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

MỤC LỤC

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 178 trang tài liệu này.

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

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

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

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

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

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

4.6.1. Tổng quan về băng thử công suất động cơ 99

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

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

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

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

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