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 D cD ho NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ô NHIỄM ĐỘNG CƠ HYBRID BIOGAS-XĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực 9520116 an aN Mã số: g TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - 2022 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học : GS TSKH Bùi Văn Ga PGS TS Dương Việt Dũng D Phản biện : PGS.TS Lê Hồng Kỳ ho Phản biện : PGS.TS Hoàng Dương Hùng an aN cD Phản biện : TS Huỳnh Phước Sơn g Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp sở Trường Đại học Bách Khoa, vào lúc : 30 ngày 29 tháng 01 năm 2022 Có thể tìm luận án : - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Học liệu Truyền thông, ĐHĐN MỞ ĐẦU g an aN cD ho D Tính cấp thiết đề tài Biogas nhiên liệu tái tạo dồi quốc gia vùng nhiệt đới Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động đốt không làm tăng nồng độ CO2 bầu khí Biogas có khí trơ CO2 nên nhiệt trị nhiên liệu thấp, tốc độ cháy bị hạn chế Những tính chất ảnh hưởng đến khả lưu trữ biogas làm giảm công suất động Tuy nhiên số octane biogas cao nên có tính chống kích nổ tốt Việc sử dụng kết hợp biogas xăng giúp khắc phục hạn chế biogas, phát huy ưu điểm nó, góp phần phát triển ứng dụng nhiên liệu tái tạo động đốt nói chung động đốt phương tiện giao thông nói riêng Vì vậy, luận án: “Nghiên cứu q 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 xăng điện tử Nội dung luận án tập trung xử lý vấn đề chính: (1) mơ trình nạp trình cháy động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng, (2) giải pháp cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động phun xăng điện tử, (3) thử nghiệm tính mức độ phát thải ô nhiễm động ô tô chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng để đánh giá kết mô Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu tổng quát: Phát triển giải pháp công nghệ ứng dụng hiệu biogas động ô tô - Mục tiêu cụ thể: Tối ưu hóa q trình cung cấp nhiên liệu tổ chức trình cháy động ô tô nhiên liệu hybrid biogas-xăng nhằm nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu giảm mức độ phát thải chất ô nhiễm g an aN cD ho D Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu tiến hành động DA465QE lắp ô tô tải nhẹ Trường Hải Towner - Phạm 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 nội dung sau đây: - Về lý thuyết: Nghiên cứu hệ phương trình tổng quát học thủy khí áp dụng cho q trình cháy rối Mơ hình rối để khép kín hệ phương trình đối lưu-khuếch tán Mơ hình cháy để đơn giản hóa phương trình bảo tồn phần tử Động học phản ứng sản sinh NOx chế hình thành chất nhiễm khác - Về mô phỏng: - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Fluent để tính tốn, mơ q trình cung cấp nhiên liệu lỏng (xăng) nhiên liệu khí (biogas) cho động Nghiên cứu sử dụng phần mềm Fluent để tính tốn q trình cháy động đánh lửa cưỡng sử dụng lưỡng nhiên liệu hybrid biogas-xăng - Tính tốn mức độ phát thải chất ô nhiễm CO, HC NOx - Thiết lập mơ hình tính tốn xác lập điều kiện biên - Về thực nghiệm: - Cải tạo đường nạp động xăng nghiên cứu để thích nghi với nhiên liệu hybrid biogas-xăng Giải pháp vận chuyển, cung cấp biogas động thí nghiệm Lắp đặt động thí nghiệm băng thử công suất động AVL Đo công suất có ích động đường đặc tính thay đổi hàm lượng xăng nhiên liệu hybrid phân tích D chất nhiễm CO, HC, NOx chế độ vận hành tương ứng So sánh kết thí nghiệm với kết mô Phương pháp nghiên cứu Kết hợp lý thuyết, mô thực nghiệm Lý thuyết để định hướng việc sử dụng mơ hình tốn học xử lý tốn phức tạp q trình cháy rối Mơ phương pháp sử dụng nghiên cứu Thực nghiệm tiến hành số chế độ vận hành xác định động để đánh giá kết mô Sự phù hợp kết cho mô thực nghiệm cho phép rút kết luận mang tính tổng quát Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận án chia ho làm chương: Chương Tổng quan; Chương Cơ sở lý thuyết; Chương Mô trình cung cấp nhiên liệu trình cD cháy động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng; Chương So sánh kết cho mô thực nghiệm động sửu dụng aN g an nhiên liệu hybrid biogas-xăng Đóng góp luận án - Xây dựng mơ hình chương trình tính tốn q trình cung cấp nhiên liệu trình cháy động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng - Thiết kế hệ thống nạp động phun xăng điều khiển điện tử thành hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng - Xác định thành phần xăng tối ưu nhiên liệu hybrid biogas-xăng để đạt hài hịa tính kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động - Xác lập qui luật biến thiên cơng thị chu trình, nồng độ chất nhiễm theo thành phần nhiên liệu, góc đánh lửa sớm tốc độ động CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết việc sử dụng lượng thay Trong nguồn phát thải CO2 động đốt thủ phạm Vì để đạt mục tiêu COP21, vịng thập niên tới, nhiên liệu thay thế/tái tạo sử dụng động đốt phải chiếm 60% tổng lượng sử dụng so với mức 10% Đây thách thức lớn nhà khoa học lĩnh động đốt phương tiện vận chuyển giới 1.2 Nhiên liệu sinh học D 1.2.1 Các hệ nhiệu liệu sinh học Nhiên liệu sinh học trải qua hệ: - Thế hệ thứ nhất; ho - Thế hệ thứ hai; - Thế hệ thứ ba; 1.3 Động Biogas aN cD 1.2.2 Biogas 1.3.1 Động Biogas đánh lửa cưỡng cải tạo từ động xăng an 1.3.2 Động biogas đánh lửa cưỡng cải tạo từ động diesel g 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới Việt Nam 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới 1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu phát triển động biogas Việt Nam 1.5 Kết luận Giải pháp nhiên liệu hybrid biogas-xăng khắc phục vướng mắc nêu Giải pháp cho phép động chạy hoàn toàn xăng hoàn toàn biogas biogas phối hợp với xăng với tỉ lệ linh hoạt Biogas thay phần nhiên liệu hóa thạch Điều phù hợp với khả lưu trữ nhiên liệu ô tô sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu có Để ứng dụng hiệu nhiên liệu hybrid biogas-xăng cần xác định hàm lượng tối ưu xăng biogas ảnh hưởng đến tính cơng tác mức độ phát thải ô nhiễm động Đây vấn đề cịn mẻ, chưa có nghiên cứu tường tận công bố CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN D HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Hệ phương trình ho 2.1.1 Các phương trình tổng quát Hệ thống phương trình cổ điển mơ tả dịng chảy chất lỏng cD diễn phản ứng hóa học viết cách tổng qt sau: aN - Phương trình bảo tồn vật chất:   div U  t   (2.1)   U  U grad U   gradP  div   F t (2.2) g  an - Phương trình bảo tồn động lượng: - Phương trình bảo tồn enthalpic tồn phần:     n h P  .U grad U   div(U  )  div(.gradT   D h grad C j)  Qray t t  1 (2.3) Phương trình khơng có đại lượng biểu diễn nhiệt phản ứng enthalpic hàm chứa lượng tạo thành - Phương trình bảo tồn phần tử:  C t    U gradC  div  D gradC   R   (2.4) 2.1.2 Phân tích Reynolds 2.1.3 Trung bình kiểu Favre D g an aN cD ho 2.1.4 Khép kín hệ phương trình Hệ phương trình viết theo đại lượng trung bình kiểu Favre xấp xỉ lớp biên (2.13) – (2.16) sử dụng cơng trình Mơ hình k-thường biểu diễn chương trình (2.22), (2.23) phù hợp với vùng lửa hoàn toàn phát triển 2.2 Mơ hình cháy khơng đồng 2.2.1 Các mơ hình cháy khơng đồng Xấp xỉ đại lượng bảo tồn mơ hình cháy dùng nhiều việc đồng dạng lửa rối khuếch tán Trong mơ hình này, người ta giả sử tất phần tử có hệ số khuếch tán Giả thiết động học phản ứng nhanh sử dụng, phần lớn trường hợp, tốc độ phản ứng cao so với tốc độ hòa trộn hỗn hợp Từ đó, trạng thái nhiệt hóa học hỗn hợp chẳng hạn nồng độ chất, khối lượng riêng, nhiệt độ xác định qua trung gian đại lượng bảo toàn mà phương trình mơ tả khơng chứa đại lượng sản sinh Tỉ lệ hỗn hợp thường chọn đại lượng bảo toàn g an aN cD ho D 2.2.2 Mơ hình cháy khơng đồng thơng qua đại lượng bảo tồn 2.3 Mơ hình cháy hỗn hợp đồng 2.3.1 Thiết lập hệ phương trình cháy Trong trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước, nhiên liệu chất oxy hóa giả định hịa trộn đồng kích cỡ phân tử trước đánh lửa Quá trình cháy bắt đầu vị trí đánh lửa lan dần khu vực hỗn hợp chưa cháy Mô hình hóa q trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước khó nhiều so với q trình cháy hỗn hợp khơng hịa trộn trước Lý q trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước diễn màng lửa mỏng di động chịu ảnh hưởng trình rối Đối với dịng chảy âm, tốc độ lan tràn màng lửa tổng quát xác định đồng thời tốc độ màng lửa chảy tầng mức độ rối Tốc độ màng lửa chảy tầng xác định tốc độ khuếch tán phần tử nhiệt thượng nguồn dòng chảy vào chất tham gia phản ứng cháy Để xác định tốc độ màng lửa chảy tầng phải biết cấu trúc bên màng lửa chi tiết động hóa học q trình khuếch tán phân tử Vì thực tế bề dày màng lửa chảy tầng khoảng mm hay nhỏ hơn, yêu cầu nghiệm số thường 2.3.2 Lan tràn màng lửa 2.3.2.1 Tốc độ lan tràn màng lửa 2.3.2.2 Các công thức thực nghiệm tốc độ cháy 2.4 Mơ hình cháy đồng cục Hệ thống q trình cháy đồng cục lửa với thành phần hỗn hợp (hệ số tương đương) không đồng hồn tồn q trình hịa trộn khơng hồn hảo Mơ hình phù hợp động sử dụng nhiên liệu hybrid 2.6 Kết luận Để đơn giản hóa tốn phản ứng mơi trường chảy rối, nhà khoa học đưa mơ hình cháy phù hợp với tương tác nhiên liệu chất oxy hóa Hai mơ hình bản, cháy hỗn hợp không đồng cháy hỗn hợp đồng Đối với động sử dụng nhiên liệu hybrid mơ hình cháy hỗn hợp đồng cục phù hợp với chất q trình cung cấp nhiên liệu Mơ hình cháy đồng cục mơ trình trung gian cháy hỗn hợp không đồng cháy hỗn hợp đồng Q trình cháy biểu diễn thơng qua hai đại lượng bảo tồn, thành phần hỗn hợp f diễn tiến trình cháy c Vị trí màng lửa các thơng số đặc trưng q trình cháy xác định thơng qua hai thơng số CHƯƠNG MƠ PHỎNG QUÁ TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS-XĂNG g an aN cD ho D 3.1 Mục tiêu, đối tượng mơ Tính tốn mơ q trình cung cấp nhiên liệu trình cháy để định hướng việc cải tạo động nghiên cứu thực nghiệm Mô thực động DA465QE sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng 3.2 Mơ hình hình học động điều kiện biên mô Để động chạy biogas-xăng, đường nạp động bổ sung thêm họng venturi vịi phun biogas Mơ hình khơng gian tính tốn bao gồm xi lanh tích thay đổi theo vận động piston, buồng cháy đường nạp vào xi lanh khảo sát, đường nạp buồng cháy ĐCT (vị trí góc quay =0oTK) (hình 3.1) Mơ thực nhờ phần mềm ANSYS FLUENT Hình 3.1: Các mặt cắt khảo sát đường nạp 3.4.3 Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào biogas 3.4.3.1 Biogas M6C4 Hình 3.28: Ảnh hưởng hàm lượng xăng đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt áp suất xi lanh theo góc quay trục khuỷu aN cD ho D 3.4.3.2 Biogas M7C3 g an (b) (a) Hình 3.33: Biến thiên cơng thị chu trình, nhiệt độ nồng độ chất ô nhiễm theo hàm lượng xăng biogas M7C3 3.4.4 Ảnh hưởng tốc độ động (a) (b) Hình 3.35: Biến thiên cơng thị chu trình (a), nhiệt độ nồng độ chất ô nhiễm (b) theo tốc đô động (M7C3-30G,=1, s=25oTK) 11 Như vậy, để cải thiện tính giảm phát thải ô nhiễm cần đánh lửa sớm tăng tốc độ động 3.4.5 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm 250 10000 8000 : NOx : Wi 6000 230 20 30 40 200 180 50 : NOx : Wi 10 20 30 g (a) 8000 6400 4800   an 2000 s(CA) n(rpm) : 2000 : 3000  : 4000  : 5000 240 220 4000 240 10 260 aN 260 n(rpm)  : 2000  : 3000  : 4000  : 5000 Wi (J/cycle) Wi (J/cycle) 280 270 280 12000 cD 290 NOx (ppm) NOx (ppm) ho D (a) (b) Hình 3.37: Biến thiên cơng thị chu trình cơng suất động (a), biến thiên nồng độ chất ô nhiễm theo góc đánh lửa sớm (nhiên liệu M8C2-20G, =1, n=3000 vịng/phút, BG=0) Wi-NOx_NOx-T_M7C3-30HHO_Vf3_vs-fis_function-n Wi-NOx_M7C3-0HHO_Vf2_vs-fis_function-n 3.5 Hài hòa Wi NOx 3200 1600 s(CA) 40 50 (b) 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) 3.6 Kết luận Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: - Hệ số tương đương của hỗn hợp giảm mạnh tăng tốc độ động hoặc/và mở rộng bướm ga Giải pháp cấp ga van chân không phổ biến không phù hợp với việc cung cấp 12 g an aN cD ho D biogas nghèo cho động Với giải pháp này, điều chỉnh hỗn hợp hợp lý tốc độ thấp tốc độ cao hỗn hợp loãng; điều chỉnh hỗn hợp hợp lý tốc độ cao tốc độ thấp hỗn hợp đậm - Khi động chạy biogas-xăng với hệ số tương đương khoảng 0,9-1,15 nhiệt độ cháy thay đổi nhẹ, nồng độ NOx đạt giá trị cực đại, nồng độ CO, HC tăng mạnh >1 Công thị chu trình cơng suất động đạt giá trị cực đại ứng với hệ số tương đương tối ưu khoảng =1,1 - Khi chạy methane (M100) cơng thị chu trình giảm 13% so với động chạy xăng Khi chạy biogas M6C4 cơng thị chu trình giảm 27% so với xăng, giảm 17% so với methane giảm 10,5% so với biogas M8C2 - Khi động chạy methane phát thải HC CO bé nhất, động chạy xăng phát thải NOx cao cịn động chạy biogas M6C4 phát thải CO cao phát thải NOx thấp Việc phối hợp sử dụng xăng/biogas, tức phối hợp xăng/methane/carbonic giúp cho động đạt hài hịa tính kỹ thuật phát thải ô nhiễm - Công thị chu trình nồng độ NOx tăng nhanh phát thải CO, HC giảm mạnh theo hàm lượng xăng pha vào biogas hàm lượng xăng nhỏ 30% Sau giá trị này, mức độ cải thiện tính động khơng đáng kể Hàm lượng xăng tối ưu trung bình để pha vào tất loại biogas 30% - Khi tăng tốc độ từ 2000 v/ph lên 5000 v/ph cơng thị chu trình giảm 25%, phát thải CO tăng 3,9 lần, phát thải HC tăng 2,5 lần, phát thải NOx giảm lần nhiên liệu M7C3-30G Để cải thiện tính kỹ thuật giảm phát thải nhiễm, góc đánh lửa sớm động cần điều chỉnh thay đổi tốc độ động - Ứng với tốc độ động nhiên liệu cho trước cơng thị chu trình cực đại ứng với góc đánh lửa sớm tối ưu Trong trường hợp động chạy biogas-xăng, góc đánh lửa sớm tối ưu nằm đường bao đường cong Wi-NOx, dao động 13 g an aN cD ho D phạm vi 28TK -35TK động chạy tốc độ 5000 vòng/phút cung cấp nhiên liệu biogas pha 30% xăng Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 3TK so với động chạy biogas CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS-XĂNG 4.1 Mục đích giới hạn nghiên cứu thực nghiệm Mục đích nghiên cứu thực nghiệm chương nhằm đánh giá lại kết cho mô tính kỹ thuật mức độ phát thải nhiễm động chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng Thực nghiệm tiến hành động DA465QE cải tạo để sử dụng xăng biogas Đường nạp động bổ sung thêm họng venturi van cung cấp nhiên liệu khí Thực nghiệm động DA465QE sử dụng góc đánh lửa sớm ngun thủy, khơng can thiệp góc đánh lửa sớm động Các thông số đo đạc thực nghiệm gồm cơng suất động đường đặc tính ngồi, nồng độ chất ô nhiễm CO, HC, NOx theo tốc độ động cơ, thành phần biogas hàm lượng xăng Thiết bị thí nghiệm gồm băng thử cơng suất động AVL, máy phân tích khí thải tơ MGT thiết bị phục vụ chuẩn bị nhiên liệu biogas 4.2 Đặc điểm hệ thống nhiên liệu động DA465QE Hệ thống phun xăng điện tử động DA465QE loại DEFI (loại điều khiển theo áp suất đường ống nạp), sử dụng cảm biến áp suất khí nạp MAP đường ống nạp để phát lượng khơng khí nạp theo tỉ trọng khơng khí nạp 4.3 Thiết kế hệ thống cung cấp hybrid biogas-xăng 4.3.1 Nguyên lý cấp ga liên tục gián đoạn Trong cơng trình hai phương án cung cấp nhiên liệu khí kiểu hút chân khơng đề xuất: phương án cấp nhiên liệu gián đoạn (hình 4.3a) cung cấp nhiên liệu liên tục (hình 4.3b) 14 Hình 4.3: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) van cấp gas liên tục (b) 4.3.2 Hệ thống cung cấp biogas cho động DA465QE pres-section_bioseul_n2000_permanent 30 60 90  (TK) 150 180 120 S2 -5000 S1 -10000 -30000 S4 -25000 D -20000 p (Pa) -15000 S3 (b) (a) Hình 4.4: Biến thiên áp suất trung bình mặt cắt ngang khảo sát cung cấp biogas liên tục (a) cấp biogas gián đoạn Khi cấp ga liên tục, đường cong áp suất biến thiên đặn không cấp ga Xung áp suất xuất thời điểm mở đóng van cấp ga Trong trường hợp cấp ga gián đoạn, áp suất dao động mạnh Giá trị độ chân không đỉnh xung lớn giá trị độ chân khơng trung bình mặt cắt tương ứng cấp ga liên tục 4.4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động DA465QE -35000 g an aN cD ho Khơng khí 10 Khơng khí ECU Biogas 11 Xăng Biogas Hình 4.6: Sơ đồ hệ thống cung cấp biogas kiểu van chân không Nguyên lý cung cấp biogas cho động phương án Do phối hợp hai nhiên liệu nên hệ thống điều khiển bướm ga kết nối theo nguyên lý bướm ga biogas mở góc lớn bướm ga 15 g an aN cD ho D xăng đạp ga Tỉ lệ góc mở bướm ga phụ thuộc vào tỉ lệ xăng/biogas cần cung cấp cho động Khi động chạy chế độ toàn tải, bướm ga biogas mở hoàn toàn mà hỗn hợp chưa đạt hệ số tương đương cháy hoàn toàn lý thuyết cảm biến oxygen tác động để ECU điều khiển vòi phun xăng cung cấp thêm nhiên liệu Nhờ thành phần hỗn hợp đạt giá trị tối ưu động phát cơng suất tương đương với chạy xăng làm việc đường đặc tính ngồi 4.5 Kết cấu tổ hợp van chân không cung cấp biogas 4.6 Giới thiệu hệ thống thực nghiệm 4.6.1 Tổng quan băng thử công suất động Nghiên cứu thực nghiệm tính động biogas-xăng thực phịng thí nghiệm động đốt AVL trường Đại học Bách Khoa-Đại học Đà Nẵng Sơ đồ bố trí thí nghiệm giới thiệu hình 4.7 Đây phịng thí nghiệm trang bị thiết bị đồng Hãng AVL 4.6.2 Băng thử cơng suất APA 204/08 Trong thí nghiệm không đo áp suất buồng cháy, đo momen đầu trục khuỷu tốc độ động chế độ làm việc khác Băng thử công suất động APA 204/E/0943 Hãng AVL, Cộng hịa Áo sản xuất, có cơng suất cực đại 220 kW, mô men quay cực đại 934 Nm số vịng quay cực đại 8000 v/ph Đường đặc tính băng thử cơng suất động trình bày hình 4.8 4.6.3 Thiết bị cấp đo tiêu hao nhiên liệu 733S 4.6.4 Thiết bị AVL 553 4.6.5 Thiết bị đo lưu lượng khí nạp 4.6.6 Máy tính điều khiển Tất thông số đo từ PUMA kết nối với máy tính điều 16 g an aN cD ho D khiển Giao diện hình máy tính hình 4.19 4.6.7 Thiết bị phân tích khí thải MGT 4.7 Nghiên cứu thực nghiệm động chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng 4.7.1 Bố trí hệ thống thí nghiệm Hình 4.12 giới thiệu sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm động DA465QE chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng Động thử nghiệm sau cải tạo đường nạp hệ thống cung cấp nhiên liệu mô tả phần lắp lên băng thử công suất AVL Việc gá đặt động thử nghiệm thực theo qui trình kỹ thuật theo hướng dẫn phịng thí nghiệm động 4.7.2 Chuẩn bị nhiên liệu Do phịng thí nghiệm cách xa nơi sản xuất biogas nên biogas nén vào bình áp lực để vận chuyển Biogas lọc H2S bentonite Thành phần trung bình biogas sau lọc 60% CH4 40% CO2 không loại bỏ CO2 Để làm giàu biogas tiến hành lọc CO2 NaOH Trong trường hợp này, biogas đạt thành phần trung bình 70% CH4 30% CO2 4.7.3 Lắp đặt động thí nghiệm lên băng thử cơng suất Hình 4.15: Lăp đặt động DA465QE băng thử AVL 4.7.4 Chế độ thí nghiệm Như trình bày đầu chương này, thí nghiệm thực giới hạn đường đặc tính ngồi (đối với biogas) Chế độ thử nghiệm thay đổi theo tốc độ, thành phần biogas hàm lượng xăng 17 g an aN cD ho D Hàm lượng xăng phối hợp biogas xác định theo thành phần mol Sau loạt phép đo ổn định, ta xác định thể tích biogas tiêu thụ khối lượng xăng tiêu thụ Trên sở tính số mol xăng số mol biogas, từ đo xác định hàm lượng xăng 4.8 Kết thực nghiệm so sánh với kết mơ 4.8.1 So sánh tính động Kết hình 4.20 cho thấy momen đạt cực đại vị trí tốc độ động khoảng 3500 vòng/phút Điều phù hợp với số liệu nhà chế tạo cơng bố Kết thí nghiệm hầu hết điểm đo nhỏ kết mơ trung bình khoảng 10% Điều q trình cháy thực tế khơng diễn cách lý tưởng điều kiện giả định mơ Góc đánh sửa sớm thực tế nhà chế tạo cài đặt sẵn vào ECU nhiên liệu xăng, khơng hồn tồn phù hợp với biogas biogas phối hợp với xăng Mặt khác diễn biến áp suất đường ống nạp phức tạp không đưa vào điều kiện mơ cách xác nên dẫn đến sai số mô thực nghiệm (b) (a) 18 Hình 4.20: So sánh đường đặc tính ngồi mơ men cơng suất cho mơ hình thực nghiệm động chạy xăng (a), biogas M7C3 (b) nhiên liệu M7C3-30G (: Công suất thực nghiệm,  : Momen thực nghiệm) (c) 4.8.2 So sánh phát thải chất ô nhiễm cho mô thực nghiệm (b) g an aN cD ho D (a) (c) Hình 4.22: So sánh ảnh hưởng tốc độ đến phát thải CO (a), HC (b) NOx (c) cho mô thực nghiệm (M7C3-30G, =1, s=25oTK, n=3000 v/ph, ━: Mô phỏng, : Thực nghiệm) Kết hình 4.22 cho thấy kết mô phù hợp với thực nghiệm vùng tốc độ cao tác động yếu tố nhiệt độ đến 19 an aN cD ho D hình thành NOx giảm nhẹ Ở vùng tốc độ thấp, nồng độ NOx cho thực nghiệm nhỏ giá trị cho mơ trung bình khoảng 15% Điều tác động nhiệt độ đến hình thành NOx đáng kể thời gian hỗn hợp tồn nhiệt độ cao kéo dài 4.9 Tổng hợp yếu tố ảnh hưởng đến tính động hybri Kết hình 4.33 thể rõ mối tương quan thông số trình cháy sử dụng nhiên liệu Chúng ta thấy động chạy hoàn toàn xăng lượng nhiên liệu mang vào xi lanh cho chu trình lớn nên cơng thị sinh lớn Một điểm lợi động chạy xăng phát thải CO, HC thấp nhiên liệu sử dụng Điểm yếu nhiên liệu xăng phát thải NOx cao Hình 4.23: Ảnh hưởng nhiên liệu đến tính động hybrid g Hệ số Pe-tổng (kW) 34 CO (%) 0,36 HC (%) 0,1 NOx (ppm) 3500 Hình 4.24: Ảnh hưởng tốc độ vận hành đến tính phát thải ô nhiễm dộng sử dụng nhiên liệu hybrid 20 g an aN cD ho D Chúng ta thấy động chạy tốc độ 2000 v/ph phát thải CO giảm 80%, phát thải HC giảm 90% phát thải NOx tăng 90% công suất động giảm 75% so với động chạy tốc độ 5000 v/ph Như phân tích phần trên, động chạy nhiên liệu hybrid chế độ tốc độ cho trước, phát thải CO, HC thấp chạy biogas Mặt khác, động chạy tốc độ cao phát thải NOx giảm hình 4.24 Vì sử dụng nhiên liệu hybrid, động chạy tốc độ cao để tăng cơng suất giảm phát thải NOx đồng thời không làm tăng CO, HC so với động chạy biogas 4.10 Kết luận Kết nghiên cứu chương cho phép rút kết luận sau: - Tổ hợp van chân không gồm van cấp ga liên tục van cấp ga gián đoạn qua họng venturi lắp song song với đường nạp hệ thống nhiên liệu xăng cho phép điều chỉnh hệ số tương đương thích nghi với chế độ công tác khác động chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng - Kết mô phù hợp với kết thí nghiệm tính động băng thử cơng suất AVL phân tích khí thải chuyên dùng Những chênh lệch kết mô thực nghiệm logic, phù hợp với lý luận thực tiễn - Kết thực nghiệm đo đồng độ CO, HC khí thải cao kết cho mô phỏng; ngược lại nồng độ NOx cho thực nghiệm thấp kết mô điều kiện nạp cháy thực khơng diễn lý tưởng tính tốn mơ phỏng, gây tượng cháy khơng hồn tồn cục bộ, dẫn đến nhiệt độ trình cháy thực tế thấp lý thuyết - Kết thực nghiệm khẳng định lại kết luận rút từ tính 21 g an aN cD ho D tốn mơ Cơng thị chu trình động chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng tăng theo hàm lượng xăng hỗn hợp nhiên liệu Khi hàm lượng xăng nhỏ 30% mức độ tăng cơng thị chu trình theo hàm lượng xăng cao nhiều so với hàm lượng xăng lớn 30% - Cùng chế độ vận hành động cơ, phát thải CO HC giảm phát thải NOx tăng theo hàm lượng xăng hỗn hợp nhiên liệu Khi hàm lượng xăng lớn 30% mức độ phát thải chất ô nhiễm bị ảnh hưởng thành phần nhiên liệu - Cùng thành phần nhiên liệu, tốc độ động tăng cơng thị chu trình giảm với giảm phát thải NOx phát thải CO HC tăng Khi động chạy tốc độ 2000 v/ph phát thải CO giảm 80%, phát thải HC giảm 90% phát thải NOx tăng 90% cịn cơng suất động giảm 75% so với động chạy tốc độ 5000 v/ph 22 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận án cho phép rút kết luận sau: - Tổ hợp van chân không gồm van cấp ga liên tục van cấp ga gián đoạn qua venturi lắp song song với đường nạp hệ thống nhiên liệu xăng cho phép điều chỉnh hệ số tương đương thích nghi với chế độ công tác khác động chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng - Động chạy hybrid biogas-xăng với hệ số tương đương D khoảng 0,9-1,15 nhiệt độ cháy thay đổi nhẹ, nồng độ NOx đạt giá trị cực đại, nồng độ CO, HC tăng mạnh ho >1 Cơng thị chu trình cơng suất động đạt giá trị cực đại ứng với hệ số tương đương tối ưu khoảng =1,1 Khi động cD hybrid chạy methane cơng thị chu trình giảm nhiều 13% so với động chạy xăng Khi chạy biogas aN M6C4 cơng thị chu trình giảm nhiều 27% so với xăng, giảm nhiều 17% so với methane giảm 10,5% so với biogas an M8C2 - Động hybrid chạy methane phát thải HC CO g bé nhất, động chạy xăng phát thải NOx cao động chạy biogas M6C4 phát thải CO cao phát thải NOx thấp Việc phối hợp sử dụng xăng/biogas, tức phối hợp xăng/methane/carbonic giúp cho động đạt hài hịa tính kỹ thuật phát thải ô nhiễm - Hàm lượng xăng tối ưu trung bình để pha vào biogas M7C3 30% Cơng thị chu trình nồng độ NOx tăng nhanh phát thải CO, HC giảm mạnh theo hàm lượng xăng pha vào biogas hàm lượng xăng nhỏ 30% 23 - Cùng thành phần nhiên liệu, động chạy tốc độ 2000 v/ph phát thải CO giảm nhiều 80%, phát thải HC giảm nhiều 90% phát thải NOx tăng nhiều 90% cịn cơng suất động giảm nhiều 75% so với động chạy tốc độ 5000 v/ph - Động hybrid biogas-xăng, góc đánh lửa sớm tối ưu dao động phạm vi 28TK-35TK động chạy tốc độ 5000 vòng/phút cung cấp nhiên liệu biogas pha 30% xăng Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 3TK so với động chạy biogas D HƯỚNG PHÁT TRIỂN g an aN cD ho Trong khuôn khổ nội dung giới hạn luận án, đề tài giải vấn đề động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng Đề tài tiếp tục phát triển theo hướng sau:  Nghiên cứu hệ thống phun biogas theo giản đồ phun phù hợp để đảm bảo đạt tỉ lệ xăng biogas mong muốn, phù hợp với chế độ công tác động  Nghiên cứu công nghệ tối ưu để lưu trữ biogas cung cấp cho động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng phương tiện giao thông giới  Đo áp suất thị buồng cháy động để so sánh với áp suất thị mô  Nghiên cứu phát triển ứng dụng giải pháp nhiên liệu hybrid khí-lỏng xe gắn máy 24 g an aN cD ho D DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Võ Anh Vũ, Lê Trung: Mô bay tia nhiên liệu phun mồi động dual fuel biogas-diesel Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, Số [100], pp 24-29, 2016 Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Võ Anh Vũ, Bùi Thị Minh Tú: Ảnh hưởng nhiên liệu chế độ vận hành đến phát thải bồ hóng khí thải động dual fuel biogas-diesel Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học Thủy khí Tồn quốc lần thứ 20, Cần Thơ, 27-29 tháng năm 2017, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2018, pp 229-237 Trần Thanh Hải Tùng, Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Tấn: Xe gắn máy sinh thái Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc lần thứ 21, Quinhon 19-21/7/2018, Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Hùng, Trương Lê Bích Trâm, Phạm Văn Quang: Kiểm sốt tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu động đánh lửa cưỡng chạy biogas nghèo pha HHO Tạp chí Khoa học Công nghệ-Đại học Đà Nẵng, Vol 17, No 3, 2019 Trần Thanh Hải Tùng, Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Võ Anh Vũ: Tính động nhiệt xe gắn máy Hybrid LPG-Điện cải tạo từ xe Honda Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc lần thứ 22, HaiPhong 25-27/7/2019 Van Ga Bui, Van Nam Tran, Anh Tuan Hoang, Thi Minh Tu Bui, Anh Vu Vo (2020): A simulation study on a port-injection SI engine fueled withhydroxy-enriched biogas Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, (SCI) Van Ga Bui, Van Nam Tran, Anh Tuan Hoang, Thi Minh Tu Bui, Anh Vu Vo (2020): A simulation study on a port-injection SI engine fueled withhydroxy-enriched biogas Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, https://doi.org/10.1080/15567036.2020.1804487 (SCI) Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Võ Anh Vũ: Nghiên cứu thực nghiệm tính động DA465QE chạy nhiên liệu hybrid biogas-HHO-xăng a Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc lần thứ 23, Đà Nẵng 7/11/2020, pp 137-150 25