湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃
項 目 申 報 表
項目名稱:
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學校名稱
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長沙理工大學
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學生姓名
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學 號
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專 業
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性 別
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入 學 年 份
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曾奕安
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201526060225
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建筑環境與能源應用工程
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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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建筑環境與能源應用工程
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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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建筑環境與能源應用工程
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男
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2015年
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指導教師
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李 平
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職稱
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高級實驗師
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王 磊
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職稱
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工程師
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項目所屬
一級學科
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電子科學與技術
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項目科類(理科/文科)
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理科
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學生曾經參與科研的情況
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習。鍛煉了動手能力與溝通能力。有一定的競賽經驗，2017參加九華杯創新創業大賽，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：扎實的理論基礎，獲得班級三好學生以及學院二等獎學金參加過“物電杯”，獲得三等獎，有一定的競賽經驗。
趙威：競賽經驗豐富，獲得“電苑杯”三等獎和“物電杯”三等獎專業基礎扎實有著良好的編程設計能力與動手能力可以勝任控制系統的設計。
覃朱粲：曾獲得陽光藝術團二等獎，墨浪杯二等獎。擁有良好的外觀設計水平。獲得了國家CAD證書，可以勝任工程繪圖的任務。并且善于溝通和合作交流，曾擔任陽光藝術團市場部部長。
劉聰聰： 在校期間成績較為優秀，專業基礎課較為扎實，曾獲得專業獎學金二等獎；專業獎學金三等獎；獲三好學生獎……本人也于2016-2017年度在賽伯睿機器公司實習一年，圓滿結束。現已順利通過國家級計算機二級，CAD證書考試，能夠較為熟練的運用作圖軟件作圖，實踐能力較強。
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指導教師承擔科研課題情況
2017年指導全國大學生電子設計競賽湖南賽區 易飛帆、盧琳汶、王思成 獲國家級二等獎，湖南省一等獎; 2016年指導湖南省大學生電子設計競賽 林徐鑌、黨彤飛、曾思哲獲湖南省一等獎；
2017年指導校級大學生研究性學習和創新性實驗計劃《基于wifi的宿舍監測與防護系統》—張浩鋒、龔杰等立項與結題；2016年指導校級大學生研究性學習和創新性實驗計劃 《公交車到站自動報站系統PCB》-楊牧樂等結題。
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項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題
研究目的
隨著我國機動車保有量的持續增加，機動車的節能減排，綠色出行成為了社會，企業與國家的重關注領域。許多理論指出增長的對大氣的尾氣排放導致了全球變暖。內燃機經過長期運行后，發動機內部所產生的積碳，就會導致發動機尾氣排放不達標，油耗急劇增加，怠速不穩。而如何高效環保的去除發動機積碳就成為了當前的熱點問題。
實驗證明水氫氣體通入內燃機的混合燃燒可以有效的去除積碳，減少排放，降低油耗。但是現有的產氫設備能耗高，效率低，體積大并且成本居高不下，無法進行商業性的推廣。所以，本項目擬設計一種高效節能的產氫設備。并且對節能減排效果進行定量測定。從而達到將水氫氣體除碳廣泛使用，降低機動車排放，減少能源消耗的效果。為人類創造一個綠色美好的未來。）
研究內容
本項目擬設計一種水氫能源內燃機除碳減排設備并測試其除碳減排效果
設計一種穩定高效生成水氫氣體的水氫氣體發生設備。將水氫氣體通入內燃機從而達到去除積碳，節能減排的效果
本項目通過對發動機除碳的理論分析結合水氫氣體與汽柴油在燃燒室的混合燃燒的過程與結果進行數據采集和理論分析，與大電流第電壓直流狀態下堿性水溶液的電解的實驗與理論分析。試制一種用于改良內燃機運行工況，提高燃燒效率降低廢氣排放的水氫節能減排設備。項目的主要研究內容如下。
發動機除碳的理論分析：通過在線的背景調查，資料采集與理論采集，結合數學建模對發動機內部的氣體擴散燃燒模型與積碳的分解過程進行分析，得到發動機除碳過程對水氫氣體的需求。并且設計進一步的線下實驗。
水氫氣體與汽柴油在燃燒室的混合燃燒的數據采集與理論分析：通過廢氣檢測儀，工業內窺鏡，紅外測溫儀在實驗中對混合燃燒進行數據采集。并結合實測實驗數據以及軟件仿真分析結果，優化氣體輸入劑量和處理時間等實驗參數。從而對水氫發生器的設計標準做出指導
水氫氣體發生器的理論分析：通過在線資料查詢分析現有資料。通過數學工具，從理論上分析水氫氣體發生器對堿性水溶液的電解以及產氣過程，為裝置設計以及樣機試制做指導；
水氫氣體發生器的結構的設計：在綜合理論分析之后，對提出的小型水氫節能減排設備中發生器部分進行設計以及試制。對發生器的
水氫氣體與汽柴油在燃燒室的混合燃燒的數據采集與理論分析：通過廢氣檢測儀，工業內窺鏡，紅外測溫儀在實驗中對混合燃燒進行數據采集。并結合實測實驗數據以及軟件仿真分析結果，優化結構參數；
對電子控制部分進行設計：根據水氫氣體發生器的結構以及樣機對電子控制部分進行設計，試制，使其符合實際使用要求。
要解決的主要問題
水氫氣體發生器是小型水氫節能減排設備最核心的部分，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，發生器的關鍵技術是需要最大程度的利用電能安全高效的產生水氫氣體。擬解決主要問題如下：
1. 現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. 化學腐蝕除碳藥劑具有腐蝕性與毒性，產生的酸霧與廢液對環境和使用者健康有極大危害
3.現有水氫氣體產氣設備耗能大，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.現有水氫氣體產氣設備缺乏直觀化人機交互界面與智能控制系統，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，無法進一步提高除碳效率，增強除碳效果
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國內外研究現狀和發展動態
國內外研究現狀與發展動態：
隨著我國機動車保有量的持續增加，機動車的節能減排，綠色出行成為了社會，企業與國家的重關注領域。許多理論指出增長的對大氣的尾氣排放導致了全球變暖。[1]在機動車排放標準不斷提高的大趨勢下，保有量巨大的低排放標準的機動車在尾氣排放的污染中占了相當的一部分。如何對使用年限長的這些低排放標準，國三，國二甚至黃標車進行節能減排成為了我們所面臨的難題。
積碳對發動機的影響
汽油發動機運行3萬千米后(或24個月之后)就會出現積碳現象。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、發抖甚至收油熄火、尾氣排放超標等問題。[2]并且提高燃燒效率也就相應的減少了燃料消耗。所以，改良發動機運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[12]在單缸直噴汽油機上對積碳噴油器的研究表明，積碳噴油器造成的碳氫排放比清凈噴油器高10%～15%， 改良發動機工況，最直接的辦法就是恢復發動機原有結構與燃燒環境或者提高燃油品質。在此情況下有學者提出通過加入燃油添加劑的方式改良燃油品質。但是其效果有限，降低油耗提高動力程度十分有限。因此，恢復發動機原有結構和燃燒環境成為了機動車節能減排的重要途徑。
去除積碳的方法
為了去除積碳，恢復工況，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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拆機清洗法
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對發動機進行拆卸分解或部分分解，再對發動機的進氣通道，節氣門、 氣門、燃燒室、噴油器等部件進行物理積碳清洗
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效果明顯
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人力成本高昂，需要費工費時進行安裝
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對發動機產生磨損，損壞密封
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藥液清洗（俗稱打吊瓶）
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通過化學作用溶解 表面的雜質來清除
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效果不可視，不明顯
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操作時間長，產生有毒有害污染物
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腐蝕發動機構件，如缸壁等，導致密封損壞
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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物以及發動機積碳等物質
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效果很不明顯
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成本較低
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腐蝕發動機構件，如缸壁等，導致密封損壞
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超聲波清碳技術
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清洗機供給原車供油系統，并給發動機 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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腐蝕發動機構件，如缸壁等，導致密封損壞
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水氫除碳技術
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運用水氫氣的氫催化原 理、富氧燃燒原理及水氫循環原理等特性進行積碳的清除
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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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而我們創新提出的水氫機動車減排技術，則是基于水氫氣體發生器對水的電解從而生產水氫氣。在其與燃料混合燃燒過程中，改良發動機燃燒環境與條件。從而達到去除積碳和減少廢氣排放的效果。根據哈爾濱工業大學[13] 對水氫氣體除碳的研究，水氫除碳在現有的測試中有著良好的表現，其研究表明其除碳效果也較明顯，能讓發動機恢復動力降低油耗 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車的發動機（車輛里程：78 088 km）的積碳清洗前后的數據。
水氫氣體與摻氫燃料對發動機除碳減排的效果
早在60年代，由Bockris JO’MA發表的文章中就對燃料電池式氣體發生器進行了構想。而在2010年由Al-Rousan等進行的兩項研究表明，水氫(水氫)氣體混合燃料在節能和燃料消耗方面的改進。[3] [4]
2011年，約旦的Mutah University 的機械工程部門就對水氫氣體在HONDAG200 (197CC單缸)中對燃燒排放產生的影響進行了實驗。研究裝置如圖1所示，其通過氣體發生器產（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]。并且對轉速、發動機溫度、熱效率和具體的燃料消耗等參數進行了記錄。
圖1 水氫氣體產生器照片和示意圖
圖2 實驗系統示意圖
圖3 發動機參數表
文章中指出，通過水氫氣體對發動機的處理[5]:水氫cell和發動機可以簡便高效方式整合在一起。 用水氫氣體引入空氣/燃料混合物對發動機時，燃燒效率得到了提高，從而降低了燃料消耗。 使用水氫氣體對發動機進行處理后，氮氧化物的濃度平均降低到接近50％。 使用水氫氣體對發動機進行處理后，一氧化碳的平均濃度已經降低到使用空氣/燃料混合物的情況下的近20％（無水氫）。 OX平均濃度已經降低到沒有發加入到發動機時的情況下的約54％。 C濃度受發動機轉速和對發動機進行處理時間與水氫濃度的高度影響。現有的對小型水氫氣體發生器的研究是現有的小型水氫氣體發生器產氣量小，氣量不穩定，在2010年由Al-Rousan進行的研究中，水氫 FC產氣量僅有18.3~19.4L/h[4]，而在2011年，Mutah University的實驗中自行設計的水氫 FC達到了23.5~23.8L/h[5]。其采用的Honda G 200引擎（數據見圖3）排量小，功率低，對氣量要求較低，無安全維護裝置。故其發生器無法推廣到大中型內燃機中使用。
而采用電解產氫設備對其進行替代時，其能耗過高，經濟效益低下。并且體積巨大無法達到除碳過程對發生器的需求。1996年，法國的sagim公司推出的MP-BP500-7型發生器，一小時能生產500L左右的氫氣。但是，其產品體積巨大，無法應用在汽車減排中。[7]。而現在市面上的電解產氫設備產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相當于2.38Kw*h與水氫氣體的實際燃燒熱值相對比，其在電解過程中就產生了40%-65%的能量損耗。經過調查，我們選取了市面上的幾種常用的電解產氫設備進行調查。
生產廠家
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型號
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產氣量(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[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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阿海琺純水制氫設備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，產氣量高，輸出穩定的水氫氣體發生器成為了我們研究的主要問題。在2010年亢彪,王志忠,常學斌研發的便攜式電解水水氫發生器，相對于傳統產品，通過對對美國 Vicor 公司和日本 Lambda 公司生產的 VI-200 系列和 PH 系列 DC-DC 變換模塊的應用，降低了發生器的質量與體積提高了便攜性。但是，其產氣量僅僅有80L/h。[8]
本項目擬在目前已有的研究基礎上，設計一種新型的高效率水氫氣體發生器，并且通過軟件分析以及實驗的方法獲取裝置相關參數，并進行再次優化設計。然后基于設計的水氫氣體發生器，通過產生的水氫氣體改良發動機燃燒環境與運行工況。從而達到節能減排的效果。
參考文獻
[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]. 新型電解氫發生器MP－BP500－7[J]. 中國科技產業,1996,(07):62.
[8]亢彪,王志忠,常學斌. Vicor模塊在便攜式電解水水氫發生器電源上的應用[J]. 兵器材料科學與工程,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.新型氫氧除碳機關鍵技術的研究[D].哈爾濱：哈爾 濱工業大學，2014.
本項目學生有關的研究積累和已取得的成績
1.設計并制造了試驗水氫氣體發生器
2.對操作界面進行了繪制并對操作功能進行了設計
做了相關水氫氣體在發動機除碳節能減排的研究和探索；
做了相關結構設計對水氫氣體發生器的研究和探索；
對水氫氣體發生器進行了性能測試
獲得九華杯創新創業大賽三等獎
獲得發生器結構實驗新型發明專利一項
試制試驗發生器
課題成員通過工廠調研，國內外文獻查詢，對內燃機燃料的相關助燃減排技術進行了初步的總結，并且根據燃料的種類和內燃機不同工況下的燃燒效率和排放指標進行了大量的數據分析，針對目前內燃機的由于燃燒環境引起的效率低下和排放超標的問題，以及通過燃料加氫原理，改善燃油的燃燒環境來解決燃油效率和降低排放進行了大量的文獻調研。同時對本項目進行了預研，并且提出了初步的設想和解決方案。
本項目預研的試驗型小型水氫氣體發生器采用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生器。
發生器材料：作為絕緣基材，規格為100*100*2 的TC4鈦板材作為電解極板，BVR 70M2電纜作為連線材料。
發生器設計：槽間距設計為3mm，且為11個微電解室平行組合。
電源選擇：采用了480W數顯開關電源，0至24V20A可調
 
發生器組合圖 480W數顯開關電源
對水氫氣體發生器進行了性能測試
試驗設計圖
在完成對試驗型水氫氣體發生器的設計與試制之后，我小組同學對其的各個參數進行了測定。采用數字萬用表對和數顯可調開關電源對其電解電壓與電流進行了檢測，采用排水法對產氣量進行測量
在本次試驗中，試驗機最大產氣量為562L/h，最小產氣量為100L/h, 在100L/h時單位氣體耗能最少僅需2.70千瓦時即可產1立方水氫氣體，僅為市面上最小功耗的70%。在產氣量為562L/h時耗能最大，需3.44千瓦時可產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型機器，試驗機可以達到節能60.4%的效果。
對操作界面進行了繪制并對操作功能進行的設計
主界面設計
操作界面設計
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項目的創新點和特色
本項目通過對小型氫能源節能減排設備的設計，通過水氫發生器產生水氫氣體，通入發動機中混合燃燒，從而達到節能減排的效果。
1.除積碳效率高成本低
采用拆機物理清洗的除碳方式對工人的技術要求高，并且會破壞發動機的完整性。而采用水氫氣體除積碳，操作簡單只需要將供氣管與進氣歧管相連接，點擊屏幕按鈕啟動，設備即會自動進行除碳進程。并且可以從界面上直觀的了解到運行進程。工人經過簡單培訓即可上崗，無需維護。相比人工拆機除碳需要10個工時，水氫氣體除碳進程僅需15分鐘。并且開始后無需人工干預。理論運行成本僅需2元
2.環保安全無危害
使用化學藥劑腐蝕除碳，會對發動機氣缸壁產生腐蝕，破壞氣密性，甚至會導致發動機拉缸等徹底性的損壞。并且化學藥劑產生的酸霧會對使用者的呼吸道產生極大的刺激，的廢液會產生化學沾染，污染環境。對生態環境與操作者的健康產生了極大的威脅。水氫氣體除碳過程中，只會產生無毒無味的水氫氣體和水蒸氣，對環境和人體沒有任何損害。實現了資源節約型，環境友好型除碳
3.高效水氫氣體發生器
采用了氣液對流通道的設計從而減少了在極板上附著的氣泡與發生器頂端聚集的氣體，加快了電解液的流動補充速度與有效電解面積。大大提高了電解效率，和現有的水氫氣體發生器相比可以用更小的電解極板面積達到更高的產氣效率
因為極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一步縮小為2mm,其板間的電阻將會降低到市面現有設備內阻的20%-10%，測試試驗機板件內阻的70%左右。大大降低了因為電解液內阻而產生的熱能消耗。
采用高分子PP板材進行封裝處理，使各個極板之間除了電解液部分達到完全絕緣，大大降低了漏電流，防止了漏電流產生的發生器的發熱與電能消耗。
4.直觀智能的人機交互平臺與控制系統
與傳統的模擬式按鈕式操作不同。本項目設計應用的MCGS智能化操作平臺，顯示直觀明了。采用了和PC機相似的操作模式，上手快。任何人經過數分鐘的簡單學習即可完全掌握。
智能化的控制系統，可以高效率的對水氫發生設備進行控制。可以一鍵運行，自動除碳，無需任何人工干預。極大的提高了效率，降低了人工成本。并且實時采集數據，對除碳參數進行自動反饋設置，同時以圖形化的方式在交互平臺上進行顯示。
完善的安全系統，設備出現任何問題都將自動報警，進入安全模式。并且實時在交互平臺上為操作者提供解決建議。出現異常情況時，采用蜂窩數據網絡發送數據到廠家數據中心，從而讓售后工程師提供在線支持
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項目的技術路線及預期成果
第一階段，第0-4個月，完善設備設計制造，
本項目計劃設計制造的水氫氣體發生器主要分為四個模塊，水氫氣體發生器，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試制的水氫氣體發生器進行完善，和已經初步設計的液封防回火模塊與散熱除水模塊進行設計與制造，并且選取合適的電解電源。
1.對發生器的設計
完成本項目設計了一種低電壓16個微電解室平行的氣液導流電解制氫裝置，裝置采取耐高溫和強腐蝕的PP材料封裝成一個整體的發生器，將發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。其設計規格為：
a、槽間距設計為2mm，且為15個微電解室平行組合，用耐高溫和強腐蝕的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，形成一個上下定向導流的電解環境，電解產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充電解液。減少由于氣體在電解室滯留的時間和量，達到減少電解室氣阻，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，提高產品耐用性，安全性，降低了產品質量與體積
d.采用了模塊化，封裝式設計，提高使用壽命，降低維護成本。技術路線
2.對液封防回火模塊與散熱除水模塊進行的設計
防回火器是水氫氣體發生設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生回火情況之后起到阻隔火焰，防止損壞發生器內部結構的裝置。防回火器需要具有較低的氣體阻力，極高的耐壓強度以應對回火情況與良好，散熱性能防止機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備的腐蝕。
a.液封防回火模塊計劃采用同軸多層液封防回火器設計，采用緊湊的設計從而實現設備的小型化
b.防回火器計劃采用奧氏體不銹鋼為主體材料，在保障耐壓強度的同時提供極佳的耐腐蝕能力。從而防止回火對機體的損耗。
c.計劃采用多級物理泄壓與電子傳感器相結合，在壓力超標后自動停止產氣進程。配合多級物理泄壓閥從而100%的保障機器安全。
d.采用液體作用阻火材料，更好的降低了內部的氣體阻力。并且利用液體的大比熱容，防止過熱的情況出現。并且可以進一步的對氣體進行凈化，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生器的能量轉化效率，現在市面上多采用可控硅（大型產氫設備）或者使用鉛酸電池（HHO DRY CELL）直流供電。可控硅成本較為低廉，但是發熱巨大體積巨大。而鉛酸電池功率底下。在試驗中我們采用了500W的開關電源，但是也存在發熱與功率不足的情況。在實際制造中我們計劃采用IGBT電源，提供穩定的低壓大電流輸出。并且IGBT電源發熱小，體積小，操作穩定。
第二階段，第5-7個月，完成人機交互界面與控制系統的編寫，安裝與調試
人機交互界面和控制系統是該設備投入實際應用時的關鍵所在。良好的，人性化的人機交互系統可以為操作者提供良好的操作體驗。而可靠的控制系統可以保障機器的穩定運行。
在人機交互計劃采用mcgsTpc人機交互界面大屏幕LCD彩色觸摸屏，監測系統由MCGS（HMI）軟件組態，用于監控除碳的系統運行過程（汽油車除碳，柴油車除碳）。裝有MCGS通用版系統軟件，7寸的HMI畫面，可實時監控負壓信號、發生器壓力、發生器液位、副水箱液位及各種變量的變化，系統有幾個畫面組成：系統總覽畫面、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（包括車輛未準備好、發生器壓力高、副水箱液位低、泵已停止運行、發生器液位低）、在線技術查詢畫面、計數查詢畫面，使操作員方便的監控除碳系統的運行。
畫面主要功能有：
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畫面同步功能
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HMI畫面同步顯示的負壓信號、發生器壓力、發生器液位、副水箱液位、除碳劑量，保持畫面與控件實時同步，方便操作人員監視。
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除碳時間控制
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在人工操作狀態下，操作員通過mcgsTpc鍵入所需的除碳時間，點擊啟動鍵除碳機即可自動運行，到達所預定的時間自動停止運行。
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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解決方法，從而達到排除故障。
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在線技術查詢功能
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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幫助。
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頁面等級控制功能
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查詢次數按鈕受等級控制，等級不足要求輸入密碼登錄，設置按鈕可以設置各等級密碼，但需要最高權限密碼才能進入。
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mcgsTpc在與除碳裝置進行通訊設計
我們的操作系統將不僅能夠實現除碳車輛、除碳時間、電壓、密碼等級的設置、監控和數據處理功能。還能通過局域網實現強大的通訊功能。如圖所示
圖1 除碳的遠程控制
通過上位機與下位機局域網地址連接，使用標準RUT數據轉發驅動，可以實現跨區域的局域網控制，讓我們可以對各個除碳機進行實時的監控作用。真正實現智能系統與mcgsTpc觸摸屏的完美結合。
第三階段，第10-12個月，對水氫氣體在發動機節能減排效果上測試
在第三個階段，我們將會對水氫氣體在發動機節能減排效果上的測試。測試將會分為三部分：1.驗證水氫燃料對發動機的節能減排效果2.找出水氫燃料混合燃燒的最優組合。
內燃機中，汽油機和柴油機是最受到廣泛應用的兩類。而小排量汽油機與柴油機都因為其惡劣的排放情況而飽受詬病。
在我們的測試當中，我們計劃分別采用一臺125CC的錢江牌小型汽油發動機與常州ZS1100型15馬力柴油發動機進行測試。
因為水氫氣體節能減排是通過HHO與燃料的混合燃燒從而達到改良發動機工況的目的。所以如果要對發動機進行測試的前提條件就是發動機中要有一定程度的積碳。為了保障試驗的準確性，我們將會采用人工堵塞排氣管，長期高負荷低轉速運作的方式。產生一定量的發動機積碳從而進行定量實驗。
計劃測試參數：CO HC NO 煙度
第四階段，第13-14個月數據采集，論文撰寫與對設備進行改良
論文的撰寫，水氫氣體發生設備的改良都少不了數據的收集與支持。在第四階段，我們計劃和企業合作，將氫能源發動機投入市場。通過在市場中的應用從而實現對大量數據的采集。并且對機器的穩定性與實用性進行測試。從而根據反饋的數據對操作流程進行改良。并根據實用者反饋的意見與實際出現的問題對機器進行改良。
并且組織相關材料，收集數據對論文進行撰寫。
技術路線示意圖
技術路線分析
除碳需求分析：通過在線的背景調查，資料采集與理論采集，結合數學建模對發動機內部的氣體擴散燃燒模型與積碳的分解過程進行分析，得到發動機除碳過程對水氫氣體的需求。
數學模型理論分析：建立數學模型，從原理上分析影響水氫氣體發生器產氣效率的因素，并提出切實可行的方法以提高產氣效率。依據提出的改進方法，設計并且建立可行的水氫氣體發生器產氣模型
軟件仿真分析： 采用建模軟件與可視化分析軟件，對水氫氣體的發生過程進模擬和分析。
水氫氣體發生器部分：依據數學計算、仿真分析、試驗結果反饋進行結構的多次調整，使其達到最佳效果，以滿足需求。
穩壓控制部分：通過組合分析和對功率、散熱、質量、與體積等實際需求選取合適的直流穩壓電源。
安全保護部分：依據數學計算、仿真分析、試驗結果反饋進行結構的多次調整，使其達到最佳效果，以滿足需求。
自動化控制部分：運用PLC技術，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的工作過程。最終實現整個機器工作的全自動
人機操控界面部分：通過觸摸屏顯示操縱按鈕、位指示燈、數值顯示從而實現對機器的操控、監視。
小型水氫氣體節能減排設備整機裝置：通過反復試驗以及多次調整之后，得到優化結構，并設計與發動機的組合連接部分，能夠達到實際應用的效果。
試驗平臺：試驗平臺為實驗樣機提供實驗保障，測得相關數據并進行分析反饋 給設計環節以及理論分析。
預期成果
1.制作一臺氫能源節能減排裝置樣機。
2.發表一篇關于氫能源除碳在內燃機節能減排技術上的應用的的論文到國內重點期刊。
3.爭取申請關于水氫氣體發生器的發明或實用新型專利1件。
年度目標和工作內容（分年度寫）
2018年4-7月 完成設備設計制造
2018年8-11月 完成人機交互界面與控制系統的編寫，安裝與調試
2018年12-19.1月對水氫氣體在發動機節能減排效果上測試
2019年2-4論文撰寫與對設備進行改良
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指導教師意見：
本項目具備新穎性、創造性、實用性，能夠通過一定的技術能力完成，設計利用MCGS智能化操作平臺，開發周期短、適用范圍廣、開發工具先進等優點來實現水氫氣體在汽車節能減排，選題好。
簽字： 日期：
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