ẢNH HƯỞNG của tỉ lệ CH4CO2 đến đặc TÍNH CÔNG SUẤT, sự CHÁY và KHÍ THẢI ĐỘNG cơ ĐÁNH lửa CƯỠNG bức tỉ số nén CAO

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

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

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 gồm:

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

1 TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Quốc Khánh MSHV: 7140356

Ngày, tháng, năm sinh: 10/11/1991 Nơi sinh: Tp Vũng Tàu

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực MSHV: 60 52 01 16

I TÊN ĐỀ TÀI:

Ảnh hưởng của tỉ lệ CH 4 /CO 2 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 chữ ký)

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 nghiệm Trọng điểm 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

ĐHQG Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các em sinh viên ngành Kỹ thuật Ô tô khóa k11, k12 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

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

%CH4/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

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/CO2ratio 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%CO2 to 80%CH4 - 20%CO2

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

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 trong luận văn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016

Nguyễn Quốc Khánh

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 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 3

1.1.2 Tình 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

2.3.3 Mô hình truyền nhiệt 25

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 triển 92

Tài Liệu Tham Khảo 94

PHỤ LỤC 97

PHỤ LỤC 2 99

PHỤ LỤC 3 118

PHỤ LỤC 4 129

PHỤ LỤC 5 131

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

DANH MỤC HÌNH

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

Hình 1.2 Tỉ lệ % sử dụng nhiên liệu của ba nước Mĩ, Trung Quốc và Ấn Độ[1] 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] 6

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 nghiệm [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

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

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

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 (trái), 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 trộn không khí – nhiên liệu kiểu venturi (phương án 4) 91

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

* Ký hiệu

A/F : Tỉ lệ không khí/Nhiên liệu

 : Hệ số dư lượng không khí

𝜂𝑒 : Hiệu suất nhiệt

ne : Tốc độ quay trục khuỷu động cơ

Vh : Thể tích xy lanh

* Từ viết tắt

CI : Compression ignition Động cơ tự cháy

SI : Spark ignition Động cơ đánh lửa cưỡng bức CNG : Compressed natural gas Khí nén thiên nhiên

ECU : Electronic 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 MFM : Mass Flow Meter Bộ đo lưu lượng

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 BTU) [1]

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

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, kinh tế

và xã hội Theo ước tính của EIA, lượng phát thải khí CO2 tăng từ 29,7 nghìn tỉ m3năm 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 đó, vấn đề an ninh năng lượng cũng gặp nhiều trở ngại cho mỗi quốc gia bởi giá nhiên liệu hóa 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 sự ảnh hưởng xấu từ năng lượng hóa 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 có các bước đi quyết liệt hơn để đẩy nhanh việc ứng dụng nhiên liệu thay thế cho tầm nhìn năm 2040

Một trong 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 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 CH4gây 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 triệt để hơn

Để sử dụng 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 trong tập trung 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 giới

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

nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ CO2 đối với quá trình hoạt động của động cơ đánh lửa cưỡng bức tỉ số nén 13:1 khi 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, 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=1 Khi thử nghiệm 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 biogas[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 thực 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

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

Tại một số nước phát triển, việc nghiên cứu và ứng dụng biogas trên phương tiện giao thông đã có nhiều kết quả quan trọng Nghiên cứu của Rosli 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 cứu 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 trên xe và chuyển đổi qua lại giữa hai loại nhiên liệu với một nút bấm Động cơ 2,4 lít của xe Volvo sử dụng khí nén biogas hoặc CNG có thể giúp đi thêm quãng đường hơn 200km và giảm mức thải CO2 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 hình xe hơi sử dụng hai nhiên liệu [6]

Việc ứng dụng biogas trên các động cơ đánh lửa cưỡng bức công suất nhỏ cho hiệu suất động cơ khá thấp 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 chạy biogas-diesel Tỉ số nén thay đổi lần lượt là 18; 17,5; 17 và 16, góc 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 có 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 diesel trực tiếp đã được kiểm nghiệm khi chạy lưỡng nhiên liệu biogas-diesel, tiến hành tại 1500 vòng/phút và trong 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 nhiên liệu biogas/diesel có thể thay thế nhiên liệu diesel trong thời gian dài mà không gặp trục trặc kỹ thuật Động

cơ diesel không chỉ chạy lưỡng nhiên liệu biogas-diesel mà còn có sự kết hợp khác như biogas-biodiesel [12] Thử nghiệm cho thấy, công suất, hiệu suất nhiệt, nhiệt độ khí thải tăng khi tăng tải trong tất cả các trường hợp thử nghiệm nhiên liệu Tuy

nhiên liệu Từ mức 40% tải trở đi, suất tiêu hao nhiên liệu của các loại nhiên liệu tiến về gần giá trị với nhau Khí thải CO2, CO và NOx tăng 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 được tiến hành tại tỉ số nén 12,65 Góc đánh lửa sớm thay đổi tương ứng là

30o, 35 o, 40 o 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, biogas 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 diesel 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 nén giảm từ 16:1 xuống 8:1 Hiệu suất nhiệt đạt được là 28,6% với góc đánh lửa sớm tại 54o 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 tại các tỉ số nén khác 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 xylanh 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 Khi 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 bức tỉ số nén cao sử dụng hỗn hợp biogas ảo (simulated biogas) [16] Có 3 mẫu nhiên liệu được sử dụng gồm: 100% biogas (60%CH4 + 40% CO2), 75%biogas + 25% CH4 (70%CH4 + 30%CO2)

và 50%biogas + 50% CH4 (80%CH4 + +2-%CO2) Công suất của động cơ giảm 17,64% khi dùng biogas Tỉ số nén là 15,5:1 và hiện tượng kích nổ không xảy ra Hiệu suất nhiệt khi dùng mẫu nhiên liệu 50% metan cho ra tương đương với khi dùng diesel-biogas tại toàn tải và nửa tải Tỉ lệ tốt nhất được tìm thấy tại 50% metan, góc đánh lửa tối ưu là 12o

TĐCT và hệ 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 nhất là

51bar, 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 đó, nghiên cứu của Violeta Makareviciene và cộng sự còn

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 trên 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 bộ hòa trộn 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

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

1.1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, động cơ xăng sử dụng 100% biogas được nông dân sử dụng từ lâu trong một thời gian dài cho mục đích chạy máy phát điện, bởi sự tiện dụng từ động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức có thể sử dụng ngay khí biogas mà không cần tác động nhiều vào kết cấu của động cơ Tuy nhiên, hiệu suất đạt được không cao vì biogas từ hầm ủ được đưa lên sử dụng trực tiếp không qua tinh lọc nên trong hàm lượng biogas thô vẫn còn dư lượng các tạp chất như H2S gây hại cho độ bền của động cơ và làm mất ổn định khi hoạt động Một trong những nghiên cứu đầu tiên tại Đại học Bách khoa Đà Nẵng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện 2HP, khí biogas sau khi qua hệ thống khử H2S và hấp thụ CO2 được cung cấp cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu biogas/xăng (GA5) do nhóm nghiên cứu của Bùi Văn Ga phát triển [23] Ảnh hưởng của tỉ số 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

biogas trên xe gắn máy sử dụng bộ phụ kiện GA5 do Đại học Đà Nẵng 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 CO2 trong hỗn hợp khí biogas (hình 1.11) tuy nhiên những

nghiên cứu này vẫn chưa áp dụng được trong thực tế

Hình 1.11 Sơ đồ cột hấp thụ CO2 bằng nước[25]

Động cơ xăng dùng hai nhiên liệu xăng/biogas không được nghiên cứu và phát triển tại Việt Nam Trong khi đó, động cơ dùng lưỡng nhiên liệu diesel-biogas được

ưu tiên nghiên cứu nhiều hơn Nhóm nghiên cứu từ đại học Bách khoa Đà Nẵng 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 diesel Đồng thời, cũng đã có 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 có những tiềm năng không nhỏ Nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Dũng và cộng sự tại đại học Bách khoa HCM [28] cũng đưa ra những nghiên cứu về việc chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng 100% biogas và kết quả đem lại rất triển vọng Trong đó, động cơ chuyển đổi

là loại diesel 04 xylanh Kết quả cho thấy động cơ hoạt động tốt với 64% CH4 ở tỉ

số nén 17:1 Ngoài ra, việc thiết kế hệ thống đánh 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 văn, 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 Bình 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 đánh lửa cưỡng bức có 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 (sáng, 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 có sự chênh lệch Do đó, càng khẳng định nên sự ảnh hưởng của tỉ lệ %CH4/CO2đến 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 có tỉ số nén cao là rất cần thiết và cũng là nhu cầu thực tế đối với các chủ trang trại chăn nuôi

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

1.2 Lý do chọn đề tài

Trên thực tế, tại các trang trại và hộ gia đình, quy mô hầm ủ biogas rất khác nhau, nguồn cung biogas cũng rất đa dạng (như nước thải sinh hoạt của con người hay chuồng trại, chất thải của các loại vật nuôi khác nhau…) do vậy cho ra chất lượng khí biogas với nồng độ %CH4 và %CO2 không đồng nhất, nồng độ này thay đổi trong dải rộng Bên cạnh đó, việc nghiên cứu động cơ sử dụng khí biogas tại Việt Nam hiện nay vẫn chưa có những đánh giá ảnh hưởng khi 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 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 trong 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

đến những đặc tính nêu trên của động cơ, giữ nguyên hệ số lambda (𝜆 = 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 Tìm 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

1.7 Tóm tắt nội dung nghiên cứu

Chương 1 trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu, phân tích các vấn đề còn

tồn tại liên quan đến an ninh năng lượng và nguồn nhiên liệu truyền thống Tóm tắt một số nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ sử dụng khí Biogas, những hạn chế của các nghiên cứu trước đây Đưa ra mục tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về đặc tính công suất của động cơ, hiện

tượng cháy kích nổ trong động cơ tỉ số nén cao Bên cạnh đó, nội dung chương 2 sẽ trình bày rõ lý thuyết mô hình mô phỏng Nhiệt động lực học sử dụng trong phần mềm AVL Boost với mô hình cháy Vibe-2zone, lý thuyết về quá trình truyền nhiệt trong mô phỏng Cuối cùng, là trình bày cơ chế hình thành khí thải, ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm và phương trình phản ứng của các thành phần khí trong Biogas

Chương 3 giới thiệu phần mềm mô phỏng AVL BOOST Trình bày sơ đồ và

quá trình tiến hành mô phỏng động cơ Biogas giả lập (Simulated Biogas) Trình bày các thiết kế, tính toán và thiết lập bệ thử

Chương 4 trình bày kết quả và thảo luận

Chương 5 đưa ra kết luận và hướng phát triển trong tương lai của đề tài

1.8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này thực hiện mô phỏng động cơ đánh lửa cưỡng bức tại các tỉ lệ hỗn hợp khác nhau của nhiên liệu giống với điều kiện thực tế (biogas simulated), là bước đầu tiên và rất quan trọng trong quá trình phát triển động cơ biogas công suất lớn và hiệu suất cao trong tương lai tại Việt Nam Khí CH4 trong biogas là chất cháy, còn khí CO2 là chất không cháy có khả năng kiềm hãm quá trình cháy nên việc kiểm soát sự thay đổi ti lệ hỗn hợp này của động cơ đánh lửa cưỡng bức với hiệu suất cao là rất cần thiết

Luận văn cũng đồng thời thiết kế hệ thống tạo khí biogas giả lập có khả năng thay đổi được thành phần trong hỗn hợp nhiên liệu CH4 - CO2 và hệ thống hòa trộn nạp nhiên liệu vào động cơ Việc thiết kế này góp phần hoàn chỉnh bệ thử động cơ

sử dụng nhiên liệu biogas giả lập tại phòng thí nghiệm trong tương lai gần

Bên cạnh đó, kết quả của quá trình nghiên cứu cũng góp phần vào việc ứng dụng hiệu quả hơn việc sử dụng khí biogas vào mục đích phát điện tại trang trại Không những thế, đề tài còn có thể đóng góp cho quá trình nghiên cứu ô tô hay phương tiện công cộng sử dụng khí biogas trong tương lai (khi công nghệ tinh lọc

và lưu trữ biogas phát triển)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu chung

Đặc tính công suất của động cơ liên quan đến các thông số: Mômen – Me(N.m), Công suất – Ne (kW), Suất tiêu hao nhiên liệu – ge (g/kW.h), Hiệu suất có ích 𝜂𝑒 [30]

Trong đó: L: chiều dài cánh tay đòn (m)

F: Lực cản của phanh trên băng thử (N)

- Công suất có ích của động cơ: là công suất có ích của động cơ phát ra tại đuôi

trục khuỷu sau đó được truyền đến máy công tác

.2.w

V i n

e h N

- Lượng nhiên liệu động cơ tiêu thụ trong một giờ:

- Hiệu suất có ích: là tỉ số giữa nhiệt lượng chuyển thành công có ích chia cho

nhiệt lượng cấp cho động cơ, do nhiên liệu đốt cháy bên trong xy lanh tạo ra

N e

e Q G H nl

Trong đó: - 𝑄𝐻: nhiệt trị thấp của nhiên liệu (J/kg)

- 𝐺𝑛𝑙: lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây (kg/s)

- Hệ số nạp: là tỉ số giữa lượng môi chất mới thực tế nạp vào xy lanh ở đầu kỳ nén

khi đã đóng các cửa nạp và cửa thải so với lượng môi chất mới theo lý thuyết có thể nạp đầy thể tích công tác Vh ở điều kiện nhiệt độ và áp suất môi chất phía trước xupap nạp (Tk và pk)

- gct : Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình (kg/chu trình);

- M1 : Lượng môi chất thực tế đi vào xy lanh để đốt 1kg nhiên liệu

(kmol/kg nhiên liệu);

- Mh : Lượng môi chất lý thuyết ;

- Gk : Khối lượng không khí nạp vào xy lanh mỗi chu trình (kg/chu trình);

- Vk : Thể tích nạp mới trong xy lanh, sau khi quy về điều kiện pk và Tk

3

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

Đối với động cơ khí, ngoài hiện tượng cháy thông thường đã biết ở động cơ đánh lửa cưỡng bức, các hiện tượng cháy bất thường cũng có thể xuất hiện như: kích nổ, cháy ngược…

2.2.1 Hiện tượng cháy kích nổ (Engine knock)

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

Trong quá trình lan truyền màng lửa, nếu màng lửa kịp thời lan tới đốt cháy lượng hòa khí ở xa trung tâm thì đó là hiện tượng cháy bình thường Nếu số hòa khí trên tự phát hỏa bốc cháy khi màng lửa chưa lan tới sẽ tạo màng lửa mới có tâm cháy mới Do quá trình chuẩn bị hóa học tạo bởi những phản ứng phía trước màng lửa đã chín muồi nên màng lửa mới sẽ lan truyền với tốc độ lớn Do tốc độ cháy nhanh, dung tích hòa khí không kịp giãn nở làm cho áp suất và nhiệt độ tăng lên đột ngột, tạo nên sóng áp suất, truyền đi mọi phương theo tốc độ truyền âm đập vào thành vách xy lanh tạo nên tiếng gõ kim loại đanh và sắc Hiện tượng cháy này gọi

là kích nổ (hình 2.1)

Động cơ biogas trong phạm vi nghiên cứu của đề tài có tỉ số nén cao (18:1) Đồng thời, việc thử nghiệm hỗn hợp CH4/CO2 tại các mức % tỉ lệ cao như 80/20 hay 70/30 rất có thể sẽ xảy ra hiện tượng kích nổ Tuy nhiên, CO2 trong hỗn hợp là chất không cháy, có khả năng hạn chế sự cháy và hiện tượng kích nổ Vì vậy, việc đánh giá giới hạn kích nổ rất đáng được quan tâm

2.2.2 Hiện tượng cháy ngược (Backfire)

Hiện tượng cháy ngược là một hiện tượng cháy bất thường xảy ra trên đường nạp động cơ và vô cùng nguy hiểm Nó ảnh hưởng đến quá trình cháy, hiệu suất và

cả độ bền, độ an toàn của động cơ Cháy ngược có các nguyên nhân chính như sau: + Thời điểm đánh lửa của bugi (Ignition timing): để quá trình cháy xảy ra hoàn hảo, cần thiết lập thời gian đánh lửa sớm cho động cơ Tuy nhiên, nếu bugi đánh lửa quá sớm sẽ làm hòa khí bốc cháy trước khi xupap nạp đóng lại hoàn toàn dẫn đến hiện tượng cháy ngược

+ Góc trùng điệp của van nạp và van xả (Valve overlap period): đây là thời điểm mà cả van nạp và van xả cùng mở, khi đó lượng vật chất cháy đang được đẩy

ra qua đường xả thì cũng đồng thời lượng hòa khí mới theo cửa nạp đi vào Do quá trình cháy trước đó kéo dài, lượng hòa khí mới có thể được đốt cháy do ngọn lửa của giải đoạn cháy rớt

+ Ngoài ra, các nguồn nhiệt chưa biết trong buồng cháy động cơ (unknown ignition source) khi kết hợp với các đặc tính cháy tốt của nhiên liệu biogas như: khả năng bốc cháy cao, vận tốc màng lửa nhanh, năng lượng đánh lửa thấp cũng là nguyên nhân dẫn tới hiện tượng cháy ngược

Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này, các nghiên cứu chuyên sâu về hiện tượng cháy bất thường sẽ không được triển khai Tác giả chỉ tập trung nghiên cứu vào ảnh hưởng của sự thay đổi tỉ lệ CH4/CO2 đến các đặc tính của động cơ

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

2.3.1.1 Định luật bảo toàn khối lượng

i i e e

Trong đó: - m cv : Khối lượng trong vùng tính toán (control volume)

- mi : Khối lượng vào (in)

- me : Khối lượng ra (ex)

2.3.1.2 Định luật Bảo toàn Năng lượng (Định luật 1 nhiệt động lực học)

hệ thì sự thay đổi năng lượng của hệ dEcv chính là sự thay đổi nội năng dUcv:

CO2, H2O, N2, O2,… nên nội năng riêng phần ui = Ui / m là hàm theo nhiệt độ T và phần trăm của khí Yi trong hỗn hợp:

2.3.2 Mô hình cháy Vibe 2 zone

Hàm Vibe 2-zone tính toán nhiệt độ của 2 vùng (cháy và chưa cháy) Bên cạnh

đó, hàm Vibe 2-zone cũng dự đoán hiện tượng kích nổ, mô tả gần chính xác đường cong tỏa nhiệt so với thực tế [34]

Thể tích của vùng tính toán trong xy lanh: V V V

cl  u  b (2.13) Công thức tính toán lượng nhiên liệu trong vùng đã cháy (burned zone) theo góc quay trục khuỷu:

,W