Sử dụng Biogas được làm giàu bởi hydrogen trên động cơ DA465QE

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ XUÂN HUY SỬ DỤNG BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI HYDROGEN TRÊN ĐỘNG CƠ DA465QE 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: PGS.TS BÙI THỊ MINH TÚ Phản biện 1: PGS.TS TRẦN THANH HẢI TÙNG 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 Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch giảm nhiễm mơi trường hai vấn đề lớn mà đối mặt thời đại ngày Lĩnh vực giao thông vận tải tiêu thụ đến 80% lượng nhiên liệu hóa thạch lĩnh vực phát thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính Để đảm bảo phát triển bền vững nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu tái tạo từ năm kỷ trước Nhiên liệu tái tạo có nguồn gốc từ mặt trời nên việc sử dụng chúng không làm gia tăng nồng độ CO2 bầu khí Ở nước vùng nhiệt đới biogas lượng mặt trời nguồn lượng tái tạo dồi Trong năm gần đây, sản lượng điện mặt trời giới tăng gần đến 15 lần Việt Nam phát triển điện mặt trời vượt xa so với kế hoạch dự kiến Người ta dự báo đến năm 2022, công suất lượng mặt trời chiếm tới nửa so với công suất lượng từ than, đồng thời trở thành nguồn lượng lớn nguồn lượng tái tạo Kỷ nguyên lượng tái tạo thức đời sớm dự kiến nhà khoa học kỷ trước Khi có điện mặt trời việc sản xuất nhiên liệu hydrogen thực phương pháp điện phân nước Nhiên liệu hydrogen sử dụng để cung cấp có thơng qua pin nhiên liệu hay thơng qua q trình cháy động đốt Biogas có tạp chất CO2 nên tốc độ cháy thấp Điều gây trở ngại cho việc áp dụng hiệu nhiên liệu động đốt trong, động cao tốc Trong Hydrogen nhiên liệu có tốc độ cháy cao vượt trội so với loại nhiên liệu khác Do việc sử dụng biogas làm giàu hydrogen giải pháp hữu hiệu để áp dụng rộng rãi nguồn nhiên liệu tái tạo biogas cho phương tiện vận chuyển giới Với lý đó, đề tài “sử dụng Biogas làm giàu Hydrogen động DA465QE” luận văn có ý nghĩa to lớn cho phép sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen động cung cấp giải pháp để sử dụng phù hợp Mục tiêu nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn nhằm giải vấn đề sau: Thử nghiệm nhiên liệu biogas làm giàu hydrogen động ô tô tải nhẹ nhằm phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu tái tạo phương tiện giao thông giới Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 3.1 Đối tượng nghiên cứu: Động DA465QE lắp ô tô tải nhẹ Trường Hải Tower 750 3.2 Phạm vi nghiên cứu: Về sản xuất nhiên liệu: Biogas lấy từ hầm sản xuất biogas có sẵn; hydrogen sản xuất điện phân nước Về mô phỏng: Nghiên cứu mô cung cấp nhiên liệu khí phương pháp phun hút Về thực nghiệm: Chỉ đo công suất động mức độ phát thải chế độ làm việc thường xuyên ô tô Phương pháp nghiên cứu : Sử dụng kết hợp mô thực nghiệm để đánh giá tính kỹ thuật phát thải nhiễm động chạy biogas làm giàu hydrogen Ý nghĩa khoa học thực tiễn: - Góp phần vào việc nghiên cứu sử lưỡng nhiên liệu xăng biogas làm giàu hydrogen cho loại động đốt - Đóng góp phần kinh nghiệm tiêu chí nghiên cứu động tương lai Việt Nam gồm 02 lĩnh vực: sử dụng nhiên liệu công nghệ tiên tiến hướng đến bảo vệ mơi trường sống - Đa dạng hố nguồn nhiên liệu sử dụng cho loại động đốt thân thiện với môi trường sử dụng nhiên liệu xăng biogas làm giàu hydrogen cho loại động đốt CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 VẤN ĐỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HĨA THẠCH Trong vòng 400.000 năm trở lại đây, nhiệt độ khí gần mặt đất trải qua chu kỳ băng hà (hình 1.1) Sự thay đổi nhiệt độ bầu khí khứ phụ thuộc vào tượng tự nhiên Từ bắt đầu thời kỳ công nghiệp, hoạt động người nguyên nhân gây gia tăng nhiệt độ bầu khí Sự gia tăng nhiệt độ khí gần mặt đất gây hậu nề môi trường Cây cối lớn nhanh chết sớm Một số giống động thực vật biến biến đổi khí hậu Nếu môi trường tiếp tục bị tác động khô hạn, bão lụt cân hệ thống sinh thái hành tinh bị ảnh hưởng nặng nề Cường độ bão tăng mạnh số lượng bão có giảm so với trước Nguyên nhân biến động môi trường nêu nhiệt độ khí gia tăng Hình 1.3 Biến thiên nhiệt độ trung bình khí gần mặt đất nồng độ CO2 tương ứng Trong số nguồn phát thải CO2 phương tiện giao thông giới chiếm tỷ trọng lớn Để giảm phát thải CO2 theo lộ trình COP21 ngành ô tô cần đầu việc thay đổi cấu lượng 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, khơng 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 TƠ TẢI NHẸ TRƯỜNG HẢI TOWER 750 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 1.4.2.Đặc điểm kết cấu động DA465QE 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Từ yếu tố trình bày trên, đề tài “Sử dụng Biogas làm giàu Hydrogen động DA465QE” 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 HYDROGEN 2.1 HYDROGEN-NHIÊN LIỆU BỀN VỮNG TƯƠNG LAI Hydrogen (H2) loại nhiên liệu thay sản xuất từ nguồn tài nguyên nước khác Hydrogen có nhiều mơi trường Nó lưu trữ nước (H2O), hydrocacbon (như metan, CH4) chất hữu khác Một thách thức việc sử dụng hydro làm nhiên liệu đến từ việc chiết xuất cách hiệu từ hợp chất 2.2 TÍNH CHẤT HĨA LÝ CỦA HYDROGEN 2.2.1 Nguồn gốc thành phần nhiên liệu HHO HHO (oxyhydrogen) sản phẩm q trình điện phân nước, thành phần HHO khí hydro H2 khí oxy O2 2.2.2 Khí hydro (H2) 2.2.3 Khí oxy (O2) 2.3 SẢN XUẤT VÀ LƯU TRỮ HYDROGEN 2.3.1 Sản xuất hydrogen 2.3.2 Lưu trữ hydrogen 2.4 PIN NHIÊN LIỆU 2.5 SỬ DỤNG HYDROEN TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI 2.5.1 Ơ tơ sử dụng động đốt chạy hydrogen 2.5.2 Ô tô sử dụng pin nhiên liệu chạy hydrogen 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Hydrogen chìa khóa cho kinh tế lượng dựa vào lượng mặt trời lượng gió thay nhiên liệu hóa thạch CHƯƠNG MƠ PHỎNG Q TRÌNH CUNG CẤP BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DA465QE 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 khơng 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 thông số động cơ, xác định không gian biến dạng xi lanh mặt di chuyển piston menu Dynamic mesh - Thiết lập thời điểm đóng, mở xú páp nạp; thời điểm đóng, mở van cấp ga menu Event Dynamic mesh - Lựa chọn mơ 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 ĐỘ CHÂN KHƠNG TRÊN ĐƯỜNG NẠP 10 Hình 3.19 Nguyên lý cấp ga van chân không Nguyên lý đóng, mở van cơng suất van làm đậm dựa áp suất chân không đường nạp mơ tả hình 3.19 Khi tốc độ động tăng độ chân khơng tăng thời gian dành cho kỳ nạp giảm Do cần phải bù thêm lượng nhiên liệu cần thiết để đảm bảo thành phần hỗn hợp nằm giới hạn cháy Hai phương án cung cấp nhiên liệu khí kiểu hút chân khơng đề xuất: phương án cấp nhiên liệu gián đoạn (hình 3.20) cung cấp nhiên liệu liên tục (hình 3.21) Nguyên lý hoạt động chung van dựa vào cân lực hút chân khơng tác động lên màng van lực căng lò xo Trong trường hợp cấp ga gián đoạn, đường hút chân khơng đường cấp ga vào đường nạp Do mở van cấp ga, độ chân khơng van giảm van đóng lại Sau đóng, q trình nạp, độ chân không tăng trở lại van lại mở Việc đóng, mở van diễn theo chu kỳ Trong trường hợp cấp ga liên tục khoan cấp ga cô lập với khoan hút chân không Do áp suất ga khơng ảnh hưởng đến độ chân khơng nên van khơng đóng, mở theo chu kỳ trường hợp cấp ga gián đoạn 11 Hình 3.20 Van cấp ga gián đoạn Hình 3.21 Van cấp ga liên tục 3.5 PHÂN BỐ HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG KHI CUNG CẤP BIOGAS -HYDROGEN HÒA TRỘN TRƯỚC 12 3.5.1 Cung cấp CH4 H2 Phản ứng cháy H2: H2 + 1/2O2 H2O Phản ứng cháy CH4: CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O Như để đốt cháy hồn tồn mol H2 cần ½ mol O2 Trong để đốt cháy hồn tồn mol CH4 phải cần đến mol O2 Do điều kiện nạp cung cấp nhiên liệu H2 thành phần hỗn hợp nghèo cấp CH4 3.5.2 Cung cấp hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen hòa trộn trước 3.5.2.1 Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen pha vào biogas đến hệ số tương đương 3.5.2.2 Ảnh hưởng thành phần biogas đến hệ số tương đương 3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: - Độ chân không cực đại đạt khu vực gần họng venturi phía hạ lưu Độ chân khơng họng venturi tăng mạnh theo tốc độ động Thời điểm độ chân không họng đạt cực đại dịch chuyển dần phía cuối q trình nạp tốc độ động tăng 13 - Mức độ dao động áp suất họng nạp giảm tăng tốc độ động Khi cấp ga liên tục biến thiên áp suất mặt cắt ngang không thay đổi nhiều cung cấp bổ sung hydrogen vào biogas Tuy nhiên cấp ga gián đoạn mức độ dao động áp suất trường hợp bổ sung hydrogen vào biogas thấp đáng kể cấp biogas riêng rẽ - Cùng độ mở bướm ga, hệ số tương đương của hỗn hợp giảm mạnh tăng tốc độ động Cùng điều kiện cấp gas, cấp liên tục hệ số tương đương  hỗn hợp cao nhiều so với cấp gas gián đoạn - Khi thành phần hydrogen pha vào biogas nhỏ 20% thể tích không ảnh hưởng nhiều đến biến thiên áp suất đường nạp hệ số tương đương hỗn hợp Trong điều kiện nạp, cung cấp túy H2 hệ số tương đương hỗn hợp giảm mạnh so với cung cấp CH4 - Giải pháp cấp ga van chân không phổ biến không phù hợp với việc cung cấp biogas nghèo cho động Với giải pháp này, điều chỉnh hỗn hợp hợp lý tốc độ thấp tốc độ cao hỗn hợp loãng; điều chỉnh hỗn hợp hợp lý tốc độ cao tốc độ thấp hỗn hợp đậm - Hệ thống cấp nhiên liệu gồm van công suất cấp ga gián đoạn, van làm đậm cấp ga liên tục giúp điều chỉnh thành phần hỗn hợp phù hợp với chế độ công tác động đồng thời cải thiện độ đồng hỗn hợp, phù hợp động chạy nhiên liệu khí nghèo 14 - Khi thay đổi hàm lượng H2 biogas khơng cần điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu thay đổi thành phần biogas hệ thống cung cấp nhiên liệu cần phải điều chỉnh để đảm bảo thành phần hỗn hợp hợp lý chế độ công tác động CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÌNH SINH KHÍ HYDROGEN 4.1 Phương án thiết kế bình sinh khí hydrogen Khí hydrogen tạo thành chủ yếu nhờ phương pháp điện phân nước Điện phân nước phân hủy nước thành oxy khí hydro dòng điện qua Phản ứng có điện chuẩn −1,23 V, nghĩa lý tưởng đòi hỏi chênh lệch tiềm 1,23 volt để tách nước 4.1.2 Lựa chọn phương án bình sinh khí hydrogen Phương án bình sinh khí HHO cách điện phân dung dịch NaOH Sử dụng dòng điện chiều 12 V, điện cực thép khơng gỉ (Hình 4.1) 15 Đệm cao su Vải ni lông Đệm cao su Bản cực âm Đệm cao su Mặt bích Hình 4.1 Cấu tạo bình sinh khí hydrogen 4.2 HỆ THỐNG NÉN BIOGAS VÀO BÌNH CHỨA 16 Hình 4.3 Hệ thống nén biogas vào bình chứa 4.3 CẢI TẠO ĐỘNG CƠ TOWNER DA465QE SANG CHẠY BẰNG BIOGAS -HYDROGEN 17 Hình 4.4 Van tổ hợp cung cấp hỗn hợp nhiên liệu biogashydrogen cho động gồm van cấp ga liên tục van cấp ga gián đoạn 18 Hình 4.5 Kết cấu van ngắt ga kiểu khí lắp vào van tổ hợp 4.4 LẮP ĐẶT BỘ PHỤ KIỆN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KHÍ LÊN ĐỘNG CƠ THỬ NGHIỆM Đây loại xe tải nhẹ trang bị động kiểu DA465QE 04 xi lanh thẳng hàng, phun xăng điện tử đa điểm, với dung tích xi lanh 970 cc cho cơng suất cực đại 35 Kw mô men xoắn cực đại 19 72N.m/3000~3500 vòng/phút Động cung cấp nhiên liệu phương thức phun xăng nên đường nạp họng venturi Các phương án cải tạo chuyển đổi nhiên liệu cho động nhiều, đề cập đến việc chuyển đổi chuyển đổi từ xăng sang Biogas-HHO cách cải tạo đường nạp lắp thêm họng Venturi trước bướm ga động Hình 4.6 Bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu khí lên động thử nghiệm 20 4.5 LẮP ĐẶT ĐỘNG CƠ TOWNER DA465QE LÊN BĂNG THỬ 4.5.1 Tổng quan băng thử AVL 4.5.2 Lắp động DA465QE lên băng thử AVL 4.6 THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ TOWNER DA465QE 4.7 SO SÁNH KẾT QUẢ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM KHI ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG XĂNG 4.7.1 Giới hạn thực nghiệm Dựa vào thực tế có thiết bị thí nghiệm, luận văn đo số liệu thực nghiệm trường hợp sau: - Đo cơng suất ngồi động chạy xăng tốc độ 2000, 3000, 4000 5000 vòng/phút - Đo cơng suất ngồi động chạy hỗn hợp biogashydrogen tốc độ 2000, 3000, 4000 5000 vòng/phút 4.7.2 Thử nghiệm động chạy biogas-LPG băng thử cơng suất Hình 4.11 giới thiệu 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% 21 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 4.11 So sánh đường đặc tính ngồi động chạy xăng cho lý thuyết thực nghiệm - 4.8.ẢNH HƯỞNG THÀNH PHẦN BIOGAS ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ Hình 4.12 giới thiệu ảnh hưởng thành phần biogas đến công suất động Chúng ta thấy thành phần CH4 biogas tăng cơng suất động tăng Kết cho thấy hàm lượng CH4 biogas tăng từ 60% lên 80% công suất động tăng lên khoảng 5% tốc độ 5000 vòng/phút 22 Cơng suất động chạy Biogas 35 60%CH4 30 70%CH4 Pe(kW) 80%CH4 25 20 15 10 2000 3000 4000 5000 n(vg/ph) Hình 4.12 Ảnh hưởng thành phần biogas đến công suất động 4.9 SO SÁNH CÔNG SUẤT LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM KHI ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG HỖN HỢP BIOGASHYDROGEN Hình 4.13 so sánh công suất cho lý thuyết thực nghiệm động chạy hỗn hợp gồm 50% biogas 50% hydrogen Biogas chứa 70% CH4 Chúng ta thấy bổ sung hydrogen vào biogas cơng suất động tăng lên so với chạy biogas Cụ 23 thể công suất động đạt 34kW chạy hỗn hợp biogashydrogen so với 1kW chạy biogas chức 70% CH4 So sánh công suất lý thuyết thực nghiệm động chạy hỗn hợp Biogas-Hydrogen 35 Pe(kW) 30 25 50%Biogas+%50 %H2 20 Thực nghiệm 15 10 2000 3000 4000 5000 n(vg/ph) Hình 4.13 So sánh công suất cho lý thuyết thực nghiệm động chạy hỗn hợp 50% biogas+50% hydrogen 24 4.10 KẾT LUẬN CHƯƠNG Dựa kết tính tốn mơ q trình nạp nhiên liệu biogas-hydrogen chế tạo phụ kiện tổ hợp cung cấp nhiên liệu khí phù hợp với chế độ công tác khác động Bộ phụ kiện gồm van chân không phối hợp cung cấp biogashydrogen, van ngắt ga kiểu khí họng venturi lắp trước bướm ga Bộ phụ kiện cho phép cải tạo động phun xăng sang chạy nhiên liệu khí Cơng suất thực nghiệm nhỏ công suất lý thuyết khoảng 3% động chạy biogas-hydrogen Công suất thực nghiệm nhỏ công suất nhà chế tạo cung cấp 5% chạy xăng ... LƯU TRỮ HYDROGEN 2.3.1 Sản xuất hydrogen 2.3.2 Lưu trữ hydrogen 2.4 PIN NHIÊN LIỆU 2.5 SỬ DỤNG HYDROEN TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI 2.5.1 Ơ tơ sử dụng động đốt chạy hydrogen 2.5.2 Ơ tơ sử dụng pin... liệu Biogas làm giàu Hydrogen động cung cấp giải pháp để sử dụng phù hợp Mục tiêu nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn nhằm giải vấn đề sau: Thử nghiệm nhiên liệu biogas làm giàu hydrogen động. .. để áp dụng rộng rãi nguồn nhiên liệu tái tạo biogas cho phương tiện vận chuyển giới Với lý đó, đề tài sử dụng Biogas làm giàu Hydrogen động DA465QE luận văn có ý nghĩa to lớn cho phép sử dụng