Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ hybrid biogas-xăng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:172

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ "Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ hybrid biogas-xăng" trình bày các nội dung chính sau: Cơ sở lý thuyết quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ đốt trong; Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng; Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ hybrid biogas-xăng

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là luận án nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Đà Nẵng, tháng 11 năm 2021 Nghiên cứu sinh Võ Anh Vũ i
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................i MỤC LỤC ................................................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..............................................................................v DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................x DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT...................................................................xi MỞ ĐẦU ......................................................................................................................6 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .....................................................................6 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................8 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................................8 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................10 5. Cấu trúc của luận án .............................................................................................10 6. Đóng góp mới của luận án ....................................................................................10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................11 1.1. Sự cần thiết của việc sử dụng năng lượng tái tạo [1] ......................................11 1.2. Nhiên liệu sinh học [66] ......................................................................................15 1.2.1. Các thế hệ nhiên liệu sinh học ................................................................15 1.2.2. Biogas .....................................................................................................16 1.3. Động cơ biogas [1] ..............................................................................................23 1.3.1. Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ xăng ......23 1.3.2. Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ diesel.....25 1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng động cơ biogas thế giới và Việt Nam .........28 1.4.1. Các công trình nghiên cứu ứng dụng động cơ biogas trên thế giới .......28 1.4.2. Các công trình nghiên cứu phát triển động cơ biogas ở Việt Nam .......31 1.5. Kết luận ...............................................................................................................36 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ............................................................31 2.1. Hệ phương trình cơ bản .....................................................................................31 2.1.1. Các phương trình tổng quát ....................................................................31 2.1.2. Phân tích Reynolds .................................................................................31 2.1.3. Trung bình kiểu Favre ............................................................................32 2.1.4. Khép kín của hệ phương trình ................................................................33 2.2. Mô hình cháy không đồng nhất ........................................................................36 ii
2.2.1. Các mô hình cháy không đồng nhất .......................................................36 2.2.2. Mô hình cháy không đồng nhất thông qua đại lượng bảo toàn ..............38 2.3. Mô hình cháy hỗn hợp đồng nhất .....................................................................42 2.3.1. Thiết lập hệ phương trình cháy ..............................................................42 2.3.2. Lan tràn màng lửa...................................................................................47 2.4. Mô hình cháy đồng nhất cục bộ ........................................................................51 2.5. Kết luận ...............................................................................................................53 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS/XĂNG.........................................................................................................54 3.1. Mục tiêu, đối tượng mô phỏng ..........................................................................54 3.2. Mô hình hình học của động cơ và điều kiện biên mô phỏng ..........................56 3.3. Kết quả mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng .........59 3.4. Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ DA465QE Towner sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng ...................................................................67 3.4.1. Ảnh hưởng của hệ số tương đương ........................................................67 3.4.2. So sánh tính năng động cơ khi chạy bằng biogas/xăng ..........................72 3.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas ............................75 3.4.4. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ ..............................................................81 3.4.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm ..........................................................83 3.5. Hài hòa giữa Wi và NOx.....................................................................................88 3.6. Kết luận ...............................................................................................................90 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS-XĂNG92 4.1. Mục đích và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm ...............................................92 4.2. Đặc điểm hệ thống nhiên liệu của động cơ DA465QE ....................................92 4.3. Thiết kế hệ thống cung cấp hybrid biogas-xăng ..............................................94 4.3.1. Nguyên lý cấp ga liên tục và gián đoạn .................................................94 4.3.2. Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ DA465QE................................96 4.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động cơ DA465QE ..98 4.5. Kết cấu tổ hợp van chân không cung cấp biogas ............................................99 4.6. Giới thiệu hệ thống thực nghiệm ......................................................................99 4.6.1. Tổng quan về băng thử công suất động cơ .............................................99 iii
4.6.2. Băng thử công suất APA 204/08 ..........................................................100 4.6.3. Thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu 733S .........................................101 4.6.4. Thiết bị AVL 553 .................................................................................101 4.6.5. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp ...............................................................102 4.6.6. Máy tính điều khiển ..............................................................................103 4.6.7. Thiết bị phân tích khí thải MGT 5 ........................................................103 4.7. Nghiên cứu thực nghiệm động cơ chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng ......104 4.7.1. Bố trí hệ thống thí nghiệm ....................................................................104 4.7.2. Chuẩn bị nhiên liệu...............................................................................105 4.7.3. Lắp đặt động cơ thí nghiệm lên băng thử công suất ............................107 4.7.4. Chế độ thí nghiệm ................................................................................108 4.8. Kết quả thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng ...............................109 4.8.1. So sánh tính năng động cơ....................................................................109 4.8.2. So sánh phát thải các chất ô nhiễm cho bởi mô phỏng và thực nghiệm ........................................................................................................................115 4.9. Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng động cơ hybrid ..................119 4.10. Kết luận ...........................................................................................................120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................122 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ..........................................................125 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................127 PHỤ LỤC ......................................................................................................................i iv
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các nguồn năng lượng ................................................................................11 Hình 1.2: Khoảng cách tương đối giữa Trái Đất và các hành tinh khác (a) và bức xạ Mặt Trời ở Việt Nam (b) .............................................................................................12 Hình 1.3: Chu trình carbon trên Trái Đất ....................................................................14 Hình 1.4: Chu trình carbon khi sử dụng biogas làm nhiên liệu ..................................17 Hình 1.5: Động học quá trình sản sinh biogas [1] .......................................................17 Hình 1.6: Khả năng sinh khí biogas của một số nguyên liệu [1] ................................18 Hình 1.7: Yêu cầu lọc tạp chất trong biogas với các giải pháp sản xuất điện khác nhau [1]........................................................................................................................20 Hình 1.8: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động cơ đánh lửa cưỡng bức .................32 Hình 1.9: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động cơ dual fuel biogas-diesel ............32 .....................................................................................................................................42 Hình 2.1: Quan hệ giữa nồng độ, nhiệt độ và khối lượng riêng theo tỉ hệ hỗn hợp....42 Hình 2.2: Sơ đồ lan tràn màng lửa theo mô hình hai khu vực ....................................44 Hình 3.1: Các mặt cắt khảo sát trên đường nạp ..........................................................56 Hình 3.2: Chia lưới không gian tính toán và đặc trưng của các phần tử .....................57 Hình 3.3: Ảnh chụp màn hình diễn biến các thông số trong xi lanh động cơ .............58 Hình 3.4: Biến thiên đường đồng mức áp suất, nồng độ CH4 và C8H18 trong quá trình nạp (n=3000 vòng/phút, biogas M7C3, góc phun xăng 30-60, góc phun biogas 60- 110) ............................................................................................................................59 Hình 3.5: Biến thiên áp suất trên các mặt cắt ngang đường nạp khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút (a) và 5000 vòng/phút (b) (BG=0, không phun nhiên liệu) .60 Hình 3.6: Biến thiên áp suất trên các mặt cắt ngang của đường nạp khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút (a) và 5000 vòng/phút (b) (BG=30, không phun nhiên liệu) .....................................................................................................................................61 Hình 3.7: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất tại mặt cắt ngang số 3 khi bướm ga mở hoàn toàn (a) và BG=30 (b) ........................................................61 Hình 3.8: Biến thiên áp suất trung bình tại mặt cắt ngang số 3 (a) và biến thiên hệ số tương đương trong xi lanh (b) theo tốc độ động cơ ứng với các góc đóng bướm ga khác nhau (cung cấp biogas M7C3 với góc phun cố định 50TK, không phun xăng) .....................................................................................................................................62 v
Hình 3.9: Đường đồng mức hệ số tương đương  khi cung cấp biogas M7C3 và phun bổ sung xăng (động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0, góc phun xăng 30TK -60TK, góc phun biogas 60TK -110TK) ................................................................63 Hình 3.10: Ảnh hưởng của góc đóng bướm ga BG đến biến thiên hệ số tương đương  theo áp suất trung bình tại mặt cắt ngang số 3 (Biogas M7C3, góc phun 50TK, không phun xăng) ........................................................................................................64 Hình 3.11: Ảnh hưởng góc phun xăng bổ sung đến biến thiên hệ số tương đương tổng quát trong buồng cháy khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=30, được cung cấp biogas M7C32 với góc phun 50TK ............................................................65 Hình 3.12: So sánh biến thiên hệ số tương đương theo tốc độ động cơ khi bướm ga mở hoàn toàn trong trường hợp động cơ chỉ được cung cấp biogas M7C3, góc mở vòi phun 50TK và trong trường hợp phun bổ sung xăng với lưu lượng 0,5g/s, góc phun 60TK, ở chế độ toàn tải .............................................................................................65 Hình 3.13: Biến thiên thời gian phun xăng bổ sung để đảm bảo =1 theo tốc độ động cơ (a) và theo áp suất trung bình tại mặt cắt số 3 (b) tương ứng với các độ đóng bướm ga khác nhau (Biogas M8C2, góc mở vòi phun biogas 50TK, lưu lượng phun xăng 0,5g/s) ..........................................................................................................................66 Hình 3.14: Engine map của động cơ chạy bằng biogas-xăng được cung cấp nhiên liệu theo phương thức hybrid .............................................................................................66 Hình 3.15: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất và tốc độ tỏa nhiệt (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, BG=0) ..................................................68 Hình 3.16: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất trong buồng cháy, nhiên liệu biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút. ....................................................................................................................68 .....................................................................................................................................69 Hình 3.17: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến đồ thị công; nhiên liệu biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0. .....69 Hình 3.18: Biến thiên nhiệt độ cháy khi thay đổi hệ số tương đương tại Biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0. .................69 Hình 3.19: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ NOx khi động cơ chạy tại biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0 ..........................................................................................................................70 vi
Hình 3.20: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ CO (a) và nồng độ HC (b) theo góc quay trục khuỷu tại biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút. .............................................................................................70 Hình 3.21: Biến thiên nhiệt độ và phát thải ô nhiễm (a), biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất động cơ (b) theo hệ số tương đương (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, s=20oTK, BG=0) ...............................................................................71 Hình 3.22: Biến thiên áp suất trong xi lanh (a) và đồ thị công (b) khi động cơ chạy bằng xăng, methane, hỗn hợp xăng-methane và biogas (n=3000 v/ph, =1, s=20oTK, BG=0) ......................................................................................................72 Hình 3.23: So sánh công chỉ thị chu trình và công suất động cơ khi chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau .............................................................................................73 Hình 3.24: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến biến thiên nhiệt độ (a), nồng độ NOx (b), nồng độ CO (c) và nồng độ HC (d) theo góc quay trục khuỷu ...................................74 Hình 3.25: So sánh phát thải ô nhiễm khi động cơ chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau ở tốc độ 3000 v/ph, hệ số tương đương =1, góc đánh lửa sớm s=20oTK, BG=0 ..........................................................................................................................75 Hình 3.26: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M6C4 đến công chỉ thị chu trình (b), nhiệt độ (a) khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 ......................................................................................................76 Hình 3.27: Ảnh hưởng của thành phần xăng bổ sung vào biogas M6C4 đến biến thiên áp suất tại động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0. 76 Hình 3.28: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu .......................................................................77 Hình 3.29: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M6C4 nồng độ NOx khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 ............77 Hình 3.30: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào nhiên liệu biogas M6C4 đến nồng độ CO (a) và nồng độ HC (b) theo góc quay trục khuỷu (khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 ..................................................78 Hình 3.31: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến công chỉ thị chu trình (a), nhiệt độ (b) khi động cơ chạy ở tốc độ n=3000 v/ph, =1, BG=0 .79 Hình 3.32: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung bào nhiên liệu biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ NOx (a), HC (b) và CO (c) theo góc quay trục khuỷu (khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 ................................80 vii
Hình 3.33: Biến thiên công chỉ thị chu trình (b),(a) nhiệt độ và nồng độ các chất ô nhiễm theo hàm lượng xăng trong biogas M7C3, BG=0 ..........................................81 Hình 3.34: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm của động cơ (M7C3-30G, =1, s=25oTK, BG=0) ........................................82 Hình 3.35: Biến thiên công chỉ thị chu trình (a), nhiệt độ và nồng độ các chất ô nhiễm (b) theo tốc đô động cơ (M7C3-30G, =1, s=25oTK) ...............................................83 Hình 3.36: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất (a), tốc độ tỏa nhiệt (b), nhiệt độ (c), NOx (d), CO (c) và HC (f) khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M8C2-20G ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0 .............................................................84 Hình 3.37: Biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất động cơ (a), biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo góc đánh lửa sớm (nhiên liệu M8C2-20G, =1, n=3000 vòng/phút, BG=0) ......................................................................................................85 Hình 3.38: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu M7C3-30G theo góc quay trục khuỷu tại tốc độ động cơ 5000 vòng/phút, =1 BG=0 ..........................................................................................................................86 Hình 3.39: Biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất động cơ (a); biến thiên phát thải ô nhiễm (b) theo góc đánh lửa sớm (M7C3-30G,=1, n=5000 vòng/phút, BG=0) .....................................................................................................................................87 Hình 3.40: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến quan hệ giữa Wi và nồng độ NOx khi góc đánh lửa sớm thay đổi từ 20TK đến 40TK (nhiên liệu biogas-30% xăng, n=5000 vòng/phút, =1, BG=0) ................................................................................88 Hình 3.41: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên của Wi và NOx theo s khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M7C3-30G (a) và khi chạy bằng biogas M7C3 (b) ( = 1, đầy tải) .....................................................................................................................89 Hình 3.42: Biến thiên của p và NOx theo tốc độ động cơ khi s cố định và khi s tối ưu (M7C3-30G,  = 1, 60% tải) ..................................................................................90 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiên liệu động cơ DA465QE ...93 Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống phun xăng điện tử ......................................................94 Hình 4.3: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) và van cấp gas liên tục (b).......................95 Hình 4.4: Biến thiên áp suất trung bình tại các mặt cắt ngang khảo sát khi cung cấp biogas liên tục (a) và khi cấp biogas gián đoạn (b) .....................................................95 Hình 4.5: Sơ đồ hệ thống cung cấp biogas kiểu 2 van chân không ............................96 Hình 4.6: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng ............................98 viii
Hình 4.7: Bố trí hệ thống thí nghiệm động cơ...........................................................100 Hình 4.8: Đường đặc tính của băng thử công suất động cơ APA204/E/0943 ..........101 Hình 4.9: Thiết bị AVL 533 ......................................................................................102 Hình 4.10: Thiết bị đo lưu lượng khí nạp DN-80......................................................103 Hình 4.11: Màng hình máy tính sau khi hệ thống sẵn sàng hoạt động .....................103 Hình 4.12: Bố trí hệ thống thí nghiệm động cơ chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas- xăng ...........................................................................................................................104 Hình 4.13: Máy nén biogas 4 cấp (a) và bình chứa biogas áp lực cao (b) ................106 Hình 4.14: Quy trình chuẩn bị biogas và cung cấp nhiên liệu cho động cơ .............107 Hình 4.15: Lắp đặt động cơ DA465QE trên băng thử AVL ....................................107 Hình 4.16: Biến thiên năng lượng lý thuyết do nhiên liệu mang vào 1 xi lanh trong mỗi chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas...........................................110 Hình 4.17: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến đồ thị công cho bởi mô phỏng (n=3000 v/ph) .....................................................................110 Hình 4.18: So sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo hàm lượng xăng cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (biogas M7C3, n=3000 v/ph). ..............................................111 Hình 4.19: So sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 (a) và M6C4 (b) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (n=5000 v/ph) ...................................................................................................................................113 Hình 4.20: So sánh đường đặc tính ngoài mô men và công suất cho bởi mô hình và thực nghiệm khi động cơ chạy bằng xăng (a), biogas M7C3 (b) và nhiên liệu M7C3- 30G (: Công suất thực nghiệm, •: Mô men thực nghiệm) .....................................115 Hình 4.21: So sánh ảnh hưởng của hàm lượng xăng phối hợp với biogas M7C3 đến phát thải CO (a), HC (b) và NOx (c) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (n=3000 v/ph, ━: Mô phỏng, •: Thực nghiệm)................................................................................116 Hình 4.22: So sánh ảnh hưởng của tốc độ đến phát thải CO (a), HC (b) và NOx (c) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (M7C3-30G, =1, s=25oTK, n=3000 v/ph, ━: Mô phỏng, •: Thực nghiệm) ......................................................................................117 Hình 4.23: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến tính năng động cơ nhiên liệu hybrid ......119 Hình 4.24: Ảnh hưởng của tốc độ vận hành đến tính năng và phát thải ô nhiễm của dộng cơ sử dụng nhiên liệu hybrid ............................................................................120 ix
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của động cơ DA465QE .................................................54 Bảng 3.2: Tính chất của methane, xăng và biogas nghèo (chứa 60% CH4) ...............55 Bảng 3.3. Các giá trị tính của điều kiện biên mô phỏng .............................................58 Bảng 3.4: Điều kiện ban đầu .......................................................................................58 Bảng 3.5: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến công suất và công chu trình.........68 Bảng 3.6: Công suất, công chu trình của động cơ chạy bằng xăng, methane, biogas 73 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas đến công suất và công chu trình của động cơ ..................................................................................................77 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến công suất và công chỉ thị chu trình ....83 Bảng 4.1: Năng lượng lý thuyết do nhiên liệu mang vào 1 xi lanh động cơ trong một chu trình (hệ số nạp trung bình 0,95) ........................................................................109 Bảng 4.2: So sánh mô phỏng và thực nghiệm công chỉ thị chu trình (n=3000 v/ph)111 Bảng 4.3: So sánh công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (M7C3, n=5000 v/ph) .............................................................................................................112 Bảng 4.4. So sánh công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (M6C4, n=5000 v/ph) .............................................................................................................113 x
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu mẫu tự La Tinh TK [] Độ theo góc quay trục khuỷu BG [] Góc mở bướm ga Vh [m3] Dung tích xi lanh Vc [m3] Thể tích buồng cháy S [m] Hành trình piston D [m] Đường kính xi lanh n [vòng/phút] Số vòng quay dh [m] Đường kính họng i - Số xi lanh P [bar] Áp suất T [K] Nhiệt độ Ne [kW] Công suất có ích Me [N.m] Mô men có ích n [v/ph] Tốc độ động cơ Gnl [kg/h] Lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ Wi [J] Công chỉ thị chu trình CH4 [%mol] Methane HHO [%mol] Oxyhydrogen M6C4 [%mol] Biogas chứa 60% Methane và 40% Carbonic M7C3 [%mol] Biogas chứa 70% Methane và 30% Carbonic M8C2 [%mol] Biogas chứa 80% Methane và 20% Carbonic G0 [%mol] 0% xăng A95 G20 [%mol] 20% xăng A95 G30 [%mol] 30% xăng A95 G100 [%mol] 100% xăng A95 G5M5 [%mol] 50% xăng A95 và 50% CH4 CO [%] Mônôxit cácbon xi
HC [ppm] Hyđrô cácbon NOx [ppm] Ôxit nitơ CO2 [%] Carbonic H2 S [ppm] Hydrogen sulphide 2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp  [ ] o Góc quay trục khủyu s [ ] o Góc đánh lửa sớm  [-] Tỉ số nén v [-] Hệ số nạp  [-] Hệ số tương đương nhiên liệu/không khí m [%] Hiệu suất cơ giới  [kg/cm3] Khối lượng riêng 3. Các chữ viết tắt A/F Viết tắt chữ Air/Fuel, tỉ lệ không khí/nhiên liệu theo khối lượng CNG Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén) LPG Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng) MON Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ) TK Tính theo góc quay trục khuỷu ĐCT Điểm chết trên ĐCD Điểm chết dưới DME Di-methyl ether xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Từ những thập niên cuối thế kỷ 20 cuộc sống của loài người trên quả đất bị đảo lộn do khí hậu thay đổi thất thường. Nắng nóng, khô hạn diễn ra ở nhiều nơi ảnh hưởng nặng nề đến canh tác nông nghiệp và cuộc sống. Ngược lại nhiều nơi khác trên trái đất trải qua mùa đông cực lạnh, bão tuyết kéo dài. Những hiện tượng thất thường của thời tiết đã được các nhà khoa học dự báo từ lâu và trong thực tế nó đã diễn ra sớm hơn dự kiến. Nước ta là 1 trong 5 quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Dân chúng vùng nam Trung Bộ, Tây Nguyên những năm gần đây phải vật lộn với nạn khô hạn, thiếu nước sinh hoạt và sản xuất, nhiều vùng đất đã bị nhiễm mặn nghiêm trọng… Khu vực Tây Nam bộ, vựa lúa của cả nước, bị sụt lún, nước biển xâm thực, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất và đời sống của người dân. Những gì đang diễn ra cho thấy tác động của biến đổi khí hậu nghiêm trọng hơn nhiều những gì người ta có thể nghĩ. Thời kỳ qua, do quá tập trung phát triển kinh tế mà người ta phớt lờ cảnh báo của các nhà khoa học về ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu. Hơn 20 năm trước, thế giới đã đạt được thỏa thuận Kyoto, cùng nhau cắt giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên một số nước công nghiệp phát triển chiếm phần lớn lượng phát thải CO2 lại không thực hiện cam kết. Mãi đến năm 2015, Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu toàn cầu COP21 tại Paris, các nguyên thủ quốc gia mới đạt được thỏa thuận nguyên tắc về hạn chế mức tăng nhiệt độ khí quyển cuối thế kỷ 21 không quá 2C so với thời kỳ tiền công nghiệp. Việt Nam là một trong những quốc gia cam kết thực hiện thỏa thuận nguyên tắc COP21. Là một nước đang phát triển, mức độ phát thải ô nhiễm do hoạt động công nghiệp nước ta chưa nhiều so với các nước phát triển. Mật độ phương tiện giao thông cơ giới của nước ta tuy không cao như các nước phát triển nhưng phần lớn là xe gắn máy, ô tô thế hệ cũ có mức độ phát thải cao. Do đó chúng ta cần có những cách tiếp cận giảm phát thải ô nhiễm và phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính phù 6
hợp hơn với thực tế của nước ta. Hiện nay việc sản xuất điện ở nước ta đã có những bước chuyển mạnh sang sử dụng năng lượng tái tạo. Mức phát thải CO2 trong lĩnh vực này có thể được cắt giảm theo lộ trình đã cam kết. Đối với phương tiện giao thông, mức phát thải ô nhiễm ở nước ta hiện nay còn cao hơn nhiều so với các nước phát triển. Thế giới ngày nay thực hiện cắt giảm phát thải CO2 của phương tiện cơ giới theo hai hướng chính: (1) sử dụng năng lượng điện (accu và pin nhiên liệu hydrogen) và (2) sử dụng nhiên liệu tái tạo cho động cơ đốt trong. Nhiều nước phát triển đã đặt lộ trình đưa mức phát thải CO2 của phương tiện giao thông tại nơi sử dụng về 0 vào năm 2040. Sử dụng phương tiện giao thông chạy điện sẽ làm thay đổi hoàn toàn công nghệ, hạ tầng phụ vụ và thói quen người sử dụng. Điều này khó có thể diễn ra trong ngắn hạn đến trung hạn. Việc sử dụng năng lượng tái tạo trên phương tiện giao thông chạy bằng động cơ đốt trong trước mắt là giải pháp khả thi cả về mặt công nghệ lẫn hiệu quả kinh tế. Các nguồn nhiên liệu tái tạo tuy đa dạng nhưng nguồn cung cấp hạn chế. Mặt khác, nhiên liệu tái tạo có những đặc trưng lý hóa khác biệt nhiều so với nhiên liệu hóa thạch nên việc cung cấp, lưu trữ chúng trên phương tiện giao thông là những thách thức lớn. Do vậy, phối hợp sử dụng nhiên liệu tái tạo và nhiên liệu hóa thạch là giải pháp khả thi để giảm dần mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. Có hai hướng phối hợp sử dụng các loại nhiên liệu: (1) hòa trộn các nhiên liệu với tỉ lệ nhất định trước khi cung cấp cho động cơ (ví dụ như xăng sinh học E5), (2) cung cấp nhiên liệu riêng rẽ với thành phần hỗn hợp nhiên liệu thay đổi linh hoạt (nhiên liệu hybrid). Trong khuôn khổ luận án này, nhiên liệu hybrid biogas-xăng được nghiên cứu sử dụng trên động cơ ô tô. Với phương thức nhiên liệu hybrid, động cơ có thể chạy hoàn toàn bằng xăng, hoàn toàn bằng biogas hay bằng hỗn hợp biogas-xăng với thành phần thay đổi linh hoạt. Biogas là nhiên liệu tái tạo dồi dào ở những quốc gia vùng nhiệt đới. Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong không làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển. Biogas có chứa tạp chất khí trơ CO2 nên nhiệt trị của nhiên liệu thấp, tốc 7
độ cháy cũng thấp hơn nhiều so với các loại nhiên liệu truyền thống. Những tính chất này ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ biogas và làm ảnh hưởng đến chất lượng quá trình cháy, nhất là đối với động cơ của phương tiện vận tải với chế độ công tác thay đổi thường xuyên. Tuy nhiên chỉ số octane của biogas cao nên nó có tính chống kích nổ tốt. Việc sử dụng kết hợp biogas và xăng theo phương án nhiên liệu hybrid giúp khắc phục những hạn chế của biogas, phát huy ưu điểm của nó, góp phần phát triển ứng dụng nhiên liệu tái tạo trên động cơ đốt trong nói chung và động cơ đốt trong của phương tiện giao thông nói riêng. Vì vậy, luận án: “Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ hybrid biogas-xăng” có ý nghĩa rất thiết thực. Luận án này thực hiện các nghiên cứu nền tảng ban đầu cho việc ứng dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng trên động cơ ô tô kiểu phun xăng điện tử. Nội dung luận án tập trung xử lý 3 vấn đề chính: (1) mô phỏng quá trình nạp và quá trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng, (2) giải pháp cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động cơ phun xăng điện tử, (3) thử nghiệm tính năng và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ ô tô chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng để đánh giá kết quả mô phỏng. 2. Mục tiêu nghiên cứu ➢ Mục tiêu tổng quát: Phát triển giải pháp công nghệ ứng dụng hiệu quả biogas nghèo trên động cơ ô tô. ➢ Mục tiêu cụ thể: Tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu và tổ chức quá trình cháy động cơ ô tô chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm mức độ phát thải các chất ô nhiễm. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ➢ Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ DA465QE lắp trên ô tô tải nhẹ Trường Hải Towner. Đây là động cơ 4 xi lanh, 4 kỳ, đánh lửa cưỡng bức, phun xăng điều khiển điện tử. Ô tô sử dụng để vận chuyển vật tư, hàng hóa ở nông thôn, gần 8
những nơi sản xuất biogas. ➢ Phạm vi nghiên cứu: - Thực hiện các nghiên cứu cơ bản, làm nền tảng ban đầu định hướng phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng trên động cơ ô tô. - Với phạm vi nghiên cứu này, luận án tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau đây: o Về lý thuyết: - Nghiên cứu hệ phương trình tổng quát của cơ học thủy khí áp dụng cho quá trình cháy rối sử dụng nhiên liệu hybrid biogas/xăng. - Mô hình rối để khép kín hệ phương trình đối lưu-khuếch tán. - Mô hình cháy để đơn giản hóa phương trình bảo toàn phần tử. - Động học phản ứng sản sinh NOx và cơ chế hình thành các chất ô nhiễm khác. o Về mô phỏng: - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Fluent để tính toán, mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu lỏng (xăng) và nhiên liệu khí (biogas) cho động cơ. - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Fluent để tính toán quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng lưỡng nhiên liệu hybrid biogas-xăng. - Tính toán mức độ phát thải các chất ô nhiễm CO, HC và NOx. - Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu và chế độ vận hành của động cơ đến tính năng công tác và phát thải ô nhiễm. o Về thực nghiệm: - Cải tạo đường nạp động cơ xăng nghiên cứu để thích nghi với nhiên liệu hybrid biogas-xăng. - Giải pháp cung cấp biogas và xăng cho động cơ thí nghiệm. - Lắp đặt động cơ thí nghiệm lên băng thử công suất động cơ AVL. - Đo công suất có ích của động cơ trên đường đặc tính ngoài khi thay đổi hàm lượng xăng trong nhiên liệu hybrid và phân tích các chất ô nhiễm CO, HC, NOx ở chế độ vận hành tương ứng. 9
- So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mô phỏng. 4. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Lý thuyết để định hướng việc sử dụng các mô hình toán học trong xử lý bài toán phức tạp của quá trình cháy rối. Mô phỏng là phương pháp chính sử dụng trong nghiên cứu này. Thực nghiệm được tiến hành ở một số chế độ vận hành xác định của động cơ để đánh giá kết quả mô phỏng. Sự phù hợp giữa kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm cho phép rút ra những kết luận mang tính tổng quát. 5. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được chia làm 4 chương: ❖ Chương 1: Tổng quan. ❖ Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ đốt trong. ❖ Chương 3: Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng. ❖ Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng. 6. Đóng góp mới của luận án - Xây dựng mô hình và chương trình tính toán quá trình cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng. - Thiết kế hệ thống nạp động cơ phun xăng điều khiển điện tử thành hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng. - Xác định thành phần xăng tối ưu trong nhiên liệu hybrid biogas-xăng để đạt được sự hài hòa tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ. - Xác lập các quy luật biến thiên của công chỉ thị chu trình, nồng độ các chất ô nhiễm theo thành phần nhiên liệu, góc đánh lửa sớm và tốc độ động cơ. - Phát triển công nghệ ứng dụng biogas nghèo trên ô tô tải nhẹ hoạt động ở khu vực nông thôn, góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính. 10
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1.1. Sự cần thiết của việc sử dụng năng lượng tái tạo [1] Nguồn năng lượng chúng ta đang sử dụng có thể được phân chia như hình 1.1. - Các nguồn năng lượng sơ cấp được phân chia thành năng lượng không tái tạo (hay năng lượng hóa thạch) và năng lượng tái tạo. - Năng lượng hóa thạch chủ yếu gồm: than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên. - Năng lượng tái tạo có nguồn gốc trực tiếp hay gián tiếp từ năng lượng mặt trời: điện mặt trời, năng lượng gió, thủy điện, biogas, biomass, hydrogen … - Các nguồn năng lượng hóa thạch sơ cấp được dùng để chế biến thành năng lượng thứ cấp: than coke, nhiên liệu khí, xăng dầu … để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. - Các nguồn năng lượng tái tạo được chuyển sang điện, nhiệt hay nhiên liệu để thay thế các nguồn năng lượng truyền thống. Hình 1.1: Các nguồn năng lượng Năng lượng tái tạo là các nguồn năng lượng có thể được tạo ra và bổ sung trong một thời gian ngắn. Chúng tồn tại cùng thang đo thời gian của Hệ Mặt trời. Chúng cạn kiệt khi Mặt trời tắt, sớm nhất cũng phải đến vài tỉ năm nữa! Phần lớn các nguồn năng lượng tái tạo chúng ta khai thác hiện nay có nguồn từ Mặt Trời như điện mặt trời (PV solar), thủy điện, điện gió, điện từ sóng biển, nhiên liệu sinh học … Một số khác khai thác từ nhiệt trong lòng đất (địa nhiệt), từ lực hấp dẫn của Mặt Trăng (thủy triều) … 11
Hình 1.2: Khoảng cách tương đối giữa Trái Đất và các hành tinh khác (a) và bức xạ Mặt Trời ở Việt Nam (b) Mặt Trời có đường kính 1,39 triệu km. Mặt trời là một lò phản ứng hạt nhân khổng lồ. Trong các hành tinh của Mặt Trời thì Trái đất cách Mặt Trời 8,32 phút ánh sáng (khoảng149,5 triệu km) so với khoảng cách 1,3 giây ánh sáng đến Mặt Trăng. Tại tâm của Mặt Trời, các phản ứng tổng hợp hạt nhân chuyển hóa hyhro thành heli xảy ra liên tục. Cứ mỗi giây có khoảng 8,9×1037proton được chuyển hóa thành hạt nhân heli. Năng lượng Mặt trời là năng lượng bức xạ điện từ. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa. Nhiệt độ tạo lõi Mặt trời khoảng 15.106 K nhưng nhiệt độ bề mặt Mặt trời chỉ khoảng 6000K. Tuy vậy Mặt Trời chỉ là một ngôi sao nhỏ đã tồn tại khoảng 10 tỉ năm trong vũ trụ. Đến nay nó đã tồn tại hơn nửa thời gian theo tuổi thọ của nó. Khi Mặt Trời tắt thì sẽ không còn bất kỳ một dạng sống nào có thể tồn tại trên hành tinh. Khi tắt, nhân 12
Mặt Trời sẽ co lại thành một sao lùn trắng trong khi lớp vỏ giãn nở và không ngừng phình to vào không gian đến khi nuốt chửng cả quỹ đạo Trái Đất và các hành tinh khác. Toàn bộ năng lượng Trái Đất nhận được từ Mặt Trời khoảng 2,4.1018 cal/phút, gồm 48% năng lượng thuộc dải phổ ánh sáng khả kiến (λ = 0,4-0,76 μm), 7% tia cực tím (λ < 0,4 μm) và 45% thuộc dải phổ hồng ngoại và sóng vô tuyến (λ > 0,76 μm). Ở nước ta bức xạ mặt trời trung bình từ 3,8 (khu vực phía Bắc) đến 5,6kWh/ngày (khu vực phía Nam). Bức xạ mặt trời lớn nhất ở khu vực Nam Trung bộ và Đông Nam bộ (hình 1.2b). Nhờ có năng lượng từ Mặt Trời Trái Đất mới được sưởi ấm, thực vật mới thực hiện được phản ứng quang hợp để hấp thụ carbon làm nguồn thức ăn cho động vật. Một cách tổng quát mà nói, nhiên liệu mà chúng ta sử dụng, dù là nhiên liệu hóa thạch hay nhiên liệu tái tạo đều có nguồn gốc trực tiếp hay gián tiếp từ năng lượng Mặt Trời. Hình 1.3 giới thiệu chu trình carbon của Trái Đất. Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, thực vật hấp thụ CO2 trong khí quyển để chuyển thành carbonhydrate trong thực vật để lớn lên và tạo nguồn thực phẩm nuôi sống động vật. CO2 trong bầu khí quyển do động thực vật thở ra hay phát thải từ quá trình cháy của hydrocarbon. Xác động thực vật chôn vùi trong lòng đất mang theo một lượng CO2 lấy đi từ bầu khí quyển. Sau hàng triệu năm xác động thực vật này biến thành nhiên liệu hóa thạch. Nghĩa là lượng CO2 còn lại trong bầu khí quyển nhỏ hơn lượng CO2 khi Trái Đất hình thành. Với hàm lượng CO2 đó, Trái Đất được giữ đủ ấm để vạn vật sinh sống. Khi đốt cháy nhiên liệu tái tạo như nhiên liệu sinh học, biomass… thì CO2 vẫn phát sinh nhưng lượng CO2 đó sẽ được thực vật thế hệ tiếp theo hấp thụ để lớn lên, do đó nó không làm tăng hàm lượng CO2 trong bầu khí quyển so với điều kiện hiện tại. Khi đốt nhiên liệu hóa thạch, CO2 của sản phẩm cháy được thải ra bầu khí quyển. CO2 này không quay ngược được vào lòng đất nên nồng độ CO2 trong bầu khí quyển gia tăng. Tất nhiên về mặt cân bằng vật chất mà nói thì CO2 do nhiên liệu hóa thạch thải ra cũng là CO2 trong bầu khí quyển trước đây. Khi sử dụng hết nhiên liệu hóa thạch vùi chôn trong lòng đất thì hàm lượng CO2 trở lại giá trị ban đầu khi hành 13