湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃
項(xiàng) 目 申 報 表
項(xiàng)目名稱:
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學(xué)校名稱
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長沙理工大學(xué)
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學(xué)生姓名
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學(xué) 號
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專 業(yè)
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性 別
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入 學(xué) 年 份
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曾奕安
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201526060225
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建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程
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男
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2015年
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李伍平
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201657050121
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電子信息工程
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男
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2016年
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趙威
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201657050115
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電子信息工程
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男
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2016年
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覃朱粲
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201526060132
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建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程
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男
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2015年
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劉聰聰
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201526060120
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建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程
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男
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2015年
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指導(dǎo)教師
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李 平
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職稱
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高級實(shí)驗(yàn)師
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王 磊
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職稱
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工程師
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項(xiàng)目所屬
一級學(xué)科
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電子科學(xué)與技術(shù)
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項(xiàng)目科類(理科/文科)
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理科
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學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況
曾奕安：有著良好的動手能力，在2016年6-9于氫時代能源科技有限公司參加實(shí)習(xí)。鍛煉了動手能力與溝通能力。有一定的競賽經(jīng)驗(yàn)，2017參加九華杯創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，獲得決賽三等獎，有一定的競賽演講展示與文案制作能力。
李伍平：扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，獲得班級三好學(xué)生以及學(xué)院二等獎學(xué)金參加過“物電杯”，獲得三等獎，有一定的競賽經(jīng)驗(yàn)。
趙威：競賽經(jīng)驗(yàn)豐富，獲得“電苑杯”三等獎和“物電杯”三等獎專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)有著良好的編程設(shè)計(jì)能力與動手能力可以勝任控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
覃朱粲：曾獲得陽光藝術(shù)團(tuán)二等獎，墨浪杯二等獎。擁有良好的外觀設(shè)計(jì)水平。獲得了國家CAD證書，可以勝任工程繪圖的任務(wù)。并且善于溝通和合作交流，曾擔(dān)任陽光藝術(shù)團(tuán)市場部部長。
劉聰聰： 在校期間成績較為優(yōu)秀，專業(yè)基礎(chǔ)課較為扎實(shí)，曾獲得專業(yè)獎學(xué)金二等獎；專業(yè)獎學(xué)金三等獎；獲三好學(xué)生獎……本人也于2016-2017年度在賽伯睿機(jī)器公司實(shí)習(xí)一年，圓滿結(jié)束?，F(xiàn)已順利通過國家級計(jì)算機(jī)二級，CAD證書考試，能夠較為熟練的運(yùn)用作圖軟件作圖，實(shí)踐能力較強(qiáng)。
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指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況
2017年指導(dǎo)全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽湖南賽區(qū) 易飛帆、盧琳汶、王思成 獲國家級二等獎，湖南省一等獎; 2016年指導(dǎo)湖南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 林徐鑌、黨彤飛、曾思哲獲湖南省一等獎；
2017年指導(dǎo)校級大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃《基于wifi的宿舍監(jiān)測與防護(hù)系統(tǒng)》—張浩鋒、龔杰等立項(xiàng)與結(jié)題；2016年指導(dǎo)校級大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 《公交車到站自動報站系統(tǒng)PCB》-楊牧樂等結(jié)題。
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項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題
研究目的
隨著我國機(jī)動車保有量的持續(xù)增加，機(jī)動車的節(jié)能減排，綠色出行成為了社會，企業(yè)與國家的重關(guān)注領(lǐng)域。許多理論指出增長的對大氣的尾氣排放導(dǎo)致了全球變暖。內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過長期運(yùn)行后，發(fā)動機(jī)內(nèi)部所產(chǎn)生的積碳，就會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)尾氣排放不達(dá)標(biāo)，油耗急劇增加，怠速不穩(wěn)。而如何高效環(huán)保的去除發(fā)動機(jī)積碳就成為了當(dāng)前的熱點(diǎn)問題。
實(shí)驗(yàn)證明水氫氣體通入內(nèi)燃機(jī)的混合燃燒可以有效的去除積碳，減少排放，降低油耗。但是現(xiàn)有的產(chǎn)氫設(shè)備能耗高，效率低，體積大并且成本居高不下，無法進(jìn)行商業(yè)性的推廣。所以，本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)一種高效節(jié)能的產(chǎn)氫設(shè)備。并且對節(jié)能減排效果進(jìn)行定量測定。從而達(dá)到將水氫氣體除碳廣泛使用，降低機(jī)動車排放，減少能源消耗的效果。為人類創(chuàng)造一個綠色美好的未來。）
研究內(nèi)容
本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)一種水氫能源內(nèi)燃機(jī)除碳減排設(shè)備并測試其除碳減排效果
設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定高效生成水氫氣體的水氫氣體發(fā)生設(shè)備。將水氫氣體通入內(nèi)燃機(jī)從而達(dá)到去除積碳，節(jié)能減排的效果
本項(xiàng)目通過對發(fā)動機(jī)除碳的理論分析結(jié)合水氫氣體與汽柴油在燃燒室的混合燃燒的過程與結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和理論分析，與大電流第電壓直流狀態(tài)下堿性水溶液的電解的實(shí)驗(yàn)與理論分析。試制一種用于改良內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行工況，提高燃燒效率降低廢氣排放的水氫節(jié)能減排設(shè)備。項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容如下。
發(fā)動機(jī)除碳的理論分析：通過在線的背景調(diào)查，資料采集與理論采集，結(jié)合數(shù)學(xué)建模對發(fā)動機(jī)內(nèi)部的氣體擴(kuò)散燃燒模型與積碳的分解過程進(jìn)行分析，得到發(fā)動機(jī)除碳過程對水氫氣體的需求。并且設(shè)計(jì)進(jìn)一步的線下實(shí)驗(yàn)。
水氫氣體與汽柴油在燃燒室的混合燃燒的數(shù)據(jù)采集與理論分析：通過廢氣檢測儀，工業(yè)內(nèi)窺鏡，紅外測溫儀在實(shí)驗(yàn)中對混合燃燒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。并結(jié)合實(shí)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及軟件仿真分析結(jié)果，優(yōu)化氣體輸入劑量和處理時間等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。從而對水氫發(fā)生器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)做出指導(dǎo)
水氫氣體發(fā)生器的理論分析：通過在線資料查詢分析現(xiàn)有資料。通過數(shù)學(xué)工具，從理論上分析水氫氣體發(fā)生器對堿性水溶液的電解以及產(chǎn)氣過程，為裝置設(shè)計(jì)以及樣機(jī)試制做指導(dǎo)；
水氫氣體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：在綜合理論分析之后，對提出的小型水氫節(jié)能減排設(shè)備中發(fā)生器部分進(jìn)行設(shè)計(jì)以及試制。對發(fā)生器的
水氫氣體與汽柴油在燃燒室的混合燃燒的數(shù)據(jù)采集與理論分析：通過廢氣檢測儀，工業(yè)內(nèi)窺鏡，紅外測溫儀在實(shí)驗(yàn)中對混合燃燒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。并結(jié)合實(shí)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及軟件仿真分析結(jié)果，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)；
對電子控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)：根據(jù)水氫氣體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)以及樣機(jī)對電子控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，試制，使其符合實(shí)際使用要求。
要解決的主要問題
水氫氣體發(fā)生器是小型水氫節(jié)能減排設(shè)備最核心的部分，而該裝置的最終目的是使用大電流直流電將堿性水溶液電解為水氫氣體。因此，發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)是需要最大程度的利用電能安全高效的產(chǎn)生水氫氣體。擬解決主要問題如下：
1. 現(xiàn)有物理拆解除碳方式對工人技能要求高，耗工耗時，成本高
2. 化學(xué)腐蝕除碳藥劑具有腐蝕性與毒性，產(chǎn)生的酸霧與廢液對環(huán)境和使用者健康有極大危害
3.現(xiàn)有水氫氣體產(chǎn)氣設(shè)備耗能大，體積大，單位體積氣體耗能高，增加了成本，限制了使用范圍
4.現(xiàn)有水氫氣體產(chǎn)氣設(shè)備缺乏直觀化人機(jī)交互界面與智能控制系統(tǒng)，帶來了操作困難，對工人要求高的問題
5.缺乏對水氫氣體除碳效果的大樣本定量測試，無法進(jìn)一步提高除碳效率，增強(qiáng)除碳效果
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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)：
隨著我國機(jī)動車保有量的持續(xù)增加，機(jī)動車的節(jié)能減排，綠色出行成為了社會，企業(yè)與國家的重關(guān)注領(lǐng)域。許多理論指出增長的對大氣的尾氣排放導(dǎo)致了全球變暖。[1]在機(jī)動車排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的大趨勢下，保有量巨大的低排放標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)動車在尾氣排放的污染中占了相當(dāng)?shù)囊徊糠?。如何對使用年限長的這些低排放標(biāo)準(zhǔn)，國三，國二甚至黃標(biāo)車進(jìn)行節(jié)能減排成為了我們所面臨的難題。
積碳對發(fā)動機(jī)的影響
汽油發(fā)動機(jī)運(yùn)行3萬千米后(或24個月之后)就會出現(xiàn)積碳現(xiàn)象。汽車燃油消耗增加、動力不足、急加速不暢快、啟動不順暢,冷車啟動時、怠速不穩(wěn)、發(fā)抖甚至收油熄火、尾氣排放超標(biāo)等問題。[2]并且提高燃燒效率也就相應(yīng)的減少了燃料消耗。所以，改良發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況減少積碳成為了減少能耗，降低廢氣排放的重要途徑。
伯明翰大學(xué)[12]在單缸直噴汽油機(jī)上對積碳噴油器的研究表明，積碳噴油器造成的碳?xì)渑欧疟惹鍍魢娪推鞲?0%～15%， 改良發(fā)動機(jī)工況，最直接的辦法就是恢復(fù)發(fā)動機(jī)原有結(jié)構(gòu)與燃燒環(huán)境或者提高燃油品質(zhì)。在此情況下有學(xué)者提出通過加入燃油添加劑的方式改良燃油品質(zhì)。但是其效果有限，降低油耗提高動力程度十分有限。因此，恢復(fù)發(fā)動機(jī)原有結(jié)構(gòu)和燃燒環(huán)境成為了機(jī)動車節(jié)能減排的重要途徑。
去除積碳的方法
為了去除積碳，恢復(fù)工況，如表1所示，在市面上有多種去除積碳的方法。
表1 去除積碳的方法
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除碳方法
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操作原理
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效果
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成本
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缺陷
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拆機(jī)清洗法
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對發(fā)動機(jī)進(jìn)行拆卸分解或部分分解，再對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣通道，節(jié)氣門、 氣門、燃燒室、噴油器等部件進(jìn)行物理積碳清洗
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效果明顯
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人力成本高昂，需要費(fèi)工費(fèi)時進(jìn)行安裝
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對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生磨損，損壞密封
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藥液清洗（俗稱打吊瓶）
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通過化學(xué)作用溶解 表面的雜質(zhì)來清除
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效果不可視，不明顯
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操作時間長，產(chǎn)生有毒有害污染物
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腐蝕發(fā)動機(jī)構(gòu)件，如缸壁等，導(dǎo)致密封損壞
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或加注汽油添加劑
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含有清潔活化因子能去除燃油中的膠質(zhì)物以及發(fā)動機(jī)積碳等物質(zhì)
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效果很不明顯
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成本較低
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腐蝕發(fā)動機(jī)構(gòu)件，如缸壁等，導(dǎo)致密封損壞
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超聲波清碳技術(shù)
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清洗機(jī)供給原車供油系統(tǒng)，并給發(fā)動機(jī) 提供添加清洗劑。
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效果一般
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操作時間長，清洗劑有污染
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腐蝕發(fā)動機(jī)構(gòu)件，如缸壁等，導(dǎo)致密封損壞
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水氫除碳技術(shù)
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運(yùn)用水氫氣的氫催化原 理、富氧燃燒原理及水氫循環(huán)原理等特性進(jìn)行積碳的清除
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效果較為明顯，可以看到積碳被排出
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操作時間10-20分鐘，對環(huán)境，工人無任何危害
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不使用任何腐蝕性成分，完全綠色
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而我們創(chuàng)新提出的水氫機(jī)動車減排技術(shù)，則是基于水氫氣體發(fā)生器對水的電解從而生產(chǎn)水氫氣。在其與燃料混合燃燒過程中，改良發(fā)動機(jī)燃燒環(huán)境與條件。從而達(dá)到去除積碳和減少廢氣排放的效果。根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)[13] 對水氫氣體除碳的研究，水氫除碳在現(xiàn)有的測試中有著良好的表現(xiàn)，其研究表明其除碳效果也較明顯，能讓發(fā)動機(jī)恢復(fù)動力降低油耗 10%左右，廢氣排放顯著降低。下表為用水氫氣體對某尼桑2005年款2.0車的發(fā)動機(jī)（車輛里程：78 088 km）的積碳清洗前后的數(shù)據(jù)。
水氫氣體與摻氫燃料對發(fā)動機(jī)除碳減排的效果
早在60年代，由Bockris JO’MA發(fā)表的文章中就對燃料電池式氣體發(fā)生器進(jìn)行了構(gòu)想。而在2010年由Al-Rousan等進(jìn)行的兩項(xiàng)研究表明，水氫(水氫)氣體混合燃料在節(jié)能和燃料消耗方面的改進(jìn)。[3] [4]
2011年，約旦的Mutah University 的機(jī)械工程部門就對水氫氣體在HONDAG200 (197CC單缸)中對燃燒排放產(chǎn)生的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。研究裝置如圖1所示，其通過氣體發(fā)生器產(chǎn)（圖2）生水氫氣體與空氣與汽油通入到燃燒室中。并用排放采樣器（稱為氣體分析儀）測量五種氣體[5]。 這些氣體是HC，NOX，O2，CO和CO2[6]。并且對轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)溫度、熱效率和具體的燃料消耗等參數(shù)進(jìn)行了記錄。
圖1 水氫氣體產(chǎn)生器照片和示意圖
圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
圖3 發(fā)動機(jī)參數(shù)表
文章中指出，通過水氫氣體對發(fā)動機(jī)的處理[5]:水氫cell和發(fā)動機(jī)可以簡便高效方式整合在一起。 用水氫氣體引入空氣/燃料混合物對發(fā)動機(jī)時，燃燒效率得到了提高，從而降低了燃料消耗。 使用水氫氣體對發(fā)動機(jī)進(jìn)行處理后，氮氧化物的濃度平均降低到接近50％。 使用水氫氣體對發(fā)動機(jī)進(jìn)行處理后，一氧化碳的平均濃度已經(jīng)降低到使用空氣/燃料混合物的情況下的近20％（無水氫）。 OX平均濃度已經(jīng)降低到?jīng)]有發(fā)加入到發(fā)動機(jī)時的情況下的約54％。 C濃度受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和對發(fā)動機(jī)進(jìn)行處理時間與水氫濃度的高度影響?，F(xiàn)有的對小型水氫氣體發(fā)生器的研究是現(xiàn)有的小型水氫氣體發(fā)生器產(chǎn)氣量小，氣量不穩(wěn)定，在2010年由Al-Rousan進(jìn)行的研究中，水氫 FC產(chǎn)氣量僅有18.3~19.4L/h[4]，而在2011年，Mutah University的實(shí)驗(yàn)中自行設(shè)計(jì)的水氫 FC達(dá)到了23.5~23.8L/h[5]。其采用的Honda G 200引擎（數(shù)據(jù)見圖3）排量小，功率低，對氣量要求較低，無安全維護(hù)裝置。故其發(fā)生器無法推廣到大中型內(nèi)燃機(jī)中使用。
而采用電解產(chǎn)氫設(shè)備對其進(jìn)行替代時，其能耗過高，經(jīng)濟(jì)效益低下。并且體積巨大無法達(dá)到除碳過程對發(fā)生器的需求。1996年，法國的sagim公司推出的MP-BP500-7型發(fā)生器，一小時能生產(chǎn)500L左右的氫氣。但是，其產(chǎn)品體積巨大，無法應(yīng)用在汽車減排中。[7]。而現(xiàn)在市面上的電解產(chǎn)氫設(shè)備產(chǎn)氣量得到了一定的改良，但是其體積與能耗問題始終得不到改良。單位體積的氣體電解耗能都處在4.0Kw*h到6.82Kw*h每立方米。而每立方的水氫氣體的熱值約為8571.4kj相當(dāng)于2.38Kw*h與水氫氣體的實(shí)際燃燒熱值相對比，其在電解過程中就產(chǎn)生了40%-65%的能量損耗。經(jīng)過調(diào)查，我們選取了市面上的幾種常用的電解產(chǎn)氫設(shè)備進(jìn)行調(diào)查。
生產(chǎn)廠家
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型號
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產(chǎn)氣量(L)
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槽電壓(V)
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槽電流(A)
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電解功率（Kw）
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單位氣體耗能（M3/Kw*h）
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溫州高企能源科技有限公司[9]
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CHG-1
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1500
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320
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32
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10.24
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6.82
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蘇州蘇氫制氫設(shè)備有限公司[10]
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SHM-1
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1500
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容量：6 KVA
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6
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4
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中電豐業(yè)[11]
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HGA
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7500
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容量：50KVA
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45
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6
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阿?，m純水制氫設(shè)備AREVA[11]
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E5
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7500
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容量：40KVA
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40
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5.33
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得到體積重量小，操作安全，產(chǎn)氣量高，輸出穩(wěn)定的水氫氣體發(fā)生器成為了我們研究的主要問題。在2010年亢彪,王志忠,常學(xué)斌研發(fā)的便攜式電解水水氫發(fā)生器，相對于傳統(tǒng)產(chǎn)品，通過對對美國 Vicor 公司和日本 Lambda 公司生產(chǎn)的 VI-200 系列和 PH 系列 DC-DC 變換模塊的應(yīng)用，降低了發(fā)生器的質(zhì)量與體積提高了便攜性。但是，其產(chǎn)氣量僅僅有80L/h。[8]
本項(xiàng)目擬在目前已有的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型的高效率水氫氣體發(fā)生器，并且通過軟件分析以及實(shí)驗(yàn)的方法獲取裝置相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行再次優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后基于設(shè)計(jì)的水氫氣體發(fā)生器，通過產(chǎn)生的水氫氣體改良發(fā)動機(jī)燃燒環(huán)境與運(yùn)行工況。從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。
參考文獻(xiàn)
[1]Eastern Asia Soc Transp Stud, 5 (2003), pp. 2398-2407
[2] Bockris JO’M, Srinivasan S. Fuel cells: their electrochemistry. New York: McGraw-Hill; 1969.
[3] Yilmaz AC, Uludamar E, Aydin K. Effect of hydroxy (水氫) gas addition on performance and exhaust emissions in compression ignition engines. Int J Hydrogen Energy 2010;35:11366–72.
[4] Al-Rousan AA. Reduction of fuel consumption in gasoline engines by introducing 水氫 gas into intake manifold . Int J Hydrogen Energy 2010;35(23):12930–5.
[5] Sa’ed A. Musmar, Ammar A. Al-Rousan. Effect of 水氫 gas on combustion emissions in gasoline engines [J]. Fuel,2011,(10): 3066-3070
[6] Heywood JB. Internal combustion engine fundamentals. McGraw Hill; 1988.
[7]. 新型電解氫發(fā)生器MP－BP500－7[J]. 中國科技產(chǎn)業(yè),1996,(07):62.
[8]亢彪,王志忠,常學(xué)斌. Vicor模塊在便攜式電解水水氫發(fā)生器電源上的應(yīng)用[J]. 兵器材料科學(xué)與工程,2010,33(02):94-98.
[9]http://www.wzcoch.com/Catalogue/CHOsdjzqsb_ID1.html
[10]http://www.sqhec.com/index.php?g=&m=Page&a=index&id=52
[11]http://www.bjzdfy.com.cn/index.php/Home/Product/content/id/34/n/0.html#product
[12]Wang C，Xu H，Herreros J M，et al. Impact of fueland injection system on particleemissions from a GDIengine[J]. Applied Energy，2014，132(11)：178-191.
[13] 李成龍.新型氫氧除碳機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾 濱工業(yè)大學(xué)，2014.
本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績
1.設(shè)計(jì)并制造了試驗(yàn)水氫氣體發(fā)生器
2.對操作界面進(jìn)行了繪制并對操作功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)
做了相關(guān)水氫氣體在發(fā)動機(jī)除碳節(jié)能減排的研究和探索；
做了相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對水氫氣體發(fā)生器的研究和探索；
對水氫氣體發(fā)生器進(jìn)行了性能測試
獲得九華杯創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽三等獎
獲得發(fā)生器結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)新型發(fā)明專利一項(xiàng)
試制試驗(yàn)發(fā)生器
課題成員通過工廠調(diào)研，國內(nèi)外文獻(xiàn)查詢，對內(nèi)燃機(jī)燃料的相關(guān)助燃減排技術(shù)進(jìn)行了初步的總結(jié)，并且根據(jù)燃料的種類和內(nèi)燃機(jī)不同工況下的燃燒效率和排放指標(biāo)進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)分析，針對目前內(nèi)燃機(jī)的由于燃燒環(huán)境引起的效率低下和排放超標(biāo)的問題，以及通過燃料加氫原理，改善燃油的燃燒環(huán)境來解決燃油效率和降低排放進(jìn)行了大量的文獻(xiàn)調(diào)研。同時對本項(xiàng)目進(jìn)行了預(yù)研，并且提出了初步的設(shè)想和解決方案。
本項(xiàng)目預(yù)研的試驗(yàn)型小型水氫氣體發(fā)生器采用PP板材與TC4鈦板材為材料，試制了一種采用12個100*100*2極板的單極式水氫氣體發(fā)生器。
發(fā)生器材料：作為絕緣基材，規(guī)格為100*100*2 的TC4鈦板材作為電解極板，BVR 70M2電纜作為連線材料。
發(fā)生器設(shè)計(jì)：槽間距設(shè)計(jì)為3mm，且為11個微電解室平行組合。
電源選擇：采用了480W數(shù)顯開關(guān)電源，0至24V20A可調(diào)
 
發(fā)生器組合圖 480W數(shù)顯開關(guān)電源
對水氫氣體發(fā)生器進(jìn)行了性能測試
試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖
在完成對試驗(yàn)型水氫氣體發(fā)生器的設(shè)計(jì)與試制之后，我小組同學(xué)對其的各個參數(shù)進(jìn)行了測定。采用數(shù)字萬用表對和數(shù)顯可調(diào)開關(guān)電源對其電解電壓與電流進(jìn)行了檢測，采用排水法對產(chǎn)氣量進(jìn)行測量
在本次試驗(yàn)中，試驗(yàn)機(jī)最大產(chǎn)氣量為562L/h，最小產(chǎn)氣量為100L/h, 在100L/h時單位氣體耗能最少僅需2.70千瓦時即可產(chǎn)1立方水氫氣體，僅為市面上最小功耗的70%。在產(chǎn)氣量為562L/h時耗能最大，需3.44千瓦時可產(chǎn)1立方米水氫氣體，為市面上最小功耗的86%。相比溫州高企能源科技有限公司的CHG-1型機(jī)器，試驗(yàn)機(jī)可以達(dá)到節(jié)能60.4%的效果。
對操作界面進(jìn)行了繪制并對操作功能進(jìn)行的設(shè)計(jì)
主界面設(shè)計(jì)
操作界面設(shè)計(jì)
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項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色
本項(xiàng)目通過對小型氫能源節(jié)能減排設(shè)備的設(shè)計(jì)，通過水氫發(fā)生器產(chǎn)生水氫氣體，通入發(fā)動機(jī)中混合燃燒，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。
1.除積碳效率高成本低
采用拆機(jī)物理清洗的除碳方式對工人的技術(shù)要求高，并且會破壞發(fā)動機(jī)的完整性。而采用水氫氣體除積碳，操作簡單只需要將供氣管與進(jìn)氣歧管相連接，點(diǎn)擊屏幕按鈕啟動，設(shè)備即會自動進(jìn)行除碳進(jìn)程。并且可以從界面上直觀的了解到運(yùn)行進(jìn)程。工人經(jīng)過簡單培訓(xùn)即可上崗，無需維護(hù)。相比人工拆機(jī)除碳需要10個工時，水氫氣體除碳進(jìn)程僅需15分鐘。并且開始后無需人工干預(yù)。理論運(yùn)行成本僅需2元
2.環(huán)保安全無危害
使用化學(xué)藥劑腐蝕除碳，會對發(fā)動機(jī)氣缸壁產(chǎn)生腐蝕，破壞氣密性，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動機(jī)拉缸等徹底性的損壞。并且化學(xué)藥劑產(chǎn)生的酸霧會對使用者的呼吸道產(chǎn)生極大的刺激，的廢液會產(chǎn)生化學(xué)沾染，污染環(huán)境。對生態(tài)環(huán)境與操作者的健康產(chǎn)生了極大的威脅。水氫氣體除碳過程中，只會產(chǎn)生無毒無味的水氫氣體和水蒸氣，對環(huán)境和人體沒有任何損害。實(shí)現(xiàn)了資源節(jié)約型，環(huán)境友好型除碳
3.高效水氫氣體發(fā)生器
采用了氣液對流通道的設(shè)計(jì)從而減少了在極板上附著的氣泡與發(fā)生器頂端聚集的氣體，加快了電解液的流動補(bǔ)充速度與有效電解面積。大大提高了電解效率，和現(xiàn)有的水氫氣體發(fā)生器相比可以用更小的電解極板面積達(dá)到更高的產(chǎn)氣效率
因?yàn)闃O板上附著的氣泡大量減少，電解液流速加大，所以我們將極板間的間距進(jìn)一步縮小為2mm,其板間的電阻將會降低到市面現(xiàn)有設(shè)備內(nèi)阻的20%-10%，測試試驗(yàn)機(jī)板件內(nèi)阻的70%左右。大大降低了因?yàn)殡娊庖簝?nèi)阻而產(chǎn)生的熱能消耗。
采用高分子PP板材進(jìn)行封裝處理，使各個極板之間除了電解液部分達(dá)到完全絕緣，大大降低了漏電流，防止了漏電流產(chǎn)生的發(fā)生器的發(fā)熱與電能消耗。
4.直觀智能的人機(jī)交互平臺與控制系統(tǒng)
與傳統(tǒng)的模擬式按鈕式操作不同。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用的MCGS智能化操作平臺，顯示直觀明了。采用了和PC機(jī)相似的操作模式，上手快。任何人經(jīng)過數(shù)分鐘的簡單學(xué)習(xí)即可完全掌握。
智能化的控制系統(tǒng)，可以高效率的對水氫發(fā)生設(shè)備進(jìn)行控制?？梢砸绘I運(yùn)行，自動除碳，無需任何人工干預(yù)。極大的提高了效率，降低了人工成本。并且實(shí)時采集數(shù)據(jù)，對除碳參數(shù)進(jìn)行自動反饋設(shè)置，同時以圖形化的方式在交互平臺上進(jìn)行顯示。
完善的安全系統(tǒng)，設(shè)備出現(xiàn)任何問題都將自動報警，進(jìn)入安全模式。并且實(shí)時在交互平臺上為操作者提供解決建議。出現(xiàn)異常情況時，采用蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到廠家數(shù)據(jù)中心，從而讓售后工程師提供在線支持
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項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果
第一階段，第0-4個月，完善設(shè)備設(shè)計(jì)制造，
本項(xiàng)目計(jì)劃設(shè)計(jì)制造的水氫氣體發(fā)生器主要分為四個模塊，水氫氣體發(fā)生器，電解電源模塊，液封防回火模塊與散熱除水模塊。在最初的兩個月中，我們將會完成對已經(jīng)試制的水氫氣體發(fā)生器進(jìn)行完善，和已經(jīng)初步設(shè)計(jì)的液封防回火模塊與散熱除水模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造，并且選取合適的電解電源。
1.對發(fā)生器的設(shè)計(jì)
完成本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種低電壓16個微電解室平行的氣液導(dǎo)流電解制氫裝置，裝置采取耐高溫和強(qiáng)腐蝕的PP材料封裝成一個整體的發(fā)生器，將發(fā)生器浸泡到電解液中，是一種安全高效漏電流極低的新型制氫技術(shù)。其設(shè)計(jì)規(guī)格為：
a、槽間距設(shè)計(jì)為2mm，且為15個微電解室平行組合，用耐高溫和強(qiáng)腐蝕的PP材料整體封裝，體積小，漏電流少，效率高。
b、每個微電解室均有多個直徑1.2mm導(dǎo)流孔，即電解過程中，利用電解槽上端的液體壓力和氣體壓力低于電解槽下端的液體壓力和氣體壓力，形成一個上下定向?qū)Я鞯碾娊猸h(huán)境，電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣從上端流出電解室，利用壓差從下端即時補(bǔ)充電解液。減少由于氣體在電解室滯留的時間和量，達(dá)到減少電解室氣阻，充分利用極板的電解面積以提高電解效率和減少電解室的自耗能。
c.采用高分子PP材料，提高產(chǎn)品耐用性，安全性，降低了產(chǎn)品質(zhì)量與體積
d.采用了模塊化，封裝式設(shè)計(jì)，提高使用壽命，降低維護(hù)成本。技術(shù)路線
2.對液封防回火模塊與散熱除水模塊進(jìn)行的設(shè)計(jì)
防回火器是水氫氣體發(fā)生設(shè)備中最重要的安全模塊之一，眾所周知，水氫氣體熱值高，易燃燒。而防回火器的作用則是在燃燒器前段發(fā)生回火情況之后起到阻隔火焰，防止損壞發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝置。防回火器需要具有較低的氣體阻力，極高的耐壓強(qiáng)度以應(yīng)對回火情況與良好，散熱性能防止機(jī)器過熱并且要有極佳的耐腐蝕能力以防止堿型霧氣與液體對設(shè)備的腐蝕。
a.液封防回火模塊計(jì)劃采用同軸多層液封防回火器設(shè)計(jì)，采用緊湊的設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化
b.防回火器計(jì)劃采用奧氏體不銹鋼為主體材料，在保障耐壓強(qiáng)度的同時提供極佳的耐腐蝕能力。從而防止回火對機(jī)體的損耗。
c.計(jì)劃采用多級物理泄壓與電子傳感器相結(jié)合，在壓力超標(biāo)后自動停止產(chǎn)氣進(jìn)程。配合多級物理泄壓閥從而100%的保障機(jī)器安全。
d.采用液體作用阻火材料，更好的降低了內(nèi)部的氣體阻力。并且利用液體的大比熱容，防止過熱的情況出現(xiàn)。并且可以進(jìn)一步的對氣體進(jìn)行凈化，提高氣體純度。
選取合適的電解電源
電解電源的選取將會極大的影響水氫發(fā)生器的能量轉(zhuǎn)化效率，現(xiàn)在市面上多采用可控硅（大型產(chǎn)氫設(shè)備）或者使用鉛酸電池（HHO DRY CELL）直流供電?？煽毓璩杀据^為低廉，但是發(fā)熱巨大體積巨大。而鉛酸電池功率底下。在試驗(yàn)中我們采用了500W的開關(guān)電源，但是也存在發(fā)熱與功率不足的情況。在實(shí)際制造中我們計(jì)劃采用IGBT電源，提供穩(wěn)定的低壓大電流輸出。并且IGBT電源發(fā)熱小，體積小，操作穩(wěn)定。
第二階段，第5-7個月，完成人機(jī)交互界面與控制系統(tǒng)的編寫，安裝與調(diào)試
人機(jī)交互界面和控制系統(tǒng)是該設(shè)備投入實(shí)際應(yīng)用時的關(guān)鍵所在。良好的，人性化的人機(jī)交互系統(tǒng)可以為操作者提供良好的操作體驗(yàn)。而可靠的控制系統(tǒng)可以保障機(jī)器的穩(wěn)定運(yùn)行。
在人機(jī)交互計(jì)劃采用mcgsTpc人機(jī)交互界面大屏幕LCD彩色觸摸屏，監(jiān)測系統(tǒng)由MCGS（HMI）軟件組態(tài)，用于監(jiān)控除碳的系統(tǒng)運(yùn)行過程（汽油車除碳，柴油車除碳）。裝有MCGS通用版系統(tǒng)軟件，7寸的HMI畫面，可實(shí)時監(jiān)控負(fù)壓信號、發(fā)生器壓力、發(fā)生器液位、副水箱液位及各種變量的變化，系統(tǒng)有幾個畫面組成：系統(tǒng)總覽畫面、汽油車除碳主操作畫面、柴油車除碳主操作畫面、故障查詢畫面（包括車輛未準(zhǔn)備好、發(fā)生器壓力高、副水箱液位低、泵已停止運(yùn)行、發(fā)生器液位低）、在線技術(shù)查詢畫面、計(jì)數(shù)查詢畫面，使操作員方便的監(jiān)控除碳系統(tǒng)的運(yùn)行。
畫面主要功能有：
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畫面同步功能
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HMI畫面同步顯示的負(fù)壓信號、發(fā)生器壓力、發(fā)生器液位、副水箱液位、除碳劑量，保持畫面與控件實(shí)時同步，方便操作人員監(jiān)視。
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除碳時間控制
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在人工操作狀態(tài)下，操作員通過mcgsTpc鍵入所需的除碳時間，點(diǎn)擊啟動鍵除碳機(jī)即可自動運(yùn)行，到達(dá)所預(yù)定的時間自動停止運(yùn)行。
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故障查詢功能
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操作人員觀察到頁面指示燈報警功能，通過故障查詢按鈕即可查詢到相應(yīng)解決方法，從而達(dá)到排除故障。
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在線技術(shù)查詢功能
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故障查詢里提供的方法不能解決問題時，可以通過撥打電話獲得在線技術(shù)幫助。
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頁面等級控制功能
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查詢次數(shù)按鈕受等級控制，等級不足要求輸入密碼登錄，設(shè)置按鈕可以設(shè)置各等級密碼，但需要最高權(quán)限密碼才能進(jìn)入。
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mcgsTpc在與除碳裝置進(jìn)行通訊設(shè)計(jì)
我們的操作系統(tǒng)將不僅能夠?qū)崿F(xiàn)除碳車輛、除碳時間、電壓、密碼等級的設(shè)置、監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理功能。還能通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的通訊功能。如圖所示
圖1 除碳的遠(yuǎn)程控制
通過上位機(jī)與下位機(jī)局域網(wǎng)地址連接，使用標(biāo)準(zhǔn)RUT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的局域網(wǎng)控制，讓我們可以對各個除碳機(jī)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控作用。真正實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)與mcgsTpc觸摸屏的完美結(jié)合。
第三階段，第10-12個月，對水氫氣體在發(fā)動機(jī)節(jié)能減排效果上測試
在第三個階段，我們將會對水氫氣體在發(fā)動機(jī)節(jié)能減排效果上的測試。測試將會分為三部分：1.驗(yàn)證水氫燃料對發(fā)動機(jī)的節(jié)能減排效果2.找出水氫燃料混合燃燒的最優(yōu)組合。
內(nèi)燃機(jī)中，汽油機(jī)和柴油機(jī)是最受到廣泛應(yīng)用的兩類。而小排量汽油機(jī)與柴油機(jī)都因?yàn)槠鋹毫拥呐欧徘闆r而飽受詬病。
在我們的測試當(dāng)中，我們計(jì)劃分別采用一臺125CC的錢江牌小型汽油發(fā)動機(jī)與常州ZS1100型15馬力柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)行測試。
因?yàn)樗畾錃怏w節(jié)能減排是通過HHO與燃料的混合燃燒從而達(dá)到改良發(fā)動機(jī)工況的目的。所以如果要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行測試的前提條件就是發(fā)動機(jī)中要有一定程度的積碳。為了保障試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，我們將會采用人工堵塞排氣管，長期高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速運(yùn)作的方式。產(chǎn)生一定量的發(fā)動機(jī)積碳從而進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)。
計(jì)劃測試參數(shù)：CO HC NO 煙度
第四階段，第13-14個月數(shù)據(jù)采集，論文撰寫與對設(shè)備進(jìn)行改良
論文的撰寫，水氫氣體發(fā)生設(shè)備的改良都少不了數(shù)據(jù)的收集與支持。在第四階段，我們計(jì)劃和企業(yè)合作，將氫能源發(fā)動機(jī)投入市場。通過在市場中的應(yīng)用從而實(shí)現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的采集。并且對機(jī)器的穩(wěn)定性與實(shí)用性進(jìn)行測試。從而根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)對操作流程進(jìn)行改良。并根據(jù)實(shí)用者反饋的意見與實(shí)際出現(xiàn)的問題對機(jī)器進(jìn)行改良。
并且組織相關(guān)材料，收集數(shù)據(jù)對論文進(jìn)行撰寫。
技術(shù)路線示意圖
技術(shù)路線分析
除碳需求分析：通過在線的背景調(diào)查，資料采集與理論采集，結(jié)合數(shù)學(xué)建模對發(fā)動機(jī)內(nèi)部的氣體擴(kuò)散燃燒模型與積碳的分解過程進(jìn)行分析，得到發(fā)動機(jī)除碳過程對水氫氣體的需求。
數(shù)學(xué)模型理論分析：建立數(shù)學(xué)模型，從原理上分析影響水氫氣體發(fā)生器產(chǎn)氣效率的因素，并提出切實(shí)可行的方法以提高產(chǎn)氣效率。依據(jù)提出的改進(jìn)方法，設(shè)計(jì)并且建立可行的水氫氣體發(fā)生器產(chǎn)氣模型
軟件仿真分析： 采用建模軟件與可視化分析軟件，對水氫氣體的發(fā)生過程進(jìn)模擬和分析。
水氫氣體發(fā)生器部分：依據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算、仿真分析、試驗(yàn)結(jié)果反饋進(jìn)行結(jié)構(gòu)的多次調(diào)整，使其達(dá)到最佳效果，以滿足需求。
穩(wěn)壓控制部分：通過組合分析和對功率、散熱、質(zhì)量、與體積等實(shí)際需求選取合適的直流穩(wěn)壓電源。
安全保護(hù)部分：依據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算、仿真分析、試驗(yàn)結(jié)果反饋進(jìn)行結(jié)構(gòu)的多次調(diào)整，使其達(dá)到最佳效果，以滿足需求。
自動化控制部分：運(yùn)用PLC技術(shù)，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的工作過程。最終實(shí)現(xiàn)整個機(jī)器工作的全自動
人機(jī)操控界面部分：通過觸摸屏顯示操縱按鈕、位指示燈、數(shù)值顯示從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)器的操控、監(jiān)視。
小型水氫氣體節(jié)能減排設(shè)備整機(jī)裝置：通過反復(fù)試驗(yàn)以及多次調(diào)整之后，得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)與發(fā)動機(jī)的組合連接部分，能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的效果。
試驗(yàn)平臺：試驗(yàn)平臺為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)提供實(shí)驗(yàn)保障，測得相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析反饋 給設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)以及理論分析。
預(yù)期成果
1.制作一臺氫能源節(jié)能減排裝置樣機(jī)。
2.發(fā)表一篇關(guān)于氫能源除碳在內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排技術(shù)上的應(yīng)用的的論文到國內(nèi)重點(diǎn)期刊。
3.爭取申請關(guān)于水氫氣體發(fā)生器的發(fā)明或?qū)嵱眯滦蛯＠?件。
年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）
2018年4-7月 完成設(shè)備設(shè)計(jì)制造
2018年8-11月 完成人機(jī)交互界面與控制系統(tǒng)的編寫，安裝與調(diào)試
2018年12-19.1月對水氫氣體在發(fā)動機(jī)節(jié)能減排效果上測試
2019年2-4論文撰寫與對設(shè)備進(jìn)行改良
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指導(dǎo)教師意見：
本項(xiàng)目具備新穎性、創(chuàng)造性、實(shí)用性，能夠通過一定的技術(shù)能力完成，設(shè)計(jì)利用MCGS智能化操作平臺，開發(fā)周期短、適用范圍廣、開發(fā)工具先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)水氫氣體在汽車節(jié)能減排，選題好。
簽字： 日期：
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