Luận án tiến sĩ: Quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ hybrid biogas-xăng - Võ Anh Vũ

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là luận án nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Đà Nẵng, tháng 11 năm 2021 Nghiên cứu sinh Võ Anh Vũ i luan an MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .v DANH MỤC BẢNG .x DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT.xi MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu.

Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Cấu trúc của luận án.

Đóng góp mới của luận án .10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN. Sự cần thiết của việc sử dụng năng lượng tái tạo [1]. Nhiên liệu sinh học [66]. Các thế hệ nhiên liệu sinh học.

Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ xăng. Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ diesel. Tình hình nghiên cứu ứng dụng động cơ biogas thế giới và Việt Nam. Các công trình nghiên cứu ứng dụng động cơ biogas trên thế giới.

Các công trình nghiên cứu phát triển động cơ biogas ở Việt Nam .36 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG. Hệ phương trình cơ bản. Các phương trình tổng quát. Phân tích Reynolds.

Trung bình kiểu Favre. Khép kín của hệ phương trình. Mô hình cháy không đồng nhất .36 ii luan an 2. Các mô hình cháy không đồng nhất.

Mô hình cháy không đồng nhất thông qua đại lượng bảo toàn. Mô hình cháy hỗn hợp đồng nhất. Thiết lập hệ phương trình cháy. Lan tràn màng lửa.

Mô hình cháy đồng nhất cục bộ .53 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS/XĂNG. Mục tiêu, đối tượng mô phỏng. Mô hình hình học của động cơ và điều kiện biên mô phỏng. Kết quả mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng.

Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ DA465QE Towner sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng. Ảnh hưởng của hệ số tương đương. So sánh tính năng động cơ khi chạy bằng biogas/xăng. Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas.

Ảnh hưởng của tốc độ động cơ. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm. Hài hòa giữa Wi và NOx.90 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS-XĂNG92 4. Mục đích và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm.

Đặc điểm hệ thống nhiên liệu của động cơ DA465QE. Thiết kế hệ thống cung cấp hybrid biogas-xăng. Nguyên lý cấp ga liên tục và gián đoạn. Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ DA465QE.

Hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động cơ DA465QE. Kết cấu tổ hợp van chân không cung cấp biogas. Giới thiệu hệ thống thực nghiệm. Tổng quan về băng thử công suất động cơ .99 iii luan an 4.

Băng thử công suất APA 204/08. Thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu 733S. Thiết bị AVL 553. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp.

Máy tính điều khiển. Thiết bị phân tích khí thải MGT 5. Nghiên cứu thực nghiệm động cơ chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng. Bố trí hệ thống thí nghiệm.

Chuẩn bị nhiên liệu. Lắp đặt động cơ thí nghiệm lên băng thử công suất. Chế độ thí nghiệm. Kết quả thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng.

So sánh tính năng động cơ. So sánh phát thải các chất ô nhiễm cho bởi mô phỏng và thực nghiệm. Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng động cơ hybrid .120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .122 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC .125 TÀI LIỆU THAM KHẢO .i iv luan an DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các nguồn năng lượng .2: Khoảng cách tương đối giữa Trái Đất và các hành tinh khác (a) và bức xạ Mặt Trời ở Việt Nam (b) .3: Chu trình carbon trên Trái Đất .4: Chu trình carbon khi sử dụng biogas làm nhiên liệu .5: Động học quá trình sản sinh biogas [1] .6: Khả năng sinh khí biogas của một số nguyên liệu [1] .7: Yêu cầu lọc tạp chất trong biogas với các giải pháp sản xuất điện khác nhau [1].8: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động cơ đánh lửa cưỡng bức .9: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động cơ dual fuel biogas-diesel .1: Quan hệ giữa nồng độ, nhiệt độ và khối lượng riêng theo tỉ hệ hỗn hợp.2: Sơ đồ lan tràn màng lửa theo mô hình hai khu vực .1: Các mặt cắt khảo sát trên đường nạp .2: Chia lưới không gian tính toán và đặc trưng của các phần tử .3: Ảnh chụp màn hình diễn biến các thông số trong xi lanh động cơ .4: Biến thiên đường đồng mức áp suất, nồng độ CH4 và C8H18 trong quá trình nạp (n=3000 vòng/phút, biogas M7C3, góc phun xăng 30-60, góc phun biogas 60- 110) .5: Biến thiên áp suất trên các mặt cắt ngang đường nạp khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút (a) và 5000 vòng/phút (b) (BG=0, không phun nhiên liệu) .6: Biến thiên áp suất trên các mặt cắt ngang của đường nạp khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút (a) và 5000 vòng/phút (b) (BG=30, không phun nhiên liệu) .7: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất tại mặt cắt ngang số 3 khi bướm ga mở hoàn toàn (a) và BG=30 (b) .8: Biến thiên áp suất trung bình tại mặt cắt ngang số 3 (a) và biến thiên hệ số tương đương trong xi lanh (b) theo tốc độ động cơ ứng với các góc đóng bướm ga khác nhau (cung cấp biogas M7C3 với góc phun cố định 50TK, không phun xăng) .62 v luan an Hình 3.9: Đường đồng mức hệ số tương đương  khi cung cấp biogas M7C3 và phun bổ sung xăng (động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0, góc phun xăng 30TK -60TK, góc phun biogas 60TK -110TK) .10: Ảnh hưởng của góc đóng bướm ga BG đến biến thiên hệ số tương đương  theo áp suất trung bình tại mặt cắt ngang số 3 (Biogas M7C3, góc phun 50TK, không phun xăng) .11: Ảnh hưởng góc phun xăng bổ sung đến biến thiên hệ số tương đương tổng quát trong buồng cháy khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=30, được cung cấp biogas M7C32 với góc phun 50TK .12: So sánh biến thiên hệ số tương đương theo tốc độ động cơ khi bướm ga mở hoàn toàn trong trường hợp động cơ chỉ được cung cấp biogas M7C3, góc mở vòi phun 50TK và trong trường hợp phun bổ sung xăng với lưu lượng 0,5g/s, góc phun 60TK, ở chế độ toàn tải .13: Biến thiên thời gian phun xăng bổ sung để đảm bảo =1 theo tốc độ động cơ (a) và theo áp suất trung bình tại mặt cắt số 3 (b) tương ứng với các độ đóng bướm ga khác nhau (Biogas M8C2, góc mở vòi phun biogas 50TK, lưu lượng phun xăng 0,5g/s) .14: Engine map của động cơ chạy bằng biogas-xăng được cung cấp nhiên liệu theo phương thức hybrid .15: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất và tốc độ tỏa nhiệt (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, BG=0) .16: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất trong buồng cháy, nhiên liệu biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút.17: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến đồ thị công; nhiên liệu biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0.18: Biến thiên nhiệt độ cháy khi thay đổi hệ số tương đương tại Biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0.19: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ NOx khi động cơ chạy tại biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0 .70 vi luan an Hình 3.20: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ CO (a) và nồng độ HC (b) theo góc quay trục khuỷu tại biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút.21: Biến thiên nhiệt độ và phát thải ô nhiễm (a), biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất động cơ (b) theo hệ số tương đương (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, s=20oTK, BG=0) .22: Biến thiên áp suất trong xi lanh (a) và đồ thị công (b) khi động cơ chạy bằng xăng, methane, hỗn hợp xăng-methane và biogas (n=3000 v/ph, =1, s=20oTK, BG=0) .23: So sánh công chỉ thị chu trình và công suất động cơ khi chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau .24: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến biến thiên nhiệt độ (a), nồng độ NOx (b), nồng độ CO (c) và nồng độ HC (d) theo góc quay trục khuỷu .25: So sánh phát thải ô nhiễm khi động cơ chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau ở tốc độ 3000 v/ph, hệ số tương đương =1, góc đánh lửa sớm s=20oTK, BG=0 .26: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M6C4 đến công chỉ thị chu trình (b), nhiệt độ (a) khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 .27: Ảnh hưởng của thành phần xăng bổ sung vào biogas M6C4 đến biến thiên áp suất tại động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0.28: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu .29: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M6C4 nồng độ NOx khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 .30: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào nhiên liệu biogas M6C4 đến nồng độ CO (a) và nồng độ HC (b) theo góc quay trục khuỷu (khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 .31: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến công chỉ thị chu trình (a), nhiệt độ (b) khi động cơ chạy ở tốc độ n=3000 v/ph, =1, BG=0 .32: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung bào nhiên liệu biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ NOx (a), HC (b) và CO (c) theo góc quay trục khuỷu (khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 .80 vii luan an Hình 3.33: Biến thiên công chỉ thị chu trình (b),(a) nhiệt độ và nồng độ các chất ô nhiễm theo hàm lượng xăng trong biogas M7C3, BG=0 .34: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm của động cơ (M7C3-30G, =1, s=25oTK, BG=0) .