) của hòa khí trước khi đánh lửa, năng lượng đánh lửa v.v…

DUT.LRCC

b Thời kì cháy nhanh II

Được tính từ điểm 2 đến điểm 3, hình 2.1 (điểm có áp suất cực đại) Thời kì này cũng tương ứng với thời kì lan truyền của màng lửa tính từ lúc xuất hiện màng lửa trung tâm tới khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy Màng lửa của động

cơ châm cháy cưỡng bức hầu hết là màng lửa chảy rối Trong thời kỳ này màng lửa được lan truyền với tốc độ tăng dần, hòa khí trong xilanh có phản ứng oxy hóa ngày một mãnh liệt và nhả ra một lượng số nhiệt lượng lớn, trong khi đó dung tích xilanh thay đổi ít làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất tăng nhanh

Nhìn từ khía cạnh nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình thì thời gian cháy càng nhanh càng tốt Muốn rút ngắn thời gian cháy cần phải nâng cao tốc độ cháy, làm cho áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại xuất hiện tại vị trí gần ĐCT, khiến số nhiệt lượng nhả ra được lợi dụng đầy đủ, làm tăng công suất và hiệu suất động cơ

DUT.LRCC

c Thời kì cháy rớt III

Được tính từ điểm 3 (điểm áp suất cực đại) trở đi, mặc dù cuối thời kỳ II màng lửa đã lan khắp buồng cháy, nhưng do hòa khí phân bố không thật điều, điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vưc trong buồng cháy không hoàn toàn giống nhau, nên có nhưng khu vực nhiên liệu chưa cháy hết Trong quá trình giãn nở, do điều kiện hoà trộn thay đổi sẽ làm cho số nhiên liệu chưa cháy được hòa trộn và bốc cháy tiếp tạo nên thời kì cháy rớt Trong thời kỳ này nhiệt lượng tỏa ra tương đối ít, dung tích động cơ lại tăng nhanh nên áp suất trong xilanh sẽ giảm dần theo góc quay trục khuỷu Thời kỳ cháy rớt dài hay ngắn tùy thuộc vào lượng hòa khí cháy rớt, nhìn chung đều mong muốn rút ngắn thời kỳ cháy rớt

2.2.2 Đặc điểm quá trình cháy của Biogas – HHO trong động cơ

Nhiều nghiên cứu ứng dụng biogas trên động cơ đốt trong để phát điện và kéo máy công tác ở nông thôn nhưng chưa thành công như mong đợi Nguyên nhân chính là động cơ khó giữ ổn định khi chất lượng nhiên liệu hay chế độ công tác của động cơ thay đổi Vì thế để có thể ứng dụng rộng rãi biogas trên động cơ đốt trong chúng ta cần nghiên cứu thay đổi căn bản về tính chất nhiên liệu và công nghệ cung cấp biogas

Về tính chất nhiên liệu, biogas có nhược điểm là chứa CO2 Tạp chất này ảnh hưởng đến nhiệt trị của nhiên liệu và tốc độ cháy cơ bản của hỗn hợp biogas-không khí Vì thế để cải thiện tính chất của nhiên liệu thì phải thay đổi thành phần biogas để nâng cao tốc độ cháy Điều này có thể thực hiện bằng cách lọc bỏ CO2 Về mặt nguyên lý, việc loại bỏ CO2 ra khỏi biogas không phức tạp nhưng việc ứng dụng trong thực tiễn gây nhiều phiền phức và tốn kém vì thế giải pháp này không phù hợp với những ứng dụng công suất nhỏ Giải pháp thứ hai là pha vào biogas một loại nhiên liệu có tính năng cháy cao để cải thiện tốc

độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu Hydrogen hay hydroxy (hỗn hợp của H2 và O2)

là nhiên liệu phụ gia có nhiều lợi thế vì tốc độ cháy của H2 gấp 3 lần tốc độ cháy của CH4

DUT.LRCC

Hydrogen và hydroxy đều có thể sản xuất bằng phương pháp điện phân nước Chúng là nhiên liệu tái tạo vì có thể sử dụng điện mặt trời để điện phân Sản phẩn cháy chính của chúng là hơi nước Sự khác biệt trong sản xuất hydrogen so với hydroxy là phải dùng màng ngăn để tách riêng oxygen vì thế công nghệ phức tạp và tốn kém, không phù hợp với ứng dụng nhỏ Công nghệ sản xuất hydroxy đơn giản hơn nhiều nhưng để đảm bảo an toàn, hydroxy chỉ sản xuất theo yêu cầu sử dụng của động cơ, không được lưu trữ

Hiệu quả của việc sử dụng biogas được làm giàu bởi hydroxy đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới công bố (Musmar and Ammar, 2011, Sharma

et al (2015), Subramanian and Ismail, 2018) and it attracted the interest of numerous researchers in around the word (Ammar and Musmar, 2018; Ma and Wang, 2008), (Arjun et al., 2019)

Việc làm giàu biogas bằng HHO không phải chỉ có lợi về mặt năng lượng

mà điều quan trọng hơn là nó giúp cải thiện chất lượng quá trình cháy Một lượng nhỏ HHO pha vào biogas thì năng lượng do nó đem lại không nhiều nhưng nó làm gia tăng tốc độ cháy, nhờ vậy làm gia tăng hiệu suất nhiệt của động cơ (Changwei and Wang, 2010; Rajasekaran et al 2015) Nhờ gia tăng tốc

độ cháy, hỗn hợp nhiên liệu cháy kiệt hơn nên mức độ phát thải CO, HC của động cơ giảm Babariya et al (2015) Musmar et al (2011), Mohamed et al (2016), Sharma et al (2015), Leelakrishnan et al (2013), (Arjun et al 2019), Rimkus et al (2018)

Bên cạnh gai tăng hiệu suất nhiệt, giảm phát thải CO, HC, một số tác giả còn nhận thấy phát thải NOx cũng giảm khi làm giàu biogas bằng HHO Ammar (2010), Mohamed et al (2016) and Sharma et al (2015) Tuy nhiên nhận xét này không được sự đồng thuận của một số tác giả khác Patel et al (2016), Kale et

al (2016) cho rằng nồng độ NOx tăng khi pha HHO và biogas

a Đặc tính màng lửa của hòa khí đồng nhất [9]

Giả thiết được đặt ra là quá trình cháy hỗn hợp hòa khí đồng nhất và được giải quyết các thông số quá trình cháy theo mô hình 2 khu vực Màng lửa chiếm

DUT.LRCC

một dung tích rất nhỏ, đó là khu vực đang thực hiện phản ứng nhả nhiệt rất mãnh liệt Tốc độ phản ứng sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ cháy T với tỉ lệ eT Màng lửa cũng là khu vực ngăn cách giữa sản vật cháy và hòa khí, chiều dày rất mỏng

so với toàn bộ thể tích buồng cháy

b Lan truyền màng lửa chảy rối [9]

Khi hòa khí chảy tầng chuyển sang chảy rối thì lan truyền màng lửa chảy tầng sẽ chuyển sang chảy rối Tốc độ của màng lửa chảy rối nhanh hơn và dày hơn so với chảy tầng Trong dòng chảy rối, do hoạt động của tốc độ dòng chảy làm biến dạng bề mặt ngọn lửa Quy mô chảy rối khác nhau sẽ làm cho bề mặt màng lửa biên dạng khác nhau Dựa vào mối quan hệ giữa l và  người ta chia màng lửa chảy rối thành hai loại: loại quy mô lớn và loại quy mô nhỏ

Loại quy mô nhỏ: l <  trong trường hợp này, quy mô ngọn lửa chảy rối không gây ảnh hưởng nhiều bề mặt màng lửa Dạng màng lửa vẫn tương tự như màng lửa chảy tầng, nhưng trao đổi nhiệt và phân tử hoạt tính giữa màng lửa và lớp hòa khí lân cận không chỉ dựa vào vận động phân tử, mà chủ yếu cho tốc độ truyền nhiệt và truyền phân tử hoạt tính đến lớp hòa khí lân cận được tăng lên đột ngột Nói chung nó làm tăng tốc độ lên 10 lần

Loại màng lửa quy mô lớn: l >  trong trường hợp này màng lửa bị uốn cong và trở nên mấp mô làm tăng diện tích Càng tăng quy mô chảy rối, chuyển động mạch động của các khối khí nhỏ có thể làm đứt mặt mấp mô của màng lửa tạo ra nhiều khối hòa khí phân tán làm tăng diện tích và tốc độ cháy, đó là trường hợp thường gặp trong kỹ thuật

c Hiện tượng cháy kích nổ[9]

Cháy kích nổ là hiện tượng cháy bất thường trong buồng cháy động cơ Sau khi bật tia lửa điện và hình thành màng lửa thì màng lửa bắt dầu lan truyền Trong quá trình lan truyền, áp suất và nhiệt độ phần hòa khí phía trước màng lửa được tăng lên liên tục do bức xạ nhiệt và do bị chèn ép bởi kết quả nhả nhiệt của

DUT.LRCC

phần hòa khí đã cháy gây ra, làm gia tăng phản ứng hóa học tại khu vực phía trước màng lửa

Hình 2.4 Các trung tâm tự cháy xuất hiện trước màng lửa [1]

Càng ở xa màng lửa trung tâm, phản ứng phía trước màng lửa của hòa khí càng mãnh liệt Nếu màng lửa lan tới kịp thời đốt cháy số hòa khí này thì đó là hiện tượng cháy bình thường Nếu số hòa khí trên tự phát hỏa bốc cháy khi màng lửa chưa lan tới sẽ tạo màng lửa mới Do quá trình chuẩn bị hóa học tạo bởi những phản ứng phía trước màng lửa đã chín muồi, nên màng lửa mới sẽ lan truyền với tốc độ lớn Tốc độ lan truyền của màng lửa mới đạt tới 1500÷2000 m/s, làm cho hòa khí chưa cháy được bốc cháy với tốc độ cực lớn Hiện tượng bốc cháy kể trên mang tính nổ phá Do bốc cháy nhanh, dung tích hòa khí không kịp giãn nỡ làm cho áp suất nhiệt độ tăng lên đột ngột, tạo nên sóng áp suất, truyền đi mọi phương theo tốc độ truyền âm, đập vào thành vách xilanh tạo nên tiếng gõ kim loại sắc và đanh Hiện tượng cháy kể trên được gọi là cháy kích nổ

Hình 2.5 Áp suất trong xilanh trong các trường hợp[1]

a)Cháy bình thường b) Kích nổ nhẹ c) Kích nổ mạnh

DUT.LRCC

Khi sử dụng nhiên liệu Biogas - HHO cấp cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nên chú ý đến tỉ số nén động cơ Vì sử dụng Biogas - HHO sẽ gây kích nổ mạnh khi quá trình cháy mất kiểm soát ở tải cao và tỉ số nén cao Thông thường,

tỉ số nén động cơ Biogas – HHO nằm trong khoảng 10-13 [ 6 ], cao hơn so với khi sử dụng xăng

2.3 ẢNH HƯỞNG GÓC ĐÁNH LỬA SỚM TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC [9]

2.3.1 Góc đánh lửa sớm

Người ta dùng góc đánh lửa sớm làm căn cứ để đo thời điểm đánh lửa Góc đánh lửa sớm  (độ, góc quay trục khuỷu) được tính từ thời điểm bắt đầu bật tia lửa điện cho tới khi pittông lên tới ĐCT Giá trị tốt nhất của  phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, hình dạng buồng cháy, dòng hỗn hợp nhiên liệu–không khí, tốc độ và phụ tải của động cơ

Đồ thị công d, được xác định khi θ = 39°, do bật tia lửa điện quá sớm nên phần hòa khí được bốc cháy ở trước ĐCT, không những làm cho áp suất trong xilanh tăng lên quá sớm, mà còn làm tăng áp suất lớn nhất khi cháy, vì vậy đã làm tăng phần công tiêu hao cho quá trình nén và làm giảm diện tích đồ thị công Đồng thời do đánh lửa quá sớm làm cho nhiệt độ của số hòa khí ở khu vực cuối của quá trình màng lửa tăng cao, qua đó làm tăng khuynh hướng kích nổ của hòa khí Trong quá trình sử dụng động cơ nếu xảy ra kích nổ cần điều chỉnh góc đánh lửa muộn một chút để loại trừ kích nổ

Đồ thì công a được xác định khi θ = 0°, do đánh lửa quá muộn nên quá trình cháy của hòa khí kéo dài sang thời kỳ giãn nỡ Áp suất và nhiệt độ cao nhất khi cháy điều giảm nên đã làm diện tích đồ thị công và giảm công suất động cơ Đồng thời kéo dài kéo dài thời gian cháy, đã làm cho tổn thất nhiệt truyền qua thành xilanh, tăng nhiệt độ khí xả và nhiệt lượng khí xả đem theo, do đó giảm hiệu suất động cơ

Đồ thị công c được xác định khi θ = 26°, đó là góc đánh lửa sớm hợp lý,

áp suất và nhiệt độ cháy cao nhất xuất hiện sau ĐCT khoảng 10÷15°, quá trình cháy tương đối kịp thời nhiệt lượng được lợi dụng tốt nên diện tích đồ thị công lớn nhất, công suất và hiệu suất động cơ cao nhất Lúc ấy tốc độ tăng áp suất cũng như áp suất cự đại khi cháy điều không quá lớn Góc đánh lửa tương ứng với công suất và hiệu suất cao nhất được gọi là góc đánh lửa tối ưu

Góc đánh lửa tối ưu được xác định qua thực nghiệm bằng cách xây dựng đặc tính điều chỉnh góc đánh lửa sớm θ Đặc tính góc đánh lửa sớm thể hiện sự biến thiên công suất Ne và suất tiêu hao nhiên liệu ge theo góc đánh lửa sớm khi cho động cơ hoạt động ở một tốc độ cố định và một vị trí mở của bướm ga Khi thực nghiệm để lấy đặc tính điều chỉnh góc đánh lửa sớm, người ta cho động cơ chạy ở một vị trí bướm ga và một tốc độ động cơ, thay đổi góc đánh lửa sớm θ; với mỗi góc θ xác định công suất Ne và suất tiêu hao nhiên liệu ge, xây dựng đường cong: Ne = f (θ) và ge = f(θ)

DUT.LRCC

2.3.2.Các thông số ảnh hưởng tới sự điều chỉnh góc đánh lửa tối ưu[9]

a Số vòng quay động cơ

Khi tốc độ động cơ tăng lên thời gian dành cho quá trình cháy bị rút ngắn

do đó góc đánh lửa sớm phải tăng lên để đảm bảo đủ thời gian dành cho quá trình cháy nhằm phát huy công suất động cơ Nếu thời gian cháy của nhiên liệu không đổi thì góc đánh lửa sớm tăng tuyến tính theo n (số vòng quay động cơ)

Hình 2.7 Quan hệ giữa tốc độ cháy và số vòng quay

Nhưng do n tăng làm tăng áp suất và nhiệt độ trong xilanh (do giảm lọt khí và thời gian truyền nhiệt), tăng chuyển động xoáy lốc của hỗn hợp vì thế tốc

độ cháy tăng lên ( hình 2.7 ) và thời gian cháy tương ứng giảm đi nên ở số vòng quay cao góc đánh lửa sớm sẽ tăng theo quy luật phi tuyến tính ( hình 2.8 )

Hình 2.8 Quan hệ giữa góc đánh lửa sớm và số vòng quay

DUT.LRCC

b Hệ số dư lượng không khí α

Ảnh hưởng tới tốc độ cháy của hỗn hợp Khi thành phần hỗn hợp quá đậm hay quá nhạt cũng ảnh hưởng đến quá trình bốc cháy Thành phần hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến việc chọn góc đánh lửa sớm tối ưu Khi tốc độ cháy của hỗn hợp

là lớn nhất thì góc đánh lửa sớm tới ưu là nhỏ nhất ứng với giá trị của α = 0,8÷0,9 Khi tăng hay giảm hệ số dư lượng không khí α thì giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu điều tăng lên (hình 2.9 )

c Tỷ số nén ε

Khi tăng tỷ số nén sẽ làm tăng áp suất và nhiệt độ cuối ký nén do đó làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp hòa khí, như vậy khi tăng tỷ số nén thì góc đánh lửa sớm phải giảm ( Hình 2.10 )

DUT.LRCC

d Tải của động cơ

Động cơ hình thành hòa khí bên ngoài việc điều chỉnh lượng hòa khí đi vào xilanh được thực hiện bằng việc tăng giảm độ mở bướm ga Ở tải nhỏ, bướm ga đóng bớt tạo cản đối với dòng khí nạp qua đó làm giảm lượng hòa khí

đi vào xi lanh Nhưng lúc ấy do lượng khí sót còn lại trong buồng cháy thay đổi không nhiều làm tăng hệ số khí sót qua đó làm gia tăng thời gian cháy trễ quá trình cháy trở nên chậm chạp, kết quả làm tăng thời gian quá trình cháy Như vậy ở tải nhỏ cần tăng góc đánh lửa sớm Mặc dù góc đánh lửa sớm không thể thay đổi tốc độ cháy cũng như không thể rút ngắn thời gian cháy nhưng có thể giúp cho quá trình cháy được thực hiện kịp thời ở khu vực gần điểm chết trên Ở tải lớn bướm ga mở lớn lượng hỗn hợp hòa khí đi vào xilanh nhiều hơn làm tăng

áp suất và nhiệt độ khí nén đồng thời còn giảm phần trăm khí sót dẫn đến tăng tốc độ cháy rút ngắn thời gian cháy nhanh t2 Vì thế khi tăng tải cho động cơ thì góc đánh lửa sớm phải giảm xuống và ngược lại ( hình 2.11 )

Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas – HHO thì góc đánh lửa tối ưu

sẽ được kiểm nghiệm lại Thường thì góc đánh lửa tối ưu đối với động cơ sử dụng xăng chuyển sang sử dụng Biogas – HHO sẽ thay đổi cho phù hợp Ở tốc

độ thấp thì góc đánh lửa sẽ sớm hơn so với khi dùng xăng nhưng ở tốc độ cao thì góc đánh lửa sẽ nhỏ hơn so với khi dùng xăng.[9]

2.4 CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN GÓC ĐÁNH LỬA SỚM

2.4.1 Cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng cơ khí [2]

a Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm ly tâm

Bộ điều chỉnh góc đánh lửa ly tâm có tên gọi đầy đủ của nó là bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo số vòng quay kiểu ly tâm Bộ điều chỉnh này làm việc tự động phụ thuộc vào số vòng quay động cơ

Hình 2.12 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa ly tâm

Cấu tạo: Bộ điều chỉnh góc đánh lửa ly tâm gồm: giá đỡ, quả văng được

lắp chặt với trục của bộ chia điện, hai quả văng được đặt trên giá và có thể xoay quanh chốt quay của quả văng đồng thời cũng là giá móc lò xo, các lò xo một đầu mắc vào chốt còn đầu kia móc vào giá trên quả văng và luôn luôn kéo các quả văng về phía trục Trên mỗi quả văng có một chốt và bằng hai chốt này bộ điều chỉnh ly tâm được gài vào hai rãnh trên thanh ngang của phần cam

DUT.LRCC

Nguyên lý hoạt động: Thông thường vị trí các quả văng của bộ đánh lửa

sớm ly tâm được xác định bằng lực căng các lo xo của nó Khi tốc độ của bộ chia điện tăng lên cùng với tốc độ động cơ, lực ly tâm của các quả văng vượt quá lực lo xo, cho phép các quả văng tách ra xa Kết quả là vị trí của rotor tín hiệu dịch chuyển vượt quá một góc đã định và góc đánh lửa sớm tăng lên

b Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm chân không

Bộ điều chỉnh góc đánh lửa chân không còn có tên gọi đầy đủ là: bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo phụ tải động cơ, kiểu chân không Cơ cấu này cũng làm việc tự động phụ thuộc vào mức tải của động cơ

Cấu tạo: Bộ điều chỉnh gồm một hộp kín bằng cách ghép hai nửa lại với

nhau Màng đàn hồi ngăn cách giữa hai buồng, một buồng luôn luôn thông với khí quyển và chịu áp suất của khí quyển, còn buồng kia thông với lỗ ở phía bướm ga bằng ống nối và chịu ảnh của sự thay đổi áp suất ở phía dưới bướm ga.Trên màng có gắn một thanh dẫn, đầu kia của thanh dẫn được mắc vào chốt của tấm ngắt Lò xo luôn ép màng về một phía và sức căng của lò xo được điều

DUT.LRCC

chỉnh bằng các đệm Toàn bộ bộ điều chỉnh được bắt vào thành bên của bộ chia điện bằng hai vít

Nguyên lý hoạt động: Khi bướm ga hé mở áp suất chân không từ cửa trước sẽ

hút màng làm quay tấm ngắt Kết quả là bộ phát tín hiệu dịch chuyển tương đối một góc so với trục bộ chia điện và gây ra đánh lửa sớm

2.4.2 Điều khiển đánh lửa sớm bằng CDI:

Hình 2.14 Sơ đồ chung của hệ thống đánh lửa CDI

Cấu tạo: Một hệ thống đánh lửa CDI đặc trưng bao gồm nguồn (High

Volt Supply) cung cấp điện áp cao (100÷400V) có thể là máy phát điện xoay chiều AC hoặc mạch khuếch đại điện áp từ ắc quy, tụ C (Capacitor) có gía trị từ 0,47÷2µF để tích lũy năng lượng nhận từ nguồn cao áp, khóa Thysitor đóng ngắt mạch (Switch) có nhiệm vụ xả năng lượng tích lũy từ tụ vào cuộn sơ cấp của biến áp, biến áp đánh lửa (Ignition Coil) là loại biến áp xung biến điện áp sơ cấp

có giá trị vài trăm Volt thành điện áp thứ cấp có giá trị 15÷30 kV nhờ đó phóng điện qua khe hở bugi tạo tia lửa điện, cảm biến (Sensor) dùng để nhận biết vị trí pittong và bộ điều khiển thời điểm đánh lửa (Conditioning)

DUT.LRCC