Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ hybrid biogas xăng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ ANH VŨ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ô NHIỄM ĐỘNG CƠ HYBRID BIOGAS-XĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG -Năm 2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ ANH VŨ NGHIÊN CỨU Q TRÌNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ơ NHIỄM ĐỘNG CƠ HYBRID BIOGAS-XĂNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TSKH Bùi Văn Ga Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Dương Việt Dũng ĐÀ NẴNG -Năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác! Đà Nẵng, tháng 02 năm 2022 Nghiên cứu sinh Võ Anh Vũ i THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v DANH MỤC BẢNG xi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 5 Cấu trúc luận án Đóng góp luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết việc sử dụng lượng tái tạo 1.2 Nhiên liệu sinh học 11 1.2.1 Các hệ nhiên liệu sinh học [71] 11 1.2.2 Biogas 13 1.3 Động biogas 19 1.3.1 Động biogas đánh lửa cưỡng cải tạo từ động xăng 19 1.3.2 Động biogas đánh lửa cưỡng cải tạo từ động diesel 21 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới Việt Nam 25 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới 25 1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu phát triển động biogas Việt Nam 28 1.5 Kết luận 32 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 34 2.1 Hệ phương trình 34 2.1.1 Các phương trình tổng quát 34 2.1.2 Phân tích Reynolds 35 2.1.3 Trung bình kiểu Favre 37 ii THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 2.1.4 Khép kín hệ phương trình 38 2.2 Mơ hình cháy không đồng 42 2.2.1 Các mơ hình cháy khơng đồng 42 2.2.2 Mơ hình cháy khơng đồng thơng qua đại lượng bảo tồn 44 2.3 Mơ hình cháy hỗn hợp đồng 50 2.3.1 Thiết lập hệ phương trình cháy 50 2.3.2 Lan tràn màng lửa 56 2.4 Mơ hình cháy đồng cục 61 2.5 Kết luận 62 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG Q TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS/XĂNG 63 3.1 Mục tiêu, đối tượng mô 63 3.2 Mô hình hình học động điều kiện biên mô 65 3.3 Kết mô trình cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng 69 3.4 Mơ q trình cháy phát thải ô nhiễm động DA465QE Towner sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng 79 3.4.1 Ảnh hưởng hệ số tương đương 79 3.4.2 So sánh tính động chạy biogas/xăng 84 3.4.3 Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào biogas 88 3.4.4 Ảnh hưởng tốc độ động 94 3.4.5 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm 97 3.5 Hài hòa Wi NOx 102 3.6 Kết luận 104 4.1 Mục đích giới hạn nghiên cứu thực nghiệm 106 4.2 Đặc điểm hệ thống nhiên liệu động DA465QE 107 4.3 Thiết kế hệ thống cung cấp hybrid biogas-xăng 109 4.3.1 Nguyên lý cấp ga liên tục gián đoạn 109 4.3.2 Hệ thống cung cấp biogas cho động DA465QE 111 4.4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động DA465QE 113 4.5 Kết cấu tổ hợp van chân không cung cấp biogas 114 iii THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 4.6 Giới thiệu hệ thống thực nghiệm 114 4.6.1 Tổng quan băng thử công suất động 114 4.6.2 Băng thử công suất APA 204/08 115 4.6.3 Thiết bị cấp đo tiêu hao nhiên liệu 733S 116 4.6.4 Thiết bị AVL 553 117 4.6.5 Thiết bị đo lưu lượng khí nạp 118 4.6.6 Máy tính điều khiển 118 4.6.7 Thiết bị phân tích khí thải MGT 119 4.7 Nghiên cứu thực nghiệm động chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng 120 4.7.1 Bố trí hệ thống thí nghiệm 120 4.7.2 Chuẩn bị nhiên liệu 121 4.7.3 Lắp đặt động thí nghiệm lên băng thử cơng suất 123 4.7.4 Chế độ thí nghiệm 124 4.8 Kết thực nghiệm so sánh với kết mô 125 4.8.1 So sánh tính động 125 4.8.2 So sánh phát thải chất ô nhiễm cho mô thực nghiệm 132 4.9 Tổng hợp yếu tố ảnh hưởng đến tính động hybrid 135 4.10 Kết luận 137 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 138 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO 144 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS-XĂNG95 PHỤ LỤC i iv THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các nguồn lượng [70] Hình 1.2: Khoảng cách tương đối Trái Đất hành tinh khác (a) xạ Mặt Trời Việt Nam (b) [69] Hình 1.3: Chu trình carbon Trái Đất Hình 1.4: Chu trình carbon sử dụng biogas làm nhiên liệu [5] 12 Hình 1.5: Động học trình sản sinh biogas 12 Hình 1.6: Khả sinh khí biogas số nguyên liệu [6] 13 Hình 1.7: Yêu cầu lọc tạp chất biogas với giải pháp sản xuất điện khác [6] 15 Hình 1.8: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động đánh lửa cưỡng [6] 27 Hình 1.9: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động dual fuel biogas-diesel [6] 27 44 Hình 2.1: Quan hệ nồng độ, nhiệt độ khối lượng riêng theo tỉ hệ hỗn hợp 44 Hình 2.2: Sơ đồ lan tràn màng lửa theo mơ hình hai khu vực 46 Hình 3.1: Các mặt cắt khảo sát đường nạp 58 Hình 3.2: Chia lưới khơng gian tính tốn đặc trưng phần tử 59 Hình 3.3: Lưu đồ thuật tốn mơ hình cháy mơ Ansys 60 Hình 3.4: Biến thiên đường đồng mức áp suất, nồng độ CH4 C8H18 trình nạp (n=3000 vòng/phút, biogas M7C3, thời điểm phun xăng 30 -60 , thời điểm phun biogas 60 -110 ) 62 Hình 3.5: Biến thiên áp suất mặt cắt ngang đường nạp động chạy tốc độ 2000 vòng/phút (a) 5000 vòng/phút (b) (BG=0 , khơng phun nhiên liệu) 63 Hình 3.6: Biến thiên áp suất mặt cắt ngang đường nạp động chạy tốc độ 2000 vòng/phút (a) 5000 vịng/phút (b) (BG=30 , khơng phun nhiên liệu) 63 Hình 3.7: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên áp suất mặt cắt ngang số bướm ga mở hoàn toàn (a) BG=30 (b) 64 Hình 3.8: Biến thiên áp suất trung bình mặt cắt ngang số (a) biến thiên hệ số v THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội tương đương xi lanh (b) theo tốc độ động ứng với thời điểm đóng bướm ga khác (cung cấp biogas M7C3 với thời điểm phun cố định 50 TK, không phun xăng) 65 Hình 3.9: Đường đồng mức hệ số tương đương cung cấp biogas M7C3 phun bổ sung xăng (động chạy tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0 , thời điểm phun xăng 30 TK -60 TK, thời điểm phun biogas 60 TK -110 TK) 66 Hình 3.10: Ảnh hưởng góc đóng bướm ga BG đến biến thiên hệ số tương đương theo áp suất trung bình mặt cắt ngang số (Biogas M7C3, thời điểm phun 50 TK, không phun xăng) 67 Hình 3.11: Ảnh hưởng thời điểm phun xăng bổ sung đến biến thiên hệ số tương đương tổng quát buồng cháy động chạy tốc độ 3000 vòng/phút, BG=30 , cung cấp biogas M7C32 với thời điểm phun 50 TK 68 Hình 3.12: So sánh biến thiên hệ số tương đương theo tốc độ động bướm ga mở hoàn toàn trường hợp động cung cấp biogas M7C3, góc mở vịi phun 50 TK trường hợp phun bổ sung xăng với lưu lượng 0,5g/s, thời điểm phun 60 TK, chế độ toàn tải 68 Hình 3.13: Biến thiên thời gian phun xăng bổ sung để đảm bảo =1 theo tốc độ động (a) theo áp suất trung bình mặt cắt số (b) tương ứng với độ đóng bướm ga khác (Biogas M8C2, góc mở vịi phun biogas 50 TK, lưu lượng phun xăng 0,5g/s) 69 Hình 3.14: Engine map động chạy biogas-xăng cung cấp nhiên liệu theo phương thức hybrid 69 Hình 3.15: Ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên áp suất tốc độ tỏa nhiệt (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, BG=0 ) 71 Hình 3.16: Ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên áp suất buồng cháy, nhiên liệu biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy tốc độ 3000 vòng/phút 71 72 Hình 3.17: Ảnh hưởng hệ số tương đương đến đồ thị công; nhiên liệu biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0 72 Hình 3.18: Biến thiên nhiệt độ cháy thay đổi hệ số tương đương Biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0 72 vi THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Hình 3.19: Ảnh hưởng hệ số tương đương đến nồng độ NOx động chạy biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0 73 Hình 3.20: Ảnh hưởng hệ số tương đương đến nồng độ CO (a) nồng độ HC (b) theo góc quay trục khuỷu biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy tốc độ 3000 vòng/phút 73 Hình 3.21: Biến thiên nhiệt độ phát thải ô nhiễm (a), biến thiên công thị chu trình cơng suất động (b) theo hệ số tương đương (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, s=20 o TK, BG=0 ) 74 Hình 3.22: Biến thiên áp suất xi lanh (a) đồ thị công (b) động chạy xăng, mêtan, hỗn hợp xăng- mêtan biogas (n=3000 v/ph, =1, s=20 o TK, BG=0 ) 75 Hình 3.23: So sánh cơng thị chu trình cơng suất động chạy loại nhiên liệu khác 76 Hình 3.24: Ảnh hưởng nhiên liệu đến biến thiên nhiệt độ (a), nồng độ NOx (b), nồng độ CO (c) nồng độ HC (d) theo góc quay trục khuỷu 77 Hình 3.25: So sánh phát thải ô nhiễm động chạy loại nhiên liệu khác tốc độ 3000 v/ph, hệ số tương đương =1, góc đánh lửa sớm s=20 o TK, BG=0 78 Hình 3.26: Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M6C4 đến cơng thị chu trình (b), nhiệt độ (a) động chạy tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 79 Hình 3.27: Ảnh hưởng thành phần xăng bổ sung vào biogas M6C4 đến biến thiên áp suất động chạy tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 79 Hình 3.28: Ảnh hưởng hàm lượng xăng đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt áp suất xi lanh theo góc quay trục khuỷu 80 Hình 3.29: Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M6C4 nồng độ NOx động chạy tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 80 Hình 3.30: Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào nhiên liệu biogas M6C4 đến nồng độ CO (a) nồng độ HC (b) theo góc quay trục khuỷu (khi động chạy tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 81 Hình 3.31: Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến cơng thị chu trình (a), nhiệt độ (b) động chạy tốc độ n=3000 v/ph, =1, BG=0 82 vii THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Hình 3.32: Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung bào nhiên liệu biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ NOx (a), HC (b) CO (c) theo góc quay trục khuỷu (khi động chạy tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0 83 Hình 3.33: Biến thiên cơng thị chu trình (b),(a) nhiệt độ nồng độ chất ô nhiễm theo hàm lượng xăng biogas M7C3, BG=0 84 Hình 3.34: Ảnh hưởng tốc độ động đến tính kỹ thuật phát thải ô nhiễm động (M7C3-30G, =1, s=25 o TK, BG=0 ) 85 Hình 3.35: Biến thiên cơng thị chu trình (a), nhiệt độ nồng độ chất nhiễm (b) theo tốc đô động (M7C3-30G, =1, s=25 o TK) 86 Hình 3.36: Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất (a), tốc độ tỏa nhiệt (b), nhiệt độ (c), NOx (d), CO (c) HC (f) động chạy nhiên liệu M8C2-20G tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0 87 Hình 3.37: Biến thiên cơng thị chu trình cơng suất động (a), biến thiên nồng độ chất nhiễm theo góc đánh lửa sớm (nhiên liệu M8C2-20G, =1, n=3000 vòng/phút, BG=0 ) 88 Hình 3.38: Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến trình cháy hỗn hợp nhiên liệu M7C3-30G theo góc quay trục khuỷu tốc độ động 5000 vòng/phút, =1 BG=0 89 Hình 3.39: Biến thiên cơng thị chu trình công suất động (a); biến thiên phát thải ô nhiễm (b) theo góc đánh lửa sớm (M7C3-30G, =1, n=5000 vòng/phút, BG=0 ) 90 Hình 3.40: Ảnh hưởng thành phần biogas đến quan hệ Wi nồng độ NOx góc đánh lửa sớm thay đổi từ 20 TK đến 40 TK (nhiên liệu biogas-30% xăng, n=5000 vòng/phút, =1, BG=0 ) 91 Hình 3.41: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên Wi NOx theo s động chạy nhiên liệu M7C3-30G (a) chạy biogas M7C3 (b) ( = 1, đầy tải) 92 Hình 3.42: Biến thiên p NOx theo tốc độ động s cố định s tối ưu (M7C3-30G, = 1, 60% tải) 93 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống nhiên liệu động DA465QE 96 Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống phun xăng điện tử 97 Hình 4.3: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) van cấp gas liên tục (b) 98 viii THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... án: ? ?Nghiên cứu trình cháy phát thải ô nhiễm động hybrid biogas-xăng? ?? có ý nghĩa thiết thực Luận án thực nghiên cứu tảng ban đầu cho việc ứng dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng động ô tô kiểu phun... ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ ANH VŨ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ô NHIỄM ĐỘNG CƠ HYBRID BIOGAS-XĂNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT... vi nghiên cứu: - Thực nghiên cứu bản, làm tảng ban đầu định hướng phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng động ô tô - Với phạm vi nghiên cứu này, luận án tập trung nghiên cứu