BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGUYỄN VĂN ĐÔNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS NÉN CHO MÔ TÔ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng, Năm 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGUYỄN VĂN ĐÔNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS NÉN CHO MÔ TÔ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ nhiệt
Mã ngành: 62.52.34.01
Tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học:
GS. TSKH BÙI VĂN GA
TS NGUYỄN HOÀNG VIỆT
PGS. TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM
Đà Nẵng, Năm 2013
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án
Nguyễn Văn Đông
MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU
KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .................................................................... 5
1.1. Vấn đề năng lượng và môi trường ....................................................................... 5
1.2. Đặc điểm khí sinh học biogas .............................................................................. 7
1.2.1. Đặc điểm khí Methane ..................................................................................... 9
1.2.2. Đặc điểm khí Sunfua hydro ............................................................................ 10
1.2.3. Đặc điểm khí Cacbon dioxyt ........................................................................... 12
1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong . 12
1.3.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt
trong trên thế giới ...................................................................................................... 12
1.3.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt
trong ở Việt Nam....................................................................................................... 19
1.3.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas cho động cơ xe gắn máy . 20
1.4. Kết luận .............................................................................................................. 22
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỬ DỤNG BIOGAS LÀM NHIÊN LIỆU
CHO XE GẮN MÁY HONDA WAVE α 110CC .............................................................. 23
2.1. Yêu cầu chất lượng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ..................... 23
2.1.1. Tiêu chuẩn khí thiên nhiên và biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong . 23
2.1.2. Các tiêu chí xác định tiêu chuẩn đối với khí thiên nhiên và nhiên liệu thay thế
khí thiên nhiên ........................................................................................................... 26
2.2. Công nghệ xử lý các tạp chất trong biogas ........................................................ 29
2.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định hiệu quả xử lý tạp chất trong biogas
................................................................................................................................... 30
2.3.1. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm loại bỏ H2S ................................................. 30
2.3.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm loại bỏ CO2 ................................................ 32
2.4. Công nghệ lưu trữ khí biogas làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông cơ
giới............................................................................................................................. 35
2.4.1. Tính toán lý thuyết quá trình nén lưu trữ khí biogas sạch .............................. 35
2.4.2. Tính toán hiệu quả lưu trữ khí biogas bằng phương pháp nén ....................... 36
2.4.3. Mô phỏng quá trình nén biogas và tách khí CO2 ............................................ 38
2.4.4. Lưu trữ biogas kiểu hấp thụ ............................................................................ 41
2.5. Nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy
Honda wave α 110cc ................................................................................................. 41
2.5.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda
wave α 110cc ............................................................................................................. 41
2.5.2. Xây dựng mô hình tính toán cho hệ thống cung cấp biogas nén kiểu van ba
chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc...................................................... 45
2.5.2.1. Thiết lập các phương trình cân bằng lưu lượng cho các dung tích .............. 48
2.5.2.2. Thiết lập các phương trình lưu lượng cho các phần tử tiết lưu .................... 49
2.5.2.3. Thiết lập các điều kiện biên của hệ thống cung cấp biogas kiểu van ba chức
năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc .............................................................. 52
2.5.2.4. Hệ phương trình vi phân tổng quát của hệ thống cung cấp biogas nén kiểu
van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc .......................................... 57
2.6. Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén kiểu van ba chức năng cho
xe gắn máy Honda wave α 110cc .............................................................................. 59
2.6.1. Xác định các thông số ban đầu........................................................................ 59
2.6.2. Kết quả mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén kiểu van ba chức
năng cho động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc ................................................ 60
2.7. Kết luận .............................................................................................................. 62
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG
ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY HONDA WAVE α 110CC SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS.......... 63
3.1. Đặc điểm quá trình cung cấp và cháy của hỗn hợp biogas – không khí ................ 63
3.2. Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước đồng nhất.............................. 66
3.2.1. Tốc độ lan tràn màng lửa rối ........................................................................... 67
3.2.2. Tốc độ lan tràn màng lửa chảy tầng ................................................................ 69
3.2.3. Tính toán nhiệt độ .......................................................................................... 70
3.2.4. Tính toán khối lượng riêng.............................................................................. 70
3.3. Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ ................................................. 71
3.3.1. Tính toán các đại lượng đặc trưng của mô hình .............................................. 71
3.3.2. Tốc độ lan tràn màng lửa chảy tầng ................................................................ 72
3.4. Thiết lập mô hình tính toán quá trình cháy của động cơ xe gắn máy Honda
wave α 110cc ............................................................................................................. 75
3.4.1. Thiết lập mô hình tính toán ............................................................................. 75
3.4.2. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm FLUENT ................................................ 76
3.5. Kết luận .............................................................................................................. 78
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................. 79
4.1. Trang thiết bị nghiên cứu ................................................................................... 79
4.1.1. Xe gắn máy thử nghiệm .................................................................................. 79
4.1.2. Băng thử Chassis Dynamometer 20” .............................................................. 81
4.2. Hệ thống đo áp suất chỉ thị trong buồng cháy của động cơ xe gắn máy............ 82
4.2.1. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị đo áp suất trong buồng cháy động cơ .............. 83
4.2.1.1. Cảm biến tốc độ 364 C-Angle Encoder ....................................................... 83
4.2.1.2. Cảm biến áp suất GU12P ............................................................................. 86
4.2.1.3. Bộ khuếch đại tín hiệu điện áp: 3067A01 Piezo Amplifier ......................... 87
4.2.1.4. Thiết bị ghi và xuất dữ liệu thử nghiệm ....................................................... 87
4.2.2. Quy trình thử nghiệm xe gắn máy trên băng thử ............................................ 88
4.3. Thử nghiệm và đánh giá kết quả ........................................................................ 88
4.4. Chạy thử nghiệm xe gắn máy sử dụng biogas nén trên đường .......................... 92
4.5. Kết luận .............................................................................................................. 92
CHƯƠNG 5. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI THỰC NGHIỆM ĐỘNG CƠ XE
GẮN MÁY HONDA WAVE α 110CC SỬ DỤNG BIOGAS NÉN................................... 93
5.1. So sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm .......................................... 93
5.2. Mô phỏng ảnh hưởng của nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật của động cơ xe gắn
máy Honda wave α 110cc ........................................................................................ 96
5.2.1. Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp (tỉ lệ tương đương ) ........................... 96
5.2.2. Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu biogas khi động cơ làm việc ở các chế độ
tốc độ khác nhau........................................................................................................ 98
5.3. Mô phỏng ảnh hưởng của thông số kết cấu và vận hành đến tính năng kỹ thuật
của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc ...................................................... 102
5.3.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm................................................................. 102
5.3.2. Ảnh hưởng tốc độ động cơ ............................................................................ 105
5.4. Kết luận ............................................................................................................ 107
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................................... 108
Công trình công bố của tác giả ................................................................................ 111
Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 112
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Các ký hiệu mẫu tự La Tinh :
dh
[m]
Đường kính họng khuếch tán venturi
Dxl
[m]
Đường kính xy lanh động cơ.
Ne
[kW]
Công suất động cơ.
p
[N/m2]
Áp suất môi chất công tác.
pxl
[N/m2]
Áp suất trong xy lanh động cơ.
Qi
[m3/s]
Lưu lượng thể tích lưu lại trong dung tích Vi.
Qij
[m3/s]
Lưu lượng thể tích qua tiết lưu (S)j.
R
[J/kg.oK]
Hằng số khí.
Re
[-]
Chuẩn số Reynolds.
Rf
[J/kg.oK]
Hằng số khí của nhiên liệu.
Si
[m2]
Diện tích hiệu dụng của phần tử thứ i.
Sj
[m2]
Diện tích hiệu dụng của phần tử thứ j.
T
[oK]
Nhiệt độ hỗn hợp.
2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp:
[-]
Tỷ số nén động cơ.
[-]
Tỷ lệ tương đương.
α
[độ]
Góc quay trục khuỷu.
β
[-]
Độ mở tương đối của bướm ga.
φ
[độ]
Góc quay của bướm ga.
ηv
[-]
Hệ số nạp.
µ
[-]
Hệ số lưu lượng.
Δ
[-]
Độ nhám đường ống
λi,j
[-]
Hệ số tổn thất dọc đường.
λl
[-]
Tỉ số giữa bán kính quay trục khuỷu và chiều dài
thanh truyền.
[m2/s]
Hệ số nhớt động học.
ω
[rad/s]
Tốc độ góc trục khuỷu động cơ.
[kg/m3]
Khối lượng riêng.
3
a
[kg/m ]
Khối lượng riêng của không khí.
f
[kg/m3]
Khối lượng riêng của nhiên liệu.
g
[kg/m3]
Khối lượng riêng của khí.
+
[-]
Hệ số tổn thất cục bộ tại cửa vào của tiết lưu.
-
[-]
Hệ số tổn thất cục bộ tại cửa ra của tiết lưu.
[-]
Hệ số tổn thất tổng cộng của tiết lưu.
3. Các chữ viết tắt :
A/F
Viết tắt chữ Air/Fuel (Tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu)
ASME
American Society of Mechanical Engineer (Hội kĩ sư cơ khí Hoa Kỳ)
CNG
Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén)
DOE
Department of Energy (Cơ quan/Bộ năng lượng)
DVGW
Deutsche Vereinigung des Gas-und Wasserfaches (Hiệp hội khí
và nước của Đức)
EGR
Exhaust Gas Recirculation (Hệ thống tuần hoàn khí thải)
EPA
Environmental Protection Agency (Cơ quan bảo vệ môi trường)
HV
Heating Value (Nhiệt trị cháy)
LPG
Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng)
MCFC
Molten carbonate fuel cells (Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy)
MON
Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ)
NG
Natural Gas (Khí thiên nhiên)
PAFC
Phosphoric acid Fuel Cells (Pin nhiên liệu acid phosphoric)
PEM
Proton Exchange Membrane (Pin nhiêu liệu màng trao đổi bằng proton)
SG
Specific Gravity-SG (Tỷ trọng tiêu chuẩn)
SOFC
Solid Oxide Fuel Cell (Pin nhiên liệu Ôxít rắn)
DANH MỤC CÁC BẢNG
Kí hiệu
Tiêu đề bảng
Trang
1.1.
Thành phần các chất khí có trong biogas
8
1.2.
Một số tính chất của CH4
10
1.3.
Một số tính chất của H2S
11
1.4.
Một số tính chất của CO2
12
2.1.
Công nghệ ứng dụng biogas và yêu cầu xử lý
24
2.2.
Giá trị các thông số vật lý cơ bản của khí thiên nhiên và Biogas
25
2.3.
Các tiêu chí theo bộ tiêu chuẩn DVGW G 260
27
2.4.
Tiêu chuẩn sử dụng biogas làm nhiên liệu của Thụy Điển
29
2.5.
Thành phần biogas theo % thể tích thực nghiệm
33
2.6.
Giá trị hằng số Henry theo các hệ hấp thụ
34
2.7.
Thành phần và điều kiện của khí biogas sau khi được tách H2S
38
2.8.
Thành phần (%V) sản phẩm biogas và CO2 sau quá trình nén tách
40
2.9.
Lưu lượng sản phẩm biogas và CO2 sau quá trình nén tách
40
2.10.
Biến thiên hệ số tỷ lệ tương đương của hỗn hợp theo tải động cơ
60
3.1.
Giá trị tỉ lệ (F/A)lt theo thành phần CH4
64
3.2.
Giá trị các hệ số trong phương trình 3.25
74
4.1.
Thông số kỹ thuật xe Honda wave α 110cc
80
DANH MỤC CÁC HÌNH
Kí hiệu
Tiêu đề hình
Trang
1.1.
Minh họa về khai thác tài nguyên và ô nhiễm môi trường
5
1.2.
Sơ đồ trung hòa cacbon của nhiên liệu biogas
8
1.3.
Công thức phân tử của methane
9
1.4.
Công thức phân tử của H2S
10
1.5.
Công thức phân tử của CO2
12
1.6.
Trạm cung cấp nhiên liệu biogas cho các phương tiện vận tải
13
1.7.
Sản lượng biogas một số nước năm 2010
13
1.8.
Tàu lửa chạy bằng nhiên liệu biogas ở Thụy Điển
14
1.9.
Ô tô sử dụng nhiên liệu biogas tại Thụy Điển
15
1.10.
Sơ đồ sản xuất và ứng dụng biogas tại Thụy Điển
15
1.11.
Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong biogas đến tính năng
17
động cơ
1.12.
Góc đánh lửa sớm tối ưu theo độ đậm đặc nhiên liệu
18
1.13.
Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử
20
2.1.
Mô hình xử lý H2S trong biogas bởi các vật liệu lọc khác nhau
31
2.2.
Hiệu quả xử lý H2S bằng những vật liệu lọc khác nhau
31
2.3.
Sơ đồ hệ thống lọc biogas bằng tháp nước có vật liệu đệm
32
2.4.
Sơ đồ mô phỏng tháp lọc khí biogas bằng nước và bảng kết quả
về thành phần của nguyên liệu biogas thô và sản phẩm biogas sạch
2.5.
Biến thiên công suất nén theo áp suất biogas ở đầu ra của khí có
thành phần 60% CH4, 40% CO2
34
36
2.6.
Biến thiên năng lượng tích lũy trong biogas theo áp suất nén
37
2.7.
Hiệu quả năng lượng sử dụng biogas nén
37
2.8.
Sơ đồ mô phỏng quá trình nén tách CO2 của khí biogas
39
2.9.
Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp biogas kiểu van chân không
42
ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc
2.10.
Sơ đồ nguyên lý cụm van chân không ba chức năng cung cấp
43
nhiên liệu biogas nén cho xe gắn máy
2.11.
Mô hình tính toán tương đương của hệ thống cung cấp biogas
46
kiểu van ba chức năng trên xe gắn máy
2.12.
Sơ đồ tính toán cân bằng lưu lượng tại các dung tích Vi
49
2.13.
Độ nhấc van cung cấp biogas theo góc quay trục khuỷu động cơ
60
2.14.
Quan hệ giữa tỉ lệ tương đương hỗn hợp và tải động cơ của cụm
61
van chân không ba chức năng cung cấp biogas nén cho xe gắn
máy Honda wave α 110cc
3.1.
Sơ đồ lan tràn màng lửa theo mô hình hai khu vực
66
3.2.
Ảnh hưởng của CO2 đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp
73
methane/không khí/CO2 ở 1 bar và 298K
3.3.
Không gian tính toán buồng cháy xe gắn máy Honda wave α 110cc
75
3.4.
Lưới của mặt phẳng chính diện trong không gian buồng cháy
76
3.5.
Toàn bộ lưới trong không gian buồng cháy
76
3.6.
Biến thiên nồng độ trung bình CH4, nhiệt độ và trường tốc độ của hỗn
77
hợp trong buồng cháy động cơ ứng với nhiên liệu M85C15 (85%
CH4 với 15% CO2) và tốc độ trục khuỷu n=3000 vòng/phút
4.1.
Xe gắn máy Honda wave α 110cc sau khi lắp đặt hệ thống nhiên
80
liệu biogas nén và đưa lên băng thử Chassis Dynamometer 20’’
4.2.
Sơ đồ dẫn động rulô
81
4.3.
Đưa xe gắn máy lên băng thử Chassis Dynamometer 20“
81
4.4.
Sơ đồ bố trí thí nghiệm quá trình cháy trong động cơ Honda
82
wave α 110cc
4.5.
Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm đo áp suất buồng cháy của động cơ
83
4.6.
Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo tốc độ góc (Encoder 364C)
84
4.7.
Lắp đặt cảm biến tốc độ lên động cơ thử nghiệm
85
4.8.
Cảm biến đo áp suất trong buồng cháy động cơ (GU12P)
86
4.9.
Bộ khuếch đại 3067A01 Piezo Amplifier
87
4.10.
Thiết bị ghi và xuất dữ liệu
87
4.11.
Diễn biến áp suất theo góc quay trục khuỷu của động cơ xe gắn
89
máy Honda wave α 110cc
4.12.
Đồ thị công chỉ thị chu trình của động cơ xe gắn máy Honda wave α
89
110cc ứng với nhiên liệu xăng RON 92 và biogas 85%CH4
4.13.
Diễn biến áp suất theo góc quay trục khuỷu của động cơ xe gắn
90
máy Honda wave α 110cc ứng với các tốc độ góc của trục
khuỷu khác nhau
4.14.
Đồ thị công chỉ thị chu trình của động cơ xe gắn máy Honda
91
wave α 110cc thực nghiệm
4.15.
Biến thiên công suất theo tốc độ góc trục khuỷu của động cơ xe
91
gắn máy Honda wave α 110cc thực nghiệm
4.16.
Chạy thử nghiệm trên đường
92
5.1.
So sánh kết quả biến thiên áp suất chỉ thị cho bởi mô hình và
94
thực nghiệm (góc đánh lửa sớm φs = 270, Biogas chứa 85%
CH4, ϕ =1) ứng với tốc độ góc trục khuỷu động cơ n = 3000
vòng/phút và n = 3620 vòng/phút
5.2.
So sánh kết quả biến thiên áp suất chỉ thị cho bởi mô hình và
95
thực nghiệm (góc đánh lửa sớm φs=270, Biogas chứa 85% CH4, ϕ
=1) ứng với tốc độ góc trục khuỷu động cơ n = 4070 vòng/phút và
n = 5360 vòng/phút
5.3.
Biến thiên nồng độ CH4 (a) và nồng độ O2 (b) theo góc quay
96
trục khuỷu động cơ trong quá trình cháy (n=3000 vòng/phút,
φs=300, chứa 80% CH4, ϕ=1)
5.4.
Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp đến đồ thị áp suất chỉ thị
97
(a) và đồ thị công chỉ thị (b) (n=3000 vòng/phút, φs=300, Biogas
chứa 80% CH4)
5.5.
Biến thiên công chỉ thị chu trình theo độ đậm đặc của hỗn hợp
(n=3000 vòng/phút, φs=300, Biogas chứa 80% CH4)
98
5.6.
Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas đến
98
biến thiên nồng độ O2 (a) và nồng độ CH4 (b) trong buồng cháy
động cơ (n=5000 vòng/phút, φs=350, ϕ =1)
5.7.
Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas đến đồ
99
thị áp suất chỉ thị và đồ thị công chỉ thị (n=5000 vòng/phút,
φs=350, ϕ =1)
5.8.
Biến thiên công chỉ thị chu trình theo thành phần CH4 trong
99
nhiên liệu biogas (n=5000 vòng/phút, φs=350, ϕ =1)
5.9.
Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến biến thiên
100
nồng độ CH4 (n=4000 vòng/phút, φs=300, ϕ =1,1)
5.10.
Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến biến thiên
100
nồng độ O2 (n=4000 vòng/phút, φs=300, ϕ =1,1)
5.11.
Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến áp suất chỉ
101
thị trong buồng cháy (n=4000 vòng/phút, φs=300, ϕ =1,1)
5.12.
Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến nhiệt độ
101
trung bình trong buồng cháy (n=4000 vòng/phút, φs=300, ϕ =1,1)
5.13.
Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến đồ thị công
101
chỉ thị (n=4000 vòng/phút, φs=300, ϕ =1,1)
5.14.
Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ trung bình
102
của CH4 trong buồng cháy (n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39)
5.15.
Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ trung bình
102
của O2 trong buồng cháy (n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39)
5.16.
Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ CO2
102
(n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39)
5.17.
Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị áp suất chỉ thị (n=3000
103
vòng/phút, ϕ =1,39)
5.18.
Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nhiệt độ trung bình
103
của hỗn hợp trong buồng cháy (n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39)
5.19.
Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị công chỉ thị (n=3000
vòng/phút, ϕ =1,39)
104
5.20.
Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến công chỉ thị chu trình
104
(n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39)
5.21.
Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị công chỉ thị (n=6000
104
vòng/phút, ϕ =1,39)
5.22.
Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến công chỉ thị chu trình
104
(n=6000 vòng/phút, ϕ =1,39)
5.23.
Biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo tốc độ góc động cơ
105
5.24.
Biến thiên nồng độ CH4 trung bình theo góc quay trục khuỷu
105
ứng với các tốc độ khác nhau của động cơ (φs = 300, ϕ =1)
5.25.
Biến thiên áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu ứng với các
106
tốc độ khác nhau của động cơ (φs = 300)
5.26.
Biến thiên nhiệt độ theo góc quay trục khuỷu ứng với các tốc độ
106
khác nhau của động cơ (φs = 300)
5.27.
So sánh đường đặc tính ngoài động cơ cho bởi mô phỏng và
thực nghiệm (ϕ = 1,0, biogas chứa 85% CH4)
106
1
MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Khác với các nước công nghiệp phát
triển, phương tiện giao thông chính trong các thành phố nước ta là xe gắn máy hai
bánh. Đây là loại phương tiện đi lại được nhiều người dân lựa chọn bởi dễ sử dụng,
khả năng cơ động và giá thành hợp lý. Hiện tại, Việt Nam có hơn 30 triệu xe gắn
máy đang lưu hành và con số này dự báo tiếp tục gia tăng với tốc độ rất lớn trong
những năm tiếp theo [2], [25]. Việc sử dụng xe gắn máy đã góp phần rất lớn vào sự
phát triển kinh tế chung trong điều kiện xã hội ở nước ta. Tuy nhiên, sử dụng loại
phương tiện này hiện đang được quan tâm đặc biệt, bởi xe gắn máy là một trong
những tác nhân chính gây kẹt xe và ô nhiễm môi trường trong các thành phố lớn ở
nước ta [4], [16], [25]. Hơn nữa, khí xả từ động cơ đã làm cho đời sống của người
dân đô thị trở nên ngột ngạt, luôn ở trong trạng thái lo sợ và phòng ngừa. Các nhà
chức trách ở những thành phố lớn đã áp dụng những biện pháp hết sức cứng rắn để
bảo vệ môi trường không khí, khi nồng độ các chất ô nhiễm vượt quá mức báo
động. Chẳng hạn như sử dụng bộ tiêu chuẩn EURO 2 để kiểm soát lượng khí thải từ
động cơ, đặc biệt đến năm 2017 sẽ áp dụng bộ tiêu chuẩn EURO 3 cho các thành
phố lớn ở Việt Nam; khuyến khích người dân sử dụng các phương tiện công cộng.
Tuy nhiên những kết quả đạt được hiện nay vẫn còn khoảng cách khá xa so
với mong muốn của các nhà bảo vệ môi trường. Vì vậy, để góp phần giảm thiểu
nồng độ các chất ô nhiễm từ khí xả của động cơ, ngoài những giải pháp tác động
trực tiếp lên kết cấu động cơ, các nhà nghiên cứu cũng rất quan tâm đến vấn đề
nhiên liệu thay thế ít gây ô nhiễm. Việc tìm kiếm và ứng dụng những nguồn nhiên
liệu mới thay thế nguồn nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch đang sử dụng cho xe gắn
máy hiện nay là vấn đề được quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học cũng như các
nhà hoạch định chính sách ở Việt Nam.
Trong trường hợp này các nhà khoa học quan tâm nhiều đến các loại nhiên
liệu thể khí như khí thiên nhiên (NG), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), đặc biệt là nhiên
liệu tái tạo “khí biogas” là nguồn năng lượng tái sinh và có nguồn gốc từ mặt trời để
ứng dụng cho động cơ đốt trong.
2
Hơn nữa, với tốc độ tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch như năm 2006 thì trữ lượng
dầu mỏ, than đá và khí thiên nhiên còn có thể khai thác được tương ứng trong 40
năm, 200 năm và 70 năm [6]. Như vậy, đòi hỏi cần phải có nguồn năng lượng thay
thế cho năng lượng hóa thạch ngày một cạn kiệt.
Với những lý do nêu trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng biogas nén cho mô
tô” của luận án có ý nghĩa to lớn và hết sức cấp thiết; nó không những góp phần làm
đa dạng hóa nguồn nhiên liệu dùng cho động cơ nhiệt khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ
đang cạn kiệt, mà còn góp phần sử dụng hiệu quả hơn nhiên liệu sinh học cho động
cơ đốt trong và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong tình hình mới.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Ngoài mục đích giảm thiểu ô nhiễm môi
trường, làm phong phú nguồn nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong, luận án còn
hướng tới mục đích sử dụng rộng rãi hơn nguồn nhiên liệu sinh học thay thế này
cho các phương tiện giao thông cơ giới một cách hiệu quả.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:
Đối tượng nghiên cứu: Theo những phân tích trên đây, luận án chọn đối
tượng nghiên cứu là động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu
biogas.
Phạm vi nghiên cứu: Do tính chất hết sức phức tạp của vấn đề nghiên cứu,
luận án này chỉ giới hạn nghiên cứu những vấn đề sau đây:
-
Nghiên cứu công nghệ lọc và lưu trữ biogas làm nhiên liệu cung cấp cho xe
gắn máy Honda wave α 110cc;
-
Nghiên cứu quá trình cung cấp và quá trình cháy của động cơ xe gắn máy
Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu biogas nén bằng mô hình hóa và
thực nghiệm;
3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Luận án sử dụng phương pháp
nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.
Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa: Nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên
liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave 110cc bằng phương pháp hút
qua họng Venturi bởi cụm van ba chức năng để xác lập đường đặc tính của hệ số tỷ
lệ tương đương theo tải của động cơ; nghiên cứu mô hình hóa quá trình cháy hỗn hợp
biogas – không khí trong động cơ xe gắn máy Honda wave 110cc trên cơ sở so
sánh giữa mô hình và thực nghiệm;
Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm đo diễn biến áp suất trong buồng
cháy của động cơ xe gắn máy Honda wave 110cc sử dụng nhiên liệu xăng RON92
và nhiên liệu biogas nén 85% CH4. Trên cơ sở đó, luận án xây dựng lý thuyết tương
ứng để xác lập mô hình hóa cho quá trình cháy nhiên liệu biogas cho động cơ xe
gắn máy Honda wave 110cc. Thử nghiệm trên các loại đường khác nhau xác định
các yếu tố ảnh hưởng đến vận hành và tiêu hao nhiên liệu khi xe chạy thực tế.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:
Khí biogas sau khi loại bỏ các tạp chất và được nén vào các bình chứa để
cung cấp cho động cơ xe gắn máy bằng phương pháp hút qua họng venturi. Luận án
sẽ chỉ ra được tính hiệu quả hơn của việc sử dụng nhiên liệu biogas cho động cơ đốt
trong và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Những nghiên cứu liên quan đến hệ thống
cung cấp và quá trình cháy của động cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu biogas nén
cho đến nay vẫn chưa có công trình khoa học nào được công bố. Vì vậy, luận án
không những có ý nghĩa khoa học lớn mà còn mang tính thực tiễn cao trong tình
hình nguồn năng lượng hóa thạch có dấu hiệu khủng hoảng, dầu mỏ đang cạn kiệt
và biến đổi khí hậu ngày một trở nên nghiêm trọng.
Việc xây dựng mô hình hóa quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu
biogas nén thông qua phần mềm tính toán động lực học Fluent trên cơ sở xác định
các thông số của mô hình bằng thực nghiệm có ý nghĩa khoa học quan trọng, góp
phần hoàn thiện nghiên cứu quá trình cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức và tạo tiền
4
đề phát triển một loại nhiên liệu mới. Hơn nữa, ở nước ta việc sử dụng nhiên liệu
biogas cho xe gắn máy ngoài ý nghĩa thực tiễn nêu trên còn giúp chúng ta đa dạng
hóa nguồn năng lượng sử dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải, giảm bớt sự phụ
thuộc duy nhất vào nguồn nhiên liệu lỏng như hiện nay và làm giảm nồng độ các
chất ô nhiễm môi trường ngay từ nguồn phát sinh.
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI VỀ MẶT KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN:
Luận án có một số đóng góp mới về mặt khoa học như sau:
Luận án đã chỉ ra được các yêu cầu của nhiên liệu khí biogas cũng như
hiệu quả về kinh tế, lợi ích về môi trường khi sử dụng loại nhiên liệu này cho các
phương tiện giao thông cơ giới ở nước ta.
Luận án đã xây dựng được mô hình tính toán quá trình cung cấp, quá trình
cháy của nhiên liệu khí biogas nén cho xe gắn máy; qua đó định hướng thay đổi một
số thông số trong quá trình thử nghiệm để đánh giá khả năng sử dụng biogas nén
cho loại phương tiện này.
Luận án đã chỉ ra những đặc điểm trong quá trình cháy của nhiên liệu
biogas ứng với các thành phần methane có trong nhiên liệu khác nhau. Qua đó cho
phép phân tích đánh giá một cách chính xác các thông số ảnh hưởng đến tính năng
kỹ thuật trong quá trình vận hành xe gắn máy.
Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của đề
tài, nội dung chính được trình bày trong 5 chương với cấu trúc như sau:
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu khí
biogas cho động cơ đốt trong.
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết sử dụng biogas làm nhiên liệu cho xe gắn
máy Honda wave 110cc.
Chương 3: Nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình cháy trong động cơ xe
gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu biogas.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
Chương 5: So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm động cơ xe gắn máy
Honda wave α 110cc sử dụng biogas nén.
5
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. Vấn đề năng lượng và môi trường
Trong những thập niên gần đây, sự tăng trưởng kinh tế ở các nước đang phát
triển đã kéo theo sự tăng nhanh của các phương tiện giao thông cơ giới. Điều đó, đặt
ra hàng loạt vấn đề về kinh tế - xã hội, an ninh năng lượng và môi trường đối với
các nhà quản lý, các nhà nghiên cứu cũng như các nhà hoạch định chiến lược phát
triển kinh tế - xã hội trong lĩnh vực giao thông vận tải. Đặc biệt, trong tình hình
nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và sự biến đổi khí hậu trái đất đang trở
thành hiểm họa đối với loài người thì vấn đề nêu trên càng trở nên cấp thiết. Tiết
kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của
ngành động cơ và ô tô, vừa là động lực cho các công trình nghiên cứu về các vấn đề
liên quan đến năng lượng và môi trường [1], [4], [5], [6], [25], [62].
Sự khai thác cạn kiệt tài nguyên kèm theo phát thải các chất độc hại vào môi
trường làm mất cân bằng sinh thái vốn có trong tự nhiên. Điều này đã và đang gây
ra những hệ lụy nghiêm trọng đối với cuộc sống của con người. Nhiều diễn đàn
quốc tế, nhiều cuộc họp thượng đỉnh đã diễn ra khắp nơi trên thế giới để nêu lên
một thông điệp: hãy bảo vệ môi trường trước khi đã quá muộn.
Hình 1.1: Minh họa về khai thác tài nguyên và ô nhiễm môi trường [6]
- Xem thêm -