Ảnh hưởng của tia phun mồi diesel và thành phần nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm của động cơ dual fuel biogas-hydrogen

Bài viết Ảnh hưởng của tia phun mồi diesel và thành phần nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm của động cơ dual fuel biogas-hydrogen nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của tia phun mồi diesel và thành phần nhiên liệu đến công chỉ thị chu trình và phát thải ô nhiễm của động cơ dual fuel chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 4.1, 2020 ẢNH HƯỞNG CỦA TIA PHUN MỒI DIESEL VÀ THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-HYDROGEN EFFECTS OF PILOT DIESEL JET AND FUEL COMPOSITIONS ON PERFORMANCE AND EMISSIONS OF DUAL FUEL ENGINE FUELED WITH HYDROGEN ENRICHED BIOGAS Bùi Văn Ga, Phạm Quốc Thái* Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; buivanga@ac.udn.vn, pqthai@dut.udn.vn Tóm tắt - Trong động dual fuel chạy hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen NOx hình thành chủ yếu khu vực phản ứng hỗn hợp nhiên liệu khí, bồ hóng hình thành khu vực cháy khuếch tán tia diesel cịn CO hình thành vùng khí cháy có nồng độ nhiên liệu cao Hydrogen pha vào biogas giúp cải thiện cơng thị chu trình, giảm nồng độ CO ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng làm tăng nồng độ NOx khí thải Xu hướng ảnh hưởng CH4 biogas đến Wi phát thải ô nhiễm tương tự hydrogen khác biệt mức độ liên quan đến chênh lệch tốc độ cháy Khi tăng lượng diesel tia phun mồi cơng thị chu trình nhiệt độ cháy bị ảnh hưởng nhiên nồng độ CO bồ hóng tăng đáng kể Cùng chế độ vận hành hệ số tương đương phương thức đánh lửa cưỡng có lợi phương thức đánh lửa dual fuel tính kỹ thuật lẫn mức độ phát thải ô nhiễm Abstract - In combustion of dual fuel engines fueled with biogashydrogen, NOx formation occurs mainly in the reaction area of gas mixture, soot formation is in diffusion combustion regions of diesel jet and CO formation is in combustion products with a high fuel concentration region Hydrogen addition to biogas improves Wi, reduces CO emission, slightly affects soot concentration but leads to an increase in NOx concentration in exhaust gas The influence tendency of CH4 in biogas on Wi and pollutant emissions is similar to that of hydrogen but with a different amplitude related to the difference in combustion speed The increase in amount of diesel injection slightly affects Wi, but significantly affects CO and soot emissions With a given operating condition and equivalence ratio, the spark ignition mode is more beneficial than the dual fuel ignition mode both in terms of performance and pollutant emission control Từ khóa - Nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydrogen; động dual fuel; phát thải ô nhiễm Key words - Renewable fuels; Biogas; Hydrogen; Dual fuel engine; pollutant emissions Giới thiệu Nghiên cứu công nghệ tiết kiệm lượng giảm phát thải ô nhiễm mơi trường ln chủ đề nóng nhu cầu lượng ngày tăng tác động tình trạng ấm lên toàn cầu ngày trở nên trầm trọng Sử dụng nhiên liệu tái tạo giải pháp hữu hiệu góp phần xử lý vấn đề Cán cân lượng tái tạo tổng thể lượng sử dụng phụ thuộc vào quốc gia điều kiện địa lý Đối với quốc gia vùng nhiệt đới biogas lượng mặt trời hai nguồn lượng dồi Các dạng lượng sử dụng riêng rẽ hay phối hợp hệ thống hybrid [1] Biogas từ lâu sử dụng làm chất đốt Việc sử dụng nhiên liệu động đốt để phát điện kéo máy công tác phục vụ sản xuất nông thôn cho thấy hiệu rõ rệt [2−4] Chất lượng biogas phụ thuộc nguồn sản xuất Tuy nhiên, thành phần CH4 biogas thông thường chiếm từ 60%-80% lại CO2 tạp chất khác Hydrogen nhiên liệu khí thành phần có H2 Tốc độ cháy hydrogen cao so với loại nhiên liệu khác nên cải thiện đáng kể chất lượng trình cháy động đốt Hydrogen sản xuất cách điện phân nước lượng mặt trời nên nhiên liệu tái tạo Động truyền thống chuyển sang sử dụng nhiên liệu tái tạo theo phương thức đánh lửa cưỡng hay dual fuel Đối với động dual fuel sử dụng biogas làm nhiên liệu dạng buồng cháy ảnh hưởng lớn đến tính kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động Do tính chất làm việc động diesel, nhiên liệu chủ yếu phân bố vùng tâm buồng cháy Khu vực xa buồng cháy, gần thành xi lanh chứa khơng khí Trong động dual fuel, hỗn hợp chuẩn bị trước phân bố đồng buồng cháy Vì thế, giữ nguyên buồng cháy động diesel chuyển sang chạy biogas phận nhiên liệu khu vực xa trung tâm buồng cháy không cháy kịp làm giảm hiệu suất động Về mặt nhiên liệu, CO2 biogas làm giảm nhiệt trị nhiên liệu góp phần hạn chế kích nổ, tăng tỉ số nén động để cải thiện hiệu suất nhiệt [5−7] Về phát thải ô nhiễm Verma et al [8] thấy rằng, động biogas có mức độ phát thải NOx, CO thấp động xăng Điều diện CO2 nhiên liệu làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến giảm tốc độ hình thành NOx Đối với động dual fuel biogas-diesel, tốc độ hình thành bồ hóng khơng khác động diesel tốc độ cháy bồ hóng cao nhiều, dẫn đến nồng độ bồ hóng khí thải động dual fuel thấp [9−10] Dù động biogas có ưu điểm giảm phát thải ô nhiễm vừa nêu, diện CO2 nhiên liệu làm tăng thời kỳ cháy trễ giảm tốc độ lan tràn lửa dẫn đến giảm hiệu suất nhiệt động [11] Kết nghiên cứu mô cho thấy, trình cháy động biogas bị xấu đi, đặc biệt động cao tốc hàm lượng CO2 biogas tăng [12−13] Để cải thiện tính chất nhiên liệu phải pha nhiên liệu có tốc độ cháy cao Hydrogen nhiên liệu phụ gia tiềm tốc độ cháy hydrogen cao gấp 10 lần tốc độ cháy methan Hiệu việc làm giàu biogas hydrogen nhiều tác giả công bố Ilbas et al [14] thấy rằng, gia tăng hàm lượng hydrogen hỗn hợp hydrogen-methane làm tăng tốc độ cháy mở rộng giới hạn cháy Porpatham Bùi Văn Ga, Phạm Quốc Thái et al [15] nghiên cứu ảnh hưởng hệ số tương đương đến tính kỹ thuật động chạy biogas pha 5%, 10% 15% hydrogen Kết cho thấy, tốc độ cháy tăng theo hàm lượng hydrogen hỗn hợp nhiên liệu Nghiên cứu mô Bui et al [10] cho thấy, tăng hàm lượng hydrogen hỗn hợp với biogas góc đánh lửa sớm tối ưu giảm đồng thời giảm nồng độ bồ hóng Nói chung xem hydrogen chất phụ gia hữu hiệu để cải thiện nhiên liệu biogas Sử dụng hỗn hợp biogas-hydrogen có viễn cảnh đầy hứa hẹn để tiết kiệm nhiên liệu giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính [10, 16] Đối với động dual fuel biogas-diesel, Saket Verma et al [17] thấy, mức phát thải NOx bồ hóng thấp phát thải HC CO cao so với động diesel Liu et al [18] giải thích điều CO2 hỗn hợp khí cháy làm gia tăng tác dụng oxy hóa hạt nhân bồ hóng nhờ gia tăng nồng độ nguyên tử O OH quanh lửa khuếch tán Mặt khác, diện CO2 hỗn hợp làm giảm nhiệt độ lửa dẫn đến giảm tốc độ hình thành NOx bồ hóng Do đó, nồng độ chất nhiễm khí thải giảm Bên cạnh ưu điểm vừa nêu, diện hydrogen biogas gây số nhược điểm làm gia tăng nồng độ NOx khí thải nhiệt độ cháy cao hay gia tăng khả kích nổ [15] Midhat Talibi et al [19] thực nghiên cứu tính kỹ thuật phát thải ô nhiễm động biogas làm giàu hydrogen thấy nồng độ NOx tăng theo hàm lượng hydrogen pha vào biogas Một lượng nhỏ hydrogen pha vào biogas có lợi cho hiệu suất nhiệt tăng tốc độ cháy hàm lượng hydrogen vượt 10% tổn thất nhiệt cho nước làm mát tăng làm giảm hiệu suất nồng độ NOx tiếp tục gia tăng [20] Wang et al [21] nghiên cứu động chạy hỗn hợp methane-hydrogen thấy tốc độ tỏa nhiệt hiệu suất nhiệt tăng theo hàm lượng hydrogen hỗn hợp với biogas Các tác giả đề nghị hàm lượng tối ưu hydrogen hỗn hợp với methan khoảng 20% tối ưu tính kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm Nghiên cứu tổng quan cho thấy hydrogen có tác dụng tích cực nâng cao hiệu công tác giảm phát thải ô nhiễm động biogas hai trường hợp đánh lửa cưỡng dual fuel Tuy nhiên, chưa có cơng trình nghiên cứu tường tận ảnh hưởng tia phun diesel tỉ lệ thành phần nhiên liệu đến tính kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động dual fuel chạy biogas làm giàu hydrogen Nghiên cứu bổ sung vấn đề nội dung trình bày phần sau Phương Pháp nghiên cứu Trong cơng trình nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu mô ảnh hưởng tia phun mồi diesel thành phần nhiên liệu đến cơng thị chu trình phát thải ô nhiễm động dual fuel chạy biogas làm giàu hydrogen Các thông số đặc trưng trước động Vikyno RV165-2N lắp máy phát điện MF1080 trước cải tạo cho Bảng Động nguyên thủy có buồng cháy thống dạng omega Hình Khi chuyển sang chạy biogashydrogen, đầu piston cắt bớt đoạn để đảm bảo tỉ số nén động 18 Đường nạp động lắp thêm họng venturi để cung cấp hỗn hợp nhiên liệu khí Hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen cung cấp vào đường nạp động họng ventury thông qua van kiểu hút chân không [22−23] Bảng Các thông số ban đầu động Kiểu động Loại động Đường kính xi lanh (mm) Hành trình piston (mm) Dung tích xylanh (cm3) Tỉ số nén Công suất tối đa (HP/rpm) Moomen cực đại (kgm/rpm) Suất tiêu hao nhiên liệu diesel RV165-2N kỳ, xylanh nằm ngang 105 97 839 20 16.5/2400 4,9/1800 185g/HP/giờ Hình Đường nạp buồng cháy động dual fuel sau cải tạo từ động RV165-2N Tính tốn mơ thực nhờ phần mềm ANSYS FLUENT 18.2 Khi trình nén bắt đầu đường nạp tách khỏi hệ thống (Deactivated) để tiết kiệm thời gian nhớ tính tốn Q trình cháy mơ theo mơ hình hòa trộn trước phần (Partially Premixed) Nhiên liệu chia thành dòng riêng biệt Dòng thứ hỗn hợp biogas hydrogen chứa CH 4, H2 CO2 với thành phần mol xác định theo thành phần biogas hàm lượng hydrogen làm giàu Dòng thứ hai diesel có cơng thức nhiên liệu C12H23 Q trình phun bốc tia phun diesel lỏng mơ theo mơ hình Taylor Analogy Break-up (TAB) Q trình rối dịng khí mơ theo mơ hình k- Nồng độ bồ hóng tính tốn theo mơ Hình bước Magnussen Nồng độ NOx tính tốn theo chế Zeldovich Nồng độ CO xác định theo cân nhiệt động học phản ứng Điều kiện đầu vào chương trình tính gồm: áp suất nhiệt độ khơng khí đầu vào đường nạp; áp suất, nhiệt độ thành phần hỗn hợp đầu vào vòi phun biogashydrogen; nhiệt độ, tốc độ, lưu lượng thành phần hỗn hợp tia phun diesel Thành phần hỗn hợp xác định theo f (mixture fraction) giá trị f=1 (hoàn toàn nhiên liệu) f=0 (hồn tồn khơng khí) Trong trường hợp tính toán hệ số tương đương xác định sở thành phần nhiên liệu thành phần oxygen thực tế nạp vào xi lanh, tính đến tất tổn thất áp suất đường nạp hệ thống phun nhiên liệu ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 4.1, 2020 Đối với động dual fuel, hỗn hợp cháy chuẩn bị trước nên thành phần oxygen lại buồng cháy thấp Để tia phun mồi cháy nồng độ oxygen khu vực tia phun phải đủ lớn Hình 2a cho thấy, khu vực tia phun diesel nồng độ oxygen giảm 5% so với khu vực lại giảm 15% so với thành phần oxygen có mặt khơng khí ban đầu Đây yếu tố cần quan tâm tổ chức trình cháy động dual fuel để đảm bảo hỗn hợp đánh lửa tia phun mồi Hình 3a giới thiệu biến thiên đường đồng mức nhiệt độ, nồng độ nhiên liệu nồng độ chất ô nhiễm CO, NOx, bồ hóng buồng cháy ĐCT động chạy hỗn hợp nhiên liệu M7C3-20H2 tốc độ 2400 v/ph Tại thời điểm này, trình phun diesel kết thúc, phận diesel chưa cháy cịn sót lại đỉnh buồng cháy khiến cho nồng độ nhiên liệu khu vực cao khu vực khác buồng cháy Khi piston đến ĐCT hỗn hợp nhiên liệu khí lòng buồng cháy omega tiêu thụ gần toàn Màng lửa tiếp tục lan khu vực xa tâm buồng cháy Hình 3a cho thấy, hỗn hợp nhiên liệu khí tiêu thụ hồn tồn trước nhiên liệu diesel cháy hết nhiệt độ đạt giá trị cực đại trước kết thúc trình cháy (TK) fv(ppm), CO/10(%) T(K) (b) NOx(ppm) (a) HC(%), Die*100(%) Kết bình luận 3.1 Phân tích q trình tạo hỗn hợp cháy Hình 2a biểu diễn trường nồng độ HC, oxygen tốc độ dịng khí động ba vị trí góc quay trục khuỷu 60, 300 355 Nhiên liệu biogas-hydrogen sau phun khỏi vịi phun theo dịng khí hút vào xilanh động Tốc độ dịng khí khong đồng đường nạp, vùng tốc độ cao nằm phía đối diện vịi phun biogashydrogen tổng hợp trường tốc độ tia phun dịng khí làm cho hỗn hợp xi lanh đậm phía xú páp nạp Trong kỳ nén, chênh lệch tốc độ vận động dịng khí xi lanh nên hỗn hợp nhiên liệu bị đẩy phía thành xi lanh đối diện với cửa xú páp nạp làm giảm hệ số tương đương khu vực Do lượng nhiên liệu khơng khí nạp vào xi lanh cố định nên hệ số tương đương tổng quát xi lanh giữ ổn định phun diesel vào buồng cháy để đánh lửa Khi phun nhiên liệu diesel vùng có nồng độ nhiên liệu cao tập trung cục trục buồng cháy (Hình 2a) Hình 2b cho thấy mật độ hạt nhiên liệu lỏng xuất giai đoạn phun diesel biến kết thúc trình phun Điều cho thấy hạt nhiên liệu lỏng bốc nhanh chóng nhiệt độ khí cao cuối trình nén Sau kết thúc trình bốc tia phun, hệ số tương đương tổng quát hỗn hợp đạt giá trị ổn định Trong tính tốn mơ qui ước lượng nhiên liệu diesel phun mồi để đánh lửa tỉ lệ  diesel tạo nên  tổng quát hỗn hợp biogashydrogen diesel tạo nên Ký hiệu qui ước hệ số tương đương  a/b có nghĩa a hệ số tương đương biogas hydrogen tạo nên, b hệ số tương đương tổng quát b-a hệ số tương đương nhiên liệu diesel phun mồi tạo nên (c) (TK) Hình Diễn biến trình cháy hình thành chất ô nhiễm (a) Đường đồng mức nhiệt độ, nồng độ nhiên liệu nồng độ chất ô nhiễm buồng cháy ĐCT; (b) Biến thiên nhiệt độ nồng độ nhiên liệu (c) Biến thiên nồng độ NOx, CO, bồ hóng theo góc quay trục khuỷu (M7C3-20% H2,  0,76/0,96, n2400 v/ph) (a) DPM(g/m3)   (TK) (b) Hình Diễn biến trình tạo hỗn hợp kỳ nạp kỳ nén (a) Đường đồng mức HC, oxygen trường tốc độ kỳ nạp; (b) Biến thiên hệ số tương đương hỗn hợp mật độ hạt nhiên liệu diesel (Biogas M7C3-20% H2,  0,75/0,91, n=1200v/ph) Kết tính tốn Hình 3b cho thấy, bắt đầu trình cháy CO phát sinh Nồng độ CO tăng dần đạt giá trị cực đại vị trí khoảng 380 sau giảm dần q trình cháy CO Hình 3a cho thấy, CO tập trung chủ yếu khu vực khí cháy nồng độ HC cao Trong nồng độ bồ hóng ghi nhận bắt đầu trình cháy diesel đạt giá trị cực đại nhiên liệu diesel bốc hoàn toàn Sau đó, nồng độ bồ hóng giảm diễn q trình cháy hạt bồ hóng mơi trường nhiệt độ cao Nồng độ bồ hóng lớn tập trung vùng rìa tia phun diesel nơi diễn trình cháy khuếch tán (Hình 2a) Giá trị nồng độ bồ hóng khí thải động thấp nhiều so với giá trị cực đại (Hình 3c) NOx bắt đầu sinh piston vị trí 360, nhiệt độ cháy đạt khoảng 1250K Hình 3a cho thấy NOx tạo thành chủ yếu khu vực phản ứng Nồng độ NO x đạt giá trị lớn nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại sau giữ gần ổn định đến cuối trình dãn nở Bùi Văn Ga, Phạm Quốc Thái p (bar) T(K), NOx(ppm) Kết phân tích cho thấy, để tia phun mồi cháy cần tổ chức trình tạo hỗn hợp cho nồng độ oxygen khu vực tia phun đủ lớn Quá trình cháy tia diesel ảnh hưởng đến mức độ phát thải bồ hóng nhiệt độ cháy ảnh hưởng đến nồng độ NOx nồng độ CO bị ảnh hưởng hệ số tương đương tổng quát tượng cháy khơng hồn tồn 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng H2 Hình 4a giới thiệu ảnh hưởng hàm lượng H2 pha vào biogas đến biến thiên áp suất xi lanh động dual fuel chạy tốc độ 2400 v/ph với hệ số tương đương  0,77/0,94 Chúng ta thấy với hệ số tương đương cho trước, tăng hàm lượng H2 pha vào biogas áp suất cực đại tăng Điều thay biogas hydrogen nhiệt trị nhiên liệu tăng, chất lượng trình cháy cải thiện làm tăng hiệu công tác động Kết mô cho thấy, điều kiện cung cấp nhiên liệu hệ số tương đương công thị chu trình tăng 7% 11% ứng với hàm lượng 20% 40% hydrogen pha vào biogas M7C3 động chạy tốc độ 2400 vịng/phút CO Hình 4d so sánh biến thiên nồng độ CO theo góc quay trục khuỷu động chạy biogas M7C3 biogas M7C3 pha 20% 40% hydrogen Chúng ta thấy, pha 40% hydrogen vào biogas M7C3 nồng độ CO khí thải cịn 50% so với động chạy biogas Điều tốc độ cháy hỗn hợp tăng giúp cho q trình cháy diễn hồn tồn 3.3 Ảnh hưởng thành phần biogas Cùng chế độ vận hành, hệ số tương đương hàm lượng hydrogen, thành phần nhiên liệu biogas ảnh hưởng nhẹ đến công thị chu trình Tính tốn mơ cho thấy động chạy tốc độ 1200 vòng/phút biogas M6C4, M7C3, M8C2 pha 40% hydrogen với hệ số tương đương  0,70/0,98 cơng thị chu trình dao động từ 957 J/ct ứng với M6C4 đến 985 J/ct ứng với M8C2, tức tăng 3% Tuy nhiên, thành phần nhiên liệu biogas ảnh hưởng đến nhiệt độ cháy cực đại trình bày Hình 5a Khi hàm lượng CH4 biogas tăng thành phần khí trơ CO2 nhiên liệu giảm nhiệt trị nhiên liệu tăng làm tăng nhiệt độ cực đại trình cháy Kết cho thấy, nhiệt độ cực đại hỗn hợp cháy 2100, 2300 2400K tương ứng với biogas chứa 60%, 70% 80% CH4 Nhiệt độ cực đại tăng gần ĐCT làm tăng áp suất cực đại nhiên nhiệt độ đường thải không ảnh hưởng thành phần CH4 biogas T NOx (TK) (TK) (b) CO (%) (a) (a) (b) (TK) (c) (d) Hình Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen pha vào biogas đến biến thiên áp suất (a); nhiệt độ, nồng độ NOx (b); nồng độ diesel, nồng độ thể tích bồ hóng (c) nồng độ CO (d) theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3,  0,77/0,94, n2400 v/ph) Cùng điều kiện tốc độ vận hành tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas nhiệt độ cực đại trình cháy tăng làm tăng nồng độ NOx khí thải (Hình 4b) Khi pha 40% hydrogen vào biogas M7C3 nồng độ NOx khí thải gấp lần nồng độ động chạy biogas Trong nồng độ bồ hóng phụ thuộc chủ yếu vào trình cháy tia phun diesel Nhiệt độ cao trình cháy tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas làm tăng tốc độ sản sinh bồ hóng Tuy nhiên, nhiệt độ cao giúp cho phản ứng oxy hóa bồ hóng diễn mãnh liệt Hình 4c cho thấy, pha 40% hydrogen vào biogas M7C3 nồng độ bồ hóng cực đại tăng gấp lần khơng có khác biệt nồng độ bồ hóng khí thải so với chạy biogas Do CO sinh từ phản ứng cân khí-nước nên tính tốn sử dụng hỗn hợp tổng quát nghèo  0,77/0,94 khí thải tồn tạo thành phần (c) (d) Hình Ảnh hưởng thành phần biogas đến biến thiên nhiệt độ (a), nồng độ NOx (b), nồng độ bồ hóng (c) nồng độ CO (d) theo góc quay trục khuỷu (Biogas pha 40% H2,  0,70/0,98, n=1200 v/ph) Do nhiệt độ cháy ảnh hưởng mạnh đến hình thành NOx nên hàm lượng NOx tăng nhanh theo thành phần CH4 biogas trình bày Hình 5b Khi hàm lượng CH4 biogas tăng từ 60% lên 80% nồng độ NO x tăng 70% Trong hình thành bồ hóng chủ yếu q trình cháy khuếch tán diesel nên phát thải bồ hóng khơng ảnh hưởng thành phần biogas (Hình 5c) Kết tính tốn cho thấy, nồng độ thể tích bồ hóng khoảng 0,011ppm sử dụng biogas có thành phần CH4 thay đổi từ 60% đến 80% pha 40% H2 Khi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas tốc độ cháy tăng, làm tăng khả cháy hoàn toàn hỗn hợp nên nồng độ CO ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 4.1, 2020 giảm Kết tính tốn cho thấy, nồng độ CO khí thải giảm từ 2% xuống 1% hàm lượng CH4 biogas tằng từ 60% lên 80% (Hình 5d) 3.4 Ảnh hưởng lượng diesel phun mồi Ngọn lửa mồi ảnh hưởng nhẹ đến cơng thị chu trình động ảnh hưởng đáng kể đến phát thải ô nhiễm Theo nguyên lý làm việc động dual fuel lượng nhiên liệu phun mồi chiếm khoảng khoảng 10-20% lượng diesel phun vào động chế độ toàn tải Kết mô cho thấy, thay đổi hệ số tương đương  0,78/0,87 đến  0,78/0,94 cơng thị chu trình tăng từ 832 đến 865 J/ct, tức tăng 4% die tăng từ 0,09 lên 0,16 Do hàm lượng diesel hỗn hợp nhiên liệu chung thấp nên ảnh hưởng đến nhiệt độ cháy Cùng điều kiện thay đổi hệ số tương đương nêu trên, nhiệt độ cháy tăng khoảng 10K Do đó, phạm vi thay đổi hẹp hàm lượng diesel, nồng độ NOx bị ảnh hưởng Tuy nhiên việc tập trung nhiên liệu diesel khu vực tia phun làm cho hỗn hợp đậm đặc cục dẫn đến trình cháy khơng hồn tồn làm tăng phát thải CO Hình 6a cho thấy, thay đổi hệ số tương đương từ  0,78/0,87 đến  0,78/0,94 nồng độ CO khí thải động tăng từ 0,7% lên 1,2% Bồ hóng hình thành chủ yếu q trình cháy khuếch tán nên lượng phun diesel thay đổi nhỏ gây ảnh hưởng đáng kể đến phát thải bồ hóng Hình 6b cho thấy, hệ số tương đương gas=0,78, nồng độ thể tích bồ hóng đạt 0,007ppm, 0,02ppm 0,03ppm die có giá trị 0,09; 0,13 0,16       (a) (b) Hình Ảnh hưởng tia phun mồi đến biến thiên nồng độ CO (a) bồ hóng (b) theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3-20% H2, n=2400 v/ph) Hình 7a giới thiệu ảnh hưởng gas đến biến thiên nhiệt độ khí buồng cháy theo góc quay trục khuỷu giữ cố định hệ số tương đương tổng quát hỗn hợp =0,96 Do diesel phun vào buồng cháy phải bốc trước cháy nên thời gian cháy kéo dài đường dãn nở dẫn đến nhiệt độ cháy cực đại gas=0,50 thấp trường hợp gas=0,84 Tuy nhiên, nhiệt độ khí cuối trình cháy trường hợp gas=0,50 cao trường hợp gas=0,84 nhiên liệu diesel lại tiếp tục cháy đường dãn nở Nhiệt độ cực đại cao làm tăng tốc độ hình thành NO x nồng độ NOx khí thải động chạy hỗn hợp nhiên liệu  0,84/0,96 cao trường hợp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu  0,50/0,96 Khi hàm lượng biogas cao hỗn hợp đồng cải thiện chất lượng trình cháy dẫn đến giảm nồng độ CO khí thải Hình 7c cho thấy, nồng độ CO tăng từ 1,2% lên 1,75% chuyển từ hỗn hợp  0,84/0,96 sang hỗn hợp  0,50/0,96 Như phân tích nồng độ bồ hóng phụ thuộc nhiều vào tia phun diesel nên tăng lượng phun diesel nồng độ bồ hóng khí thải tăng theo Hình 7d cho thấy, nồng độ thể tích bồ hóng tăng từ 0,003ppm lên 0,1ppm thay đổi hỗn hợp nhiên liệu     (a) (b)     (c) (d) Hình Ảnh hưởng gas đến biến thiên nhiệt độ (a), nồng độ NOx (b), nồng độ CO (c) nồng độ bồ hóng (d) theo góc quay trục khuỷu (Biogas M6C4-40% H2, n=1200 v/ph) Trường hợp đặc biệt lượng phun diesel giảm động dual fuel trở thành động biogas-hydrogen đánh lửa cưỡng Hình 8a so sánh biến thiên áp suất xi lanh động dual fuel động đánh lửa cưỡng với hệ số tương đương tổng quát =0,91 Trường hợp thứ động đánh lửa tia phun mồi diesel với die=0,13 trường hợp thứ hai động đánh lửa tia lửa điện Chúng ta thấy động đánh lửa cưỡng có áp suất cực đại cao động dual fuel với điều kiện vận hành hệ số tương đương tổng qt Tính tốn mơ cho thấy, cơng thị chu trình động đánh lửa cưỡng với =0,91 tăng 6% so với động dual fuel có hệ số tương đương tổng quát die=0,13 Như phân tích đây, lượng phun diesel bé ảnh hưởng đáng kể đến hình thành chất nhiễm đặc điểm trình cháy khuếch tán Hình 8b cho thấy, chuyển từ động dual fuel với  0,78/0,91 sang động đánh lửa cưỡng có hệ số tương đương tổng qt =0,91 nồng độ CO khí thải giảm từ 1,2% xuống 0,2%, tức giảm 80% Điều không cịn tia phun diesel hỗn hợp buồng cháy đồng nhất, q trình cháy diễn hồn tồn làm giảm nồng độ CO Tương tự vậy, không cịn tia phun mồi q trình cháy khuếch tán khơng tồn buồng cháy khơng có điều kiện để hình thành hạt nhân ban đầu bồ hóng Kết nồng độ bồ hóng đường thải động biogas-hydrogen đánh lửa cưỡng bỏ qua so với fv=0,011ppm trường hợp dual fuel (Hình 8c) Do nhiệt độ cực đại trình cháy tăng chuyển từ động dual fuel sang động đánh lửa cưỡng nên nồng độ NOx khí thải tăng nhẹ Hình 8d cho thấy, nồng độ NOx tăng từ 2300ppm lên 2800ppm, tức tăng 20% chuyển động dual fuel  0,78/0,91 sang động đánh lửa cưỡng với =0,91 Bùi Văn Ga, Phạm Quốc Thái     Lời cám ơn: Các tác giả xin cám ơn Bộ Giáo dục Đào tạo hỗ trợ cho nghiên cứu thông qua đề tài “Nghiên cứu tính kinh tế kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động cỡ nhỏ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biogashydroge”, mã số: CTB2018-DNA.01 TÀI LIỆU THAM KHẢO (a) (b)     (c) (d) Hình Ảnh hưởng phương thức đánh lửa đến biến thiên áp suất (a), nồng độ CO (b), nồng độ bồ hóng (c) nồng độ NOx (d) theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3-20% H2, n=2400 v/ph) Kết luận Nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: - Cần tổ chức trình cung cấp nhiên liệu hay thiết kế buồng cháy phù hợp để tia phun mồi diesel bốc cháy hỗn hợp biogas-hydrogen-khơng khí chuẩn bị trước Với kiểu buồng cháy omega hệ số tương đương  0,75/0,91 nồng độ oxygen khu vực tia phun mồi giảm 15% so với hàm lượng khơng khí - Khi pha 40% hydrogen vào biogas M7C3 cơng thị chu trình tăng 11%, nồng độ CO khí thải cịn 50%, nồng độ bồ hóng khơng thay đổi nồng độ NOx tăng lên gấp lần so với động chạy biogas M7C3 tốc độ 2400 vòng/phút - Thành phần biogas ảnh hưởng nhẹ đến cơng thị chu trình ảnh hưởng đáng kể đến phát thải ô nhiễm Khi hàm lượng CH4 biogas tăng từ 60% lên 80% nồng độ NOx tăng 70%, nồng độ CO giảm 100% nồng độ bồ hóng khơng thay đổi điều kiện biogas pha 40% hydrogen - Khi tăng lượng diesel tia phun mồi để đánh lửa cơng thị chu trình nhiệt độ cháy bị ảnh hưởng nhiên nồng độ CO bồ hóng thay đổi đáng kể Kết mơ cho thấy khi die tăng từ 0,09 lên 0,16 Wi tăng 4%, nhiệt độ cháy tăng 10K, nồng độ CO khí thải động tăng từ 0,7% lên 1,2% cịn nồng độ bồ hóng tăng từ 0,007ppm lên 0,03ppm - Cùng chế độ vận hành hệ số tương đương phương thức đánh lửa cưỡng có lợi phương thức đánh lửa dual fuel tính kỹ thuật lẫn mức độ phát thải ô nhiễm Với hệ số tương đương tổng quát =0,91, động đánh lửa cưỡng có Wi tăng 6%, CO giảm 80%, NOx tăng 20% fv bỏ qua so với trường hợp đánh lửa dual fuel với die=0,13 [1] Reddy K S., Aravindhan S., Mallick T K “Investigation of performance and emission characteristics of a biogas fueled electric generator integrated with solar concentrated photovoltaic system”, Renewable Energy, vol 92, pp 233−243, 2016 [2] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan, “Utilization of biogas engines in rural area: A contribution to climate change mitigation”, in Proc Colloque International RUNSUD 2010, France, Mar 23−25, 2010, pp 19−31 [3] Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch, “So sánh hiệu kinh tế giải pháp cải tạo động chạy xăng dầu sang chạy biogas, Hội nghị Cơ học Thủy khí tồn quốc, Qui Nhơn, Jul 22−24, 2010, pp.185−192 [4] B.V.Ga, N.V.Hai, B.T.M.Tu, B.V.Hung, “Utilization of Poor Biogas as Fuel for Hybrid Biogas-Diesel Dual Fuel Stationary Engine”, International Journal of Renewable Energy Research (Scopus), vol 5, no 4, pp 1007−1015, 2015 [5] Bui V G., Tran V N, Truong L B T., Le M T, Le X T., “Determination of Optimal Operational Parameters of SI Biogas Engines Converted from Diesel Engines by Modelling and Experimental Studies”, in Proc The 14th Asian Congress of Fluid Mechanics-14ACFM, Hanoi and Halong, Vietnam, 2013, pp 819−824 [6] Bui V G., Tran V N., Tran T H T., “A Simulation of Effects of Compression Ratios on the Combustion in Engines Fueled with Biogas with Variable CO2 Concentrations”, Journal of Engineering Research and Application, vol.3, pp 516−523, 2013 [7] Bui V G., Tran V N., “Appropriate structural parameters of biogas SI engine converted from diesel engine”, IET Renewable Power Generation, vol.9, pp 255−261, 2015 [8] Verma S., Das L M., Kaushik S C., “Effects of varying composition of biogas on performance and emission characteristics of compression ignition engine using exergy analysis”, Energy Conversion and Management, vol.138, pp 346−359, 2017 [9] Bui V G., Bui T M T., “Soot Emission Analysis in Combustion of Biogas Diesel Dual Fuel Engine”, International Journal of Environmental Science & Sustainable Development”, vol.1, no 2, pp 1−9, 2017 [10] Bui V G., Tran V N., Bui T M T., Nguyen Q.T., “Numerical simulation studies on performance, soot and NOx emissions of dualfuel engine fueled with hydrogen enriched biogas mixtures”, IET Renewable Power Generation, vol 12, pp 1111−1118, 2018 [11] Kim Y., Nobuyuki K., Kazuya T., Tomita E., “Combustion characteristics and NOx emissions of biogas fuels with various CO2 contents in a micro co-generation spark-ignition engine”, Applied Energy, vol 182, 539−547, 2016 [12] Bui V G., Tran V N., Le M T., Bui T M T., “Combustion Analysis of Biogas Premixed Charge Diesel Dual Fueled Engine”, International Journal of Engineering Research and Technology, vol.3, pp 188−194, 2014 [13] Bui V G., Nguyen V D., Bui V H., “Turbulent burning velocity in combustion chamber of SI engine fueled with compressed biogas”, Vietnam Journal of Mechanics, vol 37, pp 205−216, 2015 [14] Ilbas M., Crayford A P., Yilmaz I., Bowen P J., Syred N., “Laminar-burning velocities of hydrogen-air and hydrogenmethane-air mixture: an experimental study”, International Journal of Hydrogen Energy, vol 31, pp 1768−1779, 2006 [15] Porpatham E., Ramesh A., Nagalingam B., “Effect of hydrogen addition on the performance of a biogas fueled spark ignition engine”, International Journal of Hydrogen Energy, vol 32, pp 2057−2065, 2007 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 4.1, 2020 [16] Boretti A., “Comparison of fuel economies of high efficiency diesel and hydrogen engines powering a compact car with a flywheel based kinetic energy recovery systems”, International Journal of Hydrogen Energy, vol 35, pp 8417−8424, 2010 [17] Saket Verma, L.M Das, S.C Kaushik, “Effects of varying composition of biogas on performance and emission characteristics of compression ignition engine using exergy analysis”, Energy Conversion and Management, vol 138, pp 346−359, 2017 [18] Liu F, Guo H, Smallwood GJ, Gulder OL., “The chemical effects of carbon dioxide as an additive in an ethylene diffusion flame: implications for soot and NOx formation”, Combustion and Flame vol 125, pp 778−787, 2011 [19] Midhat Talibi, Paul Hellier, Nicos Ladommatos, “Combustion and exhaust emission characteristics, and in-cylinder gas composition, of hydrogen enriched biogas mixtures in a diesel engine”, Energy, vol 124, pp 397−412, 2017 [20] Park C, Park S, Lee Y, Kim C, Lee S, Moriyoshi Y., “Performance and emission characteristics of a SI engine fueled by low calorific biogas blended with hydrogen”, International Journal of Hydrogen Energy, vol 36, no.16, pp 10080−10088, 2011 [21] Wang J, Huang Z, Fang Y, Liu B, Zeng K, Miao H, et al., “Combustion behaviors of a direct injection engine operating on various fractions of natural gas-hydrogen blends”, International Journal of Hydrogen Energy, vol., 32, no 15, pp 3555−3564, 2007 [22] Trần Văn Nam, Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Bùi Thị Minh Tú, “Cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen cho động đánh lửa cưỡng kéo máy phát điện hệ thống lượng tái tạo hybrid”, Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc lần thứ 21, Quinhon Jul 19−21, 2018, pp 448−458 [23] Bui Van Ga, Bui Thi Minh Tu, Truong Le Bich Tram, Bui Van Hung, “Technique of Biogas-HHO Gas Supply for SI Engine”, International Journal of Engineering Research & Technology, vol 8, Issue 5, pp 669−674, 2019 Ký hiệu sử dụng: ĐCT Điểm chết trên; TK Độ góc quay trục khuỷu; p Áp suất (bar); T Nhiệt độ (K); n Tốc độ động (v/ph); Wi Cơng thị chu trình (J/ct); MxCy Biogas chứa 10x% CH4 10y% CO2 theo thể tích; fv Nồng độ thể tích bồ hóng (ppm);  Góc quay trục khuỷu (TK), 0TK tính từ ĐCT đầu kỳ nạp;  Hệ số tương đương tổng quát hỗn hợp; gas Hệ số tương đương xi lanh biogas hydrogen tạo nên; die Hệ số tương đương xi lanh diesel tạo nên, die= - gas;  a/b Hệ số tương đương thành phần, a= gas b= (BBT nhận bài: 15/01/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 15/3/2020) ... lửa cưỡng dual fuel Tuy nhiên, chưa có cơng trình nghiên cứu tường tận ảnh hưởng tia phun diesel tỉ lệ thành phần nhiên liệu đến tính kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động dual fuel chạy biogas... bày phần sau Phương Pháp nghiên cứu Trong cơng trình nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu mô ảnh hưởng tia phun mồi diesel thành phần nhiên liệu đến cơng thị chu trình phát thải nhiễm động dual fuel. .. khí thải giảm từ 2% xuống 1% hàm lượng CH4 biogas tằng từ 60% lên 80% (Hình 5d) 3.4 Ảnh hưởng lượng diesel phun mồi Ngọn lửa mồi ảnh hưởng nhẹ đến công thị chu trình động ảnh hưởng đáng kể đến phát