Cải thiện quá trình cháy động cơ chạy bằng Biogas nghèo nhờ cung cấp bổ sung Hydroxyl (HHO)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.1, 2019 35 
CẢI THIỆN QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG BIOGAS NGHÈO 
NHỜ CUNG CẤP BỔ SUNG HYDROXYL (HHO) 
COMBUSTION IMPROVEMENT OF ENGINE FUELED WITH POOR BIOGAS BY 
BLENDING HYDROXYL (HHO) 
Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú, Trương Lê Bích Trâm, Võ Như Tùng, Đỗ Xuân Huy 
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; buivanga@ac.udn.vn 
Tóm tắt - Hiệu suất của động cơ chạy bằng biogas nghèo pha 
HHO với hàm lượng bé được cải thiện nhờ tính năng ưu việt của 
hydrogen đối với quá trình cháy. Thêm vào đó, khi pha HHO vào 
biogas với hàm lượng cao, công suất của động cơ tăng mạnh do 
giảm lượng khí trơ CO2, N2 nạp vào xi lanh. Hỗn hợp HHO và 
biogas giúp động cơ làm việc ổn định với hệ số tương đương rất 
bé nên hiệu suất của động cơ được cải thiện khi hoạt động ở tải 
cục bộ. Khi tăng hàm lượng HHO pha vào biogas thì góc đánh 
lửa sớm tối ưu của động cơ giảm. Khi cố định góc đánh lửa sớm, 
nếu tăng hàm lượng HHO trong biogas thì áp suất và nhiệt độ 
cực đại của quá trình cháy đều tăng đồng thời đỉnh đường cong 
của các đại lượng này dịch chuyển về gần điểm chết trên. Nồng 
độ NOx tăng theo hàm lượng HHO pha vào biogas. Nồng độ NOx 
tăng 1,5 lần và 3,5 lần tương ứng với khi pha 20% và 30% HHO 
vào biogas chứa 60% CH4 so với khi chạy bằng biogas. 
Abstract - The performance of the engine fueled with poor biogas 
enriched with HHO is enhanced due to excellent properties of hydrogen 
for combustion. Besides, with high HHO content in the biogas, the 
power of the engine increases sharply due to the reduction of inert gas 
CO2, N2 supplied into the cylinder. The engine fueled with HHO-biogas 
blend can operate with high stability under low equivalence ratio, 
thereby the performance of the engine is improved at part load regimes. 
When the HHO content in the biogas increases, the optimum advanced 
ignition angle of the engine decreases. At a given ignition timing, if the 
HHO content in the biogas is increased, the maximum pressure and 
temperature of the combustion process increase simultaneously with 
the peak of the curves moving towards the top dead center. NOx 
concentrations increase with the HHO content in biogas. As the engine 
fueled with biogas containing 60% CH4 enriched by 20% and 30% 
HHO, the NOx concentration in exhaust gas increases by 1.5 times and 
3.5 times, respectively, compared to biogas only running mode. 
Từ khóa - Nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydroxyl HHO; Hydrogen; 
Động cơ biogas 
Key words - Renewable fuels; Biogas; Hydroxyl HHO; Hydrogen; 
Biogas engines 
1. Giới thiệu 
Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải chất 
khí gây hiệu ứng nhà kính để hạn chế mức độ gia tăng 
nhiệt độ trái đất đã thôi thúc các nhà khoa học trên thế 
giới nghiên cứu tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế và 
hoàn thiện thiết kế động cơ. Trong số các giải pháp đó, 
giải pháp sử dụng biogas hay kết hợp biogas và hydrogen 
như nhiên liệu thay thế có nhiều triển vọng [1], [2]. Khó 
khăn của giải pháp này liên quan đến việc lưu trữ 
hydrogen để sử dụng trên các thiết bị khác nhau, đặc biệt 
là trên phương tiện vận chuyển cơ giới. Hydrogen có mật 
độ năng lượng theo thể tích thấp, rất khó hóa lỏng nên đòi 
hỏi thiết bị lưu trữ đặc biệt. Trên ô tô thường phải nén 
hydrogen trong bình chứa đến 700 bar so với bình chứa 
200 bar đối với khí thiên nhiên để đảm bảo cùng quãng 
đường vận hành. Việc chế tạo thiết bị sinh khí hydrogen 
và tích hợp nó vào phương tiện vận chuyển cơ giới cũng 
rất khó khăn và tốn kém [3]. Vì thế, phương án sử dụng 
hydrogen trong hỗn hợp khí với oxygen (gọi là khí 
hydroxyl, HHO) được giới khoa học quan tâm trong 
những năm gần đây [4-5]. 
Hỗn hợp hydrogen-oxygen được điều chế từ quá trình 
điện phân nước, gồm H2 và O2 theo tỉ lệ 2:1. Trong điều kiện 
áp suất khí trời và hệ số tương đương  = 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. Khí HHO có thể sử dụng phối hợp với các loại 
nhiên liệu truyền thống trên động cơ đốt trong để cải thiện 
hiệu suất và giảm phát thải ô nhiễm môi trường [6-7]. 
HHO 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 và được cung cấp bổ sung trực tiếp 
vào đường nạp cùng với các loại nhiên liệu khác. Thiết bị 
sinh khí HHO hoạt động 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. Do không 
phải lưu trữ nhiên liệu khí nên khắc phục được những 
nhược điểm đối với bình chứa nhiên liệu áp lực cao. 
Hiệu quả công tác của động cơ khi bổ sung HHO vào các 
loại nhiên liệu khác đã được nhiều nhà khoa học công bố. 
Musmar và Al-Rousan đã thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thực 
nghiệm bộ sinh khí HHO trên động cơ xăng. Kết quả cho thấy, 
mức độ phát thải NOx, CO và mức tiêu hao nhiên liệu giảm 
tương ứng 50%, 20%, và 30%, khi bổ sung khí HHO [8-9]. 
Hydrogen trong hỗn hợp HHO có tốc độ cháy cao nên khi hòa 
trộn với nhiên liệu truyền thống, hỗn hợp nhiên liệu với không 
khí đồng đều và cháy hoàn toàn. Mặt khác, hydrogen có giới 
hạn cháy rộng nên nó có thể cháy với hỗn hợp nghèo. Việc 
giảm thời gian lan tràn màn lửa và tăng tốc độ tỏa nhiệt là do 
hydrogen có năng lượng đánh lửa thấp và tốc độ cháy cao hơn 
các loại nhiên liệu truyền thống [10]. Do H2 có thể cháy với 
hỗn hợp rất nghèo nên có thể thay đổi thành phần hỗn hợp để 
điều chỉnh tải động cơ [11]. Khi làm việc với hỗn hợp nghèo, 
nhiệt độ cháy thấp nên mức độ phát thải NOx giảm đáng kể. 
So sánh tính năng của động cơ khi bổ sung cùng thể 
tích HHO và H2 vào đường nạp được trình bày trong công 
trình [12-13]. Một cách tổng quát mà nói, hỗn hợp nhiên 
liệu HHO-xăng có tính năng tương tự với hỗn hợp 
H2-xăng, nếu không muốn nói là tốt hơn. Hỗn hợp nhiên 
liệu HHO-xăng cải thiện hiệu suất nhiệt, và đặc biệt là sự 
36 Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú, Trương Lê Bích Trâm, Võ Như Tùng, Đỗ Xuân Huy 
ổn định khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo tốt hơn so 
với hỗn hợp H2-xăng. HHO làm giảm thời gian tỏa nhiệt. 
Điều này có lợi vì khởi đầu và kết thúc quá trình cháy diễn 
ra trong điều kiện đẳng tích (chu trình nhiệt động học lý 
tưởng), vì thế hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện. 
Điểm khác biệt ở đây là HHO có chứa O2 với hệ số tương 
đương  = 1 nên khi cháy không cần cấp không khí. Trong 
khi đó, H2 phải hòa trộn với O2 từ không khí có chứa N2. Vì 
vậy công suất động cơ bổ sung HHO cao hơn công suất 
động cơ bổ sung H2 trong cùng điều kiện vận hành [12]. 
Khi bổ sung thêm H2 vào đường nạp thì nó chiếm chỗ của 
không khí làm giảm hệ số nạp và có thể gây ra hiện tượng 
cháy không hoàn toàn do thiếu O2. Động cơ chạy bằng 
nhiên liệu bổ sung HHO có mức độ phát thải CO thấp hơn 
[14] nhờ hỗn hợp cháy hoàn toàn. 
Nghiên cứu ứng dụng HHO trên động cơ cỡ nhỏ cũng 
được các nhà khoa học quan tâm [15-16]. Musmar và 
Al-Rousan [9], nghiên cứu tính năng của động cơ 1 xy lanh 
Honda G 200 chạy bằng khí HHO. HHO sinh ra từ bộ điện 
phân nước sử dụng điện cực bằng thép không rỉ 316-L. Kết 
quả cho thấy, khi chạy bằng khí HHO, NOx giảm 54% và 
CO giảm 20%. Do không có bộ điều chỉnh công suất điện 
cung cấp cho bình sinh khí nên nồng độ HHO thay đổi theo 
tốc độ động cơ. Mới đây Leelakrishnan và Suriyan [17] 
nghiên cứu ảnh hưởng của HHO bổ sung đến tính năng của 
động cơ xăng 4 kỳ, 1 xi lanh, 5.4 kW. HHO được nạp vào 
đường nạp động cơ giữa lọc khí và bộ chế hòa khí. Kết quả 
cho thấy, công suất có ích tăng 5%, hiệu suất tăng 7%, suất 
tiêu hao nhiên liệu giảm 6%, phát thải HC, CO, NOx giảm 
lần lượt 88%, 94% và 58% ở chế độ toàn tải. Kết quả tương 
tự cũng được công bố trong công trình của Al-Rousan [8]. 
Trong công trình này, Al-Rousan cung cấp HHO tương quan 
với lượng không khí nạp vào động cơ bằng cách điều chỉnh 
dòng điện cung cấp cho bộ điện phân HHO. Kết quả nghiên 
cứu của Musmar và Rousan [5] cho thấy, việc bổ sung HHO 
vào hỗn hợp nạp giúp làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu, 
NOx, CO lần lượt là 30%, 50% và 20%. 
Khí HHO có nhiều ưu điểm nên việc nghiên cứu áp dụng 
nó trên động cơ đốt trong luôn là vấn đề thời sự. Các nghiên 
cứu tập trung phát huy những lợi thế của nó về cải thiện quá 
trình cháy, tăng hiệu suất, đồng thời hạn chế mức độ gia tăng 
NOx ở chế độ toàn tải do tăng nhiệt độ cháy. 
Để góp phần phát triển công nghệ ứng dụng năng lượng 
tái tạo nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải 
chất khí gây hiệu ứng nhà kính, nhóm GATEC của Đại học 
Đà Nẵng từ nhiều năm nay đã nghiên cứu ứng dụng biogas 
trên động cơ tĩnh tại và động cơ của phương tiện vận chuyển 
cơ giới [18]. Biogas có chỉ số octane cao nên có thể tăng tỉ số 
nén của động cơ để nâng cao hiệu suất nhiệt [19]. Tuy nhiên, 
do biogas có chứa tạp chất CO2 nên tốc độ cháy của hỗn hợp 
giảm. Để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ chạy bằng 
biogas chúng ta cần lựa chọn các thông số động cơ phù hợp 
để tận dụng những ưu điểm và hạn chế nhược điểm của 
nhiên liệu [20-21]. 
Khó khăn chính liên quan đến chuyển đổi động cơ 
truyền thống sang chạy bằng biogas, nhất là biogas có hàm 
lượng CH4 thấp, liên quan đến tốc độ cháy của hỗn hợp 
biogas - không khí thấp, kể cả động cơ đánh lửa cưỡng bức 
cũng như động cơ tự cháy do nén [22-24]. Do đó, việc pha 
vào biogas một loại nhiên liệu bổ sung có tính năng cháy cao 
sẽ góp phần khắc phục khó khăn này. Trong chiều hướng đó 
thì việc pha hydrogen vào biogas [25] rất phù hợp. 
Nhóm GATEC hiện đang tiến hành nghiên cứu làm giàu 
biogas bằng hydrogen sản xuất từ năng lượng mặt trời. Hai 
phương án ứng dụng hydrogen được nhóm nghiên cứu phát 
triển: hydrogen đơn chất H2 và hydroxyl HHO. Hydrogen 
đơn chất được sản xuất và lưu trữ sau đó pha vào biogas để 
làm giàu nhiên liệu. Hydroxyl được sản xuất và cung cấp 
trực tiếp vào động cơ, không qua khâu lưu trữ. Hình 1a là hệ 
thống sản xuất hydroxyl để cung cấp cho động cơ tĩnh tại. 
Hình 1b là bình sinh khí hydroxyl kiểu khô mà nhóm nghiên 
cứu đã thiết kế, chế tạo. 
Trong công trình này, nhóm tác giả trình bày kết quả 
nghiên cứu mô phỏng tính năng công tác và mức độ phát 
thải ô nhiễm của động cơ kéo máy phát điện Honda 
GX390 chạy bằng biogas nghèo chứa 60% methane được 
làm giàu bởi khí hydroxyl với các tỉ lệ khác nhau. Kết quả 
nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá mô hình tính toán sẽ 
được giới thiệu trong những công trình sau. 
a) b) 
Hình 1. Hệ thống sản xuất khí hydroxyl (a) và 
 bình sinh khí hydroxyl (b) 
2. Thiết lập mô hình tính toán 
Mô phỏng được thực hiện trên động cơ Honda GX390 có 
các thông số kỹ thuật cơ bản giới thiệu trên Bảng 1. Không 
gian tính toán gồm buồng cháy và xi lanh động cơ có thể tích 
thay đổi trong quá trình hoạt động. Do đó lưới động (dynamic 
mesh) được áp dụng trong không gian tính toán [26]. 
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của động cơ Honda GX390 
Đường kính xi 
lanh (mm) 
88 
Hành trình 
piston (mm) 
64 
Dung tích xi 
lanh (cm3) 
389 
Tỉ số nén 8,2 
Công suất cực 
đại (kW)/tại tốc 
độ (vòng/phút) 
8,7/3600 
Quá trình tính toán được bắt đầu từ đầu kỳ nén đến khi 
bắt đầu quá trình thải. Trong nghiên cứu mô phỏng này, tính 
toán được thực hiện theo chu trình lý thuyết với giả định các 
quá trình bắt đầu và kết thúc tại các điểm chết trên (ĐCT) và 
điểm chết dưới (ĐCD). Để tiện theo dõi diễn biến của quá 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.1, 2019 37 
trình sinh công (nén-cháy-dãn nở), trong công trình này, mốc 
0⁰TK (⁰ góc quay trục khuỷu) của góc quay trục khuỷu được 
qui ước tại ĐCD khi bắt đầu quá trình nén và góc đánh lửa sớm 
 s được tính theo ⁰TK trước ĐCT khi kết thúc quá trình nén. 
Quá trình chảy rối của hỗn hợp khí được mô phỏng bằng mô 
hình k-. Quá trình hình thành các chất chính trong sản phẩm 
cháy được xác định theo cân bằng nhiệt động hóa học, riêng 
nồng độ NOx được xác định theo động học phản ứng. 
Trên thực tế tốc độ hình thành NOx bé hơn nhiều so 
với những chất khác trong sản phẩm cháy. Tốc độ này 
phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ thường được biểu diễn bằng 
cơ chế Zeldovich mở rộng như sau [27]: 
NONNO
1
k
1
k
2 ++
⎯⎯ →⎯ +
⎯⎯ ⎯
−
 (1) 
NOOON
2
k
2
k
2 ++
⎯⎯ →⎯ +
⎯⎯ ⎯
−
 (2) 
NOHOHN
3
k
3
k
++ ⎯⎯ →⎯
+
⎯⎯ ⎯
−
 (3) 
Trong đó, ki là hằng số tốc độ phản ứng theo chiều 
thuận và k-i là hằng số tốc độ phản ứng theo chiều ngược. 
Nhiên liệu biogas được ký hiệu MxCy, trong đó 10x là tỉ 
lệ phần trăm của CH4 và 10y là tỉ lệ phần trăm của CO2 trong 
biogas. Trong phần tính toán sau đây, nhóm tác giả sử dụng 
nhiên liệu biogas nghèo M6C4. Hàm lượng HHO trong 
nhiên liệu được tính bằng tỉ lệ thể tích HHO trong tổng thể 
tích của hỗn hợp HHO và biogas. Ví dụ, hỗn hợp nhiên liệu 
biogas M6C4 được pha 20% HHO có thành mole như sau: 
CH4 (48%), CO2 (32%), H2 (13,32%) và O2 (6,68%). 
Hydrogen có nhiệt độ cháy đoạn nhiệt cao, tốc độ cháy 
lớn và có thể cháy với hỗn hợp rất nghèo. Tuy nhiên, nhiệt trị 
thấp tính theo thể tích chỉ 10,8 MJ/m3, thấp hơn nhiều so với 
nhiệt trị thấp của methane là 35,8 MJ/m3. Trong điều kiện 
tiêu chuẩn, để cháy hoàn toàn 1m3 hydrogen chỉ cần 0,5m3 
oxygen. Trong khi đó, để đốt cháy hoàn toàn 1m3 methane 
phải cần đến 2m3 oxygen. Như vậy, với cùng một thể tích xy 
lanh động cơ cho trước, hydrogen chiếm thể tích lớn hơn 
methane nhưng do nhiệt trị thể tích của hydrogen thấp nên 
nhiệt lượng cung cấp cho động cơ nên năng lượng hydrogen 
mang vào động cơ không chênh lệch nhiều so với khi chạy 
bằng methane. 
Hình 2. Biến thiên tỉ lệ năng lượng của hỗn hợp nhiên liệu trên 
năng lượng biogas (hệ số năng lượng k) theo hàm lượng HHO 
pha vào biogas trong điều kiện tiêu chuẩn (0⁰C, 1 bar) 
Khi pha HHO vào biogas, do HHO có chứa sẵn oxygen đủ 
để đốt cháy hoàn toàn lượng hydrogen nên chỉ cần lượng 
không khí đủ để đốt cháy methane. Cùng một thể tích xi lanh 
cho trước, phần oxygen cần thiết để đốt cháy hydrogen không 
lấy từ không khí nên không kèm theo khí trơ N2. Do đó, lượng 
nhiên liệu tổng thể cung cấp cho động cơ tăng nên tỉ lệ năng 
lượng của hỗn hợp nhiên liệu trên năng lượng biogas, gọi là hệ 
số năng lượng k, tăng theo hàm lượng HHO pha vào nhiên 
liệu. Khi tỉ lệ HHO dưới 50%, hệ số k tăng chậm nhưng khi 
vượt quá giá trị này, k tăng rất nhanh. Biogas càng nghèo thì 
ảnh hưởng của HHO đến hệ số k càng lớn (Hình 2). 
Khi pha HHO vào biogas với hàm lượng nhỏ hơn 
40%, hệ số năng lượng k chỉ dao động quanh giá trị 10%. 
Điều này cho thấy tác động về mặt năng lượng khi pha 
HHO vào biogas không lớn. Tuy nhiên, do hydrogen có 
những tính năng vượt trội về tốc độ lan tràn màn lửa nên 
nó giúp cải thiện quá trình cháy từ đó hiệu suất tổng thể 
của động cơ được cải thiện. Những đặc điểm này sẽ được 
phân tích, đánh giá trong phần tiếp theo của công trình. 
3. Kết quả và bình luận 
a) 
b) 
Hình 3. Ảnh hưởng của hệ số tương đương  đến đường cong 
áp suất (a) và đồ thị công chỉ thị (b) (Biogas M6C4 pha 20% 
HHO, n=3000 vòng/ ... t. Khi  lớn hơn 1,11 thì nồng độ NOx 
giảm tương ứng với giảm nhiệt độ trung bình của hỗn hợp. 
Hình 5. Biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng cháy động 
cơ khi thay đổi hệ số tương đương  (Biogas M6C4 pha 20% 
HHO, n=3000 vòng/phút, s =20⁰TK) 
Hình 6. Biến thiên nồng độ NOx trong buồng cháy động cơ khi 
thay đổi hệ số tương đương  (Biogas M6C4 pha 20% HHO, 
n = 3000 vòng/phút, s = 20⁰TK) 
Hình 7. So sánh biến thiên áp suất trong xi lanh khi động cơ 
chạy bằng biogas M6C4, M7C3, M8C2 pha 10% HHO 
(n = 3000 vòng/phút, s = 20⁰TK,  = 1) 
Cùng điều kiện vận hành và cùng lượng pha HHO thì 
áp suất cực đại càng cao và đỉnh đường cong áp suất càng 
gần ĐCT khi hàm lượng CH4 trong biogas càng lớn. Hình 7 
cho thấy, áp suất cực đại đạt được 33,32, 38,01 và 
42,34 bar tương ứng với hàm lượng CH4 trong biogas 60%, 
70% và 80% với cùng lượng pha HHO 10%. Công chỉ thị 
chu trình Wi tương ứng với các nhiên liệu này lần lượt là 
0,327, 0,344 và 0,356 kJ/ct. Kết quả này cho thấy, khi động 
cơ chạy bằng biogas nghèo, công suất động cơ giảm rõ rệt. 
Trong điều kiện đó, nếu tăng hàm lượng HHO pha vào 
nhiên liệu thì tính năng công tác của động cơ được cải thiện 
như thể hiện trên Hình 8. Cùng nhiên liệu M6C4, cùng điều 
 (⁰TK) 
 = 1,11 
 = 1,26 
 = 1,1 
 = 0,83 
 = 0,68 
C
H
4
 (
%
 m
o
le
) 
CH4_M6C4-20HHO_n3000_Vs-f
0
2
4
6
8
10
12
140 160 180 200 220 240 
 (⁰TK) 
 = 1,11 
 = 1,1 
 = 0,83 
 = 0,68 
H
2
 (
%
 m
o
le
) 
H2_M6C4-20HHO_n3000_Vs-f
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
140 160 180 200 220 240
 (⁰TK) 
 = 1,11 
 = 1,26 
 = 1,1 
 = 0,83 
 = 0,68 
T_F15_M6C4-20HHO_n3000_Vs-f
0
500
1000
1500
2000
2500
160 180 200 220 240 260 
T
(K
) 
NOX_M6C4-20HHO_n3000_Vs-f
0
200
400
600
800
160 200 240 280 320 360 
 (⁰TK) 
 = 1,11 
 = 1,26 
 = 1,1 
 = 0,83 
 = 0,68 
N
O
x
 (
p
p
m
) 
W-Pe_F15_10HHO_n3000_Vs-MC
0
10
20
30
40
160 180 200 220 240 260 
 (⁰TK) 
p
 (
b
a
r)
M8C2 
M7C3 
M6C4 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.1, 2019 39 
kiện vận hành 3000 vòng/phút, góc đánh lửa sớm giữ cố 
định 20⁰TK và hệ số tương đương  = 1, áp suất cực đại đạt 
33, 36, 42 và 48 bar tương ứng với khi chạy bằng biogas và 
khi chạy bằng biogas pha HHO với hàm lượng 10, 20 và 
30%. Công chỉ thị chu trình tương ứng với các điều kiện này 
lần lượt là 0,319, 0,327, 0,342 và 0,367 kJ/ct. Như vậy để 
duy trì được công suất động cơ khi làm việc với biogas 
nghèo thì việc pha HHO vào nhiên liệu là giải pháp hiệu quả. 
Hình 8. Ảnh hưởng của hàm lượng HHO pha vào biogas M6C4 
đến biến thiên đường cong áp suất trong xi lanh (n = 3000 
vòng/phút, s = 20⁰TK,  = 1) 
Do nhiên liệu biogas có chứa CO2 nên tốc độ cháy của 
hỗn hợp giảm so với khi động cơ chạy bằng xăng. Việc 
tăng góc đánh lửa sớm là cần thiết để nâng cao hiệu quả 
quá trình cháy của động cơ. Khi chuyển động cơ tĩnh tại 
chạy xăng sang chạy bằng biogas thì việc điều chỉnh góc 
đánh lửa sớm gặp khó khăn về mặt kỹ thuật. Khi pha HHO 
vào biogas thì tốc độ cháy được cải thiện, do đó góc đánh 
lửa sớm tối ưu giảm so với khi chạy bằng biogas thuần túy. 
a) 
b) 
Hình 9. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đồ thị công khi 
động cơ chạy bằng biogas M6C4 không pha HHO (a) và khi chạy 
bằng biogas M6C4 pha 30% HHO (b) (n = 3000 vòng/phút,  =1) 
Các Hình 9a, b giới thiệu ảnh hưởng của góc đánh lửa 
sớm đến đồ thị công khi động cơ chạy bằng biogas M6C4 
không pha HHO và khi pha HHO với hàm lượng 30%. Kết 
quả cho thấy, khi góc đánh lửa sớm tăng thì áp suất cực đại 
tăng và đỉnh áp suất cực đại tiến đến gần ĐCT hơn. Tuy 
nhiên, áp suất cực đại không quyết định công chỉ thị chu 
trình mà là diện tích đồ thị công. Hình 10 giới thiệu biến 
thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm của động 
cơ chạy bằng biogas M6C4 không pha HHO và khi pha 
HHO với hàm lượng 10%, 20% và 30%. Kết quả này cho 
thấy góc đánh lửa sớm tối ưu là 30, 27, 23 và 18⁰TK khi 
động cơ chạy bằng biogas M6C4 và khi chạy bằng biogas 
M6C4 pha 10%, 20%, 30% HHO. Công chỉ thị chu trình cực 
đại tương ứng với các trường hợp này theo thứ tự là 0,342, 
0,345, 0,365 và 0,382kJ/ct. Động cơ Honda GX390 có công 
suất cực đại 8,7kW ở tốc độ 3600 vòng/phút khi chạy bằng 
xăng. Nếu hiệu suất cơ giới của động cơ là 0,8 thì công suất 
có ích của động cơ khi chưa kể tổn thất công bơm là 8,22, 
8,28, 8,76 và 9,17kW khi chạy bằng biogas M6C4 và khi 
chạy bằng biogas M6C4 pha 10, 20, 30% HHO. 
Hình 10. Biến thiên công chu trình theo góc đánh sớm khi thay đổi 
hàm lượng HHO pha vào biogas M6C4 (n = 3000 vòng/phút,  =1) 
Hình 11. Ảnh hưởng của hàm lượng HHO pha vào biogas 
M6C4 đến nồng độ NOx trong khí thải động cơ 
(n = 3000 vòng/phút, s = 20⁰TK,  =1) 
Hình 11, giới thiệu biến thiên của nồng độ NOx trong 
hỗn hợp khí cháy khi thay đổi thành phần HHO pha vào 
nhiên liệu biogas M6C4. Kết quả cho thấy, nồng độ NOx 
tăng theo hàm lượng HHO pha vào biogas. Khi pha 10%, 
20% HHO, nồng độ NOx tăng nhẹ. Nhưng khi hàm lượng 
HHO tăng lên 30% thì nồng độ NOx tăng rất mạnh. Nồng 
độ NOx trong khí thải đạt 500, 670, 1390ppm khi pha 
10%, 20% và 30% HHO so với 410ppm khi động cơ chạy 
bằng biogas M6C4 không pha HHO. 
W-Pe_F15_M6C4_n3000_Vs-HHO
0
10
20
30
40
50
60
160 180 200 220 240 260
 (⁰TK) 
p
 (
b
a
r)
30% HHO 
20% HHO 
10% HHO 
0% HHO 
W-Pe_F15_M6C4-1HHO_n3000_Vs-fis
0
10
20
30
40
0 0.1 0.2 0.3 0.4 
V (lít) 
p
 (
b
a
r)
 s = 30⁰TK 
 s = 25⁰TK 
 s = 20⁰TK 
W-Pe_F15_M6C4-30HHO_n 000_Vs-fis
0
10
20
30
40
50
0 0.1 0.2 0.3 0.4 
V (lít) 
p
 (
b
a
r)
 s = 25⁰TK 
 s = 20⁰TK 
 s = 15⁰TK 
W-vs-fis
0.2
0.24
0.28
0.32
0.36
0.4
15 19 23 27 31 35
30% HHO
20% HHO
10% HHO
0%HHO
 s(⁰TK) 
W
i (
k
J
/c
t)
NOX_F15_M6C4-n3000_Vs-HHO
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
160 200 240 280 320 360 
0% HHO 
N
O
x
 (
p
p
m
) 
 (⁰TK) 
10% HHO 
20% HHO 
30% HHO 
40 Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú, Trương Lê Bích Trâm, Võ Như Tùng, Đỗ Xuân Huy 
Hình 12. Ảnh hưởng của hàm lượng HHO pha vào biogas 
M6C4 đến biến thiên nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong 
buồng cháy (n = 3000 vòng/phút, s = 20⁰TK,  =1) 
NOx hình thành theo cơ chế Zeldovich mở rộng (các 
phản ứng 1, 2 và 3). Theo đó, tốc độ hình thành NOx phụ 
thuộc mạnh vào nhiệt độ cháy. Hình 12 giới thiệu ảnh 
hưởng của hàm lượng HHO pha vào biogas đến biến thiên 
nhiệt độ trung bình của khí cháy. Kết quả cho thấy, khi 
động cơ chạy bằng biogas M6C4 không pha HHO thì 
nhiệt độ cực đại đạt 2247K. Nhiệt độ cực đại đạt 2265, 
2319 và 2392K tương ứng với khi pha 10, 20 và 30% 
HHO vào biogas M6C4. Điều này giải thích sự gia tăng 
nồng độ NOx theo hàm lượng HHO pha vào biogas. 
4. Kết luận 
Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra 
được những kết luận sau đây: 
- Khi pha dưới 50% HHO vào nhiên liệu biogas thì mức 
tăng năng lượng chỉ đạt khoảng dưới 15% so với khi sử dụng 
hoàn toàn biogas, nhưng khi hàm lượng HHO trong hỗn hợp 
nhiên liệu vượt quá 50% thì tỉ lệ năng lượng tăng rất nhanh 
do HHO không chứa các khí trơ CO2, N2. 
- Công chỉ thị chu trình của động cơ tăng khi pha 
HHO vào biogas với hàm lượng bé chủ yếu nhờ cải thiện 
quá trình cháy do các tính năng ưu việt của hydrogen về 
tốc độ lan tràn màn lửa cao, năng lượng đánh lửa bé và 
giới hạn cháy mở rộng. 
- Khi pha 30% HHO vào biogas M6C4, động cơ có 
thể làm việc ổn định với hỗn hợp có  = 0,6. Do đó khi 
động cơ làm việc với tải cục bộ, có thể giảm hệ số tương 
đương của hỗn hợp để nâng cao hiệu suất và giảm phát 
thải ô nhiễm. 
- Công chỉ thị chu trình của động cơ tăng theo hàm 
lượng HHO pha vào biogas. Khi pha trên 20% HHO vào 
biogas chứa 60% CH4 thì công suất của động cơ có thể 
đạt được công suất khi chạy bằng xăng. 
- Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ giảm khi tăng 
hàm lượng HHO pha vào biogas. Khi động cơ chạy ở tốc 
độ 3000 vòng/phút, góc đánh lửa sớm tối ưu là 30, 27, 23 
và 18⁰TK tương ứng với khi động cơ chạy bằng biogas M6C4 
và khi chạy bằng biogas M6C4 pha 10%, 20%, 30% HHO. 
- Khi cố định góc đánh lửa sớm, nếu tăng hàm lượng 
HHO trong biogas thì áp suất và nhiệt độ cực đại đều tăng 
đồng thời đỉnh của các đường cong này dịch chuyển về 
phía gần ĐCT. 
- Nồng độ NOx tăng theo hàm lượng HHO pha vào 
biogas. Với hàm lượng HHO dưới 20%, nồng độ NOx chỉ 
tăng nhẹ, khoảng 1,5 lần so với khi sử dụng biogas 
M6C4. Nhưng khi hàm lượng HHO trên 30%, nồng độ 
NOx tăng mạnh, gấp 3,5 lần so với khi chạy bằng M6C4. 
Cảm tạ: Các tác giả chân thành cám ơn Bộ Giáo dục 
và Đào tạo đã tài trợ việc thực hiện công trình này thông 
qua Chương trình nghiên cứu Khoa học và Công nghệ 
cấp Bộ CTB2018-DNA. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] A. Boretti: Comparison of fuel economies of high efficiency diesel 
and hydrogen engines powering a compact car with a flywheel 
based kinetic energy recovery systems. Int. J. Hydrogen Energy 35 
(2010) 8417-8424. 
[2] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan: Utilization 
of biogas engines in rural area: A contribution to climate change 
mitigation. Colloque International RUNSUD 2010, pp. 19-31, 
Universite Nice-Sophia Antipolis, France, 23-25 Mars 2010. 
[3] C.M. White, R.R. Steeper, A.E. Lutz: The hydrogen-fueled internal 
combustion engine: a technical review. Int. J. Hydrogen Energy 31 
(2006) 1292-1305. 
[4] F. Ma, Y. Wang, H. Liu, Y. Li, J. Wang, S. Zhao: Experimental 
study on thermal efficiency and emission characteristics of a lean 
burn hydrogen enriched natural gas engine. Int. J. Hydrogen 
Energy 32 (2007) 5067-5075. 
[5] F. Ma, Y. Wang: Study on the extension of lean operation limit 
through hydrogen enrichment in a natural gas spark-ignition 
engine. Int. J. Hydrogen Energy 33 (2008) 1416-1424. 
[6] Rajasekaran T.1, Duraiswamy K.2, Bharathiraja M.1 and 
Poovaragavan S.: Characteristics of engine at various speed 
condistions by mixing of HHO with gasoline and LPG. ARPN 
Journal of Engineering and Applied Sciences. Vol. 10, No. 1, 
January 2015. 
[7] Changwei Ji and Wang, S.: Combustion and emissions 
performance of a hybrid hydrogen-gasoline engine at idle and lean 
conditions. International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 
346-355. 
[8] A.A. Al-Rousan: Reduction of fuel consumption in gasoline 
engines by introducing HHO gas into intake manifold. Int. J. 
Hydrogen Energy 35 (2010) 12930-12935. 
[9] S.e.A. Musmar, A.A. Al-Rousan: Effect of HHO gas on 
combustion emissions in gasoline engines. Fuel 90 (10) (2011) 
3066-3070. 
[10] C. Ji, S. Wang: Effect of hydrogen addition on combustion and 
emissions performance of a spark ignition gasoline engine at lean 
conditions. Int. J. Hydrogen Energy 34 (2009) 7823-7834. 
[11] S. Wang, C. Ji, B. Zhang, X. Liu: Realizing the part load control of 
a hydrogen-blended gasoline engine at the wide open throttle 
condition. Int. J. Hydrogen Energy 39 (2014) 7428-7436. 
[12] S. Wang, C. Ji, J. Zhang, B. Zhang: Comparison of the 
performance of a spark-ignited gasoline engine blended with 
hydrogen and hydrogen-oxygen mixtures. Energy 36 (2011) 5832-
5837. 
[13] S. Wang, C. Ji, J. Zhang, B. Zhang: Improving the performance of 
a gasoline engine with the addition of hydrogen-oxygen mixtures. 
Int. J. Hydrogen Energy 36 (2011) 11164-11173. 
[14] S. Wang, C. Ji, B. Zhang, X. Liu: Performance of a 
hydroxygenblended gasoline engine at different hydrogen volume 
fractions in the hydroxygen. Int. J. Hydrogen Energy 37 (2012) 
13209-13218. 
[15] Bhardwaj, S., Verma, A.S., and Sharma, S.K.: Effect of Brown gas 
on the performance of a four stroke gasoline engine. International 
Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering 
(Online), Volume 4, Special Issue 1, February 2014. 
 (⁰TK) 
T
(K
) 
T_F15_M6C4-fi1_fis20_n3000_Vs-HHO
0
500
1000
1500
2000
2500
160 180 200 220 240 260 
0% HHO 
10% HHO 
20% HHO 
30% HHO 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.1, 2019 41 
[16] Mohamed M. EL-Kassaby, Yehia A. Eldrainy, Mohamed E. Khidr, 
Kareem I. Khidr: Effect of hydroxy (HHO) gas addition on 
gasoline engine performance and emissions. Alexandria 
Engineering Journal (2016) 55, 243-251. 
[17] E. Leelakrishnan and H. Suriyan: Performance and emmision 
chracteristics of Brown's gas enriched air in spark ignition engine. 
International Journal of Innovative Research in Science, Engineering 
and Technology, Vol. 2, No. 2, pp. 393-404, February 2013. 
[18] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Văn 
Đông: Khả năng giảm phát thải CO2 ở Việt Nam nhờ sản xuất điện 
năng bằng biogas. Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà 
Nẵng, số 1(30)/2009, pp. 7-13. 
[19] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung: A Simulation 
of Effects of Compression Ratios on the Combustion in Engines 
Fueled with Biogas with Variable CO2 Concentrations. Journal of 
Engineering Research and Application www.ijera.com Vol. 3, 
Issue 5, Sep-Oct 2013, pp.516-523. 
[20] Bui Van Ga, Tran Van Nam: Mixer Design for High Performance 
Biogas SI Engine Converted from A Diesel Engine. International 
Journal of Engineering Research & Technology (IJERT, 
 Vol. 3 Issue 1, January - 2014, pp. 2743-2760. 
[21] Bui Van Ga, Tran Van Nam: Appropriate structural parameters of 
biogas SI engineconverted from diesel engine. IET Renewable 
Power Generation, Volume: 9, Issue: 3, (2015), pp. 255-261, 
DOI:10.1049/iet-rpg.2013.0329. 
[22] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Le Minh Tien, Bui Thi Minh Tu: 
Combustion Analysis of Biogas Premixed Charge Diesel Dual Fuelled 
Engine. International Journal of Engineering Research & Technology 
(IJERT), Vol. 3 Issue 11, November-2014, pp. 188-194. 
[23] B.V.Ga, N.V.Hai, B.T.M.Tu, B.V.Hung: Utilization of Poor 
Biogas as Fuel for Hybrid Biogas-Diesel Dual Fuel Stationary 
Engine. International Journal of Renewable Energy, Vol. 5, No. 4, 
pp. 1007-1015, 2015. 
[24] Ga Van BUI, Tu Thi Minh BUI: Soot Emission Analysis in 
Combustion of Biogas Diesel Dual Fuel Engine. Environmental 
Science and Sustainable Development, Vol 1, No 2 (2017), pp.1-9. 
[25] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Bui Thi Minh Tu, Nguyen Quang 
Trung: Numerical simulation studies on performance, soot and 
NOx emissions of dual-fuel engine fuelled with hydrogen enriched 
biogas mixtures. IET Renewable Power Generation: Volume 12, 
Issue 10, (2018), pp. 1111-1118, DOI: 10.1049/iet-rpg.2017.0559. 
[26] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Quang 
Trung: Ảnh hưởng của thành phần H2 làm giàu biogas đến tính 
năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ dual fuel 
biogas-diesel. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học Thủy khí 
Toàn quốc lần thứ 20, Cần Thơ, 27-29 tháng 7 năm 2017, Nhà xuất 
bản Đại học Quốc gia Tp. HCM, 2018, pp. 238-245. 
[27] Zeldovich, Y. A., D. Frank-Kamenetskii, and P. Sadovnikov: 
Oxidation of nitrogen in combustion. Publishing House of the Acad 
of Sciences of USSR, 1947. 
[28] Bùi Văn Ga, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải 
Tùng: Mô hình hóa quá trình cháy trong động cơ đốt trong. Nhà 
Xuất bản Giáo dục, 1997. 
(BBT nhận bài: 07/11/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 03/01/2019)