Ảnh hưởng của tỉ lệ CH4/CO2 đến đặc tính công suất, sự cháy và khí thải động cơ đánh lửa cưỡng bức tỉ số nén cao

Tình hình nghiên cứu trên thế giói Động cơ đánh lửa cưỡng bức động cơ xăng sử dụng 100% biogas ttên thế giới đã có nhiều bước tiến về mặt đánh giá công suất, quá trình cháy trong đó một

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN QUỐC KHÁNH

CÔNG SUẤT, SỰ CHÁY VÀ KHÍ THẢI

ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC TỈ SỐ NÉN CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2017

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS HUỲNH THANH CÔNG

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gầm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hộỉ đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNGĐẠIHỌCBÁCHKHOA ĐỘC lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Quốc Khánh

Ngày, tháng, năm sinh: 10/11/1991

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

I TÊN ĐỀ TÀI:

Ảnh hưởng của tỉ lệ CH4/CO2 đến đặc tính công suất, sự cháy và khí thải động cơ đánh lửa cưỡng bức tỷ số nén cao

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu tổng quan về động cơ tỷ số nén cao sử dụng nhiên liệu CH4/CO2 bằng phương pháp mô phỏng

2 Xây dựng mô hình mô phỏng, nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi tỷ lệ CH4/CO2 và thông

số vận hành đến các thông số đặc tính kinh tế, kỹ thuật và môi trường của động cơ nghiên cứu

3 Thiết kế, tính toán và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas giả lập theo tỉ lệ %

CH4/CO2 và hệ thống hòa trộn nhiên liệu - không khí nạp cho động cơ, làm cơ sở đề xuất cho các nghiên cứu thực nghiệm trên chủng loại động cơ này

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

(Họ tên và chư ký)

TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

MSHV: 7140356 Nơi sinh: Tp Vũng Tàu

MSHV: 60 52 01 16

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THANH NHIỆM VỤ:

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

5/1/2015 4/1/2016 PGS.TS HUỲNH THANH CÔNG

1

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn:

- Sự nuôi dưỡng, ủng hộ và động viên của gia đình giành cho tôi trong suốt thời gian qua

- PGS.TS Huỳnh Thanh Công đã nhiệt tình giảng dạy, chỉ dẫn tôi từ những ngày đầu khi tôi bắt đầu học thạc sĩ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để cho tôi được học tập và hoàn thành luận văn Với tất cả lòng biết ơn, tôi xin cảm ơn thầy vì đã hỗ trợ và động viên tôi những lúc tôi gặp khó khăn trở ngại trong suốt 3 năm vừa qua

- Quý thầy và toàn thể nhân viên trong Phòng Thí nghiêm Trọng điểm ĐHQG- HCM Động cơ Đốt trong và Bộ môn Kỹ thuật Ô tô - Máy động lực, khoa Kỹ thuật Giao thông, trường Đại học Bách khoa (ĐHQG-HCM) đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập tại đây

- Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các em sinh viên ngành Kỹ thuật 0 tô khóa kl 1, kl2 đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm việc

Trân trọng

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016

Nguyễn Quốc Khánh

11

TÓM TẮT

Luận văn này đề cập đến việc đánh giá đặc tính của động cơ biogas tỉ số nén cao dưới các điều kiện vận hành khác nhau như: thay đổi tốc độ, thay đổi tỉ lệ CH4/CO2 Nhiều nghiên cứu ứng dụng biogas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức đã được thực hiện trong và ngoài nước Tuy nhiên, động cơ tự cháy do sức nén sử dụng biogas còn ít được nghiên cứu Việc nghiên cứu sự thay đổi đặc tính động cơ này trong các điều kiện vận hành khác nhau sẽ góp phần đánh giá và tối ưu điều kiện hoạt động của đòng động cơ này Và góp phần nhận dạng tính khả thi của việc dùng nhiên liệu biogas trên động cơ công suất lớn trong tương lai tại Việt Nam

Trong luận văn này, động cơ diesel 1 xylanh 14HP là đối tượng nghiên cứu chính Một mô hình động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng hỗn hợp biogas giả lập (CH4/CO2) được thiết lập trên phần mềm AVL Boost vận hành với các thông số tiêu biểu như: tốc độ, tỉ lệ % CH4/CO2 Tốc độ thay đổi từ 1200 đến 2600 vòng/phút, tỉ lệ %CĨỈ4/CO2 thay đổi từ 50/50 đến 80/20 với bước là 5% Kết quả cho thấy, công suất tối đa của động cơ đạt 10,22kW tại 2600v/ph khi dùng 80%CH4 - 20%CO2 và 9,34kW tại 2600v/ph khi dùng 50%CH4 - 50%CO2 Khí thải co giảm 22,8%, HC giảm 38,7% và NOx tăng 81,6% tại tốc độ 2600v/ph khi tăng tỉ lệ từ 50%CH4 - 50%CO2 đến 80% CH4- 20%CO2

Luận văn cũng tiến hành thiết kế, tính toán và chế tạo hệ thống nhiên liệu theo tỉ lệ % CH4

- %CO2 và hệ thống hòa trộn nhiên liệu - không khí nạp cho động cơ Bệ thử động cơ được thiết lập làm cơ sở cho các nghiên cứu thực nghiệm trong tương lai

iii

ABSTRACT

The objective of this thesis is to evaluate the characteristics of high compression ratio biogas engine under different operated as: change of speed, change of CH4/CO2 ratio Most researches using biogas on spark ignition engines were reported However, compression ignition engines using biogas as fuel are rarely studied The study of the changing characteristics of the engine in various operating conditions will contribute to assess and optimize the operating conditions of the engine And contribute to identifying the feasibility of using biogas as fuel on high power engines in the future in Vietnam

In this thesis, one cylinder 14HP diesel engine is used to convert to operate with biogas One spark ignition engine model use simulated biogas mixture (CH4/CO2) is set on the software AVL Boost operating parameters such as: speed, rate % CH4/CO2 The speed change from 1200

to 2400 rpm, the rate of % CH4/CO2 from 50/50 to 80/20 change with 5% step Results shown, the maximum power of the engine is 10,22kW at 2600rpm when using 80%CH4 - 20%CO2 and 9,34kW at 2600rpm when using 50%CH4 - 50%CO2 Regard to exhaust emissions like co decrease 22,8%, HC decrease 38,7% và NOx increase 81,6% at speed 2600rpm increase ratio from 50%CH4- 50%CO2to 80%CH4- 20%CO2

Beside the fuel supply system is designed for charge of CH4 - CO2 and fuel-ah mixing system This system is already manufactured and installed in engine dynamometer to carry out the future experimental researches

IV

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các dữ liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tôi xin chịu trách nhiệm về các thông tin ửong luận văn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016

Nguyễn Quốc Khánh

IV

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC V DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.1.1 lình hình nghiên cứu trên thế giới 3

1.1.2 lình hình nghiên cứu tại Việt Nam 10

1.2 Lý do chọn đề tài 13

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 14

1.4 Đối tượng nghiên cứu 14

1.5 Phạm vi nghiên cứu 14

1.6 Phương pháp nghiên cứu 15

1.7 Tóm tắt nội dung nghiên cứu 15

1.8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

2.1 Giới thiệu chung 18

2.2 Quá trình cháy của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức 20

2.2.1 Hiện tượng cháy kích nổ (Engine knock) 20

2.2.2 Hiện tượng cháy ngược (Backfire) 21

2.3 Một số mô hình mô phỏng 21

2.3.1 Mô hình Nhiệt động lực học 21

2.3.2 Mô hình cháy Vibe 2 zone 23

2.3.3 Mô hình truyền nhiệt 25

IV

2.3.4 Mô hình hình thành khí thải 28

2.4 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm 31

2.5 Phương trình phản ứng của (CH4,CO2) 32

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG & THỰC NGHIỆM 34

3.1 Nghiên cứu mô phỏng 34

3.1.1 Giới thiệu chung 34

3.1.2 Mô hình hóa và mô phỏng động cơ 36

3.2 Thiết kế thí nghiệm 44

3.2.1 Giới thiệu chung 44

3.2.2 Thiết kế hệ thống tạo nhiên liệu biogas giả lập và hệ thống hòa trộn nhiên liệu - không khí 45

3.2.3 Hệ thống đánh lửa trực tiếp 66

3.2.4 Hệ thống giám sát điện tử 68

3.2.5 Hệ thống giao tiếp với người dùng 68

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 70

4.1 Nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ 70

4.1.1 Ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ 70

4.1.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi tỉ lệ %CH4/CO2 79

4.2 Thiết kế thí nghiệm 86

4.2.1 Phương án 1 86

4.2.2 Phương án 4 90

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 92

5.1 Kết luận 92

5.2 Hướng phát ttiển 92

Tài Liệu Tham Khảo 94

PHỤ LỤC 97

PHỤ LỤC 1 98

vii

PHỤ LỤC 2 99

PHỤ LỤC 3 118

PHỤ LỤC 4 129

PHỤ LỤC 5 131

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Cơ chế hình thành co 29

Bảng 2.2 Cơ chế hình thành NOX theo 6 phản ứng 30

Bảng 2.3 Tỉ lệ A/F lý thuyết theo từng mức tỉ lệ biogas 33

Bảng 3.1 Các biểu tượng công cụ chính trong phần mềm AVL Boost 36

Bảng 3.2 Các phần tử sử dụng trong mô hình mô phỏng 39

Bảng 3.3 Điều kiện mô phỏng 41

Bảng 3.4 Thông số cơ bản của động cơ 44

Bảng 3.5 Phân biệt động cơ trước và sau khi chuyển đổi 45

Bảng 3.6 Phân tích các phương án cung cấp nhiên liệu biogas giả lập 49

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật MFC (Mass Flow Control) 53

Bảng 3.8 Thông số kết cấu và kết quả mô phỏng Ansys Fluid Fluent 54

Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật cảm biến MAF DENSO 63

9

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Thị trường năng lượng thế giới (đơn vị: Quadrillion BTƯ) [1] 1

Hình 1.2 Tỉ lệ % sử dụng nhiên liệu của ba nước Mĩ, Trung Quốc và Ấn Độ[l] 1

Hình 1.3 Năng lượng điện tạo ra bởi các nguồn nhiên liệu khác nhau [1] 2

Hình 1.4 Ảnh hưởng của nồng độ CO2 tới công suất động cơ [7] 4

Hình 1.5 Ảnh hưởng của tỉ số nén đến khí thải [8] 5

Hình 1.6 Mô hình xe hơi sử dụng hai nhiên liệu [6] 5

Hình 1.7 Hiệu suất nhiệt tại các tỉ số nén [10] ố Hình 1.8 Áp suất của động cơ tại các tỉ số nén khác nhau [15] 7

Hình 1.9 Áp suất xy lanh của ba loại nhiên liệu biogas giả lập [16] 8

Hình 1.10 Mối quan hệ giữa giá trị điện áp của cảm biến và lưu lượng gió [22] 10

Hình 1.11 Sơ đồ cột hấp thụ co2 bằng nước[25] 11

Hình 1.12 Mô hình phác họa động cơ thí nghiêm [28, 29] 12

Hình 1.13 Hầm ủ và động cơ chạy máy phát điện tại trang trại Bình Dương 13

Hình 1.14 Sơ đồ nghiên cứu 16

Hình 2.1 Hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ đánh lửa cưỡng bức [32] 20

Hình 2.2 Mô hình cơ bản của Nhiệt Động lực học (Thermodynamic model) 22

Hình 2.3 Ảnh hưởng khi thay đổi tham số “m” đối với các đường đặc tính trong quá trình mô phỏng 24

Hình 2.4 Ảnh hưởng hệ số tương đương tới khí thải trong động cơ SI [32] 29

Hình 3.1 Giao diện phần mềm AVL BOOST 34

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng 37

X

Hình 3.3 Hình ảnh thực tế, bản vẽ 3D, 2D của động cơ mô phỏng 38

Hình 3.4 Các phần tử mô phỏng sau khi được gắn liên kết 38

Hình 3.5 Nhập các giá trị cho biến tốc độ động cơ 41

Hình 3.6 Tiến hành chạy mô phỏng 42

Hình 3.7 Cửa số theo dõi quá trình mô phỏng 42

Hình 3.8 Công cụ xuất kết quả dạng đồ thị 43

Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu theo phương án 1 47

Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu theo phương án 2 47

Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu theo phương án 3 48

Hình 3.12 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu theo phương án 4 49

Hình 3.13 Lưu lượng nạp CO2 vào động cơ theo số vòng quay và tỉ lệ %CH4 52

Hình 3.14 Lưu lượng nạp CH4 vào động cơ theo số vòng quay và tỉ lệ %CH4 52

Hình 3.15 Hệ thống phân phối tỉ lệ CH4 và CO2 sử dụng MFC 53

Hình 3.16 Bình trộn biogas giả lập 57

Hình 3.17 Thiết bị chống cháy ngược 58

Hình 3.18 Hình chiếu thiết bị chống cháy ngược 59

Hình 3.19 Họng gió nạp (trái) và bảng hiển thị giá trị góc mở cánh gió (phải) 61

Hình 3.20 Đường đặc tính của cảm biến MAF Denso 62

Hình 3.21 Vị trí của cảm biến MAF trên họng gió 62

Hình 3.22 Cảm biến encoder 64

Hình 3.23 Kim phun nhiên liệu 64

xi

Hình 3.24 Bộ đo lưu lượng gas MFM 64

Hình 3.25 Cảm biến lambda 65

Hình 3.26 Mạch nguyên lý điều khiển hệ thống hòa trộn và phun nhiên liệu 65

Hình 3.27 Lưu đồ giải thuật điều khiển kim phun 66

Hình 3.28 Bo mạch đánh lửa 67

Hình 3.29 Bobin của hệ thống đánh lửa 67

Hình 3.30 Giao diện điều khiển bệ thử 69

Hình 3.31 Giao diện đo thông số hoạt động của động cơ 69

Hình 4.1 Đặc tính công suất theo tốc độ động cơ 70

Hình 4.2 Đặc tính momen theo tốc độ động cơ 71

Hình 4.3 Suất tiêu hao nhiên liệu 72

Hình 4.4 Hiệu suất nhiệt theo tốc độ động cơ 72

Hình 4.5, Áp suất xy lanh và đường cong tỏa nhiệt (ROHL) tại tốc độ 1500 v/ph 73

Hình 4.6 Đường MFBR và nhiệt độ buồng cháy tại 1500 v/ph 74

Hình 4.7 Áp suất xy lanh và đường cong tỏa nhiệt (ROHL) tốc độ 1800 v/ph 75

Hình 4.8 Đường MFBR và nhiệt độ buồng cháy tại 1800 v/ph 76

Hình 4.9 Khí thải HC theo tốc độ động cơ 77

Hình 4.10 Khí thải co theo tốc độ động cơ 78

Hình 4.11 Khí thải NOx theo tốc độ động cơ 78

Hình 4.12 Ảnh hưởng của CH4 đến đặc tính công suất 79

Hình 4.13 Ảnh hưởng của CH4 đến đặc tính mô men 80

xii

Hình 4.14, Ảnh hưởng của CH4 đến suất tiêu hao nhiên liệu 81

Hình 4.15 Ảnh hưởng của CH4 đến hiệu suất nhiệt 82

Hình 4.16 Ảnh hưởng của CH4 đến đỉnh áp suất buồng cháy 83

Hình 4.17 Ảnh hưởng của CH4 đến đỉnh nhiệt độ buồng cháy 83

Hình 4.18 Ảnh hưởng của CH4 đến khí thải HC 84

Hình 4.19 Ảnh hưởng của CH4 đến phát thải co 84

Hình 4.20 Ảnh hưởng của CH4 đến phát thải NOx 85

Hình 4.21 Sơ đồ bệ thử động cơ biogas giả lập (phương án 1) 86

Hình 4.22 Bệ thử động cơ chạy khí biogas giả lập 87

Hình 4.23 Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas giả lập 87

Hình 4.24 Thiết bị tạo hỗn hợp không khí - biogas 88

Hình 4.25 Bình khí co2 (hái), khí CNG (CH4) (phải) 88

Hình 4.26 Cảm biến nhiệt độ khí thải 89

Hình 4.27, Cảm biến tiệm cận Autonics 89

Hình 4.28 Máy đo khí thải Heshbon 89

Hình 4.29 Sơ đồ bệ thử biogas (phương án 4) 90

Hình 4.30 Bộ ttộn không khí - nhiên liệu kiểu venturi (phương án 4) 91

xiii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

* Ký hiệu

A/F : Tỉ lệ không khí/Nhiên liệu

À : Hệ số dư lượng không khí

Ve : Hiệu suất nhiệt

De : Tốc độ quay trục khuỷu động cơ

vh : Thể tích xy lanh

* Từ viết tắt

CI : Compression ignition Động cơ tự cháy

CNG : Compressed natural gas Khí nén thiên nhiên

ECU : Electtonic control unit Bộ điều khiển trung tâm

ROHL : Rate of heat release Hàm tốc độ tỏa nhiệt

MFBR : Mass fraction burned rate Phần trăm lượng nhiên liệu cháy BSFC : Brake Specific Fuel Consumption Suất tiêu hao nhiên liệu

MFC : Mass Flow Control Bộ điều khiển lưu lượng khí

XIV

MAF : Mass Air Flow Sensor Cảm biến đo lưu lượng khí MAP : Mass Absolute Pressure Sensor Cảm biến đo áp suất khí

BPD Backfire Preventing Device Thiết bị chống cháy ngược

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu

Theo dự báo của tổ chức năng lượng thế giới (EIA) báo cáo năm 2010 [1], nhu cầu năng lượng cho toàn thế giới tính từ năm 2007 đến 2035 tăng 49% Đối với hai quốc gia là Trung Quốc và Ấn Độ nhu cầu tăng 30% Nhu cầu năng lượng ở Trung Đông tăng 82%, khu vực Nam Mĩ và Châu Phi tăng 63% Trong khi nhiên liệu hóa thạch cung cấp hơn 86% tổng nguồn năng lượng thế giới trong năm 2007 [2], điều này cho thấy việc giảm sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch gặp rất nhiều khó khăn

Hình 1.1 Thị trường năng lượng thế giới (đơn vị: Quadrillion BTƯ) [1],

Hình 1.2 Tỉ lệ % sử dụng nhiên liệu của ba nước Mĩ, Trung Quốc và Ấn Độ[l]

2

Tuy đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống nhưng nhiên liệu hóa thạch hiện đang gây nên rất nhiều ảnh hưởng xấu đến tự nhiên, môi trường, kỉnh tế và xã hội Theo ước tính của EIA, lượng phát thải khí CƠ2 tăng từ 29,7 nghìn tỉ m3 năm 2007 lên 42,4 nghìn tỉ m3 năm 2035 [1], việc đốt nhiên liệu hóa thạch sẽ làm phát thải rất nhiều chất khí độc hại ra không khí, phá hủy môi trường thiên nhiên, làm biến đổi khí hậu và làm tăng các hiện tượng thời tiết cực đoan Bên cạnh đỏ, vấn đề an ninh năng lượng cũng gặp nhiều ưở ngại cho mỗi quốc gia bởi giá nhiên liệu hốa thạch có xu hướng tăng giảm không ổn định và sản lượng khai thác cũng gặp nhiều ảnh hưởng bởi trữ lượng ngày càng cạn kiệt [3]

Chính vì vậy, trong nhiều năm qua năng lượng tái tạo không chỉ được xem là nguồn năng lượng mới hữu ích mà còn là công cụ hiệu quả để giải quyết các vấn đề cấp bách cho nhân loại như: giảm sụ ảnh hưởng xấu từ nâng lượng hốa thạch đến sức khỏe của con người, đảm bảo an ninh năng lượng, ổn định kinh tế xã hội đặc biệt tại các nước đang phát triển Theo công bố của báo cáo về năng lượng thay thế năm 2016 (REN21) [4] thì nhiên liệu tái tạo cung cấp 19,2% tổng số năng lượng tiêu thụ toàn cầu năm 2014 Nhiều kịch bản dự báo về mức độ tăng trưởng của nhiên liệu tái tạo cho năm 2020 đã vượt chỉ tiêu vào năm 2010 Do vậy, các chính phủ cần cỗ các bước đi quyết liệt hơn để đẩy nhanh việc ứng dụng nhiên liệu thay thế cho tầm nhìn năm 2040

Hình 1.3 Năng lượng điện tạo ra bởi các nguồn nhiên liệu khác nhau [1]

Một ửong những trọng tâm của các nghiên cứu về nhiên liệu thay thế đó là thay thế dần sự lệ thuộc vào nhiên liệu xăng và diesel trên động cơ đốt trong truyền thống

3

như khí thiên nhiên (Natural Gas), nhiên liệu cồn (ethanol/methanol), nhiên liệu dầu sinh học (biodiesel), nhiên liệu khí sinh học (biogas), khí hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas) Khí biogas là khí sinh học thu được từ sự phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí Đây là nguồn nhiên liệu tái tạo triển vọng có khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai Nguồn cung khí biogas rất đa dạng như: phân bón trong chăn nuôi, nguồn sinh khối từ hoạt động nông nghiệp (cây cối, rơm rạ ), chất thải

từ quá trình sử dụng thực phẩm, nước thải và rác thải sinh hoạt Biogas thô từ hầm ủ có thể sử dụng ngay hoặc tinh lọc để loại bỏ tạp chất Việc sử dụng khí biogas cho các mục đích thắp sáng, đun nấu, sưởi ấm hay nhiên liệu cho động cơ đốt trong không làm tăng thêm lượng CO2 vào khí quyển [5,6], Quá trình khai thác và sử dụng biogas sẽ đem lại rất nhiều lợi ích như:

- Giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch Đảm bảo an ninh năng lượng cho các quốc gia

- Giảm phát thải khí CO2 vào môi trường Giảm hiệu ứng nhà kính do khí CH4 gây ra gấp 21 lần khí CO2

- Cải thiện cơ sở hạ tầng đặc biệt là ở nông thôn do chất thải được ưu tiên xử lý hiệt để hơn

Để sử dựng được khí biogas trên động cơ đốt trong, cần phải có những nghiên cứu

về công nghệ để nâng cấp hay chuyển đổi từ động cơ truyền thống Việc sử dụng biogas trên động cơ đốt ttong tập ttung tại 4 hướng chính:

(1) Động cơ xăng sử dụng 100% biogas

(2) Động cơ xăng sử dụng nhiên liệu kép xăng/biogas

(3) Động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/ biogas

(4) Động cơ diesel sử dụng 100% biogas

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giói

Động cơ đánh lửa cưỡng bức (động cơ xăng) sử dụng 100% biogas ttên thế giới

đã có nhiều bước tiến về mặt đánh giá công suất, quá trình cháy trong đó một nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ CƠ2 đối với quá trình hoạt động của động cơ đánh ỉửa cưỡng bức tỉ số nén 13:1 khỉ đánh giá sự ảnh hưởng của việc giảm co2 (tại các mức nồng độ: 41%, 30%, 20%) đến công suất, khí thải, sự cháy tại tốc độ không đổi [7] Theo đó,

4

khi lượng CO2 tăng lên trong nhiên liệu biogas thì công suất của động cơ sẽ giảm Bên

cạnh đó, hiệu suất nhiệt của động cơ đạt cực đại tại hệ số lambda=l Khi thử nghiêm

động cơ tại 100% tải và hệ số lambda 1,03, áp suất xy lanh đạt 62bar khi nồng độ co2 là

20% và 57bar khi nồng độ CO2 là 41% Đường cong tỏa nhiệt cũng cho thấy khi nồng

độ co2 tăng lên cũng kéo đỉnh đường cong tỏa nhiệt lùi xa ĐCT hơn

Hình 1.4 Ảnh hưởng của nồng độ co2 tới công suất động cơ [7]

Nồng độ co2 giảm sẽ làm tăng hiệu suất Với mức giảm co2 tại 10% nồng độ HC

giảm đáng kể nhưng NO lại tăng lên Trong một nghiên cứu khác của Daniel Favrat và

cộng sự về việc ứng dụng buồng đốt phụ trên động cơ bỉogas[8] Nghiên cứu thử nghiệm

trên động cơ tăng áp 06 xy lanh, công suất 150kW Buồng đốt phụ chiếm 3% thể tích

buồng đốt, quá trình mô phỏng tính toán được thục hiện trên phần mềm KIVA 3V Thử

nghiệm được tiến hành ở 2 mức tỉ số nén là 12 và 13,3, tại tốc độ 1500 vòng/phút, hệ số

dư lượng không khí 1,57, góc đánh lửa sớm 8 độ TĐCT Hiệu suất nhiệt đạt 37,7% và

các nồng động khí thải NOx và co vẫn đáp ứng tiêu chuẩn Thụy Sĩ

5

Hình 1.5 Ảnh hưởng của tỉ sổ nén đến khí thải [8]

Tại một số nước phát triển, việc nghiên cứu và ứng dụng biogas trên phương tiên giao thông đã có nhiều kết quả quan trọng Nghiên cứu của Roslỉ Abu Bakar đưa ra hai phương án sử dụng biogas trên động cơ xăng đó là 100% khí biogas và biogas-xăng [9] Trong nghiên cứu này, việc nghiên cửu và phát triển động cơ sử dụng khí CNG trong điều kiện cháy nghèo nhằm đảm bảo công suất đầu ra, mô-men và khí thải so với động

cơ xăng hoặc diesel tương đương Ngoài ra, Biogas sử dụng song song với xăng trên xe hơi được hãng Volvo nghiên cứu từ lâu [6], khí Biogas chứa trong bình nén Biogas và xăng được dùng độc lập ưên xe và chuyển đổi qua lại giữa hai loại nhiên liệu với một nút bám Động cơ 2,4 ưt của xe Volvo sử dụng khí nén biogas hoặc CNG cố thề giúp đỉ thêm quãng đường hơn 200km và giảm mức thải CƠ2 xuống 25% khi so với xăng Chi phí cho xe sử dụng hai nhiên liệu rẻ hơn từ 20-60% so với dầu

Hình 1.6 Mô hinh xe hơi sử dụng hai nhiên liệu [6]

Việc ứng dụng biogas trên cảc động cơ đảnh lửa cưỡng bức công suất nhỏ cho hiệu suất động cơ khá tháp Một nghiên cứu của Ujjwal K Saha về ảnh hưởng của tỉ số nén đến công suất, quá trình cháy và khí thải của động cơ dùng hai nhiên liệu [10] được trình bày tại một thí nghiệm với động cơ diesel 3,5kW một xy lanh được chuyển đổi để

6

chạy biogas-diesel Tỉ số nén thay đổi lần lượt là 18; 17,5; 17 và 16, gốc phun sớm tại

23 độ TĐCT Tại 100% tải, chế độ nhiên liệu kép, hiệu suất nhiệt đo được là 20,4%, 18,25%, 17,07% và 16,42% tương ứng với các mức tỉ số nén là 18; 17,5; 17 và 16 Khí thải co2 tăng từ 26,22% đến 41,97% khi tỉ số nén tăng tứ 16 lên 18 Trong tất cả các thử nghiệm, khí co và HC trong chế độ nhiên liệu kép đạt nồng độ cao hơn ở chế độ chạy diesel bởi lý do thể tích cỏ ích ban đầu bị giảm

Hình 1.7 Hiệu suất nhiệt tại các tỉ số nén [10]

Trong một nghiên cứu khác của Tippayawong và cộng sự liên quan đến độ bền của chi tiết động cơ [11], độ bền của động cơ nông nghiệp một xy lanh, không tăng áp,

4 thì, phun dỉesel trực tiếp đã được kiểm nghiêm khi chạy lưỡng nhiên liệu biogas-dieseỉ, tiến hành tại 1500 vòng/phút và Ưong 3500 giờ Kiểm nghiệm nhằm xác định độ bền, đánh giá mức độ tích lũy muội than và tính chất của dầu nhờn so với khi chạy nhiên liệu ban đầu Kết quả cho thấy nhiến liệu biogas/diesel cố thể thay thế nhiên liệu diesel trong thời gian dài mà không gặp trục ưặc kỹ thuật Động cơ dỉesel không chỉ chạy lưỡng nhiên liệu bỉogas-dỉesel mà còn có sự kết hợp khác như bỉogas-bìodiesel [12] Thử nghiệm cho thấy, công suất, hiệu suất nhiệt, nhiệt độ khí thải tăng khỉ tăng tải trong tất

cả các trường hợp thử nghiệm nhiên liệu Tuy nhiên, suất tiêu hao nhiên liệu nhìn chung giảm khi tăng tải tại tất cả các chế độ nhiên liệu, Từ mức 40% tải trở đi, suất tiêu hao nhiên liệu của các loại nhiên liệu tiến về gàn giá trị với nhau Khí thải CO2, co và NOXtăng khi tăng tải tại các chế độ nhiên liệu đơn và kép

Đối với động cơ diesel chạy 100% biogas, nghiên cứu của R Chadra và cộng sự trên động cơ diesel chuyển đổi đánh lửa cưỡng bức, công suất 5,9kW, dùng các loại nhiên liệu sau: CNG, biogas tinh lọc (làm giàu metan) và biogas thô [13] Thử nghiệm

7

được tiến hành tại tỉ số nén 12,65 Góc đánh lửa sớm thay đổi tương ứng là 30°, 35 °, 40

° trước ĐCT Công suất động cơ so với khi sử dụng diesel lần lượt giảm 31,8%; 35,6%; 46,3% tương ứng với nhiên liệu CNG, bỉogas tinh lọc và biogas thô Kết quả cho thấy động cơ sau chuyển đổi chạy khí biogas tinh lọc cho công suất, suất tiêu hao nhiên liệu

và hiệu suất nhiệt tương đương khi so với khí thiên nhiên CNG Tại Thái Lan, việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ dỉesel sang chạy 100% được thực hiện trên động cơ loại lớn [14] Động cơ chuyển đổi là Hino K-13CTI 13.000cc 24 van Tỉ số nến giảm từ 16:1 xuống 8:1 Hiệu suất nhiệt đạt được là 28,6% với gỏc đảnh lửa sớm tại 54° TĐCT Công suất ra máy phát điện là 134,2 kW, khí thải CO và NOx lần lượt là 1154ppm và 896ppm

Hình 1.8 Áp suất của động cơ tạỉ cấc tỉ số nén khấc nhau [15]

Tuy nhiên, xu hướng trong tương lai của động cơ sử dụng biogas là động cơ có tỉ

số nén cao Trong một nghiên cứu của Porpatham tại Ấn Độ [15], một động cơ diesel một xỵỉanh đã được chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức và quá trình thí nghiệm được tiến hành tại 1500 vòng/phút với độ mở bướm ga là 25% và 100% trong điều kiện thay đổi hệ số đậm Kết quả cho thấy, công suất và hiệu suất nhiệt đạt giá trị cực đại trong khoảng tỉ số nén 13:1 và 15:1 đồng thời hệ số đậm là 1.08 và 0.95 Tại các điều kiện thí nghiệm, khí thải HC và co thấp nhưng NOx lại cao Khỉ tăng tỉ số nén, áp

suất cực đại tăng lên và đồng thời đỉnh áp suất cũng gần ĐCT hơn (hình 1,8)

Tại Colombia, Gosmez Montoya và cộng sự đã có công bố về nghiên cứu về công suất và khí thải trên động cơ đánh lửa cưỡng bửc tỉ số nén cao sử dụng hỗn hợp biogas

ảo (simulated biogas) [16] Cố 3 mẫu nhiên liệu được sử dụng gồm: 100% biogas

số tương đương 0,95 Khi vận hành động cơ tại tốc độ 1800 v/ph và 7kW, áp suất cao nhất là 59bar và thấp nhát là 5 lbar, góc bắt đầu cháy của nhiên liệu khoảng -5 độ TĐCT

(hình 1.9)

Hình 1.9 Áp suất xy lanh của ba loại nhiên liệu biogas giả lập [16]

Không dừng lại ở đổ, nghiên cứu của Violeta Makareviciene và cộng sự còn tiến hành nghiên cứu đặc tính công suất khí thải của khí biogas trên động cơ diesel với tỉ số nén 19,5 [17] Động cơ thí nghiệm sử dụng 2 loại nhiên liệu: biogas và diesel Quá trình thử nghiệm được tiến hành trong 2 giai đoạn Giai đoạn 1, xem xét sự thay đổi về thành phần khí thải khi thay đổi các thành phần trong hỗn hợp biogas NOX giảm tỉ lệ với nồng

độ metan trong hỗn hợp Giai đoạn 2, hỗn hợp biogas với tỉ lệ cao được xem xét khi thay đổi góc phun nhiên liệu Thử nghiệm cho thấy khi tăng hàm lượng metan thì thời gian phun nhiên liệu cũng phải tăng lên để tăng hiệu suất nhiệt và giảm suất tiêu hao nhiên liệu, co, HC

Nghiên cứu hên thế giới cũng công bố những thiết kế và tính toán trên động cơ sử dụng biogas Điển hình như nghiên cứu của Henham tại Anh Quốc về việc tính toán động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel kết hợp biogas giả lập [18], Nghiên cứu sử dụng

9

bộ hòa ưộn khí gas và không khí thay thế cho bộ chế hòa khí Động cơ được điều khiển theo sự thay đổi của hỗn hợp khí được cung cấp cho động cơ dựa theo độ mở bướm ga Hỗn hợp khí được đốt cháy bằng bugi Tại một nghiên cứu khác của Su Chu-wang về việc tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển hòa trộn xăng và biogas trên động cơ lưỡng nhiên liệu [19], Nghiên cứu công bố tính toán tỉ lệ A/F thực tế cung cấp cho động cơ Tính toán vận tốc và áp suất của không khí và gas cần nạp cho quá trình hoạt động của động cơ Từ đó đưa ra thuật toán phù hợp cho góc mở bướm ga sử dụng bằng mô tơ bước

Cũng tương tự như nghiên cứu ở trên, tuy nhiên nghiên cứu của Hongwei Cui lại tập trung vào thuật toán vòng kín nhằm điều khiển chính xác hệ số dư lượng không khí [20], Nghiên cứu tập trung xác định đường đặc tính về sự ảnh hưởng giữa độ mở bướm

ga và tốc độ động cơ nhằm đảm bảo hệ số dư lượng không khí mong muốn từ trước Từ

đó, cung cấp dữ liệu nhằm hoàn thiện bộ điều khiển tỉ lệ A/F đối với động cơ sử dụng khí biogas Một nghiên cứu khác của Prashant s Daingade [21] đã tiến hành nghiên cứu

hệ thống điện tử cung cấp nhiên liệu cho động cơ chạy khí đánh lửa cưỡng bức từ đó nhằm so sánh đặc tính công suất và khí thải của động cơ sử dụng bộ chế hòa khí với động cơ sử dụng bộ cung cấp nhiên liệu bằng điện tử Kết quả cho thấy, động cơ sử dụng

hệ thống cung cấp nhiên liệu điều khiển điện tử nhìn chung đạt các kết quả về đặc tính tốt hơn so với khi sử dụng bộ chế hoàn khí

Bên cạnh đó, công bố của R Ilves [22] cung cấp thêm các tính toán, thiết kế và lựa chọn cảm biến cho hệ thống cung cấp nhiên liệu Trong đó, sử dụng họng ga để điều khiển lượng gió nạp và cảm biến đo lưu lượng gió dạng dây nhiệt để đo lưu lượng gió nạp cho động cơ

Ga phát triển [23] Ảnh hưởng của tỉ sổ nén đến tính năng của động cơ cũng được xem xét [24], quá trình nghiên cứu được thực hiện bằng phần mềm Fluent với mô hình cháy

“Partial premixed” trong không gian buồn cháy 3D, trong đó tỉ số nén thay đổi ở các giá trị 9:1, 12:1, 15:1 Tỉ số nén tăng chỉ ảnh hưởng lớn tới áp suất cuối quá trình cháy mà không ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ cuối quá trình cháy và đường cong tỏa nhiệt Các thử nghiệm biogas trên xe gắn máy sử dụng bộ phụ kiện GA5 do Đại học Đà Nắng nghiên cứu [25] cho kết quả khả quan về mặt khí thải khi so với xăng Nghiên cứu cũng

đề xuất phương pháp lọc khí CƠ2 frong hỗn hợp khí biogas (hình 1.11) tuy nhiên những nghiên cứu này vẫn chưa áp dụng được trong thực tế

11

Động cơ xăng dùng hai nhiên liệu xăng/bỉogas không được nghiên cứu và phát triển tại Việt Nam Trong khi đỏ, động cơ dùng lưỡng nhiên liệu dỉesel-biogas được ưu tiên nghiên cứu nhiều hơn Nhóm nghiên cứu từ đại học Bách khoa Đà Nắng đã có những công bố cho vấn đề này [26, 27] Động cơ thử nghiệm được chuyển đổi từ một động cơ tĩnh tại chạy diesel dung tích 625cc, tỉ số nén 18:1 Nhiên liệu chính sử dụng trong động cơ là biogas, lượng diesel phun mồi được khống chế là 5% lượng diesel ở chế độ toàn tải Ưu điểm của những nghiên cứu này là đã áp dụng thành công nhiên liệu kép trên động cơ dỉesel Đồng thời, cũng đã cỏ những nghiên cứu rõ ràng về ảnh hưởng

tỉ số nén cũng như thành phần nhiên liệu kép đến quá trình cháy động cơ Để duy trì tốc

độ động cơ việc sử dụng bộ điều tốc cơ khí với van tiết lưu kiểu bướm là giải pháp tốt nhất Tuy nhiên, việc tối ưu tỉ lệ nhiên liệu giữa diesel- biogas tại các chế độ tải chưa được đề cập sâu, việc đáp ứng của động cơ còn chậm

Động cơ chạy lưỡng nhiên liệu tuy đem lại ứng dụng đa dạng về nhiên liệu nhưng đòi hỏi sự nghiên cứu sâu về thành phần tỉ lệ của nhiên liệu tham gia và những điều kiện khác tác động đến quá trình làm việc của động cơ Do vậy, việc nghiên cứu và sử dụng 100% biogas trên động cơ diesel vẫn cố những tiềm nâng không nhỏ Nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Dũng và cộng sự tại đại học Bách khoa HCM [28] cũng đưa ra những

12

nghiên cứu về việc chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng 100% biogas và kết quả đem lại rất ưiển vọng Trong đó, động cơ chuyển đồi là loại diesel 04 xyỉanh Kết quả cho thấy động cơ hoạt động tốt với 64% CH4 ở tỉ sổ nén 17:1 Ngoài ra, việc thiết kế hệ thống đảnh lửa điều khiển bằng máy tính nhằm đáp ứng tốt hơn quá trình vận hành của động cơ diesel chạy 100% biogas điều chỉnh tốc độ động cơ tại 1500 vòng/phút cũng được Trần Đăng Long và cộng sự phát triển [29]

Hình 1.12 Mô hình phác họa động cơ thí nghiệm [28, 29]

Trong quá trình thực hiện luận vân, tác giả đã tiến hành nghiên cứu thực tế tại trang trại chăn nuôi lợn của ông Nguyễn Hữu Nhiệm, tọa lạc tại huyện Bắc Tân Uyên, tỉnh Đình Dương Qua quá trình trao đổi về tình hình sử dụng nhiên liệu khí biogas tại trang trại, tác giả nhận thấy việc sử dụng khí biogas tại trang trại vẫn chủ yếu dựa trên động cơ đảnh lửa cưỡng bức cố tỉ số nén thấp 11:1 (động cơ xăng có sẵn) Đồng thời, năng suất phát điện của khí biogas từ một hầm ủ nhất định qua các thời điểm khác nhau trong ngày (sảng, trưa, tối) hoặc giữa các mùa khác nhau trong năm (mùa mưa hoặc mùa nắng) cũng rất khác nhau Chỉ số hiệu điện thế và cường độ dòng điện đo được từ máy phát điện chạy khí biogas lấy từ hầm ủ không ổn định và cố sự chênh lệch Do đỏ, càng khẳng định nên sự ảnh hưởng của tỉ lệ %CH|/C02 đến hiệu suất phát điện của động cơ

sử dụng khí biogas Nhu cầu cần làm rõ sự ảnh hưởng này đến sự hoạt động của động

cơ và nghiên cứu việc sử dụng khí biogas trên động cơ cố tì số nén cao là rất cần thiết

và cũng là nhu cầu thực tế đối với các chủ trang trại chăn nuôi

có những đánh giá ảnh hưởng khỉ thay đổi tỉ lệ giữa 2 thành phần %(CH4/CO2) đến công suất, sự cháy và khí thải trên động cơ diesel (đã qua cải tạo) chạy 100% biogas (đặc biệt tại ở tỉ số nén cao)

Việc xem xét đến “sự thay đổi nồng độ CH4/CO2” ở Việt Nam chỉ dừng lại ở mức

độ mô phỏng hoặc thí nghiệm tại ở mức tỉ số nén nhỏ Khi tỉ số nén tăng, về mặt lý tưởng thì hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình của chu trình lý tưởng tăng Trên thực tế,

tỉ số nén của động cơ càng cao thì công suất phát ra càng lớn [30] nhưng cũng đi kèm với hiện tượng kích nổ Nếu động cơ có tỉ số nén cao (đề xuất trong nghiên cứu là 18:1)

sử dụng nhiên liệu biogas thay đổi nồng độ CH4/CO2 thì vấn đề hoạt động của động cơ

sẽ trở nên phức tạp hơn

Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi tỉ lệ % của 2 thành phần CH4, CO2 (simulated biogas - biogas giả lập) đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và môi trường của động cơ Nghiên cứu này nếu thành công sẽ góp phần triển khai sử dụng khí biogas trên

14

chủng loại động cơ xe tải và xe buýt tại Việt Nam

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn này là đánh giá đặc tính kỹ thuật và môi trường của động cơ đánh lửa cưỡng bức, tỉ số nén cao vận hành với sự thay đổi của hỗn hợp CH4/CO2, tại các điều kiện vận hành khác nhau

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Động cơ nghiên cứu ttong phạm vi luận văn là động cơ diesel tĩnh tại Kubota RT140DI được chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức, sử dụng hỗn hợp CH4 + CO2

1.5 Phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của việc thay đổi tỉ lệ %(CH4/CO2) đến đặc tính công suất, quá trình cháy và khí thải của động cơ Biogas sử dụng 100% biogas đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao

Do vậy, phạm vi của đề tài chỉ tập trung đánh giá ảnh hưởng của nồng độ C1 h/co2(từ 80% CH4, 20% co2 đến 50% CH4, 50% co2) với mức thay đổi là 5% đến những đặc

tính nêu trên của động cơ, giữ nguyên hệ số lambda (Ằ = 1), góc đánh lửa sớm (Spark

timing) cũng được giữ cố định

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chính được sử dụng trong luận văn này là phương pháp

mô hình hóa và mô phỏng

Luận văn bắt đầu tiếp cận với các nghiên cứu trong và ngoài nước lìm hiểu về động cơ đang nghiên cứu và thiết lập mô hình động cơ trên phần mềm AVL BOOST Xây dựng điều kiện vận hành của động cơ tương ứng với thực tế và tiến hành gán số liệu ban đầu trên băng thử cho mô hình

Thử nghiệm thực tế sẽ được thực hiện trong tương lai trên băng thử để kiểm chứng kết quả mô phỏng