Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas diesel trên cơ sở động cơ diesel một xy lanh tĩnh tại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lê Minh Tiến NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH TĨNH TẠI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lê Minh Tiến NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH TĨNH TẠI Chuyên ngành: Mã số: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT 62 52 34 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học I: PGS.TS Trần Văn Nam Người hướng dẫn khoa học II: GS.TSKH Bùi Văn Ga Đà Nẵng - Năm 2013 -3- LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Lê Minh Tiến -4- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN - MỤC LỤC - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH: - CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP: - CÁC CHỮ VIẾT TẮT: - DANH MỤC CÁC BẢNG - 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - 11 MỞ ĐẦU .1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN Chương NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG .5 1.1.1 Nhiên liệu hóa thạch bùng nổ khí hậu .5 1.1.2 Nhiên liệu thay có nguồn gốc từ lượng mặt trời 1.2 NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 10 1.2.1 Tính chất biogas 10 1.2.2 Yêu cầu chất lượng biogas để làm nhiên liệu cho động đốt .12 1.2.3 Công nghệ lọc tạp chất biogas Việt Nam [4] 14 1.2.4 Chỉ số mêtan biogas 16 1.3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .16 1.3.1 Nghiên cứu ứng dụng biogas giới 16 1.3.2 Nghiên cứu ứng dụng biogas Việt Nam 21 1.4 NHU CẦU ĐỘNG CƠ BIOGAS CỠ NHỎ TẠI VIỆT NAM 25 1.4.1 Nhu cầu công suất kéo máy phát điện máy công tác 25 -51.4.2 Đặc điểm công nghệ hai nhiên liệu biogas/diesel Gatec-20 .27 1.4.3 Lựa chọn động nghiên cứu phát triển phù hợp 28 1.5 KẾT LUẬN 29 Chương PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL 31 2.1 CÁC GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI 31 2.1.1 Giải pháp động đánh lửa cưỡng 31 2.1.2 Giải pháp động nhiên liệu kép 32 2.2 TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIOGAS 33 2.2.1 Động sử dụng biogas đánh lửa cưỡng 33 2.2.2 Động nhiên liệu kép 37 2.3 CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL 38 2.3.1 Phạm vi sử dụng động hai nhiên liệu biogas/diesel 38 2.3.2 Yêu cầu thiết kế chuyển đổi 38 2.3.3 Xác định phương án nghiên cứu tính tốn thiết kế 39 2.4 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU .45 2.4.1 Thông số động 45 2.4.2 Kích thước .46 2.4.3 Đặc tính động .47 2.5 KẾT LUẬN 47 Chương MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KÉP BIOGAS/DIESEL .49 3.1 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KHÍ 49 3.1.1 Lý thuyết cháy hỗn hợp khơng hịa trộn trước 50 3.1.2 Lý thuyết trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước 58 3.1.3 Lý thuyết q trình cháy hịa trộn trước cục 64 3.2 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY .70 3.2.1 Thiết lập mơ hình tính tốn Ansys® Fluent 70 3.2.2 Đánh giá trình cháy nhiên liệu kép 73 3.2.3 Đánh giá ảnh hưởng yếu tố vận hành đến tính động hai nhiên liệu biogas/diesel .75 3.3 KẾT LUẬN 87 Chương THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL -6VIKYNO EV2600-NB-BIO TRÊN CƠ SỞ MẪU ĐỘNG CƠ VIKYNO EV2600-NB 89 4.1 THIẾT KẾ BỘ TẠO HỖN HỢP 89 4.1.1 Tính tốn thành phần hỗn hợp qua tạo hỗn hợp 89 4.1.2 Tính tốn thơng số tạo hỗn hợp .90 4.1.3 Thiết kế tạo hỗn hợp 93 4.1.4 Tính tốn mơ phần mềm Ansys® Fluent 93 4.1.5 Các thơng số chọn kết tính tốn điều kiện biên 95 4.1.6 Kết tính tốn: Trường áp suất, thành phần CH4, O2, vector tốc độ 98 4.2 TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS 108 4.2.1 Đặc điểm .108 4.2.2 Xác định phương án lắp đặt điều tốc biogas lên cấu chuyển động quay sẵn có động 108 4.2.3 Định vị cấu điều tốc lên trục cân 109 4.2.4 Đo xác định kích thước nắp máy 111 4.2.5 Thiết kế nắp máy cấu điều khiển 112 4.2.6 Tính tốn điều tốc biogas 113 4.2.7 Chế tạo lắp đặt nắp máy, điều khiển cấu điều tốc 119 4.3 KẾT LUẬN 121 Chương THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ 122 5.1 THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ .122 5.1.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 122 5.1.2 Các phương án lắp đặt động biogas lên băng thử công suất 123 5.1.3 Vít hạn chế lượng phun tối thiểu 124 5.1.4 Các thiết bị phục vụ thực nghiệm .125 5.1.5 Bảng thông số thiết bị 127 5.1.6 Các bước tiến hành thực nghiệm 128 5.1.7 Đo đạc tính động nguồn khí 128 5.2 SO SÁNH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .132 5.2.1 Phạm vi so sánh .132 5.2.2 So sánh ảnh hưởng độ đậm đặc hỗn hợp 133 5.2.3 So sánh ảnh hưởng thành phần nhiên liệu đến đường đặc tính ngồi động 135 -75.3 KẾT LUẬN 137 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .139 KẾT LUẬN .140 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 143 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO .145 -8- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH: - 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 - db [m] Đường kính buồng hỗn hợp - dh [m] Đường kính họng - an - vtb [m] Tốc độ trung bình dịng khí - lb [m] Chiều dài buồng hỗn hợp - ph [Pa] Độ chân không họng - i - Wi - f Hệ số thành phần hỗn hợp - ffuel Thành phần nhiên liệu hỗn hợp - fsec Thành phần nhiên liệu thứ cấp hỗn hợp - fox Thành phần chất oxy hóa hỗn hợp - psec Giá trị tương đối thành phần hỗn hợp thứ cấp - Sm Đại lượng nguồn truyền chất từ hạt nhiên liệu lỏng hay hạt phản ứng vào pha khí - Suser Đại lượng nguồn người sử dụng định nghĩa Hệ số dao động dòng chảy Số xi lanh [J] Công thị CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP: - : [độ] Góc quay trục khủy - s: [độ] Góc đánh lửa sớm (góc phun diesel mồi) -  Tỉ số nén -9-  Số kỳ - h Hệ số lưu lượng họng - biogas [kg/m3] Khối lượng riêng biogas - air [kg/m3] Khối lượng riêng khơng khí - λ Hệ số dư lượng khơng khí -  Hệ số tương đương - v Hệ số nạp CÁC CHỮ VIẾT TẮT: - C Carbon - ĐCT: Điểm chết - SVEAM: CÔNG TY TNHH MTV ĐỘNG CƠ VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP MIỀN NAM - TBN Chỉ số kiềm tổng (Total Base Number) - MN Chỉ số mêtan (Methane Number) - 10 - DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần trung bình thành phần biogas [74] 11 Bảng 1.2: Sản lượng CH4 theo lý thuyết [74] 12 Bảng 1.3: Sản lượng CH4 với nguồn nguyên liệu khác [74] 12 Bảng 1.4: Thời gian sử dụng động biogas theo số lượng lợn công suất động 25 Bảng 2.1: Thông số động Vikyno EV2600-NB 46 Bảng 2.2: Kích thước thơng số động Vikyno EV2600-NB 47 Bảng 3.1: Giá trị hệ số phương trình (3.42) 67 Bảng 3.2: Giá trị hệ số phương trình (3.44) 68 Bảng 3.3: Tương quan f ϕ (biogas chứa 60% thể tích CH4) 77 Bảng 4.1: Hệ số dao động dòng chảy 91 Bảng 4.2: Các thống số chọn kết tính toán khối lượng hỗn hợp giả định .95 Bảng 4.3: Kết tính tốn áp suất chân khơng trung bình theo tốc độ động 96 Bảng 4.4: Bảng thông số chọn kết tính lượng phun mồi .96 Bảng 4.5: Lượng khơng khí cần để đốt kiệt lượng diesel mồi theo tốc độ động 96 Bảng 4.6: Thơng số chọn để tính cơng suất động hai nhiên liệu biogas/diesel dựa khả cung cấp hòa trộn 96 Bảng 4.7: Thông số nhiên liệu biogas với thành phần khác 97 Bảng 4.8: Quan hệ góc mở % độ mở bướm ga 97 Bảng 4.9: Vị trí bướm ga để ϕ=1 n=1000 vòng/phút 105 Bảng 4.10: Vị trí bướm ga để ϕ=1 n=2200 vịng/phút 105 Bảng 4.11: Các thông số đo điều tốc biogas 114 Bảng 4.12: Chiều dài bướm ga theo loại nhiên liệu .116 Bảng 4.13: Tốc độ làm việc động theo biến dạng ban đầu lò xo điều tốc .116 Bảng 5.1: Thông số thiết bị thí nghiệm 127 Bảng 5.2: Bảng nội dung thực nghiệm 128 136 biogas thí nghiệm Góc phun sớm cố định 30 độ lượng đánh lửa chọn 10% lượng tia phun diesel tỏa chế độ định mức chạy hoàn toàn diesel Tốc độ động thay đổi từ 800 vòng/phút đến 2200 vòng/phút với bước 100 vòng/phút Ở giá trị tốc độ động ta tính tốn q trình sinh cơng từ lúc bắt đầu kỳ nén đến kết thúc kỳ dãn nở Từ xác định cơng thị chu trình tính tốn cơng suất có ích ứng với giá trị n cho trước hiệu suất giới m=0,8 Hình 5.19, Hình 5.20 Hình 5.21 so sánh đường đặc tính ngồi động cho mô thực nghiệm ứng với biogas chứa 80%, 70% 60% thể tích CH4 Chúng ta thấy mức độ phi tuyến đường đặc tính ngồi cho mơ nhỏ mức độ phi tuyến đường đặc tính ngồi cho thực nghiệm Ở vùng tốc độ thấp, công suất cho mô lớn công suất thực nghiệm Ở vùng tốc độ trung bình, cơng suất cho thực nghiệm lớn công suất cho mô Ở vùng tốc độ định mức, công suất cho bới mô thực nghiệm xấp xỉ Sự khác biệt lý do, thứ ta đơn giản hóa mơ hình cháy tia phun diesel tia đánh lửa hình trụ thứ hai tốc độ lan tràn màng lửa đưa vào tính tốn chưa bao hàm hết ảnh hưởng yếu tố lý hóa diễn buồng cháy thực tế 19 18 Pe (kW) 17 16 15 14 13 Thực nghiệm Mô 12 11 10 1200 1400 1600 1800 n (vịng/phút) 2000 2200 Hình 5.19: So sánh cơng suất mơ thực nghiệm (M8C2) 137 17 16 Pe (kW) 15 14 13 Thực nghiệm Mô 12 11 10 1200 1400 1600 1800 n (vịng/phút) 2000 2200 Hình 5.20: So sánh công suất mô thực nghiệm (M7C3) 16 15 Pe (kW) 14 13 12 11 Thực nghiệm Mô 10 1200 1400 1600 1800 2000 2200 n (vịng/phút) Hình 5.21: So sánh cơng suất mô thực nghiệm (M6C4) 5.3 KẾT LUẬN Động hai nhiên liệu biogas/diesel kiểu compact thử nghiệm tính băng thử cơng suất Froude Một số kết luận ta rút từ kết q trình thực nghiệm: - Cơng suất cực đại động thực tế nhỏ công suất cực đại cho nhà chế tạo Hai đường công suất tiến lại gần động đạt chế độ tốc độ định mức 138 - Công suất động chạy chế độ nhiên liệu kép lớn cơng suất động chạy hoàn toàn diesel - Nhiên liệu biogas có thành phần CH4 cao cơng suất cực đại ứng với tốc độ cho trước cao - Ở chế độ tốc độ định mức động nhiên liệu kép, sử dụng biogas nghèo có thành phần thể tích CH4 50%÷60%, khơng cần lọc CO2, mà đảm bảo công suất cực đại động nguyên thủy trước chuyển đổi - Suất tiêu hao nhiên liệu diesel gần không thay đổi động hoạt động chế độ nhiên liệu kép - Sự phù hợp kết cho tính tốn mơ q trình cháy nhiên liệu kép biogas/diesel mơ hình thiết lập chương kết đo từ thực nghiệm chứng tỏ mơ hình tính tốn xây dựng đảm bảo tính đắn 139 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây nhiễm nặng nề bầu khí CO2, sản phẩm cháy nhiên liệu hóa thạch chất khí gây hiệu ứng nhà kính, thủ phạm làm tăng nhiệt độ mặt đất dẫn đến tình trạng biến đổi khí hậu mực nước biển dâng, đe dọa sống nhân loại Mặt khác nguồn nhiên liệu hóa thạch lịng đất có giới hạn Sự khai thác cường độ cao thập niên gần làm cho nguồn lượng cạn kiệt nhanh chóng Sự gia tăng giá dầu mỏ thời gian gần phản ảnh thực trạng Khả tìm thấy nguồn dầu mỏ lớn khai thác thương mại khứ không hy vọng Một câu hỏi đặt nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt lồi người sử dụng nguồn lượng để thay Năng lượng hạt nhân từ lâu xem cứu cánh thảm họa hạt nhân Chernobyl năm 1986 Fukushima năm 2011 làm cho người ta đặt lại vấn đề Nước Đức tuyên bố từ bỏ hoàn toàn lượng hạt nhân vào năm 2022, nước Nhật xem xét đóng cửa nhà máy hạt nhân từ sau thảm họa kép động đất-sóng thần-hạt nhân… cịn nguồn lượng tái tạo có nguồn gốc từ lượng mặt trời đảm bảo trì văn minh nhân loại hệ Mặt trời biến mất! Ở nước ta, biogas nguồn lượng tái tạo dồi Việc nghiên cứu cơng nghệ sử dụng chúng có ý nghĩa quan trọng trọng việc tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch giảm mức độ phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính vào bầu khí Trong cơng trình nghiên cứu công nghệ chuyển đổi động diesel thành động hai nhiên liệu biogas/diesel lấy động VIKYNO EV2600 làm đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành trước tiên tính tốn mơ q trình cung cấp hỗn hợp trình cháy nhiên liệu kép biogas/diesel dựa phần mềm FLUENT Nghiên cứu thực nghiệm thực băng thử công suất động FROUDE Kết thực nghiệm số trường hợp tiêu 140 biểu cho phép điều chỉnh thông số mơ hình cho phù hợp Từ tính tốn mơ nhiều trường hợp vận hành khác động thực tế Kết cuối cơng trình sản phẩm động hai nhiên liệu biogas/diesel mẫu, compact, chuyển đổi từ động diesel nguyên thủy VIKYNO EV2600 áp dụng thực tiễn Công nghệ chuyển đổi động áp dụng nhiều chủng loại động khác nhờ chương trình tính tốn mô FLUENT thiết lập Kết nghiên cứu luận án cho phép rút kết luận sau đây: KẾT LUẬN Biogas lượng tái sinh có nguồn gốc từ lượng mặt trời nên việc sử dụng lượng khơng làm tăng nồng độ chất khí gây hiệu ứng nhà kính khí Sự diện CO2 biogas làm giảm nhiệt trị nhiên liệu, làm giảm tốc độ cháy, nhiên làm tăng tính chống kích nổ nhiên liệu, cho phép tăng tỉ số nén động Vì trường hợp sử dụng biogas nơi sản xuất, không cần phải lọc bỏ CO2 Điều cho phép giảm chi phí vận hành hệ thống cung cấp biogas cho động H2S chất có hại biogas Đối với nhiên liệu biogas sử dụng cho động tĩnh tại, hàm lượng H2S cho phép tối đa 500ppm Với yêu cầu cần sử dụng phương pháp hấp phụ rẻ tiền thay phải sử dụng phương pháp hấp thụ hóa chất đắt tiền để lọc H2S Vật liệu hấp phụ quặng sắt, đất chứa sắt bentonite, đá ong… hay phoi tiện sắt Việc chuyển đổi động diesel truyền thống sang chạy biogas thực theo phương pháp động đánh lửa cưỡng bức, phương pháp động nhiên liệu kép (dual fuel) hay phương pháp động hai nhiên liệu biogas/diesel Phương pháp nhiên liệu kép sử dụng lượng phun diesel tối 141 thiểu để làm lửa mồi đánh lửa động Trong vận hành lượng phun tối thiểu cần thiết để đánh lửa chiếm khoảng 10% lượng phun động chạy diesel chế độ định mức Tuy nhiên để vịi phun khơng q nóng trình hoạt động biogas, lượng phun tối thiểu cần trì mức khoảng từ 10% đến 20% lượng phun diesel chế độ định mức Phương pháp động hai nhiên liệu biogas/diesel mặt nguyên lý giống động nhiên liệu kép mặt kết cấu động có điều tốc điều khiển độc lập nhiên liệu diesel nhiên liệu biogas Với kết cấu này, động sử dụng lại diesel cần thiết Phương án phù hợp nơi có nguồn cung cấp biogas hạn chế Động hai nhiên liệu biogas/diesel sử dụng điều tốc biogas rời lắp bên động hay điều tốc compact lắp trực tiếp vào cấu truyền động bên động Trường hợp thứ đơn giản, động nguyên thủy khơng phải chuyển đổi nhiều cồng kềnh dẫn động Trường hợp thứ hai phải cải tạo nắp máy trục phụ động Phương án phức tạp chuyển đổi động gọn vận hành đơn giản Đối với hai phương án này, điều tốc diesel không thay đổi, điều tốc biogas tác động lên bướm ga điều khiển lưu lượng nhiên liệu cung cấp vào tạo hỗn hợp Bộ tạo hỗn hợp kiểu venturi có đặc tính cung cấp nhiên liệu phù hợp với yêu cầu làm việc động chế độ nhiên liệu kép biogas/diesel Tính tốn mơ dịng chảy qua tạo hỗn hợp cho phép xác định kích thước phận ứng với động có kích cỡ khác Kết tính tốn mơ cho thấy độ đậm đặc hỗn hợp giảm tốc độ động tăng Khi hàm lượng CH4 biogas thấp tốc độ giảm cao Tuy nhiên mặt giá trị tuyệt đối mức độ giảm độ đậm đặc bé, khơng ảnh hưởng đến q trình cháy động Đối với nhiên liệu biogas có hàm lượng CH4 từ 60% đến 90%, ta xem giá trị ϕ giảm từ (n=1000 vòng/phút) xuống 0,96 (n=2400 vòng/phút) Trong thực tế sử dụng động tĩnh tại, động chủ yếu làm việc vùng tốc độ định mức Do 142 để động phát hết công suất chế độ tốc độ này, ta cần thiết kế tạo hỗn hợp cho giá trị ϕ=1 tốc độ định mức Ở vùng tốc độ thấp, hỗn hợp trở nên đậm chút ít, khơng ảnh hưởng lớn đến q trình cháy Có thể thiết lập mơ hình tính tốn mơ q trình cháy động nhiên liệu kép biogas/diesel dựa phần mềm động lực học lưu chất FLUENT với mơ hình rối k-ε tiêu chuẩn, mơ hình cháy Partially Premixed, mơ hình tia phun mồi chọn gần theo dạng hình trụ với lượng đánh lửa lượng tia phun diesel cung cấp Thành phần nhiên liệu đặc trưng nhiệt động học hỗn hợp thiết lập lưu trữ dạng file pdf theo nhiệt độ áp suất để truy xuất q trình tính tốn nhằm rút ngắn thời gian tính Kết tính tốn mơ đường đặc tính ngồi động VikynoEV2600-NB chạy biogas theo phương án nhiên liệu kép phù hợp với kết thực nghiệm băng thử công suất Froude Công suất động nhiên liệu kép lớn cơng suất động chạy hoàn toàn diesel Ở chế độ tốc độ định mức động nhiên liệu kép, sử dụng biogas nghèo có thành phần thể tích CH4 50%÷60%, khơng cần lọc CO2, mà đảm bảo công suất cực đại động nguyên thủy trước chuyển đổi Điều lượng khơng khí thừa động chạy diesel lớn nên tăng lượng nhiên liệu biogas cung cấp để tăng công suất động mà không bị hạn chế độ đậm đặc hỗn hợp Góc phun sớm tăng hàm lượng CH4 nhiên liệu giảm hay tốc độ động tăng Khi động chạy chế độ nhiên liệu kép biogas/diesel với tốc độ 2000 vòng/phút sử dụng biogas chứa 70% thể tích CH4 góc phun sớm tối ưu 30 độ Trong điều kiện vận hành, nhiệt độ, áp suất cực đại hỗn hợp cháy buồng cháy nhiên liệu kép tăng hàm lượng CH4 biogas tăng, dẫn đến công giãn nở tăng tăng công suất động Đối với biogas giàu, cơng thị chu trình động giảm theo thành phần CH nhiên liệu Tuy nhiên biogas nghèo, cơng thị chu trình giảm 143 nhanh tốc độ giảm thành phần CH4 nhiên liệu chất lượng trình cháy bị xấu nồng độ CO2 nhiên liệu tăng nhanh Trong trường hợp này, cuối q trình cháy cịn lượng đáng kể nhiên liệu chưa cháy hết độ đậm đặc hỗn hợp ϕ < Kết nghiên cứu tổng hợp luận án cho phép thiết kế chi tiết, phận để chuyển đổi động diesel VIKYNO EV2600-NB thành động hai nhiên liệu biogas/diesel kiểu compact VIKYNO EV2600-NBBIO, kết cấu gọn nhẹ, thuận tiện sử dụng Những kết nghiên cứu áp dụng chủng loại động diesel khác để tạo sản phẩm cơng nghiệp góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch bảo vệ mơi trường HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Những kết nghiên cứu đề tài cho công nghệ chuyển đổi động diesel truyền thống động hai nhiên liệu biogas/diesel Để hồn thiện cơng nghệ, đề tài tiếp tục nghiên cứu theo hướng sau đây: Nghiên cứu chuyên sâu trình lọc H2S để nâng cao hiệu lọc theo hướng: sử dụng lọc xúc tác vi sinh cho trạm cung cấp biogas cỡ lớn nâng cao hiệu lọc hấp phụ vật liệu chứa sắt thông thường Nghiên cứu phương án lưu trữ biogas áp suất thấp áp suất trung bình để đảm bảo thời gian hoạt động cần thiết động tĩnh theo yêu cầu người sử dụng Tính tốn mơ tạo hỗn hợp trường hợp áp suất nguồn cung cấp biogas thay đổi Đo áp suất thị buồng cháy động để so sánh với áp suất thị cho tính tốn mơ nhằm loại trừ ảnh hưởng hiệu suất giới so sánh với kết thực nghiệm Nghiên cứu tuổi thọ động chạy biogas Nghiên cứu lựa chọn dầu bơi trơn thích hợp cho động chuyển sang chạy biogas 144 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch (2010), “So sánh hiệu kinh tế giải pháp cải tạo động chạy xăng dầu sang chạy biogas”, Tuyển tập cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy Khí tồn quốc, tr 185-192 Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến (2011), “Mơ q trình cháy dual fuel biogas/diesel”, Tạp Chí Giao Thơng Vận Tải, (4), tr 32-34 Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến (2011), “Nghiên cứu ảnh hưởng CO2 đến trình cháy dual fuel biogas-propane buồng cháy 3-D” Tạp chí Khoa học Công nghệ Trường Đại học Kỹ thuật, (81), tr 96-102 Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Tiến, Phạm Đình Long (2010), “Ảnh hưởng CO2 đến trình cháy biogas buồng cháy đẳng tích hình cầu”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, (11), tr 30-34 Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến, Nguyễn Việt Hải (2012), “Nghiên cứu thực nghiệm tính động nhiên liệu kép biogas/diesel”, Tuyển tập cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy Khí tồn quốc, tr 243-250 Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch (2013), “Ảnh hưởng thành phần CH4, góc đánh lửa sớm tỉ số nén đến tính động biogas”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, 5/2013, tr.7-9,13 Bui Van Ga, Tran Van Nam, Truong Le Bich Tram, Le Minh Tien, Le Xuan Thach (2013), “Determination of optimal operational parameters of biogas engines converted from diesel engines by modelling and experimental studies”, The 14th Asian Congress of Fluid mechanics, 15-19/10/2013, tr 819-824 145 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Ban quản lý Dự án "Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam" (2012), "Nghiên cứu máy phát điện khí sinh học" [2] Bộ tài ngun mơi trường (2012), Kịch biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam, Nhà xuất Tài nguyên - Môi trường Bản đồ Việt Nam [3] Dự án Chương trình Khí sinh học cho nghành chăn nuôi Việt Nam (2009), Báo cáo kết nghiên cứu Bộ lọc khí sinh học [4] Bùi Văn Ga (2012), Báo cáo tổng hợp kết khoa học công nghệ đề tài Nghiên cứu công nghệ sử dụng biogas dùng để phát điện, kéo máy công tác vận chuyển giới, mã số đề tài: 2010G/35, Đại học Đà Nẵng, Đà Nẵng [5] Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Hồng Ngun (2010), Tính tốn van cung cấp hỗn hợp biogas-khơng khí cho động tự cháy nén phần mềm Fluent, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, 39, pp 88-95 [6] Bùi Văn Ga, Ngô Văn Lành, Ngô Kim Phụng, Venet Cédric (2007), Thử nghiệm khí biogas động xe gắn máy, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, 18, pp 1-5 [7] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Nguyễn Hữu Hường, Lê Văn Lữ (21-23/7/2003), Mơ hình ba khu vực tính tốn q trình cháy phân lớp động đánh lửa cưỡng phun trực tiếp LPG, in Tuyển tập Hội nghị Cơ học thủy khí tồn quốc năm 2003, Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Hà Nội, pp 116-124 [8] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xuân Thạch (2011), Mơ dịng chảy qua tạo hỗn hợp động biogas đánh lửa cưỡng phần mềm Fluent, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Trường Đại học Kỹ thuật, 80, pp 134-138 [9] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến (2011), Nghiên cứu ảnh hưởng CO2 đến trình cháy dual fuel biogas-propane buồng cháy 3-D, Tạp chí Khoa học Công nghệ Trường Đại học Kỹ thuật, 81, pp 96-102 [10] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng (2011), Tính tốn nồng độ chất ô nhiễm sản phẩm cháy khuếch tán nhiên liệu biogas, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Trường Đại học Kỹ thuật, 80, pp 107-112 [11] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang (2008), Tối ưu hóa q trình cung cấp biogas cho động tĩnh sử dụng hai nhiên liệu biogas-dầu mỏ., Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, 28, pp 22-30 [12] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh (2008), Hệ thống cung cấp biogas cho động dual-fuel biogas/diesel, Tạp chí Khoa học [1] 146 [13] [14] [15] [16] [17] [18] Công nghệ Đại học Đà Nẵng, 25, pp 17-22 Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch (2010), So sánh hiệu giải pháp cung cấp biogas cho động đốt trong, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, 37, pp 65-72 Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Văn Đơng (2009), Khả giảm phát thải CO2 Việt Nam nhờ sản xuất điện biogas., Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, 30, pp 7-13 Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Trần Thanh Hải Tùng (2009), Xác định kích thước van cung cấp biogas cho động hai nhiên liệu biogas/diesel nhiều xi lanh cỡ lớn, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, 32, pp 24-31 Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trương Lê Hồn Thiện, Phạm Duy Phúc, Đặng Hữu Thành, Juliand Arnaud (2007), Hệ thống cung cấp khí biogas cho động kéo máy phát điện 2HP, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, 20, pp 80-85 Bùi Văn Ga Động biogas Website: www.dongcobiogas.com Công ty TNHH MTV Động Máy nông nghiệp Miền Nam Website: www.sveam.com Tiếng Anh [19] David House (1981), The biogas handbook, Peace Press, Culver City, CA [20] International District Heating Association (1983), District Heating Handbook: A Design Guide, Published in the interest of the district heating and cooling industry by International District Heating Association [21] Saiful Bari (1996), Effect of carbon dioxide on the performance of biogas/diesel duel-fuel engine, Renewable Energy, 6, pp 1007-1010 [22] M Boxwell (2012), Solar Electricity Handbook: A Simple, Practical Guide to Solar Energy : how to Design and Install Photovoltaic Solar Electric Systems, Greenstream Publishing [23] Roberto Chellini (2007), Jenbacher engines power bioenergy park, Diesel & Gas Turbine Worldwide [24] Helena Chum (2011), Bioenergy Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, Cambridge University Press [25] Peter M Cox, Richard A Betts, Chris D Jones, Steven A Spall, Ian J Totterdell (2000), Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model, Nature, 408, pp 184-187 [26] V Deri G Mancini (1990), Development of medium-speed and high-speed diesel engines to burn natural gas, biogas and lean gas on stationary plants, Proceedings – Society of Automotive Engineers, pp 837-847 147 [27] Dieter Deublein Angelika Steinhauser (2008), Biogas from Waste and Renewable Resources [28] M Elia, M Ulinski, M Metghalchi (2001), Laminar Burning Velocity of Methane-Air-Diluent Mixtures, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 123, pp 190-196 [29] History of sustainable energy The surprising history of sustainable energy Website: Sustainablehistory.wordpress.com 2012-11-01 [30] Ademar R Filho (1992), Performance, consumption and emission with a otto engine, running with alternative fuel methane, SAE Paper, 921441 [31] ANSYS® Fluent (Release 12.0), Non-Premixed Combustion, in Help System: Theory Guide Chapter 8, ANSYS, Inc [32] ANSYS® Fluent (Release 12.0), Partially Premixed Combustion, in Help System: Theory Guide Chapter 9, ANSYS, Inc [33] ANSYS® Fluent (Release 12.0), Premixed Combustion, in Help System: Theory Guide Chapter 9, ANSYS, Inc [34] Bui Van Ga, Pham Xuan Mai, Liviu Georgescu (16-17 Nov 2000), A mathematical model for calculation of turbulence diffusion combustion in air and in Diesel engines, Proceedings of the VII International Conference of Motor Vehicles CAR-2000 (FISITA, SIAR), Romania [35] Bui Van Ga, Pham Xuan Mai, Nguyen Huu Huong (24-28 October 2002), Calculation of LPG Stratified Mixture Formation in a Direct Injection Engine, International Conference on Automotive Technololy, Hanoi [36] B Galmiche, F Halter, F Foucher, P Dagaut (2011), Effects of Dilution on Laminar Burning Velocity of Premixed Methane/Air Flames, Energy Fuels, 25, pp 948-954 [37] Dieter Helm (2012), Climate policy: The Kyoto approach has failed, Nature, 491, pp 663-665, 11/29/print [38] JT Houghton, Y Ding, DJ Griggs, M Noguer, PJ van der Linden, X Dai, et al (2001), CLIMATE CHANGE 2001: THE SCIENTIFIC BASIS, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, USA [39] J Huang R J Crookes (1998), Assessment of simulated biogas as a fuel for the spark ignition engine, Fuel, 77, pp 1793-1801 [40] M King Hubbert (1956), Nuclear Energy and the Fossil Fuels, drilling and production practice [41] R Janssen D Rutz (2011), Bioenergy for Sustainable Development in Africa, Springer Netherlands [42] Geoffrey Jones Loubna Bouamane (2012), "Power from Sunshine": A Business History of Solar Energy, Working Paper [43] W P Jones J H Whitelaw (1982), Calculation methods for reacting turbulent flows: A review, Combustion and Flame, 48, pp 1-26 148 [44] G A Karim I Wierzba (1992), Methane-carbon dioxide mixtures as a fuel, SAE Technical Paper 921557 [45] E Kijne, K De Wilde, D @Bol, I.D Beij (1984), Biogas in Asia: Inventory Field Study on the State of Development of Biogas Digesters for Household Use in Tropical Rural Communities, Consultants for management of Development Programmes [46] J F Kuhnke (2008), Optimization of gas engines for the use of biogas, Deutz power systems, VDI-Berichte Nr 2046, pp 183-198 [47] X Li (2012), Agricultural Development in China and Africa: A Comparative Analysis, Earthscan from Routledge [48] N C Macari R D Richardson (1987), Operation of a caterpillar 3516 sparkignited engine on low-btu fuel, Journal of engineering for gas turbines and power, 109, pp 443-447 [49] Martin Malenshek Daniel B Olsen (2009), Methane number testing of alternative gaseous fuels, Fuel, 88, pp 650–656 [50] Stephen P Marshall, Richard Stone , Crina Heghes, Trevor J Davies, Roger F Cracknell (2010), High pressure laminar burning velocity measurements and modelling of methane and n-butane, Combustion Theory and Modelling, 14(4), pp 519-540 [51] Gerald A Meehl, Warren M Washington, William D Collins, Julie M Arblaster, Aixue Hu, Lawrence E Buja, et al (2005), How much more global warming and sea level rise?, Science, 307, pp 1769-1772 [52] Mohamad Metghalchi James C Keck (1982), Burning velocities of mixtures of air with methanol, isooctane, and indolene at high pressure and temperature, Combustion and Flame, 48, pp 191-210 [53] Klaus von Mitzlaff (1988), Engine for biogas, Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH [54] G P Mueller (1995), Landfill gas application development of the Caterpillar G3600 spark- ignited gas engine, Journal of engineering for gas turbine and power, 117, pp 820-825 [55] G Narayanan S O Bade Shrestha (2007), Landfill gas – a fuel for IC engine applications, ASME internal combustion engine technical conference, Charleston [56] S Neyeloff W W Cunkel (1981), Performance of a CFR engine burning simulated anaerobic digester’s gas, ASAE Publication, 2, pp 324-329 [57] OECD (2011), OECD Factbook 2011-2012, OECD Publishing [58] Keith Packham (2007), The case for waste to energy: Utilizing low-Btu reciprocating gas engine generators, Technical information from Cummins Power Generation, Power topic #6015 [59] M Persson, O Jonsson, A Wellinger (2006), Biogas upgrading to vehicle fuel 149 [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] standards and grid injection E Propatham, A Ramesh, B Nagalingam (2008), Investigation on the effect of concentration of methane in biogas when used as a fuel for spark ignition engine, Fuel, 87, pp 1651-59 Stefan Rahmstorf, Ocean Currents and Climate Change, in Climate Impact Research: Why, how and When?: Joint International Symposium, Berlin October 28-29, 1997, 2000, p ^37 Omid Razbani, Nima Mirzamohammad, Mohsen Assadi (2011), Literature review and road map for using biogas in internal combustion engines, Third International Conference on Applied Energy, Perugia, Italy REN21 (2012), RENEWABLES 2012 GLOBAL STATUS REPORT, The Renewable Energy Policy Network for the 21st Century A Roubaud D Favrat (2005), Improving performances of a lean burn cogeneration biogas engine equipped with combustion prechambers, Fuel, 84, pp 2001-07 S O Bade Shrestha G A Karim (1999), Hydrogen as an additive to methane for spark ignition engine applications, International journal of hydrogen energy, 24, pp 577-586 S O Bade Shrestha G A Karim (2001), Predicting the effect of presence of diluents with methane on spark ignition engine performance, Applied thermal engineering, 21, pp 331-342 T Stahl, J.R Fischer, F.D Harris (1982), Thermal energy from a biogas engine/generator system, American Society of Agricultural Engineers, p 18 Sebastian Stolpp European Biogas Association Website: www.europeanbiogas.eu R Stone, A Clarke, P Beckwith (1998), Correlations for the LaminarBurning Velocity of Methane/Diluent/Air Mixtures Obtained in Free-Fall Experiments, Combustion and Flame, 114, pp 546-555 Solomon Susan (2007), Climate change 2007-the physical science basis: Working group I contribution to the fourth assessment report of the IPCC 4, Cambridge University Press K Tanoue, H Kido, T Hamatake, F Shimada (2000), Improving the turbulent combustion performance of lean methane mixture by hydrogen addition, FISITA world automotive congress, Seoul G Tchobanoglous, F L Burton, H D Stensel (2003), Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4th edition 14, McGraw-Hill, New York Solar Star Technologies History of PV Solar Website: Solarstartechnologies.com Dominik Rutz Teodorita Al Seadi, Heinz Prassl, Michael Köttner, Tobias Finsterwalder, Silke Volk, Rainer Janssen (2008), Biogas handbook, 150 [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] University of Southern Denmark Esbjerg, Niels Bohrs Vej 9-10, DK-6700 Esbjerg, Denmark R H Thring (1985), Alternative fuels for spark-ignition engines, SAE Paper, 831685 James L Walsh, Charles C Ross, Micheal S Smith (1988), Handbook on Biogas utilization, US Department of Energy A Wellinger A Linberg (2000), Biogas Upgrading and Utilization, International Energy Association, IEA Bioenergy Task 24, p 20 Arthur Wellinger, Jerry Murphy, David Baxter (2013), The Biogas handbook : science, production and applications, Woodhead Pub., Philadelphia, PA Wikipedia Effects of global warming on oceans Website: https://en.wikipedia.org/wiki/Effects_of_global_warming_on_oceans Wikipedia Global climate model Website: https://en.wikipedia.org/wiki/Global_climate_model Wikipedia Global warming Website: https://en.wikipedia.org/wiki/Global_warming Wikipedia (2012) Concentrated solar power Website: https://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power Wikipedia (2012) District heating Website: https://en.wikipedia.org/wiki/District_heating John K S Wong (1977), Study of mixtures of methane and carbon dioxide as fuels in a single cylinder engine (CLR), SAE Paper no 770796 Lynn Wright, Bob Boundy, Bob Perlack, Stacy Davis, Bo Saulsbury (2006), Biomass Energy Data Book, Volume A G Wunsche (1985), High speed engines for gaseous fuels as power modules in total energy plants, CIMAC international congress on combustion engines, Oslo V L Zimont (2000), Gas premixed combustion at high turbulence Turbulent flame closure combustion model, Experimental Thermal and Fluid Science, 21, pp 179-186 V L Zimont A N Lipatnikov (1995), A Numerical Model of Premixed Turbulent Combustion of Gases, Chem Phys Report, 14(7), pp 993-1025 V Zimont, W Polifke, M Bettelini, W Weisenstein (1998), An Efficient Computational Model for Premixed Turbulent Combustion at High Reynolds Numbers Based on a Turbulent Flame Speed Closure, Journal of Engineering Gas Turbines Power, 120(3), pp 526-532 ... VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lê Minh Tiến NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/ DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH TĨNH TẠI Chuyên ngành: Mã số: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT... cậy thiết bị cao nhu cầu cấp thiết Do ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo động sử dụng hai nhiên liệu biogas/ diesel sở động diesel xi lanh tĩnh tại? ?? đề tài có ý nghĩa khoa học thực tiễn MỤC TIÊU NGHIÊN... chỉnh tích hợp Gatec-20 vào bên hợp lý - Vì ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo động sử dụng hai nhiên liệu biogas/ diesel sở động diesel xi lanh tĩnh tại? ?? cần thiết, mang tính thời cao đem lại hiệu kinh