i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là luận án nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Đà Nẵng, tháng 1[.]
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác! Đà Nẵng, tháng 11 năm 2021 Nghiên cứu sinh Võ Anh Vũ i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v DANH MỤC BẢNG x DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu .6 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 10 Cấu trúc luận án .10 Đóng góp luận án 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11 1.1 Sự cần thiết việc sử dụng lượng tái tạo [1] 11 1.2 Nhiên liệu sinh học [66] 15 1.2.1 Các hệ nhiên liệu sinh học 15 1.2.2 Biogas .16 1.3 Động biogas [1] 23 1.3.1 Động biogas đánh lửa cưỡng cải tạo từ động xăng 23 1.3.2 Động biogas đánh lửa cưỡng cải tạo từ động diesel 25 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới Việt Nam 28 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới .28 1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu phát triển động biogas Việt Nam .31 1.5 Kết luận .36 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 31 2.1 Hệ phương trình .31 2.1.1 Các phương trình tổng quát 31 2.1.2 Phân tích Reynolds 31 2.1.3 Trung bình kiểu Favre 32 2.1.4 Khép kín hệ phương trình 33 2.2 Mơ hình cháy khơng đồng 36 ii 2.2.1 Các mơ hình cháy khơng đồng .36 2.2.2 Mơ hình cháy khơng đồng thơng qua đại lượng bảo tồn 38 2.3 Mơ hình cháy hỗn hợp đồng .42 2.3.1 Thiết lập hệ phương trình cháy 42 2.3.2 Lan tràn màng lửa 47 2.4 Mơ hình cháy đồng cục 51 2.5 Kết luận .53 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG Q TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS/XĂNG .54 3.1 Mục tiêu, đối tượng mô 54 3.2 Mơ hình hình học động điều kiện biên mô 56 3.3 Kết mơ q trình cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng 59 3.4 Mô q trình cháy phát thải nhiễm động DA465QE Towner sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng 67 3.4.1 Ảnh hưởng hệ số tương đương 67 3.4.2 So sánh tính động chạy biogas/xăng 72 3.4.3 Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào biogas 75 3.4.4 Ảnh hưởng tốc độ động 81 3.4.5 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm 83 3.5 Hài hòa Wi NOx 88 3.6 Kết luận .90 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS-XĂNG92 4.1 Mục đích giới hạn nghiên cứu thực nghiệm .92 4.2 Đặc điểm hệ thống nhiên liệu động DA465QE 92 4.3 Thiết kế hệ thống cung cấp hybrid biogas-xăng 94 4.3.1 Nguyên lý cấp ga liên tục gián đoạn 94 4.3.2 Hệ thống cung cấp biogas cho động DA465QE 96 4.4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động DA465QE 98 4.5 Kết cấu tổ hợp van chân không cung cấp biogas 99 4.6 Giới thiệu hệ thống thực nghiệm 99 4.6.1 Tổng quan băng thử công suất động .99 iii 4.6.2 Băng thử công suất APA 204/08 100 4.6.3 Thiết bị cấp đo tiêu hao nhiên liệu 733S 101 4.6.4 Thiết bị AVL 553 101 4.6.5 Thiết bị đo lưu lượng khí nạp .102 4.6.6 Máy tính điều khiển 103 4.6.7 Thiết bị phân tích khí thải MGT 103 4.7 Nghiên cứu thực nghiệm động chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng 104 4.7.1 Bố trí hệ thống thí nghiệm 104 4.7.2 Chuẩn bị nhiên liệu .105 4.7.3 Lắp đặt động thí nghiệm lên băng thử công suất 107 4.7.4 Chế độ thí nghiệm 108 4.8 Kết thực nghiệm so sánh với kết mô .109 4.8.1 So sánh tính động 109 4.8.2 So sánh phát thải chất ô nhiễm cho mô thực nghiệm 115 4.9 Tổng hợp yếu tố ảnh hưởng đến tính động hybrid 119 4.10 Kết luận 120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .122 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 PHỤ LỤC i iv DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các nguồn lượng 11 Hình 1.2: Khoảng cách tương đối Trái Đất hành tinh khác (a) xạ Mặt Trời Việt Nam (b) .12 Hình 1.3: Chu trình carbon Trái Đất 14 Hình 1.4: Chu trình carbon sử dụng biogas làm nhiên liệu 17 Hình 1.5: Động học trình sản sinh biogas [1] .17 Hình 1.6: Khả sinh khí biogas số nguyên liệu [1] 18 Hình 1.7: Yêu cầu lọc tạp chất biogas với giải pháp sản xuất điện khác [1] 20 Hình 1.8: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động đánh lửa cưỡng 32 Hình 1.9: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động dual fuel biogas-diesel 32 .42 Hình 2.1: Quan hệ nồng độ, nhiệt độ khối lượng riêng theo tỉ hệ hỗn hợp 42 Hình 2.2: Sơ đồ lan tràn màng lửa theo mơ hình hai khu vực 44 Hình 3.1: Các mặt cắt khảo sát đường nạp 56 Hình 3.2: Chia lưới khơng gian tính tốn đặc trưng phần tử .57 Hình 3.3: Ảnh chụp hình diễn biến thông số xi lanh động .58 Hình 3.4: Biến thiên đường đồng mức áp suất, nồng độ CH4 C8H18 q trình nạp (n=3000 vịng/phút, biogas M7C3, góc phun xăng 30-60, góc phun biogas 60110) 59 Hình 3.5: Biến thiên áp suất mặt cắt ngang đường nạp động chạy tốc độ 2000 vòng/phút (a) 5000 vịng/phút (b) (BG=0, khơng phun nhiên liệu) 60 Hình 3.6: Biến thiên áp suất mặt cắt ngang đường nạp động chạy tốc độ 2000 vịng/phút (a) 5000 vịng/phút (b) (BG=30, khơng phun nhiên liệu) .61 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) 61 Hình 3.8: Biến thiên áp suất trung bình mặt cắt ngang số (a) biến thiên hệ số tương đương xi lanh (b) theo tốc độ động ứng với góc đóng bướm ga khác (cung cấp biogas M7C3 với góc phun cố định 50TK, khơng phun xăng) .62 v Hình 3.9: Đường đồng mức hệ số tương đương cung cấp biogas M7C3 phun bổ sung xăng (động chạy tốc độ 3000 vịng/phút, BG=0, góc phun xăng 30TK -60TK, góc phun biogas 60TK -110TK) 63 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, góc phun 50TK, không phun xăng) 64 Hình 3.11: Ảnh hưởng góc 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 góc phun 50TK 65 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 50TK trường hợp phun bổ sung xăng với lưu lượng 0,5g/s, góc phun 60TK, chế độ toàn tải .65 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 vòi phun biogas 50TK, lưu lượng phun xăng 0,5g/s) 66 Hình 3.14: Engine map động chạy biogas-xăng cung cấp nhiên liệu theo phương thức hybrid .66 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) 68 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 68 .69 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 vịng/phút, BG=0 69 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 vịng/phút, BG=0 .69 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 70 vi 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 70 Hình 3.21: Biến thiên nhiệt độ phát thải ô nhiễm (a), biến thiên cơng thị chu trình cơng suất động (b) theo hệ số tương đương (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, s=20oTK, BG=0) .71 Hình 3.22: Biến thiên áp suất xi lanh (a) đồ thị công (b) động chạy xăng, methane, hỗn hợp xăng-methane biogas (n=3000 v/ph, =1, s=20oTK, BG=0) 72 Hình 3.23: So sánh cơng thị chu trình cơng suất động chạy loại nhiên liệu khác .73 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 74 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=20oTK, BG=0 75 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 76 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 76 Hình 3.28: Ảnh hưởng hàm lượng xăng đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt áp suất xi lanh theo góc quay trục khuỷu .77 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 77 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 78 Hình 3.31: Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến công thị chu trình (a), nhiệt độ (b) động chạy tốc độ n=3000 v/ph, =1, BG=0 79 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 80 vii 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 81 Hình 3.34: Ảnh hưởng tốc độ động đến tính kỹ thuật phát thải ô nhiễm động (M7C3-30G, =1, s=25oTK, BG=0) 82 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) .83 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 .84 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) 85 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 86 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) .87 Hình 3.40: Ảnh hưởng thành phần biogas đến quan hệ Wi nồng độ NOx góc đánh lửa sớm thay đổi từ 20TK đến 40TK (nhiên liệu biogas-30% xăng, n=5000 vòng/phút, =1, BG=0) 88 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) .89 Hình 3.42: Biến thiên p NOx theo tốc độ động s cố định s tối ưu (M7C3-30G, = 1, 60% tải) 90 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống nhiên liệu động DA465QE 93 Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống phun xăng điện tử 94 Hình 4.3: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) van cấp gas liên tục (b) .95 Hình 4.4: Biến thiên áp suất trung bình mặt cắt ngang khảo sát cung cấp biogas liên tục (a) cấp biogas gián đoạn (b) .95 Hình 4.5: Sơ đồ hệ thống cung cấp biogas kiểu van chân khơng 96 Hình 4.6: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng 98 viii Hình 4.7: Bố trí hệ thống thí nghiệm động 100 Hình 4.8: Đường đặc tính băng thử cơng suất động APA204/E/0943 101 Hình 4.9: Thiết bị AVL 533 102 Hình 4.10: Thiết bị đo lưu lượng khí nạp DN-80 103 Hình 4.11: Màng hình máy tính sau hệ thống sẵn sàng hoạt động .103 Hình 4.12: Bố trí hệ thống thí nghiệm động chạy nhiên liệu hybrid biogasxăng 104 Hình 4.13: Máy nén biogas cấp (a) bình chứa biogas áp lực cao (b) 106 Hình 4.14: Quy trình chuẩn bị biogas cung cấp nhiên liệu cho động .107 Hình 4.15: Lắp đặt động DA465QE băng thử AVL 107 Hình 4.16: Biến thiên lượng lý thuyết nhiên liệu mang vào xi lanh chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas 110 Hình 4.17: Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến đồ thị công cho mô (n=3000 v/ph) .110 Hình 4.18: So sánh biến thiên cơng thị chu trình theo hàm lượng xăng cho mô thực nghiệm (biogas M7C3, n=3000 v/ph) 111 Hình 4.19: So sánh biến thiên cơng thị chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 (a) M6C4 (b) cho mô thực nghiệm (n=5000 v/ph) 113 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 M7C330G (: Công suất thực nghiệm, •: Mơ men thực nghiệm) .115 Hình 4.21: So sánh ảnh hưởng hàm lượng xăng phối hợp với biogas M7C3 đến phát thải CO (a), HC (b) NOx (c) cho mô thực nghiệm (n=3000 v/ph, ━: Mơ phỏng, •: Thực nghiệm) 116 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, ━: Mơ phỏng, •: Thực nghiệm) 117 Hình 4.23: Ảnh hưởng nhiên liệu đến tính động nhiên liệu hybrid 119 Hình 4.24: Ảnh hưởng tốc độ vận hành đến tính phát thải ô nhiễm dộng sử dụng nhiên liệu hybrid 120 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động DA465QE 54 Bảng 3.2: Tính chất methane, xăng biogas nghèo (chứa 60% CH4) .55 Bảng 3.3 Các giá trị tính điều kiện biên mơ .58 Bảng 3.4: Điều kiện ban đầu .58 Bảng 3.5: Ảnh hưởng hệ số tương đương đến cơng suất cơng chu trình .68 Bảng 3.6: Cơng suất, cơng chu trình động chạy xăng, methane, biogas 73 Bảng 3.7: Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào biogas đến công suất cơng chu trình động 77 Bảng 3.8: Ảnh hưởng tốc độ động đến công suất cơng thị chu trình 83 Bảng 4.1: Năng lượng lý thuyết nhiên liệu mang vào xi lanh động chu trình (hệ số nạp trung bình 0,95) 109 Bảng 4.2: So sánh mô thực nghiệm cơng thị chu trình (n=3000 v/ph)111 Bảng 4.3: So sánh cơng thị chu trình cho mô thực nghiệm (M7C3, n=5000 v/ph) .112 Bảng 4.4 So sánh công thị chu trình cho mơ thực nghiệm (M6C4, n=5000 v/ph) .113 x DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Các ký hiệu mẫu tự La Tinh TK [] Độ theo góc quay trục khuỷu BG [] Góc mở bướm ga Vh [m3] Dung tích xi lanh Vc [m3] Thể tích buồng cháy S [m] Hành trình piston D [m] Đường kính xi lanh n [vịng/phút] Số vịng quay dh [m] Đường kính họng i - Số xi lanh P [bar] Áp suất T [K] Nhiệt độ Ne [kW] Cơng suất có ích Me [N.m] Mơ men có ích n [v/ph] Tốc độ động Gnl [kg/h] Lượng tiêu thụ nhiên liệu động Wi [J] Cơng thị chu trình CH4 [%mol] Methane HHO [%mol] Oxyhydrogen M6C4 [%mol] Biogas chứa 60% Methane 40% Carbonic M7C3 [%mol] Biogas chứa 70% Methane 30% Carbonic M8C2 [%mol] Biogas chứa 80% Methane 20% Carbonic G0 [%mol] 0% xăng A95 G20 [%mol] 20% xăng A95 G30 [%mol] 30% xăng A95 G100 [%mol] 100% xăng A95 G5M5 [%mol] 50% xăng A95 50% CH4 CO [%] Mơnơxit cácbon xi HC [ppm] Hyđrơ cácbon NOx [ppm] Ơxit nitơ CO2 [%] Carbonic H2 S [ppm] Hydrogen sulphide Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp [ ] s [ ] Góc đánh lửa sớm [-] Tỉ số nén v [-] Hệ số nạp [-] Hệ số tương đương nhiên liệu/khơng khí m [%] Hiệu suất giới [kg/cm3] Khối lượng riêng o o Góc quay trục khủyu Các chữ viết tắt A/F Viết tắt chữ Air/Fuel, tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu theo khối lượng CNG Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén) LPG Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng) MON Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ) TK Tính theo góc quay trục khuỷu ĐCT Điểm chết ĐCD Điểm chết DME Di-methyl ether xii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Từ thập niên cuối kỷ 20 sống loài người đất bị đảo lộn khí hậu thay đổi thất thường Nắng nóng, khơ hạn diễn nhiều nơi ảnh hưởng nặng nề đến canh tác nông nghiệp sống Ngược lại nhiều nơi khác trái đất trải qua mùa đông cực lạnh, bão tuyết kéo dài Những tượng thất thường thời tiết nhà khoa học dự báo từ lâu thực tế diễn sớm dự kiến Nước ta quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề biến đổi khí hậu nước biển dâng Dân chúng vùng nam Trung Bộ, Tây Nguyên năm gần phải vật lộn với nạn khô hạn, thiếu nước sinh hoạt sản xuất, nhiều vùng đất bị nhiễm mặn nghiêm trọng… Khu vực Tây Nam bộ, vựa lúa nước, bị sụt lún, nước biển xâm thực, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất đời sống người dân Những diễn cho thấy tác động biến đổi khí hậu nghiêm trọng nhiều người ta nghĩ Thời kỳ qua, tập trung phát triển kinh tế mà người ta phớt lờ cảnh báo nhà khoa học ô nhiễm mơi trường biến đổi khí hậu tồn cầu Hơn 20 năm trước, giới đạt thỏa thuận Kyoto, cắt giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên số nước công nghiệp phát triển chiếm phần lớn lượng phát thải CO2 lại không thực cam kết Mãi đến năm 2015, Hội nghị thượng đỉnh biến đổi khí hậu toàn cầu COP21 Paris, nguyên thủ quốc gia đạt thỏa thuận nguyên tắc hạn chế mức tăng nhiệt độ khí cuối kỷ 21 không 2C so với thời kỳ tiền công nghiệp Việt Nam quốc gia cam kết thực thỏa thuận nguyên tắc COP21 Là nước phát triển, mức độ phát thải ô nhiễm hoạt động công nghiệp nước ta chưa nhiều so với nước phát triển Mật độ phương tiện giao thông giới nước ta không cao nước phát triển phần lớn xe gắn máy, tơ hệ cũ có mức độ phát thải cao Do cần có cách tiếp cận giảm phát thải ô nhiễm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính phù hợp với thực tế nước ta Hiện việc sản xuất điện nước ta có bước chuyển mạnh sang sử dụng lượng tái tạo Mức phát thải CO2 lĩnh vực cắt giảm theo lộ trình cam kết Đối với phương tiện giao thông, mức phát thải ô nhiễm nước ta cao nhiều so với nước phát triển Thế giới ngày thực cắt giảm phát thải CO2 phương tiện giới theo hai hướng chính: (1) sử dụng lượng điện (accu pin nhiên liệu hydrogen) (2) sử dụng nhiên liệu tái tạo cho động đốt Nhiều nước phát triển đặt lộ trình đưa mức phát thải CO2 phương tiện giao thông nơi sử dụng vào năm 2040 Sử dụng phương tiện giao thơng chạy điện làm thay đổi hồn tồn cơng nghệ, hạ tầng phụ vụ thói quen người sử dụng Điều khó diễn ngắn hạn đến trung hạn Việc sử dụng lượng tái tạo phương tiện giao thông chạy động đốt trước mắt giải pháp khả thi mặt công nghệ lẫn hiệu kinh tế Các nguồn nhiên liệu tái tạo đa dạng nguồn cung cấp hạn chế Mặt khác, nhiên liệu tái tạo có đặc trưng lý hóa khác biệt nhiều so với nhiên liệu hóa thạch nên việc cung cấp, lưu trữ chúng phương tiện giao thông thách thức lớn Do vậy, phối hợp sử dụng nhiên liệu tái tạo nhiên liệu hóa thạch giải pháp khả thi để giảm dần mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch Có hai hướng phối hợp sử dụng loại nhiên liệu: (1) hòa trộn nhiên liệu với tỉ lệ định trước cung cấp cho động (ví dụ xăng sinh học E5), (2) cung cấp nhiên liệu riêng rẽ với thành phần hỗn hợp nhiên liệu thay đổi linh hoạt (nhiên liệu hybrid) Trong khuôn khổ luận án này, nhiên liệu hybrid biogas-xăng nghiên cứu sử dụng động ô tô Với phương thức nhiên liệu hybrid, động chạy hoàn toàn xăng, hoàn toàn biogas hay hỗn hợp biogas-xăng với thành phần thay đổi linh hoạt 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 chứa tạp chất khí trơ CO2 nên nhiệt trị nhiên liệu thấp, tốc độ cháy thấp nhiều so với loại nhiên liệu truyền thống Những tính chất ảnh hưởng đến khả lưu trữ biogas làm ảnh hưởng đến chất lượng trình cháy, động phương tiện vận tải với chế độ công tác thay đổi thường xuyên Tuy nhiên số octane biogas cao nên có tính chống kích nổ tốt Việc sử dụng kết hợp biogas xăng theo phương án nhiên liệu hybrid 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 thơng nói riêng Vì vậy, luận án: “Nghiên cứu q trình cháy phát thải 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 q trình nạp q 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 nghèo động ô tô ➢ Mục tiêu cụ thể: Tối ưu hóa q trình cung cấp nhiên liệu tổ chức trình cháy động ô tô chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng nhằm nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu giảm mức độ phát thải chất ô nhiễm Đối tượng phạm vi nghiên cứu ➢ Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu tiến hành động DA465QE lắp ô tô tải nhẹ Trường Hải Towner Đây động xi lanh, kỳ, đánh lửa cưỡng bức, phun xăng điều khiển điện tử Ô tơ sử dụng để vận chuyển vật tư, hàng hóa nông thôn, gần nơi sản xuất biogas ➢ 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: o Về lý thuyết: - Nghiên cứu hệ phương trình tổng quát học thủy khí áp dụng cho q trình cháy rối sử dụng nhiên liệu hybrid biogas/xăng - 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 o 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 nhiễm CO, HC NOx - Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần nhiên liệu chế độ vận hành động đến tính cơng tác phát thải ô nhiễm o Về thực nghiệm: - Cải tạo đường nạp động xăng nghiên cứu để thích nghi với nhiên liệu hybrid biogas-xăng - Giải pháp cung cấp biogas xăng cho động thí nghiệm - Lắp đặt động thí nghiệm lên băng thử cơng suất động AVL - Đo cơng suất có ích động đường đặc tính ngồi thay đổi hàm lượng xăng nhiên liệu hybrid phân tích chất ô nhiễm CO, HC, NOx chế độ vận hành tương ứng - So sánh kết thí nghiệm với kết mơ 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 án Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận án chia làm chương: ❖ Chương 1: Tổng quan ❖ Chương 2: Cơ sở lý thuyết trình tạo hỗn hợp cháy động đốt ❖ Chương 3: Mơ q trình cung cấp nhiên liệu trình cháy động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng ❖ Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá kết mô động sử dụng 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 quy luật biến thiên công thị chu trình, nồng độ chất nhiễm theo thành phần nhiên liệu, góc đánh lửa sớm tốc độ động - Phát triển công nghệ ứng dụng biogas nghèo ô tô tải nhẹ hoạt động khu vực nơng thơn, góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính 10 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết việc sử dụng lượng tái tạo [1] Nguồn lượng sử dụng phân chia hình 1.1 - Các nguồn lượng sơ cấp phân chia thành lượng không tái tạo (hay lượng hóa thạch) lượng tái tạo - Năng lượng hóa thạch chủ yếu gồm: than đá, dầu mỏ khí thiên nhiên - Năng lượng tái tạo có nguồn gốc trực tiếp hay gián tiếp từ lượng mặt trời: điện mặt trời, lượng gió, thủy điện, biogas, biomass, hydrogen … - Các nguồn lượng hóa thạch sơ cấp dùng để chế biến thành lượng thứ cấp: than coke, nhiên liệu khí, xăng dầu … để sử dụng cho nhiều mục đích khác - Các nguồn lượng tái tạo chuyển sang điện, nhiệt hay nhiên liệu để thay nguồn lượng truyền thống Hình 1.1: Các nguồn lượng Năng lượng tái tạo nguồn lượng tạo bổ sung thời gian ngắn Chúng tồn thang đo thời gian Hệ Mặt trời Chúng cạn kiệt Mặt trời tắt, sớm phải đến vài tỉ năm nữa! Phần lớn nguồn lượng tái tạo khai thác có nguồn từ Mặt Trời điện mặt trời (PV solar), thủy điện, điện gió, điện từ sóng biển, nhiên liệu sinh học … Một số khác khai thác từ nhiệt lòng đất (địa nhiệt), từ lực hấp dẫn Mặt Trăng (thủy triều) … 11 Hình 1.2: Khoảng cách tương đối Trái Đất hành tinh khác (a) xạ Mặt Trời Việt Nam (b) Mặt Trời có đường kính 1,39 triệu km Mặt trời lò phản ứng hạt nhân khổng lồ Trong hành tinh Mặt Trời Trái đất cách Mặt Trời 8,32 phút ánh sáng (khoảng149,5 triệu km) so với khoảng cách 1,3 giây ánh sáng đến Mặt Trăng Tại tâm Mặt Trời, phản ứng tổng hợp hạt nhân chuyển hóa hyhro thành heli xảy liên tục Cứ giây có khoảng 8,9×1037proton chuyển hóa thành hạt nhân heli Năng lượng Mặt trời lượng xạ điện từ Dòng lượng tiếp tục phát phản ứng hạt nhân Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng tỉ năm Nhiệt độ tạo lõi Mặt trời khoảng 15.106 K nhiệt độ bề mặt Mặt trời khoảng 6000K Tuy Mặt Trời nhỏ tồn khoảng 10 tỉ năm vũ trụ Đến tồn nửa thời gian theo tuổi thọ Khi Mặt Trời tắt khơng cịn dạng sống tồn hành tinh Khi tắt, nhân 12 Mặt Trời co lại thành lùn trắng lớp vỏ giãn nở không ngừng phình to vào khơng gian đến nuốt chửng quỹ đạo Trái Đất hành tinh khác Toàn lượng Trái Đất nhận từ Mặt Trời khoảng 2,4.1018 cal/phút, gồm 48% lượng thuộc dải phổ ánh sáng khả kiến (λ = 0,4-0,76 μm), 7% tia cực tím (λ < 0,4 μm) 45% thuộc dải phổ hồng ngoại sóng vơ tuyến (λ > 0,76 μm) Ở nước ta xạ mặt trời trung bình từ 3,8 (khu vực phía Bắc) đến 5,6kWh/ngày (khu vực phía Nam) Bức xạ mặt trời lớn khu vực Nam Trung Đơng Nam (hình 1.2b) Nhờ có lượng từ Mặt Trời Trái Đất sưởi ấm, thực vật thực phản ứng quang hợp để hấp thụ carbon làm nguồn thức ăn cho động vật Một cách tổng quát mà nói, nhiên liệu mà sử dụng, dù nhiên liệu hóa thạch hay nhiên liệu tái tạo có nguồn gốc trực tiếp hay gián tiếp từ lượng Mặt Trời Hình 1.3 giới thiệu chu trình carbon Trái Đất Dưới tác dụng ánh sáng mặt trời, thực vật hấp thụ CO2 khí để chuyển thành carbonhydrate thực vật để lớn lên tạo nguồn thực phẩm nuôi sống động vật CO2 bầu khí động thực vật thở hay phát thải từ trình cháy hydrocarbon Xác động thực vật chơn vùi lịng đất mang theo lượng CO2 lấy từ bầu khí Sau hàng triệu năm xác động thực vật biến thành nhiên liệu hóa thạch Nghĩa lượng CO2 cịn lại bầu khí nhỏ lượng CO2 Trái Đất hình thành Với hàm lượng CO2 đó, Trái Đất giữ đủ ấm để vạn vật sinh sống Khi đốt cháy nhiên liệu tái tạo nhiên liệu sinh học, biomass… CO2 phát sinh lượng CO2 thực vật hệ hấp thụ để lớn lên, khơng làm tăng hàm lượng CO2 bầu khí so với điều kiện Khi đốt nhiên liệu hóa thạch, CO2 sản phẩm cháy thải bầu khí CO2 khơng quay ngược vào lịng đất nên nồng độ CO2 bầu khí gia tăng Tất nhiên mặt cân vật chất mà nói CO2 nhiên liệu hóa thạch thải CO2 bầu khí trước Khi sử dụng hết nhiên liệu hóa thạch vùi chơn lịng đất hàm lượng CO2 trở lại giá trị ban đầu hành 13 ... vậy, luận án: ? ?Nghiên cứu trình cháy phát thải 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... nghiên cứu ứng dụng động biogas giới Việt Nam 28 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới .28 1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu phát triển động biogas Việt Nam .31 1.5 Kết luận. .. biogas- xăng cho động phun xăng điện tử, (3) thử nghiệm tính mức độ phát thải 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