Nghiên cứu tính năng động cơ DA465QE sử dụng Biogas-LPG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ NHƯ TÙNG NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ DA465QE SỬ DỤNG BIOGAS-LPG Chuyên ngành: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 85.20.11.6 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học 1: GS TSKH BÙI VĂN GA Người hướng dẫn khoa học 2: TS TRƯƠNG LÊ BÍCH TRÂM Phản biện 1: TS LÊ MINH TIẾN Phản biện 2: TS PHÙNG XUÂN THỌ Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 18 tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài - Nhằm góp phần phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu tái tạo phương tiện giao thông giới nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính - Ơ tơ sử dụng xăng dầu truyền thống thủ phạm làm gia tăng hàm lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính bầu khí quyển, đề tài tập trung nghiên cứu chuyển đổi động chạy xăng sang sử dụng lưỡng nhiên liệu Biogas-LPG Mục tiêu nghiên cứu Chuyển đổi động chạy xăng sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG biogas nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính Đối tượng, giới hạn phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Động xăng lắp ô tô tải nhẹ Trường Hải Tower 750 - Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Về sản xuất nhiên liệu: Biogas lấy từ hầm sản xuất biogas có sẵn; đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp lọc biogas đạt chất lượng nhiên liệu ô tô Về mô phỏng: Chỉ nghiên cứu mơ q trình cháy hỗn hợp nhiên liệu Biogas-LPG với thành phần nhiên liệu khác Về thực nghiệm: Chỉ đo công suất động mức độ phát thải đường đặc tính ngồi động chạy Biogas-LPG Phương pháp nghiên cứu Sử dụng kết hợp mô phần mềm ANSYS FLUENT thực nghiệm băng thử cơng suất APA100 để đánh giá tính kỹ thuật động chạy lưỡng nhiên liệu Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Đề tài hoàn thành tài liệu nghiên cứu tổng hợp lý thuyết mô thực nghiệm động DA465QE sử dụng lưỡng nhiên liệu - Ý nghĩa thực tiễn: Chuyển đổi động chạy xăng sang sử dụng lưỡng nhiên liệu Biogas-LPG nhằm tiết kiệm nguồn lượng hóa thạch, giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính Dàn ý nội dung Lời mở đầu Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: NHIÊN LIỆU BIOGAS Chương 3: MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU BIOGAS-LPG Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH Sự phát triển khoa học cơng nghệ, phát triển kinh tế tồn cầu, ngày nay, ô tô trở thành sản phẩm phổ biến nhu cầu người giới Ơ tơ đem lại giá trị to lớn cho đời sống người Hình 1.1: Tổng quan tình hình phương tiện giao thơng Tuy nhiên, ô tô tác nhân phát chất thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính cho mơi trường tồn cầu chất khác CO2, NOx, bụi làm ô nhiễm bầu khơng khí khu thị Bảo vệ môi trường trở thành vấn đề cấp bách mang tính tồn cầu Khoa học kỹ thuật ngày hướng tới phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu tái tạo phương tiện giới nhằm làm giảm thiểu lượng khí thải tơ tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch 1.2 NHIÊN LIỆU THAY THẾ VÀ NHIÊN LIỆU TÁI TẠO Sử dụng loại lượng tái tạo xem giải pháp bền vững Giải pháp mặt làm giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính mặt khác đảm bảo nguồn lượng thay cho nhiên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt dần Nghiên cứu tổng quan cho thấy giới tiến xa sử dụng lượng tái tạo, đặc biệt điện mặt trời trực tiếp hay thông qua nhiên liệu hydrogen nhiên liệu biogas Các nguồn nhiên liệu nhiên liệu sạch, không làm tăng chất khí gây hiệu ứng nhà kính bầu khí Đồng thời chúng nguồn nhiên liệu bền vững, vô tận thước đo thời gian hệ mặt trời 1.3 NHỮNG TIỆN ÍCH CỦA Ơ TÔ TẢI NHẸ TRƯỜNG HẢI TOWNER 750 Ngày nay, phương tiện vận chuyển hàng hóa xe tải hẳn khơng q xa lạ với người Vận tải ô tô hình thức vận tải phổ biến sử dụng rộng rãi kinh tế tất quốc gia Vậy việc vận tải xe tải Trường Hải Tower 750 sở hữu ưu điểm bật như: tính động cao thành phố, tốc độ vận chuyển nhanh, nên xe tải vận nhỏ chuyển trực tiếp đến người nhận, thông qua phương thức vận tải khác Xe tải Trường Hải Tower 750 hoạt nhiều tuyến đường, chí nơi chưa có đường sá Tốc độ vận chuyển hàng xe tải nhanh đường sắt khoảng cách ngắn khoảng cách dài Chính mà việc vận chuyển xe tải nhỏ thành phố phát triển mạnh Mức độ phát thải ô nhiễm xe tải cỡ nhỏ so với dòng xe có cơng suất động lớn, góp phần hạn chế nhiễm mơi trường 1.4 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ TẢI NHẸ TRƯỜNG HẢI TOWER 750 1.4.1.Các thông số kỹ thuật Thông số Đơn vị Giá trị Tên động DA465QE Loại động Xăng Kiểu động kỳ, xy lanh, làm mát cưỡng Công suất KW 35/31 Mômen xoắn Nm 72/68 cc 970 Thể tích xilanh Tỷ số nén Số vòng quay 9:1 vg/ph 5000 Đường kính xi lanh mm 65,5 Hành trình piston mm 72 Thứ tự làm việc 1-3-4-2 Góc đánh lửa sớm Độ Kích thước (L×W×H) 559×623×426mm Trọng lượng Kg 6-7 95 Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật động DA465QE 1.4.2.Đặc điểm kết cấu động DA465QE Động DA465QE sử dụng cấu phối khí xupáp treo, xupáp dẫn động gián tiếp thông qua cấu đòn bẩy Trục cam dẫn động bánh trung gian Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử nhằm tối ưu hóa trình nạp giảm tiêu hao nhiên liệu động 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Từ những yếu tố đã trình bày ở trên, đề tài “Nghiên cứu tính động DA465QE sử dụng Biogas-LPG” có ý nghĩa mang tính thực tế cao, khơng góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho động nhiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt mà góp phần tiết kiệm lượng giảm thiểu ô nhiễm môi trường CHƯƠNG NHIÊN LIỆU BIOGAS 2.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT BIOGAS TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM : Dầu mỏ cạn kiệt dần thúc đẩy nước phát triển nghiên cứu tìm kiếm nguồn lượng thay mang tính bền vững Cộng Đồng Châu Âu kêu gọi nước khối thực mục tiêu sử dụng 5,75% nhiên liệu sinh học vào năm 2010 Hàng nghìn trung tâm sản xuất biogas xây dựng Châu Âu Các nước Đức, Áo, Đan Mạch Thụy Điển nước tiên phong phát triển kỹ thuật biogas Công suất điện (MW) Hình 2.1: Cơng suất điện chạy Biogas ở Châu Âu Nước ta có gần 80% dân số sống nông thôn người ta sản xuất thành công loại bể biogas chất liệu nhựa Composite siêu bền Với loại bể biogas này, nhược điểm hầm gạch, hầm bê tông khắc phục: Hầm khơng bị rò khí, khơng bị axit ăn mòn… Nước ta lượng Biogas đáp ứng phần nhỏ 10 1,3kg than đá, 1,15 lít xăng, 1,7 lít cồn hay 9,7kwh điện Nếu sử dụng biogas làm nhiên liệu, 1m3 khí biogas cung cấp cho động sức ngựa chạy 2.3 Công nghệ sản xuất lọc tạp chất Biogas Thành phần trung bình khí biogas số sở sản suất nay: CH4% CO2% H2S% N2% H2O% H2% 68 22,9 0,1 2.3.1 Công nghệ lọc tạp chất  Loại bỏ H2S: o Trong phòng thí nghiệm: ZnO + H2S = ZnS + H2O o Qui mô lớn hơn: - Hấp phụ: Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H2O - Nhả hấp phụ: 2Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3 +6S  Loại bỏ CO2 Sử dụng nước làm chất hấp thụ: Ở nhiệt độ thường: 11 H2O + CO2  H2CO3 (hấp thụ) Ở nhiệt độ cao hơn: H2CO3  H2O + CO2 (nhả hấp thụ) 2.4 Nén Biogas bình chứa áp suất cao Bình chứa biogas nén làm nhiệm vụ lưu trữ cung cấp biogas cho hệ thống nhiên liệu động suốt trình làm việc động Bình chứa chịu áp suất đến 250 bar Do nhiên liệu biogas chứa bình có áp suất cao, nên đòi hỏi cơng nghệ chế tạo bình chứa phải đạt tiêu chuẩn độ an tồn cao bình chứa khí biogas thiết kế theo tiêu chuẩn ASME section devision VIII THÔNG SỐ KỸ THUẬT Màu đỏ; Áp suất chứa: 250 bar; Dung tích: 30 lít; Trọng lượng: 33,5 kg; Kích thước: 220x996 mm Hình 2.2 Bình chứa Biogas theo tiêu chuẩn 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Hiện thời điểm cao trào lượng tái tạo coi lựa chọn sống nhân loại Năng lượng từ nguồn hoá thạch cạn kiệt ngày gây ô nhiễm môi trường với nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng lên Chỉ có lượng tái tạo Biogas đáp ứng nhu cầu sử dụng đảm 12 bảo giảm thiểu ô nhiễm môi trường tương lai gần CHƯƠNG MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY CỦA HỖN HỢP BIOGAS-LPG 3.1 Thiết lập mơ hình tính tốn Mơ thực nhờ phần mềm ANSYS FLUENT Việc thiết lập mơ hình tính tốn thực qua bước sau: Thiết kế không gian tính tốn sở kích thước động bổ sung thêm tạo hỗn hợp Thiết kế thực nhờ phần mềm GAMBIT Chia khơng gian tính tốn thành thể tích chính: xi lanh, buồng cháy đường nạp Xi lanh buồng cháy ngăng cách piston; buồng cháy đường nạp ngăn cách xú páp nạp Thiết lập van cung cấp nhiên liệu cách chia vòi phun thành hai phần: phần trước van phần sau van Mặt ngăn cách thể tích định dạng interior (khi van mở) wall (khi van đóng) Chia lưới khơng gian tính tốn: áp dụng phương pháp chia lưới tự động GAMBIT để chia lưới thể tích khác khơng gian tính tốn Cài đặt thơng số động cơ, xác định không gian biến dạng xi lanh mặt di chuyển piston menu Dynamic mesh 13 Thiết lập thời điểm đóng, mở xú páp nạp; thời điểm đóng, mở van cấp ga menu Event Dynamic mesh Lựa chọn mô hình chảy rối k-e tiêu chuẩn Khai báo chất khí có mặt hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí Thiết lập điều kiện biên gồm: áp suất, nhiệt độ, thành phần chất khí vào cửa nạp vào vòi phun Xác lập chế độ hiển thị kết tính tốn 3.2 Kết mơ phỏng: 3.2.1 Mô biến thiên áp suất theo chế độ vận hành động M8C2, 10%LPG, phun riêng rẽ, j=90 độ RPM ÁP SUẤT Φ -12.000/0 0/3.5 1500 2500 -25.000/0 0/10 14 4000 -40.000/0 0/10 Bảng biểu diễn đường đồng mức áp suất hệ số tương đương điều kiện cung cấp nhiên liệu vị trí góc quay trục khuỷu 90 độ Trong trường hợp cấp biogas M8C2 qua vòi phun Động chạy tốc độ 4000 vòng/phút Chúng ta thấy vị trí góc quay trục khuỷu, tốc độ động giảm nhiên liệu dịch chuyển gần phía xi lanh thời gian dài trục khuỷu quay góc cho trước 3.2.2 Mô biến thiên nhiệt độ theo chế độ vận hành động Nhiệt độ (M7C3, 20% LPG, n2000, fi=1, fis=20) φ 340 469/577 Mặt cắt xy Mặt cắt zy 15 344 507/784 350 567/2174 356 630/2398 360 670/2423 372 817/2498 16 Bảng giới thiệu biến thiên trường nhiệt độ trình cháy hỗn hợp nhiên liệu biogas M7C3 pha 20% LPG Chúng ta thấy màng lửa chưa hình thành vùng tâm buồng cháy có nhiệt độ thấp vùng có nhiệt độ cao nằm gần thành xi lanh Khi màng lửa hình thành nhiệt độ cao vùng hỗn hợp cháy Khu vực cháy lan dần xa theo góc quay trục khuỷu 3.2.3 Mô biến thiên đường đồng mức Nox theo góc quay trục khuỷu q trình cháy Nồng độ NOx (M7C3, 20% LPG, n2000, fi=1, fis=20) φ 344 0/e-18 350 0/e-5 356 0/3,56e-4 Mặt cắt xy Mặt cắt zy 17 372 0/0,003 Biểu đồ biểu diễn biến thiên đường đồng mức NOx theo góc quay trục khuỷu q trình cháy Chúng ta thấy vùng có nồng độ NOx cao tập trung khu vực màng lửa 3.3 Kết luận chương Chương sở khoa học dẫn đường cho việc tổ chức thực nghiệm chương mà cho phép phân tích đánh giá, so sánh cách logic, khoa học kết nhận sau tiến hành thực nghiệm chương 18 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Trên sở tính tốn mơ chương 3, chương trình bày cách gia cơng lắp đặt cải tạo hệ thống nhiên liệu động DA465QE để phù hợp với nhiên liệu nghiên cứu, trình bày kết thực nghiệm phân tích đánh giá, so sánh kết thực nghiệm với tính tốn lý thuyết 4.1 Chế tạo, lắp đặt cung cấp nhiên liệu Biogas-LPG cho động DA465QE 4.1.1 Họng Venturi: Hình 4.1: Hình dạng, kết cấu hòa trộn van tiết lưu Họng venturi; Thân; Vít điều chỉnh 4.1.2 Van điện từ Van điện từ vị trí lắp đặt: Van điện từ lắp sau van xả trên bình chứa Biogas Nhiệm vụ van điện từ đóng mở nguồn cung cấp Biogas từ bình chứa Hình 4.2 Van điện từ 19 4.1.3 Van tổ hợp cung cấp nhiên liệu khí kiểu chân không van ngắt ga tự động kiểu khí (a) (b) Hình 4.3: (a): Van tổ hợp cung cấp Biogas-LPG cho động (b):Kết cấu van ngắt ga tự động kiểu khí 4.2 Thử nghiệm động chạy Biogas-LPG băng thử công suất 4.2.1 Đánh giá công suất động DA465QE chạy xăng Sau lắp đặt hoàn chỉnh động DA465QE lên băng thử công suất AVL cần đánh giá lại tính kỹ thuật động chạy xăng để điều chỉnh hệ thống trước chuyển sang chạy Biogas-LPG Hình 4.4 cho kết tính tốn cơng suất lý thuyết động theo tốc độ Hiệu suất tổng quát chọn 30% Cơng suất 20 cực đại tốc độ 5000 vòng/phút 37kW Công suất lớn 2kW so với cơng suất nhà chế tạo cung cấp Hình 4.4 Bảng kết tính tốn cơng suất lý thút động theo tốc độ Hình 4.5 so sánh lý thuyết thực nghiệm đường đặc tính ngồi động chạy xăng Chúng ta thấy kết thực nghiệm nhỏ kết lý thuyết khoảng 5% So sánh công suất lý thuyết thực nghiệm Nhiên liệu xăng 40 Pe_lý thuyết Pe (kW) 35 Pe_thực nghiệm 30 25 20 15 2000 3000 4000 5000 n (vòng/phút) Hình 4.5: So sánh cơng suất lý thút thực nghiệm Kết cho thấy hệ thống đảm bảo độ tin cậy để chuyển sang chạy nhiên liệu khí 21 4.2.2 So sánh cơng suất lý thuyết thực nghiệm động chạy hỗn hợp Biogas-LPG Kết cho thấy ứng với thành phần Biogas hàm lượng LPG pha vào Biogas cho trước (các bảng đồ cơng) áp suất cực đại cơng chu trình giảm tăng tốc độ động Điều tăng tốc độ động cơ, thời gian cháy bị giảm dẫn đến phận nhiên liệu không cháy hết giai đoạn cháy giảm lượng có ích cung cấp cho động So sánh công suất lý thuyết thực nghiệm động chạy hỗn hợp Biogas-LPG 35 Pe(kW) 30 25 50%Biogas+%50 %LPG 20 Thực nghiệm 15 10 2000 3000 4000 5000 n(vg/ph) Hình 4.6: Biểu đồ so sánh công suất cho bởi lý mô thực nghiệm động chạy hỗn hợp 50% Biogas+50% LPG Công suất cho mô thực nghiệm động chạy hỗn hợp gồm 50% Biogas M7C3 50% LPG giới thiệu hình 4.6 Chúng ta thấy bổ sung LPG vào Biogas công suất động tăng lên so với chạy Biogas Cụ thể công suất động đạt 33kW chạy hỗn hợp Biogas-LPG so với 31kW chạy Biogas chứa 70% CH4 Thực nghiệm thực băng thử động APA100 22 đại Cơng suất ngồi động khí chạy xăng, đo cơng suất ngồi động chạy hỗn hợp Biogas-LPG dải tốc độ Mỗi loại nhiên liệu đo đến lần lấy trung bình số liệu, đảm bảo độ tin cậy 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau đây: • Kết luận 1: Khi làm giàu Biogas LPG cơng suất động tăng so với chạy Biogas Góc đánh lửa sớm tối ưu động chạy Biogas-LPG tăng so với chạy xăng Công thị chu trình cực đại đạt hệ số tương đương hỗn hợp khoảng 1,09 Tốc độ động tăng cơng thị chu trình giảm • Kết luận 2: Bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu khí gồm tổ hợp van chân không van ngắt ga đảm bảo cho động hoạt động tối ưu chế độ vận hành, khắc phục nhược điểm hệ thống cấp ga van chân khơng đơn giản • Kết luận 3: Kết mơ phù hợp với kết thực nghiệm đo băng thử công suất động AVL Sai lệch mơ thực nghiệm khoảng 5% chấp nhận • Kết luận 4: Cung cấp Biogas LPG phun hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn trước phun riêng rẽ khơng có khác biệt nhiều trình tạo hỗ hợp trình cháy Kiến nghị  Đề tài phát triển theo hướng sau: - Đo áp suất thị xi lanh động để so sánh với áp suất thị mơ - Phân tích khí thải động chạy Biogas-LPG để so sánh với kết mô  Nhà nước cần sớm quan tâm khuyến khích người dân sử dụng khí Biogas cho hoạt động sinh hoạt 24 cơng nghiệp để góp phần giảm thiểu nhiễm hiệu ứng nhà kính  Các nhà khoa học cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa thiết bị, động sử dụng nhiên liệu Biogas tránh bị ăn mòn, độ bền cao tăng khả giảm tiêu hao nhiêu liệu  Đẩy mạnh công tác quảng bá tuyên truyền rộng khắp phương tiện truyền thông để người dân tiếp cận nắm bắt thông tin kịp thời việc sử dụng nhiên liệu Biogas nén cho loại phương tiện giao thông ... Thông số kỹ thuật động DA465QE 1.4.2.Đặc điểm kết cấu động DA465QE Động DA465QE sử dụng cấu phối khí xupáp treo, xupáp dẫn động gián tiếp thơng qua cấu đòn bẩy Trục cam dẫn động bánh trung gian... giảm tiêu hao nhiên liệu động 7 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Từ những yếu tố đã trình bày ở trên, đề tài Nghiên cứu tính động DA465QE sử dụng Biogas-LPG có ý nghĩa mang tính thực tế cao, khơng... nhà kính bầu khí quyển, đề tài tập trung nghiên cứu chuyển đổi động chạy xăng sang sử dụng lưỡng nhiên liệu Biogas-LPG Mục tiêu nghiên cứu Chuyển đổi động chạy xăng sang chạy lưỡng nhiên liệu