Đang tải... (xem toàn văn)
Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogasLuận án tiến sĩ: Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lê Xuân Thạch NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CÓ TỈ SỐ NÉN CAO SỬ DỤNG BIOGAS LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lê Xuân Thạch NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CÓ TỈ SỐ NÉN CAO SỬ DỤNG BIOGAS Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT Mã số: 62.52.34.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn I: PGS.TS Trần Văn Nam Người hướng dẫn II: GS TSKH Bùi Văn Ga Đà Nẵng - Năm 2013 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Nếu có sai sót, tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả LÊ XUÂN THẠCH ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sản xuất ứng dụng biogas giới Việt Nam 1.1.1 Tình hình sản xuất biogas giới năm gần 1.1.2 Tình hình sản xuất sử dụng biogas Việt Nam .10 1.2 Biogas làm nhiên liệu cho động đốt 11 1.2.1 Tinh lọc biogas 11 1.2.2 Các tiêu chí xác định tiêu chuẩn khí thiên nhiên nhiên liệu thay khí thiên nhiên 16 1.3 Động đốt chạy biogas 19 1.4 Các nghiên cứu sử dụng biogas động đánh lửa cưỡng .24 1.5 Hiệu bảo vệ môi trường sử dụng biogas làm nhiên liệu 32 1.6 Kết luận định hướng nghiên cứu đề tài .33 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL SANG ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 35 2.1 Các phương án chuyển đổi động sử dụng nhiên liệu lỏng thành động chạy nhiên liệu biogas 35 2.1.1 Chuyển đổi động xăng .35 2.1.2 Chuyển đổi động diesel 36 2.1.3 Phân tích ưu nhược điểm phương án 36 2.2 Chuyển đổi động diesel thành động biogas đánh lửa cưỡng 38 2.2.1 Những vấn đề chung .38 2.2.2 Tháo bỏ hệ thống nhiên liệu diesel 40 2.2.3 Giảm tỉ số nén 40 2.2.4 Bổ sung hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas 44 2.2.5 Bổ sung hệ thống đánh lửa 48 iii 2.2.6 Dẫn động bướm ga 52 2.3 Kết luận 55 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 56 3.1 Giới thiệu phần mềm động lực học thủy khí CFD FLUENT 56 3.2 Lý thuyết dòng chảy rối 57 3.2.1 Giới thiệu .57 3.2.2 Các đặc điểm dòng chảy rối .58 3.2.3 Các phương trình tổng qt khống chế dịng chảy rối 59 3.2.4 Khép kín hệ phương trình .63 3.3 Lý thuyết q trình cháy nhiên liệu khí 66 3.4 Lý thuyết q trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước 66 3.4.1 Tổng quan 66 3.4.2 Sự lan tràn màng lửa 67 3.4.3 Tốc độ màng lửa rối 68 3.4.4 Tốc độ màng lửa chảy tầng .69 3.4.5 Mơ hình cháy hỗn hợp hịa trộn trước FLUENT 70 3.4.6 Các phương pháp tính nhiệt độ .70 3.5 Lý thuyết q trình cháy hịa trộn trước cục .72 3.5.1 Tổng quan 72 3.5.2 Tính tốn đại lượng 72 3.5.3 Tốc độ màng lửa chảy tầng .73 3.6 Tính tốn mơ dịng chảy tạo hỗn hợp động biogas đánh lửa cưỡng chuyển đổi từ động diesel ZH1115 79 3.6.1 Thiết lập mô hình tính tốn .79 3.6.2 Kết tính tốn .81 3.7 Tính tốn mơ q trình cháy hỗn hợp biogas-khơng khí động biogas đánh lửa cưỡng phần mềm FLUENT 88 3.7.1 Thiết lập mơ hình tính tốn .89 3.7.2 Diễn biến trình cháy 91 3.7.3 Ảnh hưởng dạng buồng cháy đến tính động .93 3.7.4 Ảnh hưởng tỉ số nén 94 3.7.5 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm 97 iv 3.7.6 Ảnh hưởng thành phần biogas 99 3.7.7 Ảnh hưởng độ đậm đặc hỗn hợp đến tính động 104 3.8 Kết luận 107 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT CÁC PHỤ KIỆN CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL ZH1115 THÀNH ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 109 4.1 Động diesel ZH1115 .109 4.2 Giảm tỉ số nén 110 4.3 Thiết kế lắp đặt hệ thống đánh lửa .110 4.4 Tính tốn thiết kế tạo hỗn hợp 112 4.5 Thiết kế cải tạo cấu điều tốc 116 4.6 Qui trình chuyển đổi động diesel xi lanh thành động biogas đánh lửa cưỡng .118 4.7 Kết luận 120 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 121 5.1 Mục tiêu thí nghiệm .121 5.2 Hệ thống thí nghiệm .121 5.3 Kết bàn luận 125 5.3.1 Kết thực nghiệm .125 5.3.2 So sánh kết cho mô thực nghiệm .131 5.4 Kết luận 133 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 135 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .138 TÀI LIỆU THAM KHẢO .139 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH: Vh Thể tích cơng tác, dm3 Vc Thể tích buồng cháy, dm3 Vcct Thể tích buồng cháy sau chuyển đổi, dm3 S Hành trình piston, mm D Đường kính xi lanh, mm d Đường kính phần khoét lõm đỉnh piston, mm n Số vòng quay trục khuỷu, v/ph Vc Thể tích buồng cháy cần mở rộng thêm, dm3 Vk Thể tích phần khoét lõm đỉnh piston, dm3 h Chiều cao đỉnh piston cần cắt bớt, mm db Đường kính buồng hỗn hợp, mm dh Đường kính họng, mm an Hệ số dao động dòng chảy vtb Tốc độ trung bình dịng khí, m/s lb Chiều dài buồng hỗn hợp, mm ph Độ chân không họng, Pa i Số xi lanh Wi Công thị, J CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP: Tỉ số nén Số kỳ s Góc đánh lửa sớm, độ góc quay trục khuỷu ct Tỉ số nén sau chuyển đổi λ Hệ số dư lượng khơng khí vi h Hệ số lưu lượng họng nl Khối lượng riêng nhiên liệu, kg/m3 kk Khối lượng riêng khơng khí, kg/m3 Hệ số tương đương, độ đậm đặc hỗn hợp v Hệ số nạp m Hiệu suất giới CÁC CHỮ VIẾT TẮT: A/F Tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu MToE Triệu dầu thô qui đổi QHV Nhiệt trị thể tích nhiên liệu, MJ/m3 CH4 Mê tan O2 Ơ xy LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng ĐCT Điểm chết ĐCD Điểm chết HVC Van tiết lưu A/D Analog/Digital H2 S Hydro Sunphua vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần chất biogas 11 Bảng 1.2 Sự cần thiết lọc tạp chất biogas ứng dụng khác 12 Bảng 1.3 Các tiêu chí theo tiêu chuẩn DVGW G 260 18 Bảng 1.4 So sánh tính phát điện biogas với giải pháp khác 19 Bảng 3.1 Giá trị hệ số phương trình 3.32 .75 Bảng 3.2 Giá trị hệ số phương trình 3.34 76 Bảng 3.3 Độ mở bướm ga tính theo phần trăm tiết diện lưu thơng ứng với góc mở 80 Bảng 3.4 Tỉ lệ nhiên liệu/khơng khí lý thuyết theo thành phần CH4 81 Bảng 3.5 Tổng hợp giá trị .83 Bảng 3.6 Độ dốc đường cong biến thiên độ đậm đặc hỗn hợp theo độ mở bướm ga 85 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật động ZH1115 109 Bảng 4.2 Hệ số dao động dòng chảy .113 Bảng 4.3 Kích thước chi tiết dẫn động trục bướm ga 117 Bảng 5.1 Thông số thiết bị thí nghiệm 123 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sản lượng biogas nước EU năm 2009 .7 Hình 1.2 Phân bố nguồn sử dụng biogas Châu Âu năm 2010 dự báo năm .8 Hình 1.3 Cơng suất điện chạy biogas Châu Âu .9 Hình 1.4 Yêu cầu lọc tạp chất biogas giải pháp sản xuất điện 12 Hình 1.5 Phoi sắt bị oxy hóa .15 Hình 1.6 Diatomite Phú Yên 16 Hình 1.7 Máy phát điện chạy biogas .21 Hình 1.8 Sử dụng biogas hệ thống đồng sản xuất lượng .23 Hình 1.9 Hiệu sản xuất lượng động nhiên liệu kép động đánh lửa cưỡng chạy biogas .23 Hình 1.10 Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu đến nhiệt độ lửa 25 Hình 1.11 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến cơng suất động 25 Hình 1.12 Biến thiên công suất thị động sử dụng hỗn hợp methane – hydrogen theo độ đậm đặc hỗn hợp (a); theo thành phần hydrogen hỗn hợp nhiên liệu (b) 26 Hình 1.13 Giới hạn cháy hỗn hợp biogas-khơng khí 26 Hình 1.14 Ảnh hưởng tỉ số nén đến công suất thị độ đậm đặc hỗn hợp khác 27 Hình 1.15 Cơng suất hiệu suất nhiệt động .28 Hình 1.16 Bugi tích hợp buồng cháy phụ 29 Hình 1.17 Sơ đồ hiệu bảo vệ môi trường sử dụng 32 Hình 2.1 Ảnh hưởng hệ số tương đương đến tính động 38 Hình 2.2 Ảnh hưởng tỉ số nén động đến công suất 38 Hình 2.3 Góc đánh lửa sớm tối ưu 39 Hình 2.4 Sơ đồ tính tốn gia cơng 42 Hình 2.5 Các dạng piston cải tạo .43 128 21 n=2400 vòng/phút n=2600 vòng/phút 20 19 n=2000 vòng/phút 18 17 60 65 70 75 80 85 90 % CH4 biogas % Vol CH Hình 5.9 Biến thiên cơng suất đường đặc tính ngồi theo thành phần CH4 biogas ứng với chế độ tốc độ khác (=12, s=37) Hình 5.10 giới thiệu đường đặc tính ngồi động ứng với tỉ số nén động =10, 12, 14 Biogas 20 chứa 70% CH4, góc đánh Pe (HP) Pe (HP) n=2200 vòng/phút 16 lửa sớm s=40 độ đậm =14 đặc hỗn hợp =1,08 =12 Thực nghiệm cho thấy =10 12 vùng tốc độ thấp tỉ số nén cao cơng suất động 500 n (vịng/phút) 1000 1500 2000 2500 Hình 5.10 Ảnh hưởng tỉ số nén đến đường đặc tính ngồi động biogas 3000 cao Tuy nhiên vùng tốc độ cao tỉ số nén =12 chiếm ưu tỉ số nén =10 14 Ở tốc độ 129 2250v/ph, cơng suất động có tỉ số nén =12 tăng khoảng 12% so với động có tỉ số nén =10 hay 14 Kết cho thấy, để đảm bảo cho động phát công suất cực đại vùng tốc độ định mức 2000-2400v/ph tỉ số nén =12 phù hợp Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đường đặc tính ngồi động biogas có tỉ số nén =12 nhiên liệu chứa 60% CH4 trình bày Hình 5.11 Góc đánh lửa sớm động thay đổi phạm vi từ 28 đến 47 trước ĐCT Kết cho thấy điều kiện thử nghiệm này, góc đánh lửa sớm tối ưu động 37 trước ĐCT Pe (HP) s=37 s=32 22 s=42 s=47 18 s=28 14 10 600 n (vòng/phút) 1000 1400 1800 2200 2600 3000 Hình 5.11 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đường đặc tính ngồi động (=12, biogas chứa 60% CH4) Hình 5.12 giới thiệu biến thiên công suất cực đại động theo góc đánh lửa sớm ứng với chế độ tốc độ khác Kết cho thấy điều kiện thí nghiệm (tỉ số nén động =12, biogas chứa 60% CH4) góc đánh lửa sớm tối ưu nằm khoảng từ 34 đến 42 trước ĐCT 130 22 Pe (HP) n= 2400 vòng/phút n= 2600 vòng/phút 21 n= 2200 vòng/phút 20 n= 2000 vòng/phút 19 (=12, biogas chứa 60% CH4) s ( góc quay trục khuỷu) 18 28 32 36 40 44 48 Hình 5.12 Biến thiên cơng suất đường đặc tính ngồi động theo góc đánh lửa sớm ứng với chế độ tốc độ khác 25 =12, s=37 Biogas, 60%CH4 20 Diesel =10, s=42 Biogas, 60%CH4 Pe (HP) 15 LPG 10 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 n (vịng/phút) Hình 5.13 So sánh đường đặc tính động chạy diesel, LPG biogas 2250 2500 131 LPG Diesel =12, s=37 Me (KGm) Biogas, 60%CH4 =10, s=42 Biogas, 60%CH4 500 1000 1500 2000 2500 n (vịng/phút) Hình 5.14 So sánh đường đặc tính moment động chạy diesel, LPG biogas chế độ đầy tải Hình 5.13 so sánh đường đặc tính ngồi động chạy diesel trước sau chuyển đổi chạy LPG biogas với tỉ số nén góc đánh lửa sớm khác Kết cho thấy động làm việc với tỉ số nén =10 với biogas chứa 60% CH4 cơng suất giảm 20% tốc độ định mức 2200v/ph Tuy nhiên, với nhiên liệu biogas này, sử dụng tỉ số nén 12 góc đánh lửa sớm 37 công suất cực đại động biogas xấp xỉ công suất động diesel trước chuyển đổi tốc độ định mức Kết tương tự thể đồ thị biến thiên moment theo tốc độ động (Hình 5.14) Vì nói chuyển động diesel thành động biogas đánh lửa cưỡng chọn tỉ số nén góc đánh lửa sớm phù hợp, động giữ cơng suất định mức làm việc với biogas nghèo 5.3.2 So sánh kết cho mô thực nghiệm Hình 5.15a, b, c so sánh đường đặc tính ngồi động biogas ZH1115 cho mơ thực nghiệm ứng với tỉ số nén 10, 12 14 điều kiện thử nghiệm (φs=40o, =1,08, nhiên liệu chứa 70% thể tích CH4) Hiệu suất giới m 132 động (hiệu suất “bơm” đường nạp đường thải, hiệu suất ma sát, hiệu suất 20 Pe (HP) truyền động từ động qua băng thử) giả định 0,75 Mô 16 Thực nghiệm 12 500 n (vòng/phút) 1000 1500 2000 2500 3000 16 20 Mô Thực nghiệm Mô 16 12 12 8 500 Pe (HP) 20 Pe (HP) a Thực nghiệm n (vòng/phút) n (vòng/phút) 1000 1500 2000 2500 3000 500 1000 1500 2000 2500 3000 c b Hình 5.15 So sánh đường đặc tính ngồi động biogas cho mơ hình thực nghiệm với tỉ số nén 10 (a), 12 (b) 14 (c) So sánh kết cho thấy qui luật biến thiên đường đặc tính ngồi theo tỉ số nén cho mơ hình phù hợp với thực nghiệm Kết mô cho giá trị công suất lớn kết thực nghiệm Ở khu vực tốc độ thấp, khác biệt không đáng kể Nhưng khu vực tốc độ định mức, cơng suất cho tính tốn mơ lớn cơng suất cho thực nghiệm khoảng 10% Hình 5.16a, b, c so sánh đường đặc tính ngồi động biogas ZH1115 cho mơ thực nghiệm ứng với góc đánh lửa sớm 20, 40 50 Tương tự, hiệu suất giới động giả định m=0,75 133 22 Pe(HP) Pe(HP) 22 Mô 18 Mô 18 Thực nghiệm Thực nghiệm 14 14 s=20 10 n(vòng/phút) 600 1200 1800 s=40 10 2400 3000 a n(vòng/phút) 600 1200 1800 2400 3000 b Pe(HP) 22 Mô 18 Thực nghiệm Hình 5.16 So sánh đường đặc tính ngồi động ZH1115 chạy biogas chứa 70% thể tích CH4 cho mơ thực nghiệm ứng với góc đánh lửa sớm 20 (a), 40 (b) 50 (c) 14 s=50 10 n(vòng/phút) 600 1200 1800 2400 3000 c Từ kết cho thấy qui luật biến thiên đường đặc tính ngồi theo góc đánh lửa sớm cho mô phù hợp với thực nghiệm Tuy nhiên, kết mô cho giá trị công suất lớn kết thực nghiệm (khoảng 10% khu vực tốc độ định mức) Sự sai lệch việc chọn hiệu suất giới động 0,75 chưa phù hợp Để so sánh xác kết cho mơ hình thực nghiệm cần đo diễn biến áp suất thị theo góc quay trục khuỷu động 5.4 Kết luận Kết tính tốn theo mơ phù hợp với kết thực nghiệm đo được, chứng tỏ mơ hình mơ thiết lập có độ tin cậy 134 Khi chuyển động diesel thành động biogas đánh lửa cưỡng chọn tỉ số nén góc đánh lửa sớm phù hợp, động giữ cơng suất định mức làm việc với biogas nghèo Trong điều kiện thí nghiệm (tỉ số nén động =12, biogas chứa 60% CH4) góc đánh lửa sớm tối ưu động đánh lửa cưỡng dùng biogas chuyển đổi từ động ZH1115 nằm khoảng từ 34 đến 42 trước ĐCT Từ kết tính tốn mơ thực nghiệm, trường hợp động ZH1115 chạy biogas tốc độ định mức 2200v/ph góc đánh lửa sớm φs=40 trước ĐCT, tỉ số nén tối ưu động nằm khoảng từ =11,5 đến 12,5 Để so sánh xác kết mơ thực nghiệm, cần đo áp suất thị xi lanh động Với thiết bị tại, tác giả chưa có điều kiện thực 135 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu sử dụng động biogas phục vụ cho sản xuất đời sống nơng thơn có ý nghĩa quan trọng chiến lược an ninh lượng nước ta Giải pháp chuyển đổi động diesel truyền thống thành động biogas đánh lửa cưỡng cho phép tận dụng lợi động diesel tốc độ thấp tỉ số nén cao để nâng cao hiệu hoạt động động với nhiên liệu Mặt khác q trình vận hành khơng tốn nhiên liệu lỏng để phun mồi Điều giúp nâng cao hiệu kinh tế sử dụng động biogas Trong cơng trình này, động diesel ZH1115 chuyển đổi thành động biogas đánh lửa cưỡng Hệ thống phun nhiên liệu diesel tháo bỏ, thay vào hệ thống đánh lửa điện tử Buồng cháy động thử nghiệm với dạng: buồng cháy omega nguyên thủy buồng cháy phẳng Tỉ số nén động thay đổi cách cắt bớt đỉnh piston với chiều dày lớp cắt khác đảm bảo có tỉ số nén thay đổi từ đến 14 Góc đánh lửa sớm động điều chỉnh cách thay đổi vị trí cuộn dây cảm ứng đánh lửa lắp thân máy Việc cung cấp hỗn hợp biogas-khơng khí cho động thực nhờ tạo hỗn hợp kiểu venturi Tính tốn mô tạo hỗn hợp cho phép xác định kích thước tối ưu ứng với nhiên liệu biogas chứa hàm lượng CH4 khác Nhiên liệu biogas cung cấp cho động thí nghiệm có thành phần CH4 thay đổi để khảo sát tính động làm việc với nhiều loại nhiên liệu khác Thí nghiệm tiến hành trường với băng thử cơng suất FROUDE di động Tính tốn mơ trình cung cấp nhiên liệu trình cháy động biogas thực nhờ phần mềm FLUENT So sánh kết mơ hình thực nghiệm thực số trường hợp Sự phù hợp mơ hình thực nghiệm trường hợp cho phép xác định thông số mơ hình Từ đó, tính tốn mơ dự báo tính kinh tế kỹ thuật động biogas làm việc điều kiện khác mà khơng cần số liệu thí nghiệm 136 Kết nghiên cứu đề tài cho phép rút kết luận sau đây: Kết luận Thành phần CO2 có mặt nhiên liệu biogas làm giảm tốc độ cháy hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí làm tăng khả chống kích nổ hỗn hợp nên nhiên liệu biogas nghèo phù hợp với động tốc độ thấp tỉ số nén cao Do việc chuyển đổi động diesel thành động biogas đánh lửa cưỡng giải pháp công nghệ tốt mặt kỹ thuật lẫn mặt kinh tế Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô trình cung cấp nhiên liệu trình cháy động phần mềm FLUENT thực nghiệm băng thử công suất động FROUDE cho phép hạn chế chi phí thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy kết nghiên cứu Thật vậy, với phương pháp này, cần đánh giá kết mơ số kết thực nghiệm để điều chỉnh hệ số tính tốn theo mơ hình Từ dùng mơ hình để dự báo tính cơng tác động nhiều điều kiện vận hành khác mà không cần số liệu thực nghiệm Trong tính tốn q trình cháy động biogas đánh lửa cưỡng chuyển đổi từ động diesel ZH1115, kết so sánh với thực nghiệm cho thấy sử dụng mơ hình chảy rối k- với hệ số chuẩn mặc định, mơ hình cháy Partial Premixed với tốc độ cháy chảy tầng tính theo cơng thức thực nghiệm, hệ số cháy rối ff chọn 1,2 Cịn lại sử dụng thông số mặc định cài đặt sẵn FLUENT Tốc độ cháy hỗn hợp biogas-khơng khí giảm theo thành phần CH4 nhiên liệu Do tăng tốc độ động hay giảm thành phần CH4 biogas, phải tăng góc đánh lửa sớm để đảm bảo công thị tối ưu Khi động có tỉ số nén =12, chạy biogas chứa 60% CH4 góc đánh lửa sớm tối ưu nằm khoảng từ φs=34 đến 42 trước ĐCT tốc độ động thay đổi Khi chuyển động diesel thành động biogas đánh lửa cưỡng bức, cần giảm tỉ số nén đến giá trị tối ưu Trong trường hợp động ZH1115 chạy 137 biogas tốc độ định mức 2200v/ph, tỉ số nén tối ưu nằm khoảng từ =11,5 đến 12,5 Do tốc độ cháy hỗn hợp biogas-khơng khí thấp nên việc trì vận động xốy lốc buồng cháy có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao hiệu công tác động Kết mô cho thấy công thị động ZH1115 sử dụng buồng cháy phẳng nhỏ công thị sử dụng buồng cháy omega khoảng 22% chạy biogas tốc độ định mức 2200v/ph Bộ tạo hỗn hợp kiểu venturi cấp hỗn hợp ổn định cho động biogas Khi tiết diện lưu thông ống cung cấp biogas cố định thành phần hỗn hợp thay đổi theo độ mở bướm ga theo tốc độ động Khi thay đổi thành phần CH4 nhiên liệu, phải thay đổi tiết diện lưu thông đường ống cung cấp biogas Đối với động ZH1115, đường ống cung cấp khơng khí đường nạp ngun thủy động đường kính tương đương ống cung cấp biogas biểu diễn biểu thức D=166.X0,5443 (mm) với X tỉ lệ phần trăm (%) CH4 biogas tính theo thể tích Hướng nghiên cứu Đề tài tiếp tục nghiên cứu theo hướng sau đây: Đo áp suất thị buồng cháy động để kiểm chứng kết cho mô Nghiên cứu hệ thống phun nhiên liệu biogas đường nạp động Đo đạc thành phần khí thải động chạy biogas so sánh với thành phần khí thải chạy diesel Thử nghiệm đánh giá tác động chất lượng biogas đến tuổi thọ động biogas đánh lửa cưỡng thông qua mức độ ăn mòn chi tiết động chất lượng dầu bơi trơn 138 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch (2010), “So sánh hiệu giải pháp cung cấp biogas cho động đốt trong”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ-Đại học Đà Nẵng, số 2(37)/2010, pp 65-72 Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xn Thạch (2011), “Mơ dịng chảy qua tạo hỗn hợp động biogas đánh lửa cưỡng phần mềm Fluent”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Trường Đại học Kỹ thuật, số 802011, pp 134-138 Trần Văn Nam, Bùi Văn Ga, Lê Xuân Thạch, Phạm Đình Long (2012), “Xác định thơng số kết cấu vận hành tối ưu động biogas đánh lửa cưỡng bức”, Hội nghị Cơ học Thủy Khí tồn quốc, Nha Trang, 26-28/7/2012, pp 505516 Bui Van Ga, Tran Thanh Hai Tung, Tran Van Nam, Le Xuan Thach, Le Minh Tien (2012), “Experimental Study of Effect of Compression Ratio and Biogas Composition on Biogas Spark Ignition Engine”, The 2nd International Conference on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuels, Hochiminh City, Vietnam, December 4-5, pp 129-135 Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Xuân Thạch (2013), “Buồng cháy phù hợp với động biogas đánh lửa cưỡng bức”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệĐại học Đà Nẵng, số 3(64)/2013, pp 37-43 Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch (2013), “Ảnh hưởng thành phần CH4, góc đánh lửa sớm tỉ số nén đến tính động biogas”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, số 5/2013, pp 7-13 Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Dương Việt Dũng, Lê Xn Thạch (2013), “So sánh mơ hình thực nghiệm ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến tính động biogas”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, số 6/2013, pp 9,10,42 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] http://kinhtenongthon.com.vn/Story/VAC/khoahoc/2008/12/16129.html http://www.dongcobiogas.com http://www.vatgia.com http://www.vietbao.vn/Khoa-hoc/May-phat-dien-sach/45265746/188/ Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến (1977), Kết cấu tính tốn động đốt trong, Tập 3, NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp Dương Việt Dũng, Bùi Văn Ga, Nhan Hồng Quang, Lê Minh Tiến (2012), "Nghiên cứu thực nghiệm tính động Toyota 3Y chạy biogas", Hội nghị Cơ học Thủy Khí tồn quốc, Nha Trang, 26-28/7 Bùi Văn Ga (2012), Đề tài độc lập cấp Nhà Nước – Nghiên cứu công nghệ sử dụng biogas dùng để phát điện, kéo máy công tác vận chuyển giới Bùi Văn Ga (2011), Bằng độc quyền sáng chế số 9433 “Bộ điều tốc cho động tĩnh chạy biogas cải tạo từ động diesel”, Cục Sở hữu trí tuệ Bùi Văn Ga (2011), Bằng độc quyền sáng chế số 9562 “Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động tĩnh chạy hai nhiên liệu biogas-xăng”, Cục Sở hữu trí tuệ Bùi Văn Ga, Nguyễn Đình Lâm, Nguyễn Thị Thanh Xuân, Hồ Tấn Quyền (2012), "Công nghệ ứng dụng biogas sản xuất đời sống nông thôn", Hội nghị Cơ học Thủy Khí tồn quốc, Nha Trang Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Nguyễn Hữu Hường, Lê Văn Lữ (2003), "Mô hình ba khu vực tính tốn q trình cháy phân lớp động đánh lửa cưỡng phun trực tiếp LPG", Hội nghị Cơ học thủy khí tồn quốc, Đà Nẵng Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến, Nguyễn Việt Hải (2012), "Nghiên cứu thực nghiệm tính động nhiên liệu kép biogas-diesel", Hội nghị Cơ học Thủy Khí tồn quốc, Nha Trang, 26-28/7 Tiếng Anh [13] http://news.bbc.co.uk/2/hi/europe/4112926.stm (2005, 5/2010), "Sweden tests first biogas train" [14] http://www.ge-energy.com/products_and_services/products/gas_engines_ power_generation/ [15] http://www.Salicru.com (2010, 5/2011), "Mtb microturbinas para cogeneración" [16] http://www.sdxsgs.com [17] www.jinanengine.com [18] AEBIOM (2009, 12/2012), "A Biogas Road Map for Europe", 16 140 [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] Andrews G E., and Bradley D (1972), "The burning velocity of methane-air mixtures", Combustion and Flame, vol 19, pp 275-288 Bade Shrestha S O., and Karim G A (1999), "Hydrogen as an additive to methane for spark ignition engine applications", International journal of hydrogen energy, vol 24:577 Bade Shrestha S O., and Karim G A (2011), "Predicting the effect of presence of diluents with methane on spark ignition engine performance", Applied thermal engineering, vol 21:331 BS ISO 15403:2000, Natural gas - Designation of the quality of natural gas for use as a compressed fuel for vehicles BUI Van Ga, PHAM Xuan Mai, and NGUYEN Huu Huong (2002), "Calculation of LPG Stratified Mixture Formation in a Direct Injection Engine", International Conference on Automotive Technololy, ICAT’02, Hanoi, p 044 Cheoku R (2012, "The Renewable and Alternative Energy Development Plan for 25 Percent in 10 Years (AEDP 2012-2021)" Coward H F., and Jones G W (1952), "Limits of Flammability of Gases and Vapors", U S Bureau of Mines, Bulletin 503 Derus H M (1983), "Landfill Gas: Internal combustion engine generating system", Proceeding of the GRCDA sixth international landfill gas symposium, Industry, CA Elia M., Ulinski M., and Metghalchi M ( 2001), "Laminar Burning Velocity of Methane-Air-Diluent Mixtures", Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol 123, pp 90-196 Herden, and et al (2012), Laser spark plug, P A Publication, United States Fluent Inc (2006), FLUENT 6.3 User’s Guide GA B V., MAI P X., and Liviu GEORGESCU (2000), "A mathematical model for calculation of turbulence diffusion combustion in air and in Diesel engines", Proceedings of the VII International Conference of Motor Vehicles CAR-2000 (FISITA, SIAR), Romania, pp 8-16 Galmiche B., Halter F., Foucher F., and Dagaut P (2011), "Effects of Dilution on Laminar Burning Velocity of Premixed Methane/Air Flames", Energy Fuels, vol 25, pp 948-954 Heinz Kopetz (2007), "Biomass as part of a strategy against climate change Chances and perspectives for a new energy future", AEBIOM, Brussels Hill P G., and Hung J (1980), Combust Sci and Tech, vol 60, pp 7-30 Huang J., and Crookes R J (1998), "Assessment of simulated biogas as a fuel for the spark ignition engine", Fuel, vol 77, No 15, pp 1793-1801 IEA Bioenergy (2008), Biogas handbook IEE Project ‘BiogasIN’ (2011), "Capacity building for administrative bodies regarding the implementation of biogas projects", vol D.3.3, WP 141 [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] Iijima T., and Takeno T (1986), "Effects of temperature and pressure on burning velocity”, Combustion and Flame, vol 65, pp 35- 43 Jewell W J., Koelsch R K., and Cummings R.J (1986), "Cogeneration of Electricity and Heat from Biogas", Solar Energy Research Institute, Prepared under Subcontract No XB-0-90-38-1, p 80 John K., and Wong S (1977), "Study of mixtures of methane and carbon dioxide as fuels in a single cylinder engine (CLR)", SAE Paper vol 770796 Karim G A., and Wierzba I (1992), "Methane-carbon dioxide mixtures as a fuel", SAE Paper, vol 921557 Margareta PERSSON, Owe JÖNSSON, and Arthur WELLINGER (2006), “Biogas Upgrading to Vehicle Fuel Standards and Grid Injection”, Biogasmax Projet Marshall P., Stone R., Heghes C., and Trevor J Davies (2010 ), "High pressure laminar burning velocity measurements and modelling of methane and nbutane", Combustion Theory and Modelling, vol 14:4, pp 519-540 Metghalchi M., and Keck J C (1982), "Burning velocities of mixtures of air with methanol, isooctane and indolene at high pressures and temperatures", Combustion and Flame, vol 48, pp 191-210 Mitzlaff, and Klaus Von (1988), Engines for Biogas, Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH Mueller G P (1995), "Landfill gas application development of the Caterpillar G3600 spark- ignited gas engine", Journal of engineering for gas turbine and power, vol 117:820 Narayanan G., and Bade Shrestha S O (2006), "The performance of spark ignition engine fueled with landfill gases", SAE Paper, vol 2006-01-3428 Narayanan G., and Bade Shrestha S O (2007), "Landfill gas – a fuel for IC engine applications", ICES2007-1623, ASME internal combustion engine technical conference, Charleston Neyeloff S., and Gunkel W (1981), "Performance of a CFR engine burning simulated anaerobic digerster’s gas", ASAE, vol 2, pp 324–9 Persson S P E., and Bartlett H D (1981) "Biogas engines for agricultural motor-generators", ASAE Paper, 16 Porpatham E (2008), "Studies on improving a biogas fuelled SI engine through charge and combustion chamber modification (PhD Thesis)", Indian Institute of Technology Madras, Chennai Porpatham E., Ramesh A., and Nagalingam B (2008) "Investigation on the effect of concentration of methane in biogas when used as a fuel for a spark ignition engine", Fuel Rallis C J., and Garforth A M (1980), "Prog Energy Combust", Sci, vol 6, pp 303-329 142 [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] Razbani O., Mirzamohammad N., and Assadi M (2011), "Literature review and road map for using biogas in internal combustion engines", The Third International Conference on Applied Energy - May 2011, Perugia, Italy Roubaud A., and Favrat D (2005), "Improving performances of a lean burn cogeneration biogas engine equipped with combustion prechambers", Fuel, vol 84:2001 Siripornakarachai S., and Sucharitakul T (2007), "Modification and tuning of diesel bus engine for biogas electricity production", pp 195-207 Sridhar G., Paul P J., and Mukunda H S (2001), "Biomass derived producer gas as a reciprocating engine fuel, an experimental analysis", Biomass and Bioenergy, 61-72 Srinivasa Rao P (2010), "Modeling of Turbulent Flows and Boundary Layer", Computational Fluid Dynamics Stahl T., and et al (1982), "Farm Scale Biogas Fuel Engine/ Induction Generator System", American Society of Agricultural Engineers Paper, vol 82-3543 Stone R., Clarke A., and Beckwith B (1998), "Correlations for the LaminarBurning Velocity of Methane/Diluent/Air Mixtures Obtained in Free-Fall Experiments", Combustion and Flame, vol 114, pp 546-555 Tanoue K., Kido H., Hamatake T., and Shimada F (2000), "Improving the turbulent combustion performance of lean methane mixture by hydrogen addition", in FISITA world automotive congress, Seoul The National Petroleum Agency (ANP) (2002) "The specification of natural gas, Technical Regulation" Walsh J L., and Ross C C (1986), "Cogeneration of a Southeastern Dairy", American Society of Agricultural Engineers Paper, vol 86-6577 WimJvanNes (2006) "Asia hits the gas", Renewable Energy World Wood Mackenzie (2010), "Impact of the use of biofuels on oil refining and fuels specifications", European Commission Yamanaka K., Shiraga Y., and Nakai S (2011), "Development of Pre-chamber Sparkplug for Gas Engine", SAE Paper, vol 01-1870 Zimont V L., and Lipatnikov A N (1995), "A Numerical Model of Premixed Turbulent Combustion of Gases", Chem Phys Report, vol 14(7) Zimont V., Polifke W., Bettelini M., and Weisenstein W (1998), "An Efficient Computational Model for Premixed Turbulent Combustion at High Reynolds Numbers Based on a Turbulent Flame Speed Closure", J of Gas Turbines Power, vol 120 Zimont V (2000), "Gas Premixed Combustion at High Turbulence Turbulent Flame Closure Model Combustion Model", Experimental Thermal and Fluid Science, vol 21 ... VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lê Xuân Thạch NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CÓ TỈ SỐ NÉN CAO SỬ DỤNG BIOGAS Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ... ngồi động TÊN ĐỀ TÀI Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu trình cháy động đánh lửa cưỡng có tỉ số nén cao sử dụng biogas Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Đề tài tiến hành nghiên. .. NGHIÊN CỨU Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành động xi lanh, thay đổi tỉ số nén, đánh lửa cưỡng Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nghiên cứu