Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ biogas-hydrogen

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực "Tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ biogas-hydrogen" được nghiên cứu với mục tiêu: Cải tạo động cơ tĩnh tại cung cấp xăng bằng bộ chế hòa khí thành động cơ tĩnh tại phun nhiên liệu và điều chỉnh góc đánh lửa sớm tự động theo thành phần nhiên liệu và chế độ vận hành trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid sinh khối-năng lượng mặt trời.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ biogas-hydrogen

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI VĂN HÙNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS-HYDROGEN Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số : 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2023
Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Hướng dẫn khoa học : 1. GS. TSKH. Bùi Văn Ga 2. PGS. TS. Bùi Thị Minh Tú Phản biện 1: ............................................................ Phản biện 2: ............................................................ Phản biện 3: ............................................................ Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đơn vị chuyên môn tại Trường Đại học Bách Khoa, vào lúc: ...... giờ………. Ngày…… tháng……năm …… Có thể tìm luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Học liệu và Truyền thông, ĐHBK- ĐHĐN
MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Biogas thô chứa chủ yếu methane (CH4) và tạp chất carbon dioxide (CO2) nên nhiệt trị của nó thấp hơn khí thiên nhiên. Mặc dù CO2 có trong khí biogas làm giảm phát thải ô nhiễm, nhưng tạp chất này lại có xu hướng làm tăng thời gian cháy trễ và giảm tốc độ lan truyền màng lửa nên sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt động cơ [18]. Làm giàu biogas bằng hydrogen (H2) là giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên, H2 có thể gây ra các kết quả không mong muốn như tăng lượng phát thải NOx vì nhiệt độ cháy cao và giảm hiệu suất nhiệt do tổn thất nhiệt. Việc pha trộn một tỉ lệ vừa phải H2 vào biogas, sẽ cải thiện được tính năng của động cơ đồng thời không làm tăng phát thải các chất ô nhiễm. Trên thị trường hiện nay có sẵn phần lớn các bộ phận để lắp ráp hệ thống năng lượng tái tạo hybrid, trừ động cơ đốt trong kéo máy phát điện phù hợp với yêu cầu của hệ thống. Động cơ đốt trong được thiết kế để làm việc với một loại nhiên liệu cho trước và trong điều kiện vận hành xác định. Trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid, thành phần nhiên liệu thay đổi thường xuyên theo nguyên liệu đầu vào và nguồn hydrogen do điện mặt trời cung cấp. Mặt khác, chế độ tải của động cơ cũng thay đổi thường xuyên để cung cấp tải bù cho hệ thống. Do đó, động cơ phải được điều chỉnh một cách linh hoạt các thông số vận hành, đặc biệt là góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương của hỗn hợp. Động cơ tĩnh tại truyền thống khó có thể đáp ứng được yêu cầu này. Luận án tập trung xử lý hai vấn đề chính của động cơ trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid, đó là điều khiển quá trình cung cấp nhiên liệu để điều chỉnh hệ số tương đương và điều chỉnh góc đánh 1
lửa sớm tối ưu để đảm bảo cho động cơ hoạt động hiệu quả với nhiên liệu biogas-hydrogen với thành phần thay đổi trong phạm vi rộng. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Cải tạo động cơ tĩnh tại cung cấp xăng bằng bộ chế hòa khí thành động cơ tĩnh tại phun nhiên liệu và điều chỉnh góc đánh lửa sớm tự động theo thành phần nhiên liệu và chế độ vận hành trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid sinh khối-năng lượng mặt trời. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Cải tạo động cơ tĩnh tại truyền thống cung cấp xăng bằng bộ chế hòa khí thành động cơ tĩnh tại điều khiển điện tử quá trình phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và chế độ vận hành trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid sinh khối-năng lượng mặt trời. Phạm vi nghiên cứu: - Cải tạo động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí truyền thống thành động cơ tĩnh tại điều khiển điện tử có tốc độ thay đổi trong phạm vi hẹp tương ứng với điều kiện làm việc của động cơ tĩnh tại. - Đánh giá bằng thực nghiệm tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ ở một số điểm xác định trên đường đặc tính điều tốc với thành phần nhiên liệu xác định. - Mô phỏng được thực hiện ở nhiều chế độ công tác và nhiều thành phần nhiên liệu để mở rộng kết quả nghiên cứu. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. • Phần lý thuyết: tập trung nghiên cứu cơ sở quá trình cháy rối của hỗn hợp nhiên liệu khí, cơ sở hình thành các chất ô nhiễm, 2
tập trung phân tích ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen đến tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiêm của động cơ. • Phần mô phỏng: Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ chạy bằng hỗn hơp nhiên liệu biogas-hydrogen. Về quá trình cung cấp nhiên liệu tập trung phân tích ảnh hưởng của kỹ thuật cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen hòa trộn trước (blend) và cung cấp nhiên liệu biogas/hydrogen riêng rẽ (dual). Về quá trình cháy, tập trung mô phỏng ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp và góc đánh lửa sớm đến tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ. • Phần thực nghiệm: Thực hiện việc cải tạo động cơ tĩnh tại chạy xăng, cung cấp nhiên liệu bằng bộ chế hòa khí thành động cơ phun nhiên liệu khí và đánh lửa điều khiển điện tử, cụ thể xây dựng giản đồ cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen trên đường đặc tính điều tốc và thiết kế mạch điều khiển điện tử để thực hiện việc cung cấp nhiên liệu và điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu theo chế độ công tác của động cơ. Tiến hành đo đạc thực nghiệm công suất và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ ở một số chế độ công tác và thành phần nhiên liệu xác định để đánh giá kết quả mô phỏng 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học: Động cơ tĩnh tại truyền thống thường được thiết kế để sử dụng một loại nhiên liệu xác định, do đó chúng không phù hợp khi vận hành trong điều kiện nhiên liệu thay đổi. Việc nghiên cứu điều chỉnh linh hoạt quá trình cung cấp nhiên liệu và góc đánh lửa 3
sớm của động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức theo thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành mang ý nghĩa khoa học không chỉ cho hệ thống năng lượng tái tạo hybrid mà còn cho sự phát triển động cơ sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt. Ý nghĩa thực tiễn: Nước ta ở vùng nhiệt đới, sản xuất nông nghiệp nên có tiềm năng lớn về sinh khối và năng lượng mặt trời. Việc kết hợp sử dụng hai nguồn năng lượng này trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid sẽ khắc phục được các bất cập khi sử dụng một nguồn năng lượng tái tạo duy nhất. Động cơ tĩnh tại sử dụng biogas-hydrogen có vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid. Nó thay thế cho thiết bị lưu trữ năng lượng phức tạp và đắt tiền. Do đó việc nghiên cứu phát triển động cơ tĩnh tại sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt sẽ tạo điều kiện để phát triển rộng rãi việc ứng dụng năng lương tái tạo. Đó là một trong những giải pháp thiết thực góp phần thực hiện các mục tiêu chiến lược Net Zero mà nước ta đã cam kết với thế giới. 6. CẤU TRÚC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của đề tài, nội dung chính được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình tạo hỗn hợp và quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức Chương 3: Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp và quá trình cháy của động cơ phun nhiên liệu biogas-hydrogen Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả mô phỏng 4
7. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng nhiên liệu xăng đánh lửa cưỡng bức thành động cơ tĩnh tại phun nhiên liệu biogas- hydrogen, đánh lửa điều khiển điện tử. - Xác định thành phần nhiên liệu hybrid biogas-hydrogen để đạt được sự hài hòa tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ. - Xây dựng giản đồ phun nhiên liệu và giản đồ đánh lửa động cơ sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen - Kiểm soát quá trình phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và chế độ công tác của động cơ để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ sử dụng nhiên liệu biogas- hydrogen - Chế tạo ECU điều khiển động cơ sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt, góp phần phát triển hệ thống năng lượng tái tạo hybrid năng lượng sinh khối-năng lượng mặt trời. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Cơ cấu năng lượng toàn cầu trong chiến lược “Net Zero” 1.2. Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid 1.3. Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid điện mặt trời-sinh khối 1.4. Ảnh hưởng của hydrogen đến tính năng của động cơ 1.5. Kết luận - Để hạn chế sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển chúng ta phải giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt là giảm phát thải CO2. Giảm dần việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và thay vào đó bằng nhiên liệu tái tạo giúp chúng ta giữ được nồng độ CO2 5
trong bầu khí quyển hiện nay, duy trì được môi trường sống trên hành tinh. - Năng lượng tái tạo nói chung không ổn định, phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, môi trường. - Biogas được sản xuất từ chất thải nông nghiệp hay chăn nuôi với thành phần chính là CH4 và CO2. Sự hiện diện của CO2, N2 trong các loại nhiên liệu này làm giảm nhiệt trị và tốc độ cháy của nhiên liệu làm ảnh hưởng đến hiệu suất cũng như mức độ phát thải các chất ô nhiễm của động cơ. Tuy nhiên chúng có chỉ số octane cao nên có thể sử dụng chúng trong động cơ đánh lửa lưỡng bức với tỷ số nén lớn. - Hydrogen có thể được sản xuất từ nước thông qua quá trình điện phân bằng điện mặt trời. Hydrogen cũng có mặt trong syngas từ khí hóa sinh khối. Hydrogen có tốc độ cháy gấp 10 lần methane nên là chất phụ gia rất tốt để cải thiện tính năng cháy của biogas. - Trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid, thành phần nhiên liệu biogas/hydrogen thay đổi thường xuyên. Chế độ tải của động cơ cũng thay đổi để cung cấp năng lượng bù cho hệ thống. Do đó góc đánh lửa sớm của động cơ và tỉ lệ nhiên liệu/không khí cũng thay đổi. Do đó hệ thống điều khiển động cơ phải mềm dẻo để đảo bảo động cơ có thể làm việc hiệu quả trong hệ thống năng lượng tái tạo. Từ những kết luận trên, luận án này tập trung nghiên cứu giải pháp điều chỉnh góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương của động cơ tĩnh tại chạy bằng nhiên liệu khí nghèo được bổ sung hydrogen. 6
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 2.1. Hệ phương trình cơ bản 2.2. Mô hình rối 2.3. Mô hình cháy 2.3.1. Tính toán các đại lượng của quá trình cháy 2.3.1.1. Thành phần hỗn hợp 2.3.1.2. Hàm mật độ xác suất (fdp) 2.3.1.3. Hàm của biến phụ thuộc ϕ(f) 2.3.2. Xác định vị trí màng lửa Quá trình cháy diễn ra trong màng lửa mỏng. Sự lan tràn màng lửa được mô hình hóa thông qua giải phương trình vận chuyển đối với biến diễn tiến phản ứng trung bình, ký hiệu là c:    (  c) + .(  vc) = .  t c  +  Sc (2.43) t  Sct  2.3.3. Tốc độ màng lửa chảy tầng 2.3.3.1. Phân tích thành phần tốc độ lan tràn màng lửa Giả sử khí chưa cháy chịu nén đoạn nhiệt,  p = C u u (p: áp suất trong buồng cháy), tốc độ cháy cơ bản có thể tính theo áp suất p: 1 dVb Vo − Vb 1 dp Sn = − (2.54) A dt A  u p dt 2.3.3.2. Các công thức thực nghiệm tốc độ cháy chảy tầng Tốc độ cháy cơ bản phụ thuộc nhiệt độ và áp suất theo đề xuất 7
của Meghalchi và Keck. 𝛾 𝛽 𝑇𝑢 𝑝𝑢 𝑆 𝑛 = 𝑆 𝑛,𝑟𝑒𝑓 ( ) ( ) (2.58) 𝑇 𝑢,𝑟𝑒𝑓 𝑝 𝑢,𝑟𝑒𝑓 Theo Rallis và Garforth [202] mối quan hệ giữa tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp methane/không khí ở điều kiện cháy hoàn toàn được biểu diễn bằng biểu thức. Sn= Sn,o T (2.62) Iijima và Takedo [204] đề nghị biểu thức tổng quát sau. 𝑆 𝑛 = 𝑆 𝑛,𝑜 𝑇 𝛼 (1 + 𝛽𝑙𝑜𝑔10 𝑝) (2.65) 2.3.4. Tốc độ cháy rối Trong FLUENT, tốc độ màng lửa rối được tính toán dựa vào mô hình về độ nhăn nheo cũng như bề dày màng lửa [196]: 𝜏 1/4 3/4 𝑆 1/2 𝛼 −1/4 𝑙 1/4 ′( 𝑡 ) (2.66) 𝑆 𝑡 = 𝐴(𝑢′) 𝑛 𝑡 = 𝐴𝑢 𝜏𝑐 2.4. Kết luận - Cháy rối là một quá trình rất phức tạp. Do môi trường rối xảy ra phản ứng hóa học nên các phần tử thay đổi từ nhiên liệu và chất oxy hóa ban đầu thành sản phẩm cháy thông qua hàng loạt các phản ứng hóa học. - Để đơn giản hóa bài toán phản ứng trong môi trường chảy rối, các nhà khoa học đã đưa ra các mô hình cháy phù hợp với sự tương tác giữa nhiên liệu và chất oxy hóa. Hai mô hình cơ bản, đó là cháy của hỗn hợp không đồng nhất và cháy của hỗn hợp đồng nhất. Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid thì mô hình cháy hỗn hợp đồng nhất cục bộ phù hợp với bản chất của 8
quá trình cung cấp nhiên liệu. - Mô hình cháy đồng nhất cục bộ là mô trình trung gian giữa cháy hỗn hợp không đồng nhất và cháy của hỗn hợp đồng nhất. Quá trình cháy được biểu diễn thông qua hai đại lượng bảo toàn, đó là thành phần hỗn hợp f và diễn tiến quá trình cháy c. Vị trí màng lửa và các các thông số đặc trưng của quá trình cháy có thể được xác định thông qua hai thông số này. Trong tính toán quá trình cháy nhiên liệu hybrid biogas-xăng trình bày ở chương sau chúng tôi sử dụng mô hình cháy hỗn hợp đồng nhất cục bộ. - Thông số cơ bản để tính toán quá trình cháy của hỗn hợp hòa trộn trước là tốc độ cháy chảy tầng. Thông số này phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu cũng như điều kiện áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy. Chương 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ PHUN NHIÊN LIỆU BIOGAS- HYDROGEN 3.1. Thiết lập mô hình 3.1.1. Xây dựng không gian tính toán và chia lưới 3.1.2. Trình tự thực hiện mô phỏng 3.2. Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp của động cơ 3.2.1. Diễn biến quá trình nạp 3.2.2. Ảnh hưởng của đường kính lỗ phun và áp suất phun Hình 3.17 biểu diễn kết quả mô phỏng quá trình hình thành hỗn hợp khi phun hỗn hợp nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun đường kính dp=5,5mm, áp suất phun 0,5bar. Với cùng tốc độ động cơ 3600 v/ph, để đạt được hệ số tương đương =1 thì thời gian phun 81°TK. Cuối kỳ nạp hầu như nhiên liệu được hút hết vào xi lanh. Ưu điểm của vòi 9
phun đường kính 5,5mm là áp suất phun chỉ còn 0,5bar, thuận lợi cho quá trình cung cấp nhiên liệu. 0,04 2 0,032 Qkk 1,6 Qnl  f 0,024 1,2 Q (kg/s) 0,016 0,8  0,008 0,4 0 0 0 60 120 180 240 300 -0,008 -0,4 j (TK) Hình 3.17: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5,5mm, pp=0,5bar, φp=81°TK, n=3600v/ph 3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen 3.2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng CH4 trong biogas 3.2.5. Ảnh hưởng của độ mở bướm ga 3.2.6. Giản đồ phun nhiên liệu biogas-hydrogen 8 7.5 7 6.5 tinj (ms) 6 5.5 5 4.5 4 60 66 72 78 45 50 84 35 40 25 30 15 20 90 10 5 0 4-4.5 4.5-5 5-5.5 5.5-6 6-6.5 6.5-7 7-7.5 7.5-8 Hình 3.27: Giản đồ phun hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar, a = 0°, n=3000 v/ph) Với biogas có hàm lượng CH4 cho trước, thời gian phun tăng 10
rất nhẹ theo hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu (hình 3.27). Tuy nhiên, với hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu cho trước, thời gian phun tăng rất nhanh khi hàm lượng CH4 trong biogas giảm. Do đó để đơn giản hóa hệ thống điều khiển, chúng ta chỉ cần thiết lập mối quan hệ giữa thời gian phun và thành phần CH4 trong biogas. 3.3. Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ 3.3.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm (a) (b) Hình 3.33: So sánh ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 (a) và M8C2-40H (b) ở tốc độ 3600 v/ph, =1 Hình 3.33a và hình 3.33b so sánh tổng hợp ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 và M8C2-40H ở tốc độ 3600 v/ph với hệ số tương đương =1. Chúng ta thấy qui luật ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến các đại lượng đặc trưng của quá trình cháy trong trường hợp động cơ chạy bằng biogas cũng như khi chạy bằng biogas tương tự như nhau. Với bất kỳ điều kiện cung cấp nhiên liệu nào, khi tăng góc đánh lửa sớm thì nhiệt độ khí thải có xu hướng giảm nhẹ do tốc độ tỏa nhiệt tăng làm giảm lượng hỗn hợp cháy trên đường giãn nở; HC chỉ tăng rất nhẹ còn CO thì giảm. 11
3.3.2. Ảnh hưởng của hệ số tương đương Hình 3.36: Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp đến đồ thị công (a) và nhiệt độ cháy (b) Hình 3.37: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến phát thải CO (a) và NOx (b) Hình 3.36a giới thiệu ảnh hưởng của hệ số tương đương đến đồ thị công của động cơ khi chạy bằng biogas M8C2 ở tốc độ 3000 v/ph. Chúng ta thấy diện tích đồ thị công đạt lớn nhất khi φ hơi lớn hơn 1. Tương ứng với giá trị đó của hệ số tương đương, nhiệt độ cực đại và nhiệt độ khí thải cũng đạt giá trị cao nhất (Hình 3.36b). Khi hệ số tương đương lớn hơn 1 thì phát thải ô nhiễm tăng rất mạnh hình 3.37. 3.3.3. Ảnh hưởng của thành phần biogas Hình 3.40a và hình 3.40b giới thiệu biến thiên áp suất và nhiệt độ trong xi lanh khi động cơ chạy bằng biogas M6C4, M7C3 và M8C2 không pha hydrogen ở tốc độ 2100 v/ph và 3600 v/ph với góc đánh lửa sớm 20TK. Khi động cơ chạy ở một chế độ tốc độ cho trước thì áp 12
suất cực đại tăng theo hàm lượng CH4 trong biogas. Hình 3.40: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) 3.3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng Hydrogen Hình 3.47: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) với =1 13
Khi pha hydrogen vào biogas thì tốc độ cháy tăng, quá trình cháy có thể diễn ra với hỗn hợp nghèo hơn do đó hệ số tương đương tối ưu tiến gần đến =1 hơn. Mức độ phát thải CO, HC, NOx vì thế thấp hơn rất nhiều so với trường hợp động cơ chạy bằng biogas đã mô tả ở hình 3.47a và hình 3.47b. 3.3.5. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ (a) (b) Hình 3.51: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên các thông số đặc trưng của quá trình cháy khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M7C3-15H (a) và M8C2-40H (b) với =1 và φs=20°TK Khi tăng tốc độ động cơ thì điều kiện cháy diễn ra không thuận lợi làm giảm công chỉ thị chu trình, tăng nhiệt độ khí thải và nồng độ CO, HC. Điểm lợi khi tăng tốc độ động cơ là giảm nồng độ NOx và tăng công suất động cơ. Vì vậy để cải thiện tính năng động cơ khi tăng tốc độ chúng ta cần điều chỉnh góc đánh lửa sớm. 3.3.6. Ảnh hưởng của chế độ tải Công chỉ thị chu trình tương ứng là 195,64, 133,95 và 104,23 J/ct hình 3.53a. Ở chế độ tải 50%, phát thải CO, HC tăng gấp đôi so với khi động cơ chạy ở chế độ toàn tải nhưng nồng độ NOx trong khí thải động cơ giảm 60% so với chế độ toàn tải (hình 3.53b). So với trường hợp động cơ chạy bằng biogas M7C3 ở chế độ tải cục bộ tương ứng thì khi pha 20% hydrogen, mức độ cải thiện Wi giảm dần khi giảm tải. Ở chế độ tải 65%, Wi tăng khoảng 4% nhưng ở chế độ tải 50%, Wi 14
chỉ tăng khoảng 2% khi pha 20% hydrogen vào biogas. Cũng như trường hợp động cơ chạy đầy tải, khi pha hydrogen vào biogas thì phát thải CO, HC giảm nhưng phát thải NOx tăng. (b) (a) Hình 3.53: Đồ thị công ở các chế độ tải khác nhau (a) và ảnh hưởng của chế độ tải đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy (M7C3-20H, n=3600 v/ph, ϕ=1, φs=30°TK) 3.3.7. So sánh tính năng động cơ khi chạy bằng biogas và biogas pha hydrogen Hình 3.55 cho thấy ứng với bất kỳ biogas nào, sự hiện diện của hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu cũng giúp cải thiện hiệu quả quá trình cháy làm tăng công chỉ thị chu trình. Phát thải CO và HC giảm trung bình từ 5-10 lần khi pha 20% hydrogen vào biogas. Nhược điểm khi pha hydrogen vào biogas là phát thải NOx tăng. Các kết quả này cho thấy trong điều kiện tối ưu, phát thải NOx tăng khoảng 10-15% khi pha 20% hydrogen vào biogas. (a) (b) (c) Hình 3.55: So sánh các đặc trưng quá trình cháy trong điều kiện tối ưu về góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương khi sử dụng biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) 15
3.8. Kết luận Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép rút ra những kết luận sau: - Ứng với một chế độ vận hành của động cơ cho trước, khi hàm lượng CH4 trong biogas tăng từ 60% lên 80% thì hệ số tương đương tối ưu giảm từ 1.06 xuống 1.04, công chỉ thị chu trình của động cơ tăng 6% và mức độ phát thải CO, HC, NOx giảm trung bình khoảng 20%. - Hệ số tương đương tối ưu giảm khi tăng hàm lượng H2 pha vào biogas. Khi pha 40% hydrogen vào biogas thì hệ số tương đương tối ưu đạt giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết, công chỉ thị chu trình tăng 13%, mức độ phát thải các chất ô nhiễm CO, HC giảm 10 lần và phát thải NOx giảm 2 lần. - Hiệu quả công tác của động cơ biogas được cải thiện tối đa khi pha 15% hydrogen vào biogas. Quá ngưỡng này, tính năng của động cơ hầu như không thay đổi khi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas. - Với chế độ tốc độ động cơ cho trước, góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 2°TK khi tăng 10% CH4 trong biogas và giảm 3°TK khi tăng 10% hydrogen trong hỗn hợp với biogas khi hàm lượng hydrogen pha vào biogas nhỏ hơn 20%. Khi hàm lượng hydrogen vượt quá 20%, góc đánh lửa sớm tối ưu hầu như không thay đổi theo hàm lượng H2. - Khi pha hydrogen vào biogas tính năng động cơ được cải thiện không phải do năng lượng nó mang vào buồng cháy mà do sự gia tăng tốc độ cháy và mở rộng giới hạn cháy giúp cho quá trình cháy tối ưu diễn ra gần giá trị =1 hơn khi động cơ chạy bằng biogas. - Trong điều kiện vận hành tối ưu, khi pha 20% hydrogen vào biogas thì công chỉ thị tăng trung bình 6%, phát thải CO và HC giảm trung bình từ 5-10 lần, phát thải NOx tăng khoảng 10-15%. 16
Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1. Điều khiển điện tử vòi phun nhiên liệu biogas-hydrogen (a) (b) (c) Hình 4.3. Tín hiệu điều khiển vòi phun khi chưa xử lý nhiễu (a, b) và các tín hiệu cảm biến Hall, tín hiệu đánh lửa và tín hiệu phun khi đã xử lý nhiễu (c) 4.2. Điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ chạy bằng hỗn hợp biogas-hydrogen 4.2.1. Tốc độ cháy chảy tầng 4.2.2. Mô hình vật lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm Hình 4.9. Tín hiệu của cảm biến Hall và tín hiệu đánh lửa khi chưa xử lý nhiễu (a), tín hiệu khi xử lý nhiễu các cổng kết nối bằng tụ điện (b) và tín hiệu sau khi xử lý bằng nguồn cách ly quang học (c) 4.3. Thiết lập ECU điều khiển động cơ biogas-hydrogen Chương trình bao gồm các mô đun kích hoạt dựa vào tín hiệu của cảm biến tương đối ĐCT, đọc thông tin cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến CO và cảm biến H2, xác định thời điểm đánh lửa, thời gian 17
phun và phát tín hiệu điều khiển vòi phun và hệ thống đánh lửa. Chương trình đầu tiên được kiểm tra trên mô hình vật lý (hình 4.12).. Hình 4.12. Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm thay đổi góc đánh lửa sớm, thời gian phun của động cơ tĩnh tại 4.4. Cải tạo động cơ 4.4.1. Sơ đồ hệ thống cải tạo động cơ Hình 4.17: Sơ đồ cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ tĩnh tại phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử 18