Luận án Tiến sĩ Bùi Văn Hùng: Tối ưu hóa động cơ biogas-hydrogen

Đ¾I HÌC ĐÀ NẴNG TR¯äNG Đ¾I HÌC BÁCH KHOA BÙI VN HÙNG Đề tài: TĀ ĐàNG ĐIÀU CHÈNH HÆ SÐ T¯¡NG Đ¯¡NG VÀ GÓC ĐÁNH LĀA SâM Đ NÂNG CAO HIÆU QUÀ CÔNG TÁC CĂA ĐàNG C¡ BIOGAS-HYDROGEN LUÀN ÁN TI¾N S) Kþ THUÀT Đà Nẵng, 2023 Đ¾I HÌC ĐÀ NẴNG TR¯äNG Đ¾I HÌC BÁCH KHOA BÙI VN HÙNG Đề tài: TĀ ĐàNG ĐIÀU CHÈNH HÆ SÐ T¯¡NG Đ¯¡NG VÀ GÓC ĐÁNH LĀA SâM Đ NÂNG CAO HIÆU QUÀ CÔNG TÁC CĂA ĐàNG C¡ BIOGAS-HYDROGEN LUÀN ÁN TI¾N S) Kþ THUÀT Chuyên ngành : Kÿ thuÁt C¢ khí Đáng lāc Mã ngành : 9520116 H°ãng d¿n khoa hÍc : 1. Bùi ThË Minh Tú Đà Nẵng, 2023 LäI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là luận án nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quÁ nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Đà Nẵng, tháng năm Nghiên cÿu sinh Bùi Vn Hùng i MĀC LĀC LòI CAM ĐOAN .ii DANH MúC HÌNH VÀ, Đè THà .vii DANH MúC BÀNG. xv DANH MúC KÝ HIÊU VÀ VIÂT TÂT.

ĐÀT VÂN ĐÄ NGHIÊN CþU. ĐæI T¯øNG VÀ PH¾M VI NGHIÊN CþU. PH¯¡NG PHÁP NGHIÊN CþU. Ý NGH)A KHOA HâC VÀ TÍNH THĀC TIÈN CüA ĐÄ TÀI.

CÂU TRÚC NîI DUNG NGHIÊN CþU. ĐÓNG GÓP MðI CüA LUÀN ÁN .xxv CHƯƠNG 1: TêNG QUAN VÄ VÂN ĐÄ NGHIÊN CþU. C¢ cÃu năng l°ùng toàn cÅu trong chiÃn l°ùc <Net Zero=. HË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid.

HË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid điËn mÁt trói-sinh khçi. Ành h°õng cýa hydrogen đÃn tính năng cýa đïng c¢ .22 CHƯƠNG 2: C¡ Sô LÝ THUYÂT QUÁ TRÌNH T¾O HìN HøP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐîNG C¡ ĐÁNH LĀA C¯öNG BþC. HË ph°¢ng trình c¢ bÁn. Mô hình rçi.

Mô hình cháy. Tính toán các đ¿i l°ùng cýa quá trình cháy. Xác đánh vá trí màng lāa. Tçc đï màng lāa chÁy tÅng.

Tçc đï cháy rçi .42 CHƯƠNG 3: MÔ PHäNG QUÁ TRÌNH T¾O HìN HøP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CüA ĐîNG C¡ PHUN NHIÊN LIÊU BIOGAS-HYDROGEN. ThiÃt lÁp mô hình. Xây dāng không gian tính toán và chia l°ñi. Trình tā thāc hiËn mô phång.

Mô phång quá trình t¿o hín hùp cýa đïng c¢. DiÉn biÃn quá trình n¿p. Ành h°õng cýa đ°óng kính lí phun và áp suÃt phun. Ành h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen.

Ành h°õng cýa hàm l°ùng CH4 trong biogas. Ành h°õng cýa đï mõ b°ñm ga. GiÁn đé phun nhiên liËu biogas-hydrogen. Mô phång quá trình cháy và phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢.

Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm. Ành h°õng cýa hË sç t°¢ng đ°¢ng. Ành h°õng cýa thành phÅn biogas. Ành h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen.

Ành h°õng cýa tçc đï đïng c¢. Ành h°õng cýa chà đï tÁi. So sánh tính năng đïng c¢ khi sā dûng biogas và biogas pha hydrogen 89 3.91 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CþU THĀC NGHIÊM VÀ ĐÁNH GIÁ KÂT QUÀ MÔ iii PHäNG. ĐiÅu khiÇn điËn tā vòi phun nhiên liËu biogas-hydrogen.

ĐiÅu chßnh góc đánh lāa sñm đïng c¢ ch¿y bằng hín hùp biogas-hydrogen97 4. Tçc đï cháy chÁy tÅng. Mô hình vÁt lý điÅu chßnh góc đánh lāa sñm. ThiÃt lÁp ECU điÅu khiÇn đïng c¢ biogas-hydrogen.

S¢ đé hË thçng cÁi t¿o đïng c¢. LÃp đÁt các bï phÁn lên đïng c¢ cÁi t¿o. Nghiên cÿu thāc nghiËm. Chuẩn bá nhiên liËu.

Bç trí hË thçng thí nghiËm. Trình tā thí nghiËm. KÃt quÁ thí nghiËm. ĐiÅu chßnh thói gian phun nhiên liËu.

ĐiÅu chßnh góc đánh lāa sñm. S¢ đé hË thçng tā đïng điÅu chßnh hË sç t°¢ng đ°¢ng và góc đánh lāa sñm đïng c¢ t*nh t¿i ch¿y bằng biogas-hydrogen có thành phÅn thay đëi .131 KÂT LUÀN VÀ H¯ðNG PHÁT TRIÆN. 132 DANH MúC CÔNG TRÌNH KHOA HâC. 136 TÀI LIÊU THAM KHÀO:.

I iv TĀ ĐàNG ĐIÀU CHÈNH HÆ SÐ T¯¡NG Đ¯¡NG VÀ GÓC ĐÁNH LĀA SâM Đ NÂNG CAO HIÆU QUÀ CÔNG TÁC CĂA ĐàNG C¡ BIOGAS- HYDROGEN Tóm tÃt: Do tác đïng cýa biÃn đëi khí hÁu đang diÉn ra ngày càng trÅm trãng, viËc chuyÇn đëi năng l°ùng đang là mçi quan tâm hàng đÅu cýa hÅu hÃt các quçc gia trên thà giñi. Trong bçi cÁnh đó thì hË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid (HRES) gém năng l°ùng mÁt trói và sinh khçi là mït l*nh vāc nghiên cÿu đang đ°ùc quan tâm. Đïng c¢ đçt trong th°óng đ°ùc thiÃt kà đÇ làm viËc vñi mït lo¿i nhiên liËu cho tr°ñc và trong điÅu kiËn vÁn hành xác đánh. Trong HRES thành phÅn nhiên liËu thay đëi th°óng xuyên theo nguyên liËu đÅu vào và nguén hydrogen do điËn mÁt trói cung cÃp.

MÁt khác, chà đï tÁi cýa đïng c¢ cũng thay đëi th°óng xuyên đÇ cung cÃp tÁi bù cho hË thçng. Do đó, đïng c¢ phÁi đ°ùc điÅu chßnh mït cách linh ho¿t các thông sç vÁn hành, đÁc biËt là góc đánh lāa sñm và hË sç t°¢ng đ°¢ng cýa hín hùp. Đïng c¢ t*nh t¿i truyÅn thçng khó có thÇ đáp ÿng đ°ùc yêu cÅu này. LuÁn án tÁp trung xā lý hai vÃn đÅ chính cýa đïng c¢ trong HRES, đó là điÅu khiÇn quá trình cung cÃp nhiên liËu đÇ điÅu chßnh hË sç t°¢ng đ°¢ng và điÅu chßnh góc đánh lāa sñm tçi °u đÇ đÁm bÁo cho đïng c¢ ho¿t đïng hiËu quÁ vñi nhiên liËu biogas-hydrogen vñi thành phÅn thay đëi trong ph¿m vi rïng.

Tÿ khóa: Năng l°ùng tái t¿o, biogas, hydrogen, ô nhiÉm không khí, đïng c¢ đánh lāa c°÷ng bÿc. AUTOMATIC CONTROL OF EQUIVALENCE RATIO AND ADVANCE IGNITION ANGLE TO IMPROVE THE PERFORMANCE OF BIOGAS- HYDROGEN ENGINE Summary: Due to the increasing impact of climate change, the energy transition is a top concern for most countries in the world. In that context, the hybrid renewable energy system including solar energy and biomass is an area of research interest. Internal combustion engines are typically designed to work with a given fuel type and under defined operating conditions.

In a hybrid renewable energy system, the fuel v composition changes frequently according to the input material and the source of hydrogen provided by solar power. On the other hand, the load mode of the motor also changes frequently to provide a compensating load for the system. Therefore, the engine must be flexibly adjusted to the operating parameters, especially the ignition advance angle and the equivalence factor of the mixture. Traditional stationary motors can hardly meet this requirement.

The thesis focuses on dealing with two main problems of the engine in the hybrid renewable energy system, that is controlling the fuel supply process to adjust the equivalence ratio and adjusting the optimal advance ignition angle to ensure efficient engine operation with biogas- hydrogen fuel with variable composition over a wide range. Keywords: Renewable energy, biogas, hydrogen, air pollution, SI engine. vi DANH MĀC HÌNH VẼ, ĐÒ THÊ Hình 1.1: C¢ cÃu các nguén năng l°ùng đÃn năm 2050 [41] .2: CÃu phÅn năng l°ùng tái t¿o trên thà giñi (a) và đÁc tính cýa hË thçng năng l°ùng tái t¿o (b) [43] .3: Các d¿ng hË thçng năng l°ùng tái t¿o [49] .4: S¢ đé HRES năng l°ùng mÁt trói-năng l°ùng sinh khçi .1: Quan hË giÿa néng đï, nhiËt đï và khçi l°ùng riêng theo tß hË hín hùp .1: Xi lanh và đ°óng n¿p đïng c¢ sau khi cÁi t¿o .2: Chia l°ñi không gian tính toán.3: Chia l°ñi không gian tính toán khi piston õ ĐCT: 71.4: Chia l°ñi không gian tính toán khi piston õ ĐCD: 107.5: Chia l°ñi đ°óng n¿p: 48.866 phÅn tā tÿ diËn (a); Chia l°ñi buéng cháy: 20.333 phÅn tā tÿ diËn (b); Chia l°ñi xi lanh: 38.196 phÅn tā hình chêm (c).6: Giao diËn khõi đïng phÅn mÅm ANSYS FLUENT 2021R1 .7: Cài đÁt các thông sç cýa mô hình .8: GiÁi hË ph°¢ng trình và l°u kÃt quÁ mô phång .9: Đ°óng đéng mÿc néng đï CH4 trong quá trình phun biogas M7C3 đ°ùc làm giàu 20% hydrogen õ vá trí 38TK .10: Tr°óng tçc đï khi phun biogas M7C3 đ°ùc làm giàu 20% hydrogen õ vá trí 38TK .11: Đ°óng đéng mÿc nhiËt đï trong quá trình cháy biogas M7C3 đ°ùc làm giàu 20% hydrogen õ vá trí 360TK .12: Bç trí các vòi phun mô phång .13: Phân bç néng đï CH4 theo góc quay trûc khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3- 20H, φp=74TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) .14: DiÉn biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi vii phun có dp=4mm, pp=2,5bar, φp=140TK, n=3600v/ph .15: DiÉn biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=0,5bar, n=3600v/ph .16: DiÉn biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=1bar, n=3600v/ph .17: DiÉn biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=1,5bar, n=3600v/ph .18: DiÉn biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5,5mm, pp=0,5bar, φp=81°TK, n=3600v/ph .19: Đ°óng đéng mÿc hË sç t°¢ng đ°¢ng (a), néng đï CH4 (b) trên mÁt cÃt ngang buéng cháy t¿i thói điÇm 340°TK, BiÃn thiên l°u l°ùng không khí, l°u l°ùng nhiên liËu và hË sç t°¢ng đ°¢ng theo góc quay trûc khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3, φp=70°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) .20: Phân bç hË sç t°¢ng đ°¢ng (a), néng đï CH4 (b) néng đï H2 (c) trong buéng cháy và BiÃn thiên l°u l°ùng không khí, l°u l°ùng nhiên liËu và hË sç t°¢ng đ°¢ng theo góc quay trûc khuỷu (d) (n=3600 v/ph, M7C3-30H, φp=77°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) .21: So sánh biÃn thiên l°u l°ùng không khí, l°u l°ùng nhiên liËu và hË sç t°¢ng đ°¢ng theo góc quay trûc khuỷu khi phun biogas M6C4 (a) và M8C2 (b) (n=3600 v/ph, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) .22: DiÉn biÃn tr°óng néng đï H2 và tr°óng tçc đï trong tr°óng hùp α=40°, dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph, φp=61°TK.23: DiÉn biÃn tr°óng néng đï H2 và tr°óng tçc đï trong tr°óng hùp α=0°, dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph, φp=77°TK.24: Phân bç hË sç t°¢ng đ°¢ng trong buéng cháy trong tr°óng hùp α=40° (a) và α=0° (b) (dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) .25: So sánh biÃn thiên l°u l°ùng không khí (a), l°u l°ùng nhiên liËu (b) và hË sç t°¢ng đ°¢ng (c) theo góc quay trûc khuỷu trong tr°óng hùp α=0° và α=40° viii (dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) .26: S¢ đé tiÃt diËn l°u thông trên đ°óng n¿p qua b°ñm ga.27: GiÁn đé phun hín hùp nhiên liËu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar, ñ = 0°, n=3000 v/ph) .28: GiÁn đé phun hín hùp nhiên liËu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar, M7C3-20H, n=3000 v/ph) .29: Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn biÃn thiên áp suÃt (a) và tçc đï tåa nhiËt (b) khi đïng c¢ ch¿y bằng biogas M7C3 õ tçc đï 3600 v/ph và ö=1 .30: BiÃn thiên nhiËt đï, phát thÁi NOx (a) và biÃn thiên áp suÃt cāc đ¿i, Wi (b) theo góc đánh lāa sñm .31: Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn biÃn thiên áp suÃt trong xi lanh theo góc quay trûc khuỷu (a) và biÃn thiên áp suÃt cāc đ¿i, công chß thá chu trình theo góc đánh lāa sñm (b) khi đïng c¢ ch¿y bằng nhiên liËu M8C2-40H õ tçc đï 3600v/ph, ö=1.