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
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
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
1. Các ký hiệu mẫu tự La Tinh
[] | 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 |
Có thể bạn quan tâm!
-
Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ hybrid biogas-xăng - 1 -
![Sự Cần Thiết Của Việc Sử Dụng Năng Lượng Tái Tạo [1]](https://tailieuthamkhao.com/uploads/2022/10/17/nghien-cuu-qua-trinh-chay-va-phat-thai-o-nhiem-dong-co-hybrid-biogas-xang-3-1-120x90.jpg)
Sự Cần Thiết Của Việc Sử Dụng Năng Lượng Tái Tạo [1] -
![Khả Năng Sinh Khí Biogas Của Một Số Nguyên Liệu [1]](https://tailieuthamkhao.com/uploads/2022/10/17/nghien-cuu-qua-trinh-chay-va-phat-thai-o-nhiem-dong-co-hybrid-biogas-xang-4-1-120x90.png)
Khả Năng Sinh Khí Biogas Của Một Số Nguyên Liệu [1] -
Tình Hình Nghiên Cứu Ứng Dụng Động Cơ Biogas Thế Giới Và Việt Nam
Xem toàn bộ 178 trang tài liệu này.
[ppm] | Hyđrô cácbon | |
NOx | [ppm] | Ôxit nitơ |
CO2 | [%] | Carbonic |
H2S | [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
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 2C 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
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
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
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.