Nghiên cứu ứng dụng Biogas-Diesel cho động cơ phương tiện giao thông nông thôn Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN ANH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS-DIESEL CHO ĐỘNG CƠ LẮP TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI ĐƯỜNG BỘ PHỤC VỤ GIAO THÔNG NÔNG THÔN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS-DIESEL CHO ĐỘNG CƠ LẮP TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI ĐƯỜNG BỘ PHỤC VỤ GIAO THÔNG NÔNG THÔN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ nhiệt Mã số: 62.01 Tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học: GS. Bùi Văn Ga PGS. Dương Việt Dũng 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 Anh MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU. 1 Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN. Đặc điểm giao thông nông thôn Việt Nam. Tổng quan về phát triển kinh tế trang trại ở nông thôn Việt Nam.

Vấn đề sử dụng các phương tiện cơ giới ở nông thôn Việt Nam. Nhu cầu động cơ phục vụ cho các phương tiện vận chuyển cơ giới ở nông thôn Việt Nam. Các loại máy kéo cỡ nhỏ phục vụ sản xuất ở nông thôn Việt Nam. Trữ lượng biogas ở nông thôn Việt Nam.

Trữ lượng dầu mỏ và khí thiên nhiên. Khả năng sinh khí biogas từ chất thải hữu cơ và phụ phẩm nông nghiệp. Trữ lượng biogas ở nông thôn Việt Nam. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng biogas trên động cơ.

Kết quả nghiên cứu trên thế giới về sử dụng biogas trên động cơ. Kết quả nghiên cứu trong nước về sử dụng biogas trên động cơ. 27 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL. Tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.

Các tính chất cơ bản của biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Đề xuất tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu cho động cơ ở Việt Nam. Cơ sở lý thuyết của hỗn hợp cung cấp động cơ dual fuel biogas-diesel. Ảnh hưởng độ đồng đều của hỗn hợp đến quá trình cháy.

Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước cục bộ. Tính toán các đại lượng. Tốc độ màng lửa chảy tầng. Cơ sở dữ liệu tốc độ màng lửa chảy tầng.

Tổng quan xác định tốc độ cháy chảy tầng bằng thực nghiệm. Thiết kế bộ điều tốc biogas cho động cơ EV2600-NB dual fuel diesel-biogas 39 2. Nguyên lý điều khiển động cơ dual fuel biogas-diesel. Công nghệ chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas-diesel.

Vận hành động cơ dual fuel biogas-diesel sau khi chuyển đổi. Tính toán bộ điều tốc biogas. Sơ đồ tính toán và các thông số chọn. Tính lực phục hồi Fhp.

Tính lực duy trì Fdt. Đặc tính cân bằng của khớp trượt.48 Chương 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL. Cơ sở lý thuyết xác định hệ số tương đương ϕ. Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp động cơ dual fuel biogas-diesel.

Đặc điểm kết cấu bộ tạo hỗn hợp biogas-không khí. Tính toán các kích thước cơ bản của bộ tạo hỗn hợp. Mô phỏng bộ tạo hỗn hợp bằng phần mềm Ansys® Fluent. Xây dựng mô hình bộ hỗn hợp trong Ansys® Fluent.

Mô hình mô phỏng độ đồng đều của hỗn hợp trong Ansys® Fluent. Thiết lập điều kiện biên. Mô phỏng quá trình cháy dual fuel bằng phần mềm Ansys® Fluent. Kết quả mô phỏng hỗn hợp động cơ dual fuel biogas-diesel.

Kết quả mô phỏng bộ tạo hỗn hợp. Kết quả mô phỏng độ đồng đều của bộ tạo hỗn hợp. Ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến tính năng động cơ dual fuel biogas-diesel. Quan hệ giữa tỉ lệ hỗn hợp f và hệ số tương đương ϕ động cơ biogas-diesel.

Đánh giá quá trình cháy nhiên liệu biogas-diesel. Tính toán quá trình cháy diesel trong động cơ Vikyno EV2600. Tính toán quá trình cháy động cơ dual fuel biogas-diesel. Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu phun mồi.

Ảnh hưởng của tốc độ động cơ. Đường đặc tính cục bộ của động cơ dual fuel biogas-diesel.83 Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. Cải tạo máy kéo diesel K2600 thành máy kéo dual fuel biogas-diesel. Các thông số kỹ thuật của máy kéo K2600.

Động cơ thí nghiệm. Quy trình cải tạo máy kéo K2600 thành máy kéo dual fuel biogas-diesel 87 4. Bố trí lắp đặt hệ thống giá đỡ biogas trên máy kéo K2600. Lắp đặt các bình biogas nén lên máy kéo K2600.

Kiểm nghiệm tính ổn định của máy kéo sau khi cải tạo. Thông số kỹ thuật máy kéo sử dụng kiểm nghiệm tính ổn định. Kiểm nghiệm tính ổn định dọc tĩnh. Kiểm nghiệm tính ổn định ngang.

Lắp họng venturi cung cấp biogas vào đường nạp động cơ. Qui trình vận hành máy kéo K2600 dual fuel biogas-diesel. Thực nghiệm đo đạc tính năng động cơ EV2600-NB dual fuel biogas-diesel. Các thiết bị phục vụ thực nghiệm.

Băng thử công suất Froude DPX3. Card ghi nhận dữ liệu NI-6009. Các loại cảm biến ghi nhận số liệu động cơ hoạt động. Bình lọc H2S và CO2 và máy phân tích khí Gas.

Hệ thống đo kết nối với máy tính. Sơ đồ bố trí thí nghiệm. Kết quả thực nghiệm bộ điều tốc biogas. 102 Chương 5: PHÂN TÍCH SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM.

Ảnh hưởng của hệ thống nạp và các chế độ vận hành động cơ dual fuel đến hệ số tương đương ϕ. Ảnh hưởng đến độ mở bướm ga. Ảnh hưởng đến tốc độ động cơ. Ảnh hưởng đến công suất động cơ.

Phân tích các tính năng của động cơ dual fuel biogas-diesel. Đường đặc tính ngoài của động cơ dual fuel biogas-diesel. Đường đặc tính cục bộ của động cơ dual fuel biogas-diesel. Đường đặc tính bộ điều tốc biogas.

Tiêu hao nhiên liệu diesel để đánh lửa động cơ dual fuel biogas-diesel. Ảnh hưởng của lượng phun diesel. 117 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.122 TÀI LIỆU THAM KHẢO.124 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH  Vh [dm3] Thể tích buồng cháy  S [mm] Hành trình piston  D [mm] Đường kính xi lanh  n [vòng/phút] Số vòng quay  Db [mm] Đường kính cấp biogas  Dh [mm] Đường kính bộ hỗn hợp  an Hệ số dao động của dòng chảy  Lb [mm] Chiều dài buồng hỗn hợp  i Số xi lanh  Wi [J] Công chỉ thị  f Hệ số thành phần hỗn hợp  ffuel Thành phần nhiên liệu trong hỗn hợp  fsec Thành phần nhiên liệu thứ cấp trong hỗn hợp  fox Thành phần chất oxy hóa trong hỗn hợp  psec Giá trị tương đối của thành phần hỗn hợp thứ cấp  Sm Đại lượng nguồn chỉ do truyền chất từ các hạt nhiên liệu lỏng hay các hạt phản ứng vào pha khí  Suse Đại lượng nguồn do người sử dụng định nghĩa CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP   Tỉ số nén  s Góc đánh lửa sớm   Hệ số tương đương  λcs Tỉ số công suất đầu ra máy phát điện/công suất định mức của động cơ  λ Hệ số dư lượng không khí 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)  ANG Adsorbed Natural Gas (Khí thiên nhiên hấp thụ)  CNG Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén)  LPG Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng)  LNG Liquid Natural Gas (Khí thiên nhiên hoá lỏng)  QHV Nhiệt trị thể tích của nhiên liệu  MtoE Triệu tấn dầu quy đổi  MON Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ) DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Số lượng động cơ phục vụ nông nghiệp tính đến hết năm 2007.2: Nhu cầu về máy nông nghiệp tính đến năm 2015.3: Khả năng sinh khí của một số nguyên liệu.4: Các nguồn biomass của Việt Nam.5: Khả năng sản xuất biogas từ các nguồn nguyên liệu khác nhau.1: Đề xuất tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.2: Các chỉ số nhiên liệu theo các tiêu chí dùng cho thí nghiệm.3: Giá trị của các hệ số của phương trình (2.4: Giá trị của các hệ số của phương trình (2.5: Quan hệ giữa độ giãn lò xo bộ điều tốc biogas và tốc độ động cơ.6: Các thông số đo được của bộ điều tốc biogas.1: Các thông số sử dụng tính toán bộ hỗn hợp.2: Kích thước hình học cơ bản của bộ tạo hỗn hợp.3: Kết quả tính toán áp suất dư trung bình theo tốc độ động cơ tại vị trí đầu ra của bộ hòa trộn venturi.4: Giá trị r ứng với biogas có thành phần CH4 khác nhau.5: Giá trị r của hỗn hợp biogas và 10% diesel.6: Giá trị f và ϕ với biogas M6C4 và M8C2.7: Giá trị f và  ứng với biogas M6C4; M8C2 và 10% diesel.1: Bảng thông số kỹ thuật của máy kéo K2600.2: Kích thước và thông số cơ bản động cơ Vikyno EV2600-NB.3: Đặc tính kỹ thuật của động cơ EV2600-NB.4: Thông số kỹ thuật máy kéo K2600 sau khi chuyển đổi.5: Thông số các thiết bị thí nghiệm.1: Vị trí bướm ga để ϕ=1,1 khi n=1000 vòng/phút.2: Vị trí bướm ga để ϕ=1,1 khi n=2200 vòng/phút.3: Quan hệ giữa tốc độ điều tốc và độ giãn lò xo.112 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Một số loại máy kéo cỡ nhỏ phục vụ sản xuất ở nông thôn Việt Nam.2: Trữ lượng dầu mỏ còn lại trên thế giới.3: Xác suất 95% và 5% tìm được giếng dầu mới.4: Sự phân bố trữ lượng ga theo khu vực trên thế giới.5: Trữ lượng khí khu vực Châu Á-Thái Bình Dương.6: Dự báo trữ lượng dầu mỏ (2005).7: Khả năng sinh khí biogas của một số nguyên liệu.1: Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy methane theo  ở nhiệt độ 400K.2: Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy theo nhiệt độ ở =1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH4/không khí bị làm bẩn ở p=3,5atm và =1.4: Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp methane/không khí bị làm bẩn ở T=350K và =1.5: Kết quả thực nghiệm biến thiên tốc độ cháy chảy tầng theo tỉ lệ các chất khí làm bẩn hỗn hợp khác nhau (Ngọn lửa methane/không khí, p = 0.6: Ảnh hưởng của CO2 đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH 4/không khí ở 1bar và 298K.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ dual fuel biogas-diesel.8: Nguyên lý cấp biogas tự động bằng điều tốc ly tâm.9: Cắt bớt đầu trục cân bằng động.10: Gia công lại bánh răng số 4.11: Vị trí lắp bộ điều tốc biogas.12: Vị trí lắp trục cần điều khiển.