Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI HỮU HÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG HYĐRÔ THÊM VÀO ĐƯỜNG NẠP ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 8520116 Thái Nguyên - 2019 i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun, Phòng Đào tạo Khoa kỹ thuật Ơ tơ Máy động lực cho phép thực luận văn Xin cảm ơn Phòng Đào tạo Khoa kỹ thuật Ơ tơ Máy động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi học tập làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trung Kiên hướng dẫn tơi tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn lãnh đạo, đồng nghiệp Cơ quan nơi công tác tạo điều kiện động viên tơi suốt q trình học tập Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận văn đồng ý đọc duyệt góp ý kiến quý báu để tơi hồn chỉnh luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tơi học tập Tuy nhiên có hạn chế thời gian kiến thức thân nên đề tài tơi nhiều thiếu sót Tơi mong nhận góp ý để luận văn hoàn thiện Học viên Bùi Hữu Hùng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích đề tài 3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: * Ý nghĩa thực tiễn: Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Vấn đề thiếu hụt lượng ô nhiễm môi trường 1.2 Nhiên liệu thay 1.2.1 Nhiên liệu thay dạng khí 1.2.2 Nhiên liệu thay dạng lỏng 1.3 Nhiên liệu hyđrô dùng cho động đốt 12 1.3.1 Khái niệm chung 12 1.3.2 Tính chất khí hyđrô 14 1.3.3 Động đốt dùng đơn nhiên liệu hyđrô 19 1.3.4 Động đốt bổ sung hyđrô 23 1.3.5 Tồn chứa vận chuyển hyđrô 25 1.4 Nghiên cứu sử dụng hyđrô cho động đốt dạng lưỡng nhiên liệu 27 1.4.1 Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cháy nén 27 1.4.2 Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cháy cưỡng 29 1.5 Kết luận chương 30 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ 31 SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU 31 2.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại động đốt 31 2.1.1 Đặc điểm phát thải độc hại động đốt 31 2.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại 34 2.2 Các mơ hình tính tốn chu trình cơng tác động đốt 36 2.3 Mơ hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô 40 2.4 Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình mơ 41 2.4.1 Mơ hình nhiệt động bên xi lanh động 41  Lựa chọn mơ hình cháy 42  Lựa chọn mơ hình truyền nhiệt 45  Tính nhiệt lượng tỏa cháy xi lanh 47 2.4.2 Mơ hình đường ống thải 49 2.4.3 Mơ hình đường ống nạp 49 2.5 Xây dựng mơ hình mơ phần mềm GT-Power 50 2.5.1 Giới thiệu chung phần mềm GT-Power 50 2.5.2 Các phần tử mơ hình động khảo sát 51 2.6 Kết luận chương 59 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU 60 DIESEL - HYĐRÔ 60 3.1 Tính tốn thơng số nhiệt động động diesel V12 60 3.1.1 Mơ hình hóa động V12 60 3.1.2 Mô động V12 nguyên 65 3.1.3 Mô động V12 chuyển sang vận hành lưỡng nhiên liệu 67 3.2 Kết mô 69 3.2.1 Ảnh hưởng lượng phun hyđrô đến áp suất môi chất 69 3.2.2 Ảnh hưởng lượng phun hyđrô đến nhiệt độ môi chất 71 3.2.3 Ảnh hưởng lượng hyđrơ đến dòng nhiệt 72 3.2.4 Ảnh hưởng lượng phun hyđrô đến đặc tính phát 73 3.3 Kết luận chương 76 KẾT LUẬN CHUNG 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải CNG Khí nén thiên nhiên LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng GTL Khí hóa lỏng CTL Than đá hóa lỏng PM Chất nhiễm dạng hạt THC Tổng phát thải hyđrô bon chưa cháy D80E20 Nhiên liệu pha trộn 80% diesel 20% ethanol D100 FTP-75 HW NEDC Nhiên liệu diesel khống Chu trình thử cho xe chạy thành phố Mỹ Chu trình thử xa lộ Mỹ Chu trình thử Châu Âu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số tính chất hyđrơ 14 Bảng 3.1 Các thông số đầu vào động V12 sử dụng mơ hình, [52] 61 Bảng 3.2 Độ nâng xu páp theo góc quay trục khuỷu, [19] 63 Bảng 3.3 Kết tính tốn tiêu cơng tác động V12 65 Bảng 3.4 Kết tính tốn so sánh với số liệu nhà sản xuất 66 theo đặc tính động V12 66 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các phương án cung cấp hyđrơ cho ĐCĐT 20 Hình 2.1 Sự lựa chọn nhiên liệu thay 36 Hình 2.2 Sơ đồ động lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô, [17] 41 Hình 2.3 Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính tốn 47 theo phương trình Woschni Hohenberg 47 Hình 2.4 Hình dáng quy luật tỏa nhiệt cháy theo Vibe 48 Hình 2.5 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử xy lanh 52 Hình 2.6 Cửa sổ giao diện nhập liệu 54 cho phần tử cấu phân phối khí 54 Hình 2.7 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử vòi phun 55 Hình 2.8 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử thơng số động 56 Hình 2.9 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử đường ống 57 Hình 2.10 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử dòng phân chia 58 Hình 3.1 Sơ đồ khối bước thực mơ hình hóa động 60 Hình 3.2 Độ nâng xu páp nạp, thải theo góc quay trục khuỷu, [19] 64 Hình 3.3 Mơ hình động V12 65 Hình 3.4 Kết tính tốn Me, Gnl so sánh với số liệu 67 nhà sản xuất theo đặc tính động V12 67 Hình 3.5 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử vòi phun hyđrơ 68 vào đường nạp động 68 Hình 3.6 Khoảng thời gian phun hyđrơ theo góc quay trục khuỷu 69 Hình 3.7 Mơ hình nhánh cụm đường ống nạp động V12 69 bố trí vòi phun hyđrô vào đường nạp 69 Hình 3.8 Diễn biến áp suất mơi chất công tác xi lanh động thay đổi lượng phun hy đrrô vào đường nạp 70 Hình 3.9 Áp suất cực đại (a) tốc độ tăng áp suất trung bình (b) 71 động lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô 71 Hình 3.10 Diễn biến nhiệt độ mơi chất công tác xi lanh động 72 lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô 72 Hình 3.6 Khoảng thời gian phun hyđrơ theo góc quay trục khuỷu Hình 3.7 Mơ hình nhánh cụm đường ống nạp động V12 bố trí vòi phun hyđrơ vào đường nạp 3.2 Kết mô 3.2.1 Ảnh hưởng lượng phun hyđrô đến áp suất môi chất Khi tiến hành thay đổi lượng phun hyđrô vào đường nạp động để tạo nên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrơ nhận thấy có chung ảnh hưởng đến diễn biến áp suất môi chất cơng tác thể hình 3.8 Cụ thể, tăng lượng phun hyđrô dẫn tới áp suất mơi chất có xu hướng tăng so với động dùng diesel khoáng, tăng áp suất nhiều diễn lân cận điểm áp suất đạt giá trị cực đại, giai đoạn khác chu trình công tác thay đổi tương đối nhỏ Hình 3.8 Diễn biến áp suất mơi chất cơng tác xi lanh động thay đổi lượng phun hy đrrơ vào đường nạp Trên hình 3.9 (a) kết thể áp suất cực đại động lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô, tăng lượng phun hyđrơ vào đường nạp áp suất cực đại xi lanh có xu hướng tăng lên Bên cạnh đó, tăng lượng phun hyđrơ tốc độ tăng áp suất trung bình có xu hướng tăng dần cao so với động sử dụng diesel khống thể hình 3.9 (b) Điều dẫn đến động vận hành đanh giới hạn cho phép động diesel (a) (b) Hình 3.9 Áp suất cực đại (a) tốc độ tăng áp suất trung bình (b) động lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô 3.2.2 Ảnh hưởng lượng phun hyđrô đến nhiệt độ môi chất Ảnh hưởng lượng phun hyđrô đến nhiệt độ mơi chất cơng tác thể hình 3.10 Thơng qua kết thể đó, nhận thấy nhiệt độ môi chất động lưỡng nhiên liệu có xu hướng tăng lên rõ rệt so với động sử dụng nhiên liệu diesel khoáng tăng nhiệt độ môi chất rõ rệt tăng lượng phun hyđrô Khi so sánh ảnh hưởng lượng phun hyđrô đến nhiệt độ cực đại mơi chất xi lanh (hình 3.11) nhận thấy rằng, lượng phun hyđrơ lớn nhiệt độ cực đại môi chất xilanh động diesel - hyđrô tăng so với động sử dụng nhiên liệu diesel Hình 3.10 Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác xi lanh động lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrơ Hình 3.11 Nhiệt độ cực đại môi chất công tác xi lanh động lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô 3.2.3 Ảnh hưởng lượng hyđrơ đến dòng nhiệt Qua hình 3.12 cho thấy, vào cuối trình nén trình sinh cơng dòng nhiệt mơi chất truyền cho thành vách buồng cháy động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô cao so với động sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản, đặc biệt tăng lượng phun hyđrô vào đường nạp Trong trình khác chu trình khơng có thay đổi nhiều so với động dùng diesel khoáng Điều hyđrơ có nhiệt trị cao nhiều so với nhiên liệu diesel, nên trình cháy giãn nỡ nhiệt lượng môi chất tỏa lớn dẫn tới dòng nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy tăng lên rõ rệt Thời điểm bắt đầu cháy động lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô diễn sớm với tăng lượng hyđrô chia sẻ Hình 3.12 Dòng nhiệt từ mơi chất truyền cho thành vách buồng cháy động lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô 3.2.4 Ảnh hưởng lượng phun hyđrô đến đặc tnh phát Kết ảnh hưởng lượng phun hy đrô đến đặc tnh phát thải động V12 thể chi tiết hình từ hình 3.13 đến hình 3.16 Thơng qua kết đó, bổ sung thêm khí hyđrơ vào đường nạp cho động nhận thấy: tăng lượng hyđrô chia sẻ với diesel, chất ô nhiễm CO, CO2 PM giảm đáng kể; phát thải NOx tăng lên với lượng hyđrô bổ sung Phát thải CO2 [g/kW.h] 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Diesel 10% Hyđrô 15% Hyđrô 20% Hyđrô 25% Hyđrơ Hình 3.13 Phát thải CO2 động diesel V12 bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp Phát thải NOx [g/kW.h] Diesel 10% Hyđrô 15% Hyđrô 20% Hyđrơ 25% Hyđrơ Hình 3.14 Phát thải NOx động diesel V12 bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp Phát thải PM [g/kW.h] 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Diesel 10% Hyđrô 15% Hyđrô 20% Hyđrô 25% Hyđrơ Hình 3.15 Phát thải PM động diesel V12 bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp Phát thải CO [g/kW.h] 700 600 500 400 300 200 100 Diesel 10% Hyđrô 15% Hyđrô 20% Hyđrô 25% Hyđrơ Hình 3.16 Phát thải CO động diesel V12 bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp 3.3 Kết luận chương - Trên sở số liệu động V12 thiết lập vòi phun hyđrơ vào đường nạp để hình thành lên động lưỡng nhiên liệu diesel hyđrô - Với tăng lượng hyđrô chia sẻ động lưỡng nhiên liệu diesel hyđrô, hiệu suất nhiệt động tăng lên đáng kể chế độ khảo sát - Nhiệt độ áp suất môi chất động lưỡng nhiên liệu diesel hyđrô tăng lên rõ rệt đặc biệt tăng lượng hyđrơ chia sẻ với diesel khống - Thành phần phát thải HC, CO2, CO PM động lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô giảm đáng kể với tăng lượng hyđrô chia sẻ Tuy nhiên phát thải NOx lại tăng lên nhiều thêm hyđrô vào đường nạp Điều giải thích hyđrơ nhiên liệu khơng chứa ngun tử bon nên thành phần phát thải dựa nguyên tố thấp, phát thải NOx tăng cao nhiệt độ động lưỡng nhiên liệu tăng lên rõ rệt so với động sử dụng diesel khống Vấn đề hồn tồn xử lý giải pháp cháy nhiệt độ thấp (LTC - Low Temperature Combustion) bao gồm chiến lược phun nước vào xi lanh giảm tỷ số nén động KẾT LUẬN CHUNG Qua thời gian nghiên cứu, luận văn thực xong nội dung đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất phát thải động diesel”, thông qua q trình tính tốn mơ khảo sát đưa số kết luận sau: Khi tăng lượng hyđrô chia sẻ động lưỡng nhiên liệu diesel hyđrô, hiệu suất nhiệt động tăng lên đáng kể chế độ khảo sát (tải lớn) Nhiệt độ áp suất môi chất động lưỡng nhiên liệu diesel hyđrô tăng lên rõ rệt đặc biệt tăng lượng hyđrơ chia sẻ với diesel khống Thành phần phát thải HC, CO2, CO PM động lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô giảm đáng kể với tăng lượng hyđrô chia sẻ Tuy nhiên phát thải NOx lại tăng lên nhiều thêm hyđrô vào đường nạp Điều giải thích hyđrơ nhiên liệu khơng chứa ngun tử bon nên thành phần phát thải dựa nguyên tố thấp, phát thải NOx tăng cao nhiệt độ động lưỡng nhiên liệu tăng lên rõ rệt so với động sử dụng diesel khống Vấn đề hồn tồn xử lý chiến lược cháy nhiệt độ thấp (LTC - Low Temperature Combustion) bao gồm chiến lược phun nước vào xi lanh giảm tỷ số nén động Hướng nghiên phát triển đề tài: Khảo sát ảnh hưởng lượng hyđrô thêm vào đường nạp tất chế độ tải từ tải thấp đến tải cao Mô CFD ảnh hưởng thông số phun hyđrơ vào nạp đến q trình tạo hỗn hợp xi lanh động Mô phương tiện trang bị động lưỡng nhiên liệu diesel hyđrơ theo chu trình lái để đánh giá theo têu chuẩn chung vận hành đường TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Ngọc Anh (2017), “Nghiên cứu tạo nhiên liệu giàu hydro động để cải thiện tính phát thải” [2] Nguyễn Thành Bắc (2017), "Nghiên cứu chuyển đổi động diesel thành động lưỡng nhiên liệu", LATS Kỹ thuật Cơ khí động lực [3] Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến, Văn Đình Sơn Thọ (2017), “Nhiên liệu thay dùng cho động đốt trong”, NXB ĐHBK Hà Nội [4] Hà Quang Minh (1992), "Những nội dung nghiên cứu tính tốn chu trình cơng tác động cơ", Học viện Kỹ thuật Quân [5] Hà Quang Minh (2001), "Phương pháp tnh tốn chu trình cơng tác động cơ", giáo trình Cao học, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội [6] Hà Quang Minh (2002), “Lý thuyết động đốt trong”, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội Tiếng Anh [7] Gamma Technologies (2016), GT-Power Tutorial Ver 7.3 [8] www.gtsoft.com [9] Ghazi A.Karim (2015), "Dual-Fuel diesel engines", CRC Press, Taylor & Francis Group [10] Qing-he Luo, Bai-gang Sun (2016), “Effect of the Miller cycle on the performance of turbocharged hydrogen internal combustion engines”, Energy Conversion and Management, Elsevier [11] Midhat Talibi, Paul Hellier, Nicos Ladommatos (2016), “The efect of varying EGR and intake air boost on hydrogen-diesel co-combustion in CI engines”, Elsevier [12] Taku Tsujimura, Yasumasa Suzuki (2016), “The utilization of hydrogen in hydrogen-diesel dual fuel engine”, Elsevier [13] Johannes Michl, etc (2015), “Derivation and validation of a heat transfer model in a hydrogen combustion engine”, Elsevier [14] Joachim Demuynck (2012), “Heat Loss Comparison Between Hydrogen, Methane, Gasoline and Methanol in a Spark-Ignition Internal Combustion Engine”, Elsevier [15] A Aziz Hairuddin, etc (2014), “A review of hydrogen and natural gas addition in diesel HCCI engines” [16] Changwei Ji (2016), “Enhancing the fuel economy and emissions performance of a gasoline engine-powered vehicle with idle elimination and hydrogen start”, Elsevier [17] Venkateswarlu Chintala (2017), “A comprehensive review on utilization of hydrogen in a compression ignition engine under dual fuel mode”, Elsevier [18] Toru Miyamoto, Hirokazu Hasegawa, Masato Mikami, Naoya Kojima, Hajime Kabashima, Yasuhiro Urata, (2011) “Efect of hydrogen addition to intake gas on combustion and exhaust emission characteristcs of a diesel engine” International Journal of Hydrogen Energy, 36, p13138-13149 [19] Santoso W B., A Nur, S Ariyono1 (2010) “Combustion characteristics of a diesel-hydrogen dual fuel engine” National Conference in Mechanical Engineering Research and Postgraduate Studies (2nd NCMER 2010) [20] Rajendra Prasath B., E.Leelakrishnan, N Lokesh, H Suriyan, E Guru Prakash, K Omur Mustaq Ahmed (2012), “Hydrogen Operated Internal Combustion Engines - A New Generaton Fuel” International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, vol 2, p52-57 [21] Saravanan N., G Naganajan, C Dhanasekaran and K M Kalaiselvan (2007), “Experimental investigation of hydrogen fuel injection in DI dual fuel diessel engine” SAE paper 2007-01-1465 [22] I.T Yilmaz, M Gumus, “Efects of hydrogen addition to the intake air on performance and emissions of common rail diesel engine”, Energy 142 (2018) [23] H Koten, “Hydrogen effects on the diesel engine performance and emissions”, Internatonal Journal of hydrogen energy (2018) [24] HayderA.Alrazen, A.R.AbuTalib, R.Adnan, K.A.Ahmad, “A review of the effect of hydrogen addition on the performance and emissions of the compression - Ignition engine”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 54 (2016) [25] Yaodong Du, “Efect of addition of hydrogen and exhaust gas recirculation on characteristcs of hydrogen gasoline engine”, International Journal of hydrogen energy (2017) [26] Двигатели В-2 и В-6 Техническое описание М.: Военное издательство, 1975 ... liệu hyđrô vào đường nạp đến hiệu suất phát thải động diesel thông qua mô - So sánh hiệu suất tỷ lệ phát thải động đốt sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống với động diesel sử dụng thêm hyđrô. .. sung thêm hy đrô vào đường nạp 74 Hình 3.15 Phát thải PM động diesel V12 75 bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp 75 Hình 3.16 Phát thải CO động diesel V12 75 bổ sung thêm. .. phần vào việc ưu điểm trội việc thêm hyđrô vào đường nạp động sử dụng nhiên liệu diesel Với đặc tính làm tăng cơng suất động cơ, tăng tính kinh tế nhiên liệu, tăng hiệu suất động đặc biệt giảm phát