Nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp của động cơ sử dụng nhiên liệu khí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRƯƠNG CÔNG HUY C C R L T NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRƯƠNG CÔNG HUY NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ C C R L T DU Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH BÙI VĂN GA Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác TÁC GIẢ LUẬN VĂN TRƯƠNG CÔNG HUY C C DU R L T NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ Học viên: Trương Cơng Huy Chun ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 85.20.11.6 Khóa:K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Luận văn trình bày kết mơ q trình cung cấp nhiên liệu biogas-H2 cho động đánh lửa cưỡng dựa tính tốn độ chân khơng đường nạp Kết cho thấy khu vực có độ chân khơng lớn nằm gần họng venturi phía hạ lưu Cùng độ mở bướm ga, tăng tốc độ động độ chân khơng tăng mạnh hệ số tương đương hỗn hợp giảm, đồng thời đỉnh đường cong chân khơng dịch chuyển dần phía cuối q trình nạp Tốc độ động thơng số ảnh hưởng lớn đến hệ số tương đương Nếu cấp nhiên liệu khí van chân khơng phổ biến 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 biogas nghèo bổ sung H2 Từ khóa: Nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydrogen; HHO; Động đánh lửa cưỡng C C R L T DU RESEARCH PROCESS OF COMBINATION OF GAS FUEL ENGINE Abstract: The thesis presents the simulation results of biogas-H2 supply process for spark ignition engine based on vacuum calculation in the intake manifold The results show that the largest vacuum area is located near the venturi throat toward the downstream At a given throttle valve position, as the engine speed increases, the vacuum level increases sharply and the equivalence ratio of the mixture decreases, while the vacuum curve peak gradually moves towards the end of the intake process Engine speed is the most important parameter that affects the equivalence ratio If gas fuel is supplied by a popular existing vacuum valve, when adjusting the mixture properly at low speed, at high speed the mixture is too poor; if the mixture is adjusted properly at high speed, at low speed the mixture is too rich The fuel supply system consists of an intermittent supply power valve and a continuous supply enriche valve that adjusts the equivalence ratio in accordance with the engine operating modes and improves the uniformity of the mixture, suitable for spark ignition engine fueled with poor biogas enriched by H2 Keywords: Renewable fuels; Biogas; Hydrogen;; Spark Ignition Engine MỤC LỤC TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan môi trường 1.1.1 Hệ lụy với mơi trường việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch 1.1.2 Nhu cầu sử dụng nhiên liệu thay thế/ tái tạo động đốt 11 1.1.3 Tình hình sử dụng nhiên liệu tái tạo nước ta 12 1.2 Tổng quan Biogas 15 1.2.1 Giới thiệu Biogas 15 1.2.2 Sản xuất, tinh luyện Biogas 16 1.2.3 Đặc điểm nhiên liệu Biogas 23 CÁC PHƯƠNG ÁN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KHÍ CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 25 C C 2.1 Tổng quan hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động xăng .25 2.2 Hệ thống nhiên liệu sử dụng chế hịa khí 27 R L T 2.3 Hệ thống phun xăng điện tử 29 2.3.1 Hệ thống phun xăng điện tử tập trung Mono – JetronicPhun 30 2.3.2 Hệ thống phun xăng điện tử đa điểm 31 2.3.3 Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI 32 2.4 Phân tích ưu nhược điểm giải pháp cung cấp nhiên liệu 33 DU 2.4.1 Ở chế độ không tải chuẩn 33 2.4.2 Ở chế độ tăng tốc 34 2.4.3 Chế độ khởi động động 35 2.4.4 Chế độ toàn tải 37 2.4.5 Chế độ giảm tốc đột ngột (Q trình khơng tải cưỡng bức) 37 2.5 Công nghệ cải tạo động chạy nhiên liệu lỏng sang chạy nhiên liệu khí biogas 38 2.5.1 Chuyển đổi động xăng 38 2.5.2 Chuyển đổi động diesel 38 2.6 Các giải pháp cấp nhiên liệu khí 39 2.7 Phương án cung cấp nhiên liệu khí cho động đánh lửa cưỡng 40 2.7.1 Sử dụng Gatec cung cấp nhiên liệu khí cho động 40 2.7.2 Dùng chế hòa khí 41 2.7.3 Phun nhiên liệu khí đường nạp động 43 2.7.4 Phun trực tiếp nhiên liệu khí vào buồng cháy động 44 MƠ PHỎNG Q TRÌNH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ HÌNH THÀNH HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS HYDROGEN 46 3.1 Mơ q trình phun biogas-hydrogen phương pháp phun điều khiển điện tử 46 3.1.1 Giới thiệu phần mềm FLUENT 6.3 46 3.1.2 Thiết lập mô hình tính tốn Fluent 47 3.1.3 Kết mô 49 3.2 Mô trình cung cấp biogas-hydrogen phương pháp hút .52 3.2.1 Thiết lập mơ hình tính tốn Fluent 52 3.2.2 Kết mô 54 THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC MỨC ĐỘ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SAMDI SB3600 CHẠY BẰNG BIOGAS BỔ SUNG H2 65 C C 4.1 Trang thiết bị thực nghiệm .65 R L T 4.1.1 Máy phát điện Samdi 65 4.1.2 Bộ phụ kiện Gatec 26 67 4.1.3 Máy đo nồng độ khí thải Opus 400 70 4.1.4 Đồng hồ đo cơng suất dịng điện 71 4.2 Quá trình thực nghiệm 72 DU 4.3 Bố trí thiết bị thí nghiệm thực tế kết đo 72 4.4 Bảng kết thực nghiệm 73 4.5 So sánh đánh giá công suất máy phát điện sinh ra: 732 4.6 So sánh ảnh hưởng nồng độ H2 đến mức độ phát thải CO lý thuyết thực nghiệm .743 4.7 So sánh mức độ phát thải HC thay đổi nồng độ H2 hỗn hợp nhiên liệu mô thực nghiệm 754 4.8 Kết luận 765 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN………………………………………….76 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ…………………………………… 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….78 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Giới thiệu giá trị trung bình thành phần diện biogas 15 Bảng 1.2: Sản lượng CH4 theo lý thuyết 15 Bảng 1.3: Sản lượng CH4 với nguồn nguyên liệu khác 16 Bảng 1.4: Giới thiệu cần thiết phải lọc tạp chất phụ thuộc vào phương tiện sử dụng biogas 19 Bảng 3.1: Bảng số liệu ảnh hưởng hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên áp suất xi lanh 59 Bảng 3.2 59 Bảng 3.3 60 Bảng 3.4: 61 C C Bảng 4.1: Bảng số liệu thực nghiệm 73 R L T Bảng 4.2: Bảng số liệu so sánh công suất động ( mô phỏng) công suất máy phát điện ( thực nghiệm) 73 DU Bảng 4.3: Bảng số liệu so sánh nồng độ phát thải CO khí xả thực nghiệm mơ 74 Bảng 4.4: Bảng số liệu so sánh mức độ phát thải HC thay đổi nồng độ H2 hỗn hợp nhiên liệu mô thực nghiệm 75 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Biến thiên nhiệt độ khí gần mặt đất qua thời kỳ băng hà.[1] .7 Hình 1.2 Biến thiên nhiệt độ khí so với nhiệt độ trung bình 1961-1990 Hình 1.5: Nguy chìm ngập khu vực Đơng Nam Á dâng cao mực nước biển Hình 1.6: Sự dịch chuyển tự nhiên dòng đại dương 10 Hình 1.7: Kịch cắt giảm phát thải CO2 theo COP21 10 Hình 1.8: Cơ cấu lượng tương lai cho phương tiện giao thơng giới 11 Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống sản xuất Biogas 16 Hình 1.10: Các giai đoạn hình thành biogas từ chất hữu 17 Hình 1.11 Sơ đồ tổng quát trình sản xuất, tinh lọc lưu trữ .19 Hình 1.12 Yêu cầu lọc tạp chất biogas giải pháp sản xuất điện khác .19 Hình 1.13 Phoi sắt bị oxy hóa 22 Hình 1.14 Diatomite Phú Yên 23 Hình 2.1: Hệ thống nhiên liệu sử dụng ché hịa khí .28 Hình 2.2: Ngun lý hoạt động chế hịa khí 29 Hình 2.3: Hệ thống phun xăng điện tử điểm Mono – Jetronic 30 Hình 2.4: Hệ thống phun xăng điện tử KE – Jetronic 31 Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu loại động GDI 32 Hình 2.6: Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí sử dụng cơng nghệ Gatec 25 41 Hình 2.7: Sơ đồ thiết kế cấp loại nhiên liệu cho động 42 Hình 2.8 Sơ đờ thiết kế cấp chung đa nhiên liệu cho động .43 Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu khí đường nạp động 44 Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu khí trực tiếp vào buồng cháy động 45 Hình 3.1: Chia lưới khơng gian tính tốn q trình nạp Biogas -Hydrogen cho động Samdi SB3600 với phương pháp phun điều khiển điện tử .48 Hình 3.2: Quá trình phun tạo hỗn hợp Biogas - Hydrogen 49 Hình 3.3: Sự thay đổi nồng độ CH4, H2,HC theo góc quay trục khuỷu 50 Hình 3.4: Sự biến thiên hệ số tương đương ϕ theo góc quay trục khuỷu ứng với tốc độ động khác 50 Hình 3.5: Biến thiên nồng độ nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu bướm ga đóng 50 51 Hình 3.6: Biến thiên hệ số tương đương ϕ theo góc quay trục khuỷu bướm ga đóng 500 51 Hình 3.7: Biến thiên góc phun Biogas theo tốc độ động n ứng với độ mở bướm ga khác 52 C C DU R L T Hình 3.8: Sơ đồ tạo hỗn hợp động chạy biogas nghèo làm giàu H2 53 Hình 3.9: Đường đồng mức tốc độ áp suất tốc độ quay trục khuỷu 1500 vịng/phút 3500 vịng/phút (khơng cung cấp nhiên liệu) 53 Hình 3.10: Trường tốc độ, trường áp suất trường nồng nộ nhiên liệu động chạy tốc độ 1500 vòng/phút 4000 vịng/phút 54 Hình 3.11: Biến thiên áp suất tĩnh trung bình mặt cắt ngang (a) áp suất tĩnh điểm sát thành đường nạp (b) trục khuỷu động quay với tốc độ 2000 vịng/phút, khơng cấp ga 54 Hình 3.12: Ảnh hưởng tốc độ quay trục khuỷu đến áp suất tĩnh trung bình mặt cắt ngang số 55 Hình 3.13: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) van cấp gas liên tục (b) 56 Hình 3.14: Biến thiên hệ số tương đương  hỗn hợp xi lanh động ứng với chế độ tốc độ khác động chạy biogas theo phương thức cấp ga gián đoạn (a) liên tục (b) 57 Hình 3.15: Biến thiên hệ số tương đương ϕ hỗn hợp xi lanh động ứng với chế độ tốc độ khác động chạy biogas làm giàu hydrogen theo phương thức cấp ga gián đoạn (a) liên tục (b) 58 Hình 3.16 : Ảnh hưởng hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên áp suất xi lanh 58 Hình 3.17: Ảnh hưởng hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ CO xi lanh .60 Hình 3.18: Ảnh hưởng hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ HC xi lanh .60 Hình 3.19: Ảnh hưởng hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ NOx xi lanh .61 Hình 3.20: So sánh biến thiên cơng thị chu trình theo hàm lượng LPG/H2 pha vào biogas M7C3 (n=4000 vòng/phút, ϕ =1) 62 Hình 3.21: So sánh biến thiên nồng độ CO, HC, NOx theo hàm lượng LPG/H2 pha vào biogas M7C3 (n=4000 vòng/phút, ϕ =1) 63 Hình 4.1 : Máy phát điện SAMDI S3600B .65 Hình 4.2: Mơ hình động kéo máy phát điện SAMDI S3600B 65 Hình 4.3: Động SAMDI S3600B 66 Hình 4.4: Bộ Gatec-26-2 67 Hình 4.5: Mặt cắt GATEC 26-2 69 Hình 4.6: Máy đo nồng độ khí xả Opus400 70 Hình 4.7: Đồng hồ đo cơng suất dịng điện .71 Hình 4.8: Hình ảnh bố trí thực nghiệm xưởng AVL Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng .73 C C DU R L T Hình 4.9: Ảnh hưởng %H2 hỗn hợp đến công suất động máy phát điện 74 Hình 4.10: So sánh mức phát thải CO khí xả động Samdi S3600 sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu lượng H2 tăng dần 75 Hình 4.11: So sánh mức độ phát thải HC thay đổi nồng độ H2 hỗn hợp nhiên liệu mô thực nghiệm 76 C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... TRƯƠNG CƠNG HUY NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TẠO HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ C C R L T DU Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC... Phun nhiên liệu khí đường nạp động 43 2.7.4 Phun trực tiếp nhiên liệu khí vào buồng cháy động 44 MƠ PHỎNG Q TRÌNH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ HÌNH THÀNH HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ... cách: (1) sử dụng nhiên liệu tái tạo (2) nâng cao hiệu sử dụng nhiệt trình cháy nhiên liệu 1.2 Đặc điểm cung cấp nhiên liệu khí cho động C C  Hiệu sử dụng nhiên liệu tái tạo thể khí động đốt