Nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu Diesel-Syngas

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VŨ VĂN DÂN NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL-SYNGAS Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VŨ VĂN DÂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL-SYNGAS Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2019 LỜI CẢM ƠN Sau 10 tháng nghiên cứu, làm việc khẩn truơng, đuợc sụ động viên, giúp đỡ huớng dẫn tận tình thầy giáo huớng dẫn: PGS TS Huỳnh Thanh Công, luận văn với đề tài "Nghiên cứu mơ đặc tính động diesel sử dụng syngas-diesel" hồn thành Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo PGS TS Huỳnh Thanh Công huớng dẫn, giúp đỡ tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thục hồn thành luận văn Ban giám hiệu Truờng Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Phòng Đào tạo Sau đại học, thầy giáo, cô giáo Khoa Kỹ thuật giao thông Truờng Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh hậu thuẫn, giúp đỡ, động viên suốt trình học tập nhu trình nghiên cứu thục luận văn Các thành viên phản biện, thầy giáo, cô giáo hội đồng chấm luận văn đọc, phê duyệt góp ý kiến quý báu để tơi hồn thành luận văn Các học viên cao học sinh viên từ Nhóm nghiên cứu động sủ dụng nhiên liệu khí PTN Trọng điểm ĐHQG-HCM Động đốt Cuối cùng, xin gủi lời cảm ơn chân thành tới Phân Viện Khoa học hình sụ, Viện Khoa học hình sụ - Bộ Cơng an, tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình nguời thân quan tâm tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ, hỗ trợ suốt q trình học tập hồn thành luận vãn TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 HỌC VIÊN Vũ Văn Dân TÓM TẮT Luận văn đề cập đến việc đánh giá đặc tính động diesel sử dụng nhiên liệu diesel-syngas tỉ số nén cao duới điều kiện vận hành khác nhu: thay đổi tốc độ, thay đổi tỉ lệ H2/CO Nhiều nghiên cứu ứng dụng syngas động đánh lủa cuỡng đuợc thục nuớc Tuy nhiên, động tụ cháy sức nén sủ dụng diesel-syngas đuợc nghiên cứu Việc nghiên cứu sụ thay đổi đặc tính động điều kiện vận hành khác góp phần đánh giá tối uu điều kiện hoạt động dòng động Và góp phần nhận dạng tính khả thi việc dùng nhiên liệu syngas động công suất lớn tuơng lai Việt Nam Trong luận văn này, động diesel xylanh 12,5HP đối tuợng nghiên cứu Một mơ hình động đánh lủa cuỡng sủ dụng hỗn hợp biogas giả lập (H2/CO) đuợc thiết lập phần mềm AVL Boost ver.2013 vận hành với thông số tiêu biểu nhu: tốc độ, tỉ lệ % H2/C0 Các đặc tính động sủ dụng 50% Diesel 50% Syngas với tỷ lệ khác H2/CO (75%/25% 50%/50%, 25%/75%) đuợc thục Các đặc tính động tiêu biểu động sủ dụng nhiên liệu syngas thay diesel với tỉ lệ thay đổi từ 10% đến 50%, có đối chiếu so sánh với truờng hợp vận hành 100% diesel; Qua kết đạt đuợc cho thấy thay diesel syngas cơng suất mơ-ment động có sụ giảm Tuy nhiên, thành phần khí thải độc hại nhu (NOX, CO, khói) giảm đáng kể, góp phần lớn cơng tác bảo vệ mơi trường sống ABSTRACT The objective of this thesis is to evaluate the characteristics of high compression ratio biogas engine under different operated as: change of speed, change of H2/C0 ratio Most researches using biogas on spark ignition engines were reported However, compression ignition engines using biogas as fuel are rarely studied The study of the changing characteristics of the engine in various operating conditions will contribute to assess and optimize the operating conditions of the engine And contribute to identifying the feasibility of using biogas as fuel on high power engines in the future in Vietnam In this thesis, one cylinder 12.5HP diesel engine is used to convert to operate with biogas One spark ignition engine model use simulated biogas mixture (H2/CO) is set on the software AVL Boost operating parameters such as: speed and rate % H2/C0 Engine performance characteristics are analyzed by operating with 50%Diesel and 50% Syngas Three ratios of H2/CO (75%/25% 50%/50%, and 25%/75%) are used Typical engine performance parameters are estimated with substitution of syngas in diesel from 10% to 50% in volume The obtained results are also used to compare with operation of 100% of diesel; All obtained results showed the potential of syngas as fuel for internal combustion engine to reduce the exhaust emission gas (especial for NOx and Soot) with a slight decrease of engine power and engine torque LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Vũ Văn Dân Sinh ngày 10 tháng 10 năm 1973 Học viên lớp Cao học 17 - Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Hiện cơng tác Phân Viện Khoa học hình Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Khoa học hình - Bộ Cơng an Xin cam đoan: Đề tài "Nghiên cứu mô đặc tính động diesel sử dụng syngas-diesel" thầy giáo PGS TS Huỳnh Thanh Công hướng dẫn công trình nghiên cứu riêng tơi Các liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tơi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học trước pháp luật TP' Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 HỌC VIÊN Vũ Văn Dân PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Vũ Văn Dân Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1973 Nơi sinh: Đồng Sơn, Nam Trực, Nam Định Địa liên lạc: Phân Viện Khoa học hình sự, 258 đường Nguyễn Trãi, phường Nguyễn Cư Trinh, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: 0908111771 Q TRÌNH ĐÀO TẠO Tháng năm 1997 đến Tháng năm 2002 sinh viên hệ quy Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội Tháng năm 2016 đến tháng năm 2018 bồi dưỡng cao cấp lý luận trị Học viện trị Khu vực II Tháng năm 2017 đến tháng năm 2019 học viên sau Đại học trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC Tháng năm 2003 đến cơng tác Phân Viện Khoa học hình Thành phố Hồ Chí Minh - Bộ Cơng an MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.6 Tổng quan nhiên liệu syngas 1.6.1 Giới thiệu nhiên liệu syngas 1.6.2 Nguyên liệu sản xuất syngas 1.6.3 Cơng nghệ chuyển hóa syngas 11 1.6.4 Ưu nhược điểm khí syngas so với diesel truyền thống 16 1.7 Các nghiên cứu nước 19 1.7.1 Các nghiên cứu giới liên quan đến động sử dụng syngas 19 1.7.2 Các nghiên cứu nước 26 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28 2.1 Cơ sở lý thuyết đánh giá đặc tính động 28 2.1.1 Đặc tính công suất 28 2.1.2 Tiều hao nhiên liệu sử dụng lưỡng nhiên liệu 30 2.1.3 Năng lượng cung cấp ban đầu 30 2.1.4 Hiệu suất nhiệt 31 2.1.5 Xác định tỷ lệ nhiên liệu Diesel/syngas: 31 2.2 Các mơ hình ứng dụng AVL Boost 31 2.2.1 Mô hình nhiệt động lực học 31 2.2.2 Mơ hình cháy Vibe zone 33 2.2.3 Mơ hình truyền nhiệt 35 2.2.4 Mơ hình thành khí thải 37 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 40 3.1 Giới thiệu chung 40 3.2 Mơ hình hóa đối tượng nghiên cứu 40 3.3 Xác định điều biện ban đầu điều kiện biên cho mô hình mơ 42 3.3.1 Điều kiện ban đầu .42 3.3.2 Điều kiện vận hành điều kiện biên 42 3.4 Kết mô 43 3.4.1 Đặc tính kỹ thuật động với tỷ lệ H2/CO thay đổi 43 3.4.2 Đánh giá đặc tính kỹ thuật theo tốc độ vận hành tỷ lệ H2/C0=50/50 48 3.4.3 Đánh giá đặc tính cháy 50 3.4.4 Đánh giá đặc tính phát thải 54 CHUÔNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56 4.1 Kết luận 56 4.2 Hướng phát triển .57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC I GIỚI THIỆU PHẦN MÈM AVL BOOST VER.2013 61 PHỤ LỤC H BẢNG KẾT QUẢ TIÊU BIỂU VỚI AVL BOOST VER.2013 72 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Vỏ trấu thải bỏ bừa bãi Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan sản xuất nhiên liệu syngas Hình 1.3 Sơ đồ phương trình tạo khí syngas Hình 1.4 Cơng nghệ khí hóa tầng cố định có dòng chéo 12 Hình 1.5 Cơng nghệ khí hóa tầng sơi 15 Hình 1.6 Phát thải HC theo tỷ lệ thay syngas 20 Hình 1.7 Hiệu suất nhiệt thị theo % syngas 20 Hình 2.1 Mơ hình buồng cháy 32 Hình 2.2 Ảnh hưởng thay đổi tham số “M” đường đặc tính q trình mơ 35 Hình 2.3 Ảnh hưởng hệ số tương đương tới khí thải động Si 37 Hình 3.1 Mơ hình động syngas-diesel xây dựng AVL Boost ver.2013 41 Hình 3.2 Đặc tính cơng suất theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi 44 Hình 3.3 Đặc tính mô-men theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi 45 Hình 3.4 Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi 45 Hình 3.5 Nox theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi 50% diesel50% syngas 46 Hình 3.6 Co theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi 50% diesel 50% syngas 46 Hình 3.7 Soot theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi 50% diesel50% syngas 47 Hình 3.8 Đặc tính cơng suất theo tốc độ với tỷ lệ % diesel/syngas thay đổi 48 Hình 3.9 Đặc tính mơ-men theo tốc độ với tỷ lệ % diesel/syngas thay đổi 49 PHỤ LỤC II BẢNG KẾT QUẢ TIÊU BIỂU VỚI AVL BOOST ver.2013 II.l So sánh công suất theo ba thành phần khí syngas khác r rr A Tơc độ Cơng suất theo tỉ lệ H2-CO Sai lệch, % v/ph 50-50 75-25 25-75 n AI A2 1000 2,80 3,79 2,96 4,00 2,65 3,60 0,00 5,72 -5,27 0,00 5,40 -5,21 4,77 5,04 4,54 0,00 5,62 -4,95 1600 5,82 6,13 5,54 0,00 5,42 -4,83 1800 6,80 7,54 7,16 7,93 6,47 7,17 0,00 5,30 -4,77 0,00 5,20 -4,86 2200 2400 8,15 8,58 7,75 0,00 5,27 -4,95 8,57 9,04 8,14 0,00 5,40 -4,98 2600 9,06 9,54 8,59 0,00 5,25 -5,23 1200 1400 2000 II.2 So sánh Mơ-men theo ba thành phần khí syngas khác r rr A Tôc độ v/ph Mô-men theo tỉ lệ H2-CO (%) 50-50 75-25 25-75 n Sai lệch % AI A2 1000 26,72 28,25 25,32 1000 5,72 -5,27 1200 1400 30,18 32,55 31,81 34,37 28,61 30,94 1200 1400 5,40 -5,21 5,62 -4,95 1600 34,73 36,61 33,06 1600 5,42 -4,83 1800 36,05 37,96 34,33 1800 5,30 -4,77 2000 35,98 37,85 34,23 2000 5,20 -4,86 2200 2400 35,38 37,24 33,63 5,27 -4,95 34,11 35,95 32,41 2200 2400 5,40 -4,98 2600 33,29 35,04 31,55 2600 5,25 -5,23 72 II.3 Biến đổi công suất theo tốc độ động CO’ r rr A Tôc độ Công suất (kW) theo tỷ lệ Diesel/Syngas v/ph 100/00 90/10 80/20 70/30 60/40 50/50 1000 3,00 3,00 2,97 2,92 2,87 1200 1400 4,05 4,05 4,00 3,95 3,88 2,80 3,79 5,10 5,10 5,04 4,98 4,89 4,77 1600 6,22 7,26 6,20 7,22 6,14 7,16 6,06 7,07 5,96 6,94 5,82 8,06 8,72 7,99 7,92 7,83 7,70 6,80 7,54 8,64 8,57 8,47 8,29 8,15 9,20 9,09 9,02 8,91 8,77 8,57 9,71 9,59 9,50 9,40 9,25 9,06 1800 2000 2200 2400 2600 II.4 Biến đổi mô-men theo tốc độ động CO’ r rr A Tôc độ Mô-men (Nm) theo tỷ lệ Diesel/Syngas v/ph 100/00 90/10 80/20 70/30 60/40 50/50 1000 28,66 32,21 28,64 28,32 27,92 27,40 26,72 32,19 31,86 31,44 30,89 30,18 34,81 34,76 34,41 33,96 33,38 32,55 1600 37,11 37,00 36,63 36,17 35,58 34,73 1800 38,50 38,33 37,96 37,50 36,84 36,05 2000 38,47 38,20 37,84 37,37 36,77 35,98 2200 2400 37,86 37,57 37,21 36,75 36,36 35,38 36,59 36,22 35,90 35,46 34,88 34,11 2600 35,67 35,32 34,89 34,51 33,99 33,29 1200 1400 73 II.5 Biến đổi tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ động CO’ r rr A Tôc độ BSFC (g/kWh) theo tỷ lệ Diesel/Syngas v/ph 100/00 90/10 80/20 70/30 60/40 50/50 1000 335,27 334,73 339,13 344,36 351,35 360,86 1200 1400 304,03 303,63 307,20 311,67 317,57 325,65 286,36 286,41 289,55 293,67 299,09 307,26 1600 270,34 270,92 273,69 277,45 282,38 289,75 1800 261,19 264,74 268,26 273,38 279,83 2000 261,05 262,21 262,83 265,27 273,50 279,94 2200 2400 264,00 268,50 275,64 283,33 271,18 266,11 273,94 268,81 272,05 276,26 279,91 284,90 291,76 2600 275,86 279,16 281,90 285,28 289,94 296,45 H.6 Khí thải động CO’ theo tốc độ động CO’ với loại syngas khác 74 Accummulated NOX r (g/kw,h) rr A Tôc độ v/ph 50-50 75-25 25-75 Sai lệch, % D00 D7525 D2575 1000 13,48 12,98 13,98 1000 -3,73 3,71 1200 1400 13,18 12,77 13,62 -3,13 3,33 13,00 12,43 13,29 1200 1400 -4,40 1600 11,94 11,51 12,51 1600 -3,57 2,22 4,79 1800 10,68 9,31 10,27 8,84 11,27 9,72 1800 5,54 -3,82 2000 4,46 -5,01 2200 2400 7,84 7,21 8,46 7,87 -8,07 6,55 5,97 7,35 2200 2400 12,26 -8,74 2600 5,34 4,52 6,07 2600 13,64 -15,37 2000 75 r r rr A Toe độ Sai lệch, % Accummulated co (g/kw,h) v/ph 50-50 75-25 25-75 DOO D7525 D2575 1000 0,0254 0,0335 0,0190 1000 31,87 -25,42 1200 1400 0,0297 0,0397 0,0219 33,78 -26,25 0,0346 0,0467 0,0252 1200 1400 35,20 -26,95 1600 0,0396 0,0542 0,0287 1600 36,84 -27,54 1800 0,0462 0,0636 0,0333 1800 37,84 -27,79 2000 0,0556 0,0764 0,0402 2000 37,44 -27,64 2200 2400 0,0671 0,0918 0,0488 36,81 -27,28 0,0809 0,1099 0,0590 2200 2400 35,92 -27,09 2600 0,0948 0,1288 0,0701 2600 35,92 -26,04 rr A Toe độ Sai lệch, % Soot accummulated (g/kw,h) v/ph 50-50 75-25 25-75 DOO D7525 D2575 1000 5,07 4,62 6,08 6,13 3,21 2,73 1000 19,95 -36,71 32,60 -40,99 4,31 6,29 2,38 1200 1400 45,95 -44,77 1600 4,05 6,40 2,13 1600 58,08 -47,41 1800 6,60 6,97 1,96 1,87 1800 70,04 -49,65 2000 3,88 3,86 2000 80,67 -51,50 2200 3,89 7,38 1,83 2200 89,83 -52,91 2400 4,04 7,88 1,88 2400 95,22 -53,54 2600 4,16 8,28 1,89 2600 99,37 -54,59 1200 1400 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 123 86 ... vi nghiên cứu luận văn giới hạn nội dung sau: 1- Nghiên cứu đặc tính cơng suất (cơng suất, mô- men, tiêu hao nhiên liệu) động Diesel sử dụng hỗn hợp diesel- syngas 2- Đặc tính thay đổi nhiệt độ... sử dụng nhiên liệu truyền thống sử dụng thay nhiên liệu sinh khối (phụ phẩm nông nghiệp) Bảng 1.5 So sánh giá trị kỉnh tế đon vị nhiệt trị sử dụng nhiên liệu truyền thống sử dụng thay nhiên liệu. .. TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VŨ VĂN DÂN NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL- SYNGAS Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ