Mục tiêu nghiên cứu đề tài là nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng biogas trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid biogas-năng lượng mặt trời, góp phần phát triển ứng dụng năng lượng tái tạo ở khu vực nông thôn Việt Nam.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP BỘ THUỘC CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2018 Nghiên cứu tính kinh tế kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động cỡ nhỏ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen Mã số: CTB2018-DNA.01 Cơ quan chủ trì: Chủ nhiệm đề tài: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG GS.TSKH BÙI VĂN GA ĐÀ NẴNG, 7/2020 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI TT Họ tên Đơn vị công tác GS.TSKH Bùi Văn Ga Đại học Đà Nẵng TS Cao Xuân Tuấn Đại học Đà Nẵng TS Lê Minh Tiến Khoa Cơ khí Giao thơng-Trường ĐHBK-ĐHĐN TS Huỳnh Tấn Tiến Khoa Cơ khí Giao thông-Trường ĐHBK-ĐHĐN TS Nguyễn Quang Trung Khoa Cơ khí Giao thơng-Trường ĐHBK-ĐHĐN ThS Bùi Văn Tấn Cơng ty Đăng kiểm Đà Nẵng MỤC LỤC Mở đầu Chương : Tính tốn mơ q trình cung cấp biogas làm giàu hydrogen, LPG, xăng cho động Cung cấp biogas-HHO phương pháp hút Tạo hỗn cách phun biogas-hydrogen/HHO đường nạp Tóm tắt kết Chương : Mơ q trình cháy phát thải ô nhiễm động đánh lửa cưỡng sử dụng biogas làm giàu hydrogen loại nhiên liệu khác Động chạy biogas làm giàu hydrogen Động chạy biogas làm giàu HHO Điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu động phun biogas-HHO đường nạp Tóm tắt kết Chương : Tính tốn mơ q trình cháy phát thải ô nhiễm động dual fuel chạy biogas làm giàu hydrogen Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen đến phát thải bồ hóng NOx Ảnh hưởng tia phun mồi diesel 10 Ảnh hưởng dạng buồng cháy 11 Tóm tắt kết Chương : Nghiên cứu cải tạo động tĩnh chạy xăng, dầu truyền thống thành động chạy biogas làm giàu 13 hydrogen Bộ phụ kiện chuyển đổi động xăng thành động biogas-hydrogen kiểu van chân không tổ hợp 13 Cải tạo động truyền thống thành động phun nhiên liệu biogashydrogen/HHO 15 Động dual fuel biogas-hydrogen/HHO với điều tốc rời 16 Động dual fuel biogas-hydrogen với điều tốc compact 17 Tóm tắt kết 18 Chương : Thí nghiệm động chạy biogas làm giàu hydrogen/HHO 18 i Điều kiện thí nghiệm 18 Thí nghiệm tính động dual fuel biogas-hydrogen 18 Thực nghiệm động đánh lửa cưỡng chạy biogas-hydrogen 20 Tóm tắt kết 21 Kết luận 22 Hướng phát triển 25 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) van cấp gas liên tục (b) Hình 2: Ảnh hưởng chế độ tải tốc độ động đến thời gian phun biogas Hình 3: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên cơng thị chu trình theo góc đánh lửa sớm động cung cấp nhiên liệu sinh học (a) với biogas làm giàu 30°CA-HHO (b); giản đồ đánh lửa (c) (Biogas M7C3, = 1, s = 20 °CA, BV = 0°) Hình 4: Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen đến biến thiên nồng độ cực đại bồ hóng (a) nồng độ bồ hóng khí thải (b) theo hệ số tương đương động nhiên liệu kép (biogas chứa 70% CH4, n = 2200 v/ph, i = 27°TK) 10 Hình 5: Ảnh hưởng dạng buồng cháy đến biến thiên cơng thị chu trình (a) nồng độ chất ô nhiễm (b) theo hàm lượng H2 pha vào biogas (n=1200 v/ph, M7C3, 78/94) 11 Hình 6: Van chân khơng tổ hợp GATEC 26 14 Hình 7: Lắp đặt cụm van chân khơng tổ hợp lên động biogashydrogen/HHO 14 Hình 8: Sơ đồ nguyên lý lắp đặt cảm biến lên động biogashydrogen/HHO điều khiển điện tử 15 Hình 9: Động biogas-hydrogen/HHO điều khiển điện tử cải tạo từ động Honda GX200 15 Hình 10: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen/HHO cho động dual fuel (a) động dual fuel biogas-hydrogen/HHO sau cải tạo (b) 16 Hình 11: Vị trí lắp điều tốc compact 17 Hình 12: Động dual fuel biogas-hydrogen/HHO với điều tốc compact 17 Hình 13: So sánh biến thiên áp suất xi lanh động cho mô thực nghiệm động dual fuel chạy tốc độ 2000 vòng/phút với biogas chứa 60% CH4 (a), 70% CH4 (b) 80% CH4 (c); =1; s=25 19 Hình 14: So sánh đường đặc tính ngồi động dual fuel cho mô thực nghiệm chạy biogas M6C4 biogas M6C4 làm giàu 20% hydrogen (=1,1; s=22,25; m=0,85) 19 Hình 15: So sánh biến thiên công suất (a), HC (b) CO (c) theo hàm lượng H2 pha vào biogas M6C4 (n=3000 vịng/phút, =1) 20 Hình 16: So sánh cơng suất động (a), phát thải NOx (b) CO (c) cho mô thực nghiệm chạy biogas M6C4 +10% HHO tốc độ 2400 vòng/phút, =1 21 DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT TK : Độ theo góc quay trục khuỷu BV : Vị trí bướm ga () CA : Góc quay trục khuỷu CI : Động tự cháy nén DME : Dimethyl Ether ĐCT : Điểm chết fv : Hàm lượng thể tích bồ hóng (ppm) HHO : Hydroxy, hỗn hợp khí gồm 2/3 H2 1/3 O2 theo thể tích HRR : Tốc độ tỏa nhiệt (J/CA) MxCy : Thành phần biogas gồm 10x% CH4 10y% CO2 theo thể tích n : Tốc độ động (vịng/phút) p : Áp suất (bar) Pe : Cơng suất có ích (kW) SI : Động đánh lửa cưỡng T : Nhiệt độ (K) : Thời gian phun (ms) V : Thể tích xi lanh (lít) Wi : Cơng thị chu trình (J/ct) a/b : Hệ số tương đương thành phần gas : Hệ số tương đương nhiên liệu khí, gas=a : Hệ số tương đương tổng quát, =b die : Hệ số tương đương diesel, die=b-a : Góc quay trục khuỷu (TK) s : Góc đánh lửa sớm (TK) so : Góc đánh lửa sớm tối ưu (CA) m : Hiệu suất giới THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thơng tin chung: • Tên đề tài: Nghiên cứu tính kinh tế kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động cỡ nhỏ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen • Mã số: CTB2018-DNA.01 • Chủ nhiệm đề tài: GS TSKH Bùi Văn Ga • Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng • Thời gian thực hiện: 8/2018-8/2020 Mục tiêu: Nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu giảm phát thải ô nhiễm động chạy biogas hệ thống lượng tái tạo hybrid biogas-năng lượng mặt trời, góp phần phát triển ứng dụng lượng tái tạo khu vực nông thơn Việt Nam Tính sáng tạo: - Về cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu: Sử dụng hydrogen để làm giàu biogas mặt góp phần giải vấn đề lưu trữ lượng mặt trời mặt khác, cải thiện chất lượng trình cháy động biogas từ nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu giảm phát thải ô nhiễm - Về phương pháp nghiên cứu: Sử dụng mạnh công cụ mô để thực nghiên cứu trình tạo hỗn hợp trình cháy bên xi lanh động mà phương pháp đo đạc thực nghiệm khó thực Kết mô đánh giá số liệu thực nghiệm đầu động Phương pháp cho phép khắc phục khó khăn sở vật chất để thực nghiên cứu chuyên sâu động sử dụng nhiên liệu tái tạo - Về kết mơ phỏng: Nhờ đốn tương diễn bên buồng cháy động nên xác lập mối quan hệ cơng thị chu trình động nồng độ chất ô nhiễm theo thành phần nhiên liệu yếu tố kết cấu, vận hành động để từ thiết lập chiến lược điều khiển động phù hợp - Về ứng dụng kết mô phỏng: Các prototype động chạy biogas làm giàu hydrogen thiết lập sở kết nghiên cứu mô Hệ thống nạp nhiên liệu biogas làm giàu hydrogen thiết kế chế tạo; hệ thống phun nhiên liệu lắp đặt để cải tạo động truyền thống I thành động điều khiển điện tử; góc đánh lửa sớm, góc phun sớm động tĩnh truyền thống điều chỉnh cho phù hợp với thành phần nhiên liệu Kết nghiên cứu: Do hydrogen có giới hạn cháy rộng nên chế hịa khí cung cấp nhiên liệu biogas phổ biến cho động không phù hợp với nhiên liệu biogas làm giàu hydrogen Kết nghiên cứu cho thấy để đảm bảo cho động chạy biogas làm giàu hydrogen làm việc ổn định chọn hai giải pháp cung cấp nhiên liệu: (1) cụm van tổ hợp kiểu chân không gồm van cấp ga liên tục van cấp ga gián đoạn (2) hệ thống phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử Cụm van tổ hợp kiểu chân không thiết kế theo mơ-đun để ghép song song cụm van nhằm cung cấp đủ nhiên liệu cho động có cơng suất tương ứng Đối với hệ thống phun nhiên liệu, sử dụng cảm biến động xe gắn máy phun xăng với ECU mở APITech để cải tạo động truyền thống thành động phun biogas/hydrogen/HHO Bên cạnh điều chỉnh lượng phun xác, hệ thống cịn cho phép điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu phù hợp với chế độ cơng tác động đặc tính cháy hỗn hợp nhiên liệu Hiệu trình cháy động cải thiện làm giàu biogas hydrogen Khi pha 40% hydrogen vào biogas cơng thị chu trình động tăng khoảng 10% so với chạy nhiên liệu biogas tương ứng không pha hydrogen Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm dần tăng hàm lượng H2 nhiên liệu Nồng độ NOx sản phẩm cháy tăng tăng hàm lượng H2 pha vào biogas Mức độ tăng NOx cao ứng với biogas nghèo Nồng độ NOx giảm tăng tốc độ động tăng tăng góc đánh lửa sớm Tương tự hydrogen, cơng thị chu trình động tăng theo hàm lượng HHO pha vào biogas Khi pha 20% HHO vào biogas M6C4 cơng suất động đạt cơng suất chạy xăng Góc đánh lửa sớm tối ưu động giảm tăng hàm lượng HHO pha vào biogas Khi cố định góc đánh lửa sớm, tăng hàm lượng HHO biogas áp suất nhiệt độ cực đại tăng đồng thời đỉnh đường cong dịch chuyển phía gần ĐCT Điều tăng nồng độ NOx theo hàm lượng HHO pha vào nhiên liệu Việc bổ sung HHO vào biogas giúp cải thiện hiệu suất động cơ, giảm phát thải CO dẫn đến tăng nồng độ NOx Có thể biểu diễn mối quan hệ tuyến tính cơng thị chu trình, nồng độ CO theo hàm lượng HHO biểu diễn mối quan hệ parabol nồng độ NOx hàm lượng HHO Đối với động dual fuel chạy biogas làm giàu hydrogen, tăng hàm lượng diesel phun vào buồng cháy nồng độ bồ hóng cực đại nồng độ bồ hóng khí xả tăng Ở tốc độ động cho trước, lượng phát thải NOx giảm tăng hệ số tương đương tăng tăng nồng độ hydrogen hỗn hợp nhiên II Khi tăng lượng diesel tia phun mồi để đánh lửa cơng thị chu trình nhiệt độ cháy bị ảnh hưởng nhiên nồng độ CO bồ hóng thay đổi đáng kể Kết mơ cho thấy khi die tăng từ 0,09 lên 0,16 Wi tăng 4%, nhiệt độ cháy tăng 10K, nồng độ CO khí thải động tăng từ 0,7% lên 1,2% cịn nồng độ bồ hóng tăng từ 0,007ppm lên 0,03ppm Cùng chế độ vận hành hệ số tương đương phương thức đánh lửa cưỡng có lợi phương thức đánh lửa dual fuel tính kỹ thuật lẫn mức độ phát thải ô nhiễm Với hệ số tương đương tổng quát =0,91, động đánh lửa cưỡng có Wi tăng 6%, CO giảm 80%, NOx tăng 20% fv bỏ qua so với trường hợp đánh lửa dual fuel với die=0,13 Ảnh hưởng dạng buồng cháy Nồng độ bồ hóng phụ thuộc chủ yếu vào q trình cháy khuếch tán tia phun mồi diesel Cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu nồng độ bồ hóng khí thải động có buồng cháy omega cao động có buồng cháy dự bị Điều vận động mạnh dịng khí buồng cháy dự bị làm cho hạt nhiên liệu diesel bốc nhanh chóng, giảm thời gian tồn hạt nhiên liệu lỏng, hạn chế tượng cháy khuếch tán, ngun nhân hình thành bồ hóng 3 fv (m /m ) Wi (J/cyc) Trong điều kiện cung cấp nhiên liệu nhiệt độ cháy động có buồng cháy dự bị cao động có buồng cháy omega Do nồng độ NOx phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ nên nồng độ NOx khí thải động có buồng cháy dự bị cao động có buồng cháy omega Khi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas nhiệt độ trình cháy tăng làm tăng nồng độ NO x hai trường hợp buồng cháy Cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu nồng độ bồ hóng khí thải buồng cháy dự bị gấp 1,5 lần nồng độ chúng khí thải động buồng cháy omega xH (%V) (a) (b) Hình 5: Ảnh hưởng dạng buồng cháy đến biến thiên cơng thị chu trình (a) nồng độ chất ô nhiễm (b) theo hàm lượng H2 pha vào biogas (n=1200 v/ph, M7C3, 78/94) Hình 5a hình 5b so sánh biến thiên cơng thị chu trình nồng độ chất nhiễm theo hàm lượng H2 pha vào biogas M7C3 động sử dụng buồng cháy omega buồng cháy dự bị Như phân tích trên, điều kiện vận hành điều kiện cung cấp nhiên liệu, so với động có buồng cháy omega, động buồng cháy dự bị có cơng thị chu trình lớn đồng thời mức độ phát thải CO, bồ hóng động thấp Khi hàm lượng H2 pha vào biogas tăng khác biệt Wi, CO, fv giảm hai kiểu buồng cháy giảm ảnh hưởng hydrogen đến tốc độ cháy lớn ảnh hưởng vận động xốy lốc dịng khí Trong nồng độ NO x khí thải động buồng cháy dự bị cao động buồng cháy omega mức độ chênh lệch gia tăng theo hàm lượng H2 pha vào biogas Điều giải thích chênh lệch nhiệt độ cháy hai kiểu buồng cháy tăng theo hàm lượng hydrogen pha vào biogas Kết cho thấy để tăng hiệu trình cháy động dual fuel sử dụng biogas làm nhiên liệu sử dụng buồng cháy dự bị trường hợp hàm lượng H2 pha vào biogas thấp sử dụng buồng cháy omega trường hợp hàm lượng H2 pha vào biogas cao Ở chế độ tốc độ, sử dụng buồng cháy dự bị có lợi buồng cháy omega cơng thị chu trình, 11 giảm phát thải CO bồ hóng bất lợi nồng độ NOx cao Càng tăng tốc độ động buồng cháy dự bị thể rõ ưu điểm tính kỹ thuật Tóm tắt kết Kết nghiên cứu chương tóm tắt sau: - Mức độ phát thải CO tăng nhanh theo độ đậm đặc hỗn hợp theo thành phần CH4 biogas Nồng độ CO tăng tăng nhiệt độ giảm tăng áp suất buồng cháy Cùng hệ số tương đương tổng quát, nồng độ CO tăng đánh lửa tia phun mồi so với đánh lửa tia lửa điện - Khi tăng hàm lượng diesel phun vào buồng cháy nồng độ bồ hóng cực đại nồng độ bồ hóng khí xả tăng Ứng với hệ số tương đương =1 cho trước, giá trị nồng độ bồ hóng cực đại giảm 30% giá trị bồ hóng khí thải giảm 60% lượng phun diesel giảm từ 25% xuống 15% - Ở tốc độ động lượng phun diesel cho trước, giá trị lớn nồng độ bồ hóng cực đại đạt vùng hỗn hợp giàu với hệ số tương đương nằm khoảng 1,2-1,3 lượng phun diesel tăng từ 15% đến 25% Trong đó, nồng độ bồ hóng khí thải tăng theo hệ số tương đương hỗn hợp - Ở giá trị hệ số tương đương lượng phun diesel cho trước, tốc độ động ảnh hưởng nhẹ đến tốc độ hình thành bồ hóng ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ cháy bồ hóng Nồng độ bồ hóng khí thải giảm 60% nồng độ cực đại bồ hóng giảm 50% tốc độ động tăng từ 1800 vòng/phút lên 2400 vòng/phút giá trị hệ số tương đương lượng phun diesel cho trước - Nồng độ bồ hóng khí thải thực tế bỏ qua hệ số tương đương =0,98 lượng phun diesel 15% Đây điều kiện lý tưởng vận hành động dual fuel biogas diesel mặt hạn chế phát thải bồ hóng - Nếu góc phun sớm động cố định 27°TK, giá trị cực đại áp suất xi lanh tăng 12% cơng thị chu trình giảm 0,7% hàm lượng hydrogen hỗn hợp nhiên liệu tăng từ 5% đến 20 % - Góc phun sớm tối ưu giảm tăng nồng độ hydrogen hỗn hợp nhiên liệu Cơng thị chu trình tối đa đạt góc phun sớm 22°, 27°, 30°, 35°TK tương ứng với nồng độ hydrogen hỗn hợp nhiên liệu 20%, 15%, 10% 5% - Ở tốc độ động cho trước, lượng phát thải NOx giảm tăng hệ số tương đương tăng tăng nồng độ hydrogen hỗn hợp nhiên liệu Ở tốc độ động 1800 vòng / phút, hệ số tương đương tăng từ đến 1,4, lượng phát thải NOx giảm 87% 67% tương ứng với động sử dụng biogas biogas làm giàu 20% hydrogen Ở tốc độ động 2400 vòng / phút, thêm 20% hydrogen vào biogas dẫn đến tăng 50% lượng khí thải NOx =1 - Nồng độ NOx giảm tốc độ động tăng Với hệ số tương đương = pha 20% hydrogen vào biogas, NOx giảm 20% tốc độ động tăng từ 1800 vòng/phút đến 2400 vịng/phút Nồng độ NOx khí thải giảm 13% điều kiện động chạy biogas - Nồng độ bồ hóng đạt cực đại ứng với hỗn hợp giàu = 1.1 nồng độ hydrogen biogas; nồng độ bồ hóng khí thải tăng tỷ lệ thuận với hệ số tương đương giá trị nồng độ hydrogen cho trước - Giá trị cực đại bồ hóng giảm nồng độ hydrogen hỗn hợp nhiên liệu tăng Ở hệ số tương đương cho trước, tỷ lệ hydrogen hỗn hợp nhiên liệu cao dẫn đến mức phát thải bồ hóng thấp Hỗn hợp nghèo nồng độ hydrogen cao dẫn đến nồng độ bồ hóng cực thấp Phát thải bồ hóng thực tế khơng đáng kể nồng độ = 0,9 20% hydrogen hỗn hợp với biogas 12 - Có thể đạt hài hòa hiệu suất động phát thải NOx, bồ hóng Phát thải bồ hóng NOx tăng tăng góc phun sớm Khi nồng độ hydrogen tăng, góc phun sớm tối ưu giảm, giúp cải thiện cơng thị chu trình giảm phát thải bồ hóng NOx - Cần tổ chức trình cung cấp nhiên liệu hay thiết kế buồng cháy phù hợp để tia phun mồi diesel bốc cháy hỗn hợp biogas-hydrogen-khơng khí chuẩn bị trước Với kiểu buồng cháy omega hệ số tương đương 0,75/0,91 nồng độ oxygen khu vực tia phun mồi giảm 15% so với hàm lượng khơng khí - Khi pha 40% hydrogen vào biogas M7C3 cơng thị chu trình tăng 11%, nồng độ CO khí thải cịn 50%, nồng độ bồ hóng khơng thay đổi cịn nồng độ NOx tăng lên gấp lần so với động chạy biogas M7C3 tốc độ 2400 vịng/phút - Thành phần biogas ảnh hưởng nhẹ đến cơng thị chu trình ảnh hưởng đáng kể đến phát thải ô nhiễm Khi hàm lượng CH4 biogas tăng từ 60% lên 80% nồng độ NOx tăng 70%, nồng độ CO giảm 100% nồng độ bồ hóng khơng thay đổi điều kiện biogas pha 40% hydrogen - Khi tăng lượng diesel tia phun mồi để đánh lửa cơng thị chu trình nhiệt độ cháy bị ảnh hưởng nhiên nồng độ CO bồ hóng thay đổi đáng kể Kết mô cho thấy khi die tăng từ 0,09 lên 0,16 Wi tăng 4%, nhiệt độ cháy tăng 10K, nồng độ CO khí thải động tăng từ 0,7% lên 1,2% nồng độ bồ hóng tăng từ 0,007ppm lên 0,03ppm - Cùng chế độ vận hành hệ số tương đương phương thức đánh lửa cưỡng có lợi phương thức đánh lửa dual fuel tính kỹ thuật lẫn mức độ phát thải ô nhiễm Với hệ số tương đương tổng quát =0,91, động đánh lửa cưỡng có Wi tăng 6%, CO giảm 80%, NOx tăng 20% fv bỏ qua so với trường hợp đánh lửa dual fuel với die=0,13 - Cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu nồng độ bồ hóng khí thải động có buồng cháy omega cao động có buồng cháy dự bị Trong điều kiện cung cấp nhiên liệu nhiệt độ cháy động có buồng cháy dự bị cao động có buồng cháy omega - Nồng độ NOx khí thải động có buồng cháy dự bị cao động có buồng cháy omega Cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu nồng độ bồ hóng khí thải buồng cháy dự bị gấp 1,5 lần nồng độ chúng khí thải động buồng cháy omega - Để tăng hiệu trình cháy động dual fuel sử dụng biogas làm nhiên liệu sử dụng buồng cháy dự bị trường hợp hàm lượng H2 pha vào biogas thấp sử dụng buồng cháy omega trường hợp hàm lượng H2 pha vào biogas cao - Khi động chạy tốc độ 1200 vòng/phút với biogas pha 40% hydrogen 70/98, buồng cháy omega, cơng thị chu trình dao động từ 957 J/cyc ứng với M6C4 đến 985 M8C2 cơng chu trình dao động từ 1015 J/cyc ứng với M6C4 đến 1040 J/cyc ứng với M8C2 Như so với động buồng cháy omega động buồng cháy dự bị có cơng thị chu trình cao điều kiện thay đổi nhiên liệu biogas - Ở chế độ tốc độ, sử dụng buồng cháy dự bị có lợi buồng cháy omega cơng thị chu trình, giảm phát thải CO bồ hóng bất lợi nồng độ NOx cao Càng tăng tốc độ động buồng cháy dự bị thể rõ ưu điểm tính kỹ thuật Chương NGHIÊN CỨU CẢI TẠO ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI CHẠY BẰNG XĂNG, DẦU TRUYỀN THỐNG THÀNH ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI HYDROGEN Bộ phụ kiện chuyển đổi động xăng thành động biogas-hydrogen kiểu van chân không tổ hợp 13 Dựa vào kết tính tốn mơ chương trước, chương nghiên cứu cải tạo động truyền thống sang chạy biogas làm giàu hydrogen hay hydroxy (HHO) Nghiên cứu thực động đánh lửa cưỡng động tự cháy nén Quá trình cung cấp nhiên liệu khí thực phương pháp hút phương pháp phun Mục tiêu nghiên cứu chương tìm pháp kỹ thuật hệ thống cung cấp biogas hydrogen/hydroxy (HHO) sản xuất từ điện mặt trời hệ thống lượng tái tạo hybrid để đảm bảo cho động tĩnh hoạt động ổn định điều kiện nguồn cung cấp nhiên liệu tải thay đổi ngẫu nhiên Cụm van cung cấp biogas/hydroxy hoạt động theo nguyên lý khí động học, khơng liên hệ khí với điều tốc động Cụm van vị trí thường đóng, mở kỳ nạp nên khơng cấp nhiên liệu khí liên tục trường hợp van khí Mặt khác cụm van chân khơng cịn có tác dụng hỗ trợ điều tốc động Tác động hỗ trợ điều tốc cụm van thực nhờ điều chỉnh thành phần hỗn hợp thông qua điều chỉnh thời gian cung cấp biogas kỳ nạp biến thiên tốc độ động Hydroxy nạp vào trước họng khuếch tán, biogas nạp vào sau họng khuếch tán, van điều tốc điều khiển độ chân không họng khuếch tán Nhờ tạo hỗn hợp tận dụng tối đa tác động khí động học để điều khiển cấu phần liên quan hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas/hydroxy Cụm van thiết kế, chế tạo theo mô-đun với công suất sở Tùy theo tỉ lệ công suất động so với cơng suất sở này, sử dụng hay nhiều cụm van ghép song song để đảm bảo lưu lượng nhiên liệu khí cung cấp cho động 10 11 Hình 6: Van chân khơng tổ hợp GATEC 26 Hình 7: Lắp đặt cụm van chân khơng tổ hợp lên động biogas-hydrogen/HHO 14 Mỗi cụm van tổ hợp tương ứng với động công suất 3kW Đối với động công suất 5,5kW ghép song song hai cụm van tổ hợp Hình giới thiệu hệ thống cung cấp biogas-hydrogen cho động 5,5kW Hình giới thiệu lắp đặt cụm van tổ hợp chân không lên động biogashydrogen/HHO Cải tạo động truyền thống thành động phun nhiên liệu biogas-hydrogen/HHO Để cải tạo động Honda GX200 thành động phun biogas làm giàu HHO hệ thống nạp hệ thống đánh lửa thay hoàn toàn công nghệ điều khiển điện tử Để thực việc sử dụng cảm biến xe gắn máy phun xăng với vòi phun nhiên liệu khí ECU mở để điều khiển phun biogas-hydrogen góc đánh lửa Sơ đồ lắp đặt cảm biến trình bày hình - MAP phun Biogas/Hydrogen/HHO - MAP đánh lửa Hình 8: Sơ đồ nguyên lý lắp đặt cảm biến lên động biogas-hydrogen/HHO điều khiển điện tử Theo sơ đồ trên, để cải tạo động Honda GX200 thành động phun biogas làm giàu HHO hệ thống nạp hệ thống đánh lửa thay hoàn toàn cơng Các cảm biến gồm cảm biến tốc độ, cảm biến vị trí ĐCT, cảm biến độ mở bướm ga, cảm biến nhiệt độ, cảm biến oxygen Thông tin từ cảm biến đưa đến ECU để xử lý theo giản đồ phun giản đồ đánh lửa cài đặt trước để điều khiển vòi phun biogas điều khiển góc đánh lửa sớm Do tính chất nhiên liệu biogas-HHO khác với xăng chế độ làm việc động tĩnh khác với động xe gắn máy nên giản đồ phun đánh lửa xe gắn máy chạy xăng không phù hợp với động cải tạo Vì phải sử dụng ECU mở để cài đặt thông số động nghiên cứu Trong công trình chúng tơi sử dụng ECU APITech để cài đặt giản đồ phun biogas, giản đồ đánh lửa điều khiển động Sơ đồ điều khiển động phun biogas/hydrogen/HHO giới thiệu hình Hình 9: Động biogas-hydrogen/HHO điều khiển điện tử cải tạo từ động Honda GX200 15 Cụm động cơ-máy phát điện biogas-HHO sau cải tạo trình bày hình Sau lắp đặt xong cảm biến, hệ thống điều khiển cài đặt giản đồ phun, giản đồ đánh lửa, cho động kéo tải để cân chỉnh lại thông số tối ưu Tải động thay đổi nhờ thay đổi tải vô cấp Các thông số cảm biến hiển thị hình máy tính kết nới với ECU APITech ECU có độ phân giải 30 vị trí bướm ga 25 giá trị tốc độ Ngồi giản đồ phun đánh lửa, cài đặt thêm lệnh điều khiển phụ vào ECU giới hạn nhiệt độ, thời gian hoạt động động cơ… Động dual fuel biogas-hydrogen/HHO với điều tốc rời Động chạy nhiên liệu khí với lượng phun mồi diesel để đánh lửa chạy diesel trước cải tạo Để thực yêu cầu này, hệ thống nhiên liệu diesel giữ nguyên bổ sung thêm hệ thống cung cấp nhiên liệu khí Động dual fuel biogas-hydrogen với điều tốc rời có đặc điểm sau: - Mang tính vạn cao, nghĩa nguyên lý hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas làm giàu hydrogen/HHO cho động tĩnh áp dụng cho hầu hết động diesel sử dụng phổ biến với dải công suất thay đổi rộng - Khi chuyển đổi động diesel thành động dual fuel, chất trình công tác kết cấu hệ thống động nguyên thủy không thay đổi, nghĩa không chạy biogas/hydrogen/HHO, động sử dụng lại diesel trước cải tạo - Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí cho động tĩnh chạy hai nhiên liệu biogas-diesel phải có độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện sử dụng vùng nông thôn (a) (b) Hình 10: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen/HHO cho động dual fuel (a) động dual fuel biogas-hydrogen/HHO sau cải tạo (b) Bộ phụ kiện cung cấp biogas-hydrogen cho động dual fuel với điều tốc rời bao gồm: • Một ống cấp biogas lắp vào ống nạp khơng khí động cơ; • Một điều tốc biogas kiểu văng khí dẫn động từ đầu trục khuỷu động cơ, điều tốc biogas có điều khiển; • Một van tiết lưu biogas hình mắc nối tiếp ống cấp biogas với kim hình nối với điều khiển điều tốc biogas cho tốc độ động cao van tiết lưu biogas hình có xu hướng đóng nhỏ; • Một van tổ hợp kiểu chân khơng thường đóng, mở kỳ nạp tác động độ chân không họng; • Một tạo hỗn hợp kiểu ventury; 16 • Một lò xo cấu điều chỉnh sức căng lò xo lắp vào điều khiển điều tốc biogas cho sức căng lị xo ln kéo van tiết lưu biogas hình vị trí mở to ra; • Một van biogas tổng lắp đầu vào van tiết lưu biogas hình cơn; • Một chốt hạn chế lắp bơm cao áp để đảm bảo lượng phun diesel tối thiểu; Sơ đồ phụ kiện trình bày hình 10a Động dual fuel biogas-hydrogen/HHO sau lắp đặt phụ kiện chuyển đổi với điều tốc rời giới thiệu hình 10b Động dual fuel biogas-hydrogen với điều tốc compact Bộ điều tốc rời khơng địi hỏi cải tạo động nhiều dẫn động phức tạp Mặt khác việc bôi trơn chi tiết chuyển động điều tốc khó khăn Để khắc phụ nhược điểm nghiên cứu thay điều tốc rời điều tốc tích hợp để điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu khí Việc lắp đặt thêm điều tốc biogas vào bên động khảo sát nghiên cứu kỹ dựa tốc độ truyền động, không gian lắp đặt để đảm bảo việc cải tạo động tối thiểu Sau nghiên cứu cấu truyền động bên động cơ, chọn trục cân động phù hợp Trục có tốc độ quay tốc độ quay trục khuỷu, tương đương tốc độ trục lắp đặt điều tốc diesel Hình 11: Vị trí lắp điều tốc compact Hình 12: Động dual fuel biogas-hydrogen/HHO với điều tốc compact Do tốc độ trục tốc độ trục lắp điều tốc diesel, nên chọn điều tốc nguyên thủy động Vikyno để lắp đặt thành điều tốc biogas Sau lắp đặt vào trục cân động cải tạo khơng gian động đảm bảo điều tốc hoạt động bình thường Vị trí tương đối điều tốc bung cực đại so với phận khác động thể hình 4.49 ta có, bánh số 1, số số quay tốc độ Đồng thời vị trí bánh số có đủ 17 khơng gian bố trí điều tốc nên ta chọn vị trí vị trí lắp đặt điều tốc điều khiển biogas Như vậy, điều tốc gắn lên trục cân với bánh số Tóm tắt kết Kết nghiên cứu chương tóm tắt sau: - Van cung cấp kiểu khí phù hợp với nhiên liệu biogas áp suất thấp Do biogas nạp liên tục vào đường nạp nên khó điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo chế độ công tác động Mặt khác kiểu nạp ga liên tục dễ gây tượng nổ ngược đường nạp cung cấp biogas làm giàu hydrogen hay HHO - Cụm van tổ hợp chân khơng mơ-đun vị trí thường đóng, nhiên liệu hút vào động kỳ nạp, khắc phục bất cập van khí Mặt khác, cung cấp biogas/hydrogen/HHO riêng rẽ cụm van tổ hợp chân khơng cịn giúp hỗ trợ điều tốc nên tốc độ động giữ ổn định tốt tải bên thay đổi, khả đáp ứng yêu cầu tải động cải thiện, nâng cao chất lượng hoạt động toàn hệ thống, đặc biệt động kéo máy phát điện - Có thể sử dụng cảm biến động xe gắn máy phun xăng với ECU mở ApiTech để cải tạo động truyền thống thành động phun biogas/hydrogen/HHO điều khiển điện tử Hệ thống cho phép điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu phù hợp với chế độ cơng tác động đặc tính hỗn hợp nhiên liệu biogas/hydrogen/HHO - Động dual fuel biogas-diesel chuyển đổi thành động dual fuel chạy biogas làm giàu hydrogen/HHO cách bổ sung thêm cụm van chân không vào tạo hỗn hợp giúp cho động hoạt động ổn định với nguồn cung cấp nhiên liệu khí có áp suất cao áp suất khí trời khơng bị nổ ngược - Có thể cải tạo động diesel thành động dual fuel biogas làm giàu hydorgen/HHO cách bổ sung thêm điều tốc nhiên liệu khí với cấu văng lắp đầu trục cân Phương án gọn gàng, làm việc tin cậy, khắc phục bất cập điều tốc rời Chương THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI HYDROGEN/HHO Điều kiện thí nghiệm Thực nghiệm tiến hành phạm vi phòng thí nghiệm sở động chuyển đổi sang chạy biogas-hydrogen Nhiên liệu biogas, hydrogen nén vào bình áp lực giảm áp túi chứa trước cung cấp cho động Khí HHO sản xuất chỗ bình điện phân kiểu khô Kết nghiên cứu thực nghiệm trường hợp sau: - Động dual fuel chạy biogas: so sánh áp suất xi lanh cho mơ hình thực nghiệm động chạy biogas; nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng yếu tố vận hành đến tính kỹ thuật động cơ; so sánh đường đặc tính ngồi động chạy diesel, biogas biogas pha hydrogen - Động đánh lửa cưỡng cỡ nhỏ cung cấp nhiên liệu kiểu phun chạy biogas làm giàu hydrogen/HHO Thí nghiệm tính động dual fuel biogas-hydrogen Động thí nghiệm động dual fuel cải tạo từ động diesel Vikyno EV2600-NB chạy biogas làm giàu hydrogen Thí nghiệm tiến hành băng thử cơng suất AVL Nhiên liệu biogas từ bình chứa áp lực xả vào túi chứa áp suất khí trời Hydrogen hịa trộn vào biogas theo tỷ lệ thể tích cho trước Nhiên liệu khí hút vào động kỳ nạp thông qua tạo hỗn hợp 18 Hình 13a,b,c trình bày so sánh biến thiên áp suất xi lanh động dual fuel biogas-diesel chạy biogas chứa 60%, 70% 80% CH4 tốc độ 2000 vịng/phút Hệ số tương đương =1 góc phun sớm 22,25 trước ĐCT Các hình cho thấy áp suất xi lanh động cho mô cao áp suất cho thực nghiệm trình cháy dãn nở Áp suất cực đại cho mô cao áp suất cực đại thực nghiệm khoảng từ 3% đến 10% Chênh lệch hai kết cao hàm lượng CH4 biogas bé Sự khác biệt giá trị áp suất cho mơ thực nghiệm giải thích lý do: (1) mơ tốc độ lan tràn lửa theo thành phần biogas mơ hình cao thực tế diện CO2 hỗn hợp cháy ảnh hưởng đến tốc độ cháy lớn dự kiến; (2) mô đánh lửa (nguồn nhiệt hình trụ) mơ hình tính tốn có khác biệt với thực tế diễn buồng cháy động dual fuel (tia phun cháy khuếch tán); (3) truyền nhiệt môi chất công tác thành xi lanh mơ hình chưa tính chi tiết thành phần xạ trình cháy khuếch tán tia phun mồi (a) (b) (c) Hình 13: So sánh biến thiên áp suất xi lanh động cho mô thực nghiệm động dual fuel chạy tốc độ 2000 vòng/phút với biogas chứa 60% CH (a), 70% CH4 (b) 80% CH4 (c); =1; s=25 Hình 14 so sánh đường đặc tính ngồi động dual fuel chạy biogas M6C4 biogas M6C4 pha 20% hydrogen cho mô thực nghiệm Hiệu suất giới động chọn m=0,85 theo kết phân tích cơng thị chu trình Chúng ta thấy vùng tốc độ thấp, công suất cho thực nghiệm xấp xỉ công suất cho mô Nhưng vùng tốc độ cao, công suất thực nghiệm thấp kết mơ Điều giải thích tốc độ động tăng hệ số nạp thực tế giảm làm giảm công suất động Trong theo tính tốn giả định điều kiện nạp lý tưởng So với công suất động diesel nguyên thủy tốc độ định mức 2200 vòng/phút, cơng suất động Hình 14: So sánh đường đặc tính ngồi động dual fuel nhỏ khoảng 6% chạy biogas dual fuel cho mô thực nghiệm M6C4 pha 20% hydrogen nhỏ khoảng 23% chạy biogas M6C4 biogas M6C4 làm giàu 20% hydrogen (=1,1; chạy biogas M6C4 Điều giải thích s=22,25; m=0,85) góc phun sớm động dual fuel giữ cố định góc phun sớm động diesel không phù hợp với động dual fuel biogas-diesel Trong thực tế góc đánh lửa sớm tối ưu động biogas lớn nhiều so với động sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống Do để cải thiện cơng suất động dual fuel, cần thay đổi góc phun sớm động Tuy nhiên điều gây trở ngại mặt kỹ thuật động sử dụng lại diesel Khi pha hydrogen vào biogas tốc độ cháy cải thiện Nhờ tăng tốc độ cháy nên trình cháy diễn hồn tồn, tốc độ tỏa nhiệt gia tăng, nâng cao hiệu trình cháy Do giữ ngun góc phun sớm, cơng suất động chạy biogas pha hydrogen cao công suất động chạy biogas điều kiện vận hành hệ số tương đương 19 Thực nghiệm động đánh lửa cưỡng chạy biogas-hydrogen - Cung cấp nhiên liệu phương pháp hút Thực nghiệm tiến hành động Vikyno 168FB kéo máy phát điện Samdi S3600B Động chạy xăng có cơng suất liên tục 5,5 HP tương đương KW để kéo máy phát điện có cơng suất 2,5kW Do động cơng suất nhỏ nên thử băng thử công suất tơ có Do chúng tơi đo cơng suất gián tiếp qua máy phát điện Thí nghiệm thực với biogas M6C4 hòa trộn với hydrogen với tỷ lệ cho trước Biogas nén hydrogen nén xả vào túi chứa nilong hòa trộn với trước cung cấp cho động thông qua phụ kiện GATEC26 Hình 15a so sánh kết cho mô thực nghiệm biến thiên công suất động tính tốn theo mơ kết đo công suất đầu máy phát điện theo hàm lượng hydrogen pha vào biogas M6C4 Chúng ta thấy hàm lượng hydrogen pha vào biogas tăng cơng suất động tăng Khi hàm lượng hydrogen pha vào biogas 30% cơng suất điện phát q tải chút so với công suất máy phát điện Sự gia tăng nồng độ hydrogen hỗn hợp biogas giúp cho q trình cháy diễn hồn tồn, hiệu q trình cháy cải thiện cơng suất động tăng 300 3.4 Mô HC (ppm) Pe (kW) 2.6 2.2 200 Thực nghiệm 0.8 Thực nghiệm Thực nghiệm Mô CO (%) Mô 0.6 0.4 100 1.8 0.2 1.4 0 10 14 18 22 26 30 10 14 18 22 % H2 % H2 (a) (b) 26 30 10 14 18 22 26 30 % H2 (c) Hình 15: So sánh biến thiên công suất (a), HC (b) CO (c) theo hàm lượng H2 pha vào biogas M6C4 (n=3000 vòng/phút, =1) Kết hình 15a cho thấy cơng suất đo đầu máy phát thấp cơng suất tính tốn đầu động điều kiện nạp cháy thực tế khác với điều kiện nạp, cháy lý thuyết Mặt khác đo công suất gián tiếp đầu máy phát điện nên hiệu suất khí từ buồng cháy dộng đến đầu máy phát điện khó xác định xác Nồng độ HC khí thải pha H2 vào biogas giảm mạnh tăng hàm lượng hydrogen (hình 15b) Điều tác động hydrogen làm tăng tốc độ cháy Hình 15c so sánh biến thiên nồng độ CO khí thải động theo hàm lượng H pha vào biogas cho mô thực nghiệm Chúng ta thấy nồng độ CO khí thải giảm tăng hàm lượng H2 pha vào biogas Sự chênh lệch nồng độ CO HC cho mô thực nghiệm động chạy biogas-hydrogen điều kiện hình thành hỗn hợp cháy thực tế không diễn lý tưởng tính tốn - Cung cấp nhiên liệu phương pháp phun Với phương pháp cung cấp nhiên liệu kiểu hút, góc đánh lửa sớm động giữ nguyên chạy xăng Trong trường hợp cung cấp nhiên liệu kiểu phun điều chỉnh góc đánh lửa sớm thơng qua cài đặt giản đồ đánh lửa vào ECU Thực nghiệm tiến hành động Honda GX200 phun biogas-HHO Hình 516a so sánh kết cho mô thực nghiệm biến thiên cơng suất động theo góc đánh lửa sớm động chạy tốc độ 2400 vòng/phút với nhiên liệu biogas biogas pha 10% HHO Bướm ga mở hồn tồn Cả mơ thực nghiệm cho thấy đường cong Pe(góc đánh lửa sớm) có giá trị cực đại vị trí góc đánh lửa sớm tối ưu Công suất thực nghiệm động nhỏ cơng suất tính tốn theo mơ khoảng 10% Điều trình cháy thực nghiệm khơng diễn hồn tồn lý tưởng lý thuyết Mặt khác đo công suất động gián tiếp nên công suất thực nghiệm phụ thuộc vào tổn thất lượng biến thành điện 20 Biến thiên cơng suất động theo góc đánh lửa sớm (n=2400 v/ph, Biogas+20%HHO) 2.8 Công suất Pe(kW) 2.7 2.6 Mô Thực nghiệm 2.5 2.4 10 15 20 25 30 Góc đánh lửa sớm (độ TK) (a) (b) (c) Hình 16: So sánh cơng suất động (a), phát thải NOx (b) CO (c) cho mô thực nghiệm chạy biogas M6C4 +10% HHO tốc độ 2400 vịng/phút, =1 Hình 16b so sánh biến thiên nồng độ NOx theo góc đánh lửa sớm cho mô thực nghiệm động chạy biogas M6C4 pha 10% hydrogen Chúng ta thấy nồng độ NOx tăng theo góc đánh lửa sớm Điều giải thích lý Khi tăng góc đánh lửa sớm đỉnh đường cong áp suất dịch phía ĐCT, áp suất cực đại tăng dẫn đến gia tăng nhiệt độ cháy Mặt khác, tăng góc đánh lửa sớm thời gian cháy kéo dài, hỗn hợp cháy tồn nhiệt độ cao lâu Hai yếu tố làm tăng nồng độ NOx Biến thiên NOx thực nghiệm xu theo đường cong mô giá trị thấp Điều nhiệt độ cháy thực tế thấp nhiệt độ cháy lý thuyết hỗn hợp thực tế không đồng lý tưởng, dẫn đến cháy khơng hồn tồn cục Hình 16c so sánh biến thiên nồng độ CO theo góc đánh lửa sớm cho mô thực nghiệm động chạy biogas M6C4 pha 10% hydrogen Chúng ta thấy xu hướng biến thiên CO theo góc đánh lửa sớm ngược với NOx, nghĩa nồng độ CO giảm tăng góc đánh lửa sớm Điều giải thích q trình cháy kéo dài nhiệt độ cháy cao tăng góc đánh lửa sớm dẫn đến q trình cháy nhiên liệu diễn hồn tồn tốc độ oxy hóa CO tăng làm giảm nồng độ khí thải Nồng độ CO cho thực nghiệm cao giá trị lý thuyết hỗn hợp thực tế khơng hồn tồn đồng lý thuyết, có khu vực hỗn hợp giàu cục làm phát sinh CO khí thải Tóm tắt kết Kết nghiên cứu chương tóm tắt sau: - Xu hướng biến thiên cơng thị chu trình chất nhiễm khí thải động biogas làm giàu loại nhiên liệu khác cho mơ phù hợp với thực nghiệm Vì sử dụng phương pháp mơ để dự đốn tính cơng tác động đánh lửa cưỡng hay dual fuel chạy biogas làm giàu - Ở điều kiện tốc độ định mức, công suất có ích động dual fuel thấp cơng suất có ích động diesel ngun thủy 12% chạy biogas chứa 80% CH 25% chạy biogas chứa 60% CH4 Để cải thiện cơng suất có ích động dual fuel cần tăng góc phun sớm - Cùng điều kiện làm việc, áp suất xi lanh, công thị chu trình cơng suất có ích động tăng theo hàm lượng CH4 biogas Ở chế độ tốc độ định mức, cơng chu trình động dual fuel giảm khoảng 15% giảm hàm lượng CH4 biogas từ 80% xuống 60% - Áp suất cực đại xi lanh công thị chu trình giảm giảm thành phần CH4 biogas và/hoặc tăng tốc độ động Công suất cực đại động dual fuel biogasdiesel chạy tốc độ định mức 2200 vịng/phút thấp cơng suất chạy diesel 10% ứng với biogas chứa 80% CH4 25% ứng với biogas chứa 60% CH4 - Khi chạy biogas, việc cung cấp nhiên liệu thực phụ kiện kiểu khí, khơng cần điều chỉnh góc mở sớm xú páp nạp Khi làm giàu biogas hydrogen với hàm lượng lớn cần giảm góc mở sớm xú páp nạp để tránh tượng nổ ngược đường nạp - Để đảm bảo cho động dual fuel hay đánh lửa cưỡng chạy biogas làm giàu hydrogen làm việc ổn định điều kiện khác việc cung cấp hỗn hợp nhiên liệu 21 biogas-hydrogen cần thực van hút chân không tổ hợp phun nhiên liệu điều khiển điện tử - Khi tăng góc đánh lửa sớm nồng độ NOx tăng nồng độ CO, HC có xu hướng giảm thời gian cháy kéo dài đỉnh áp suất đạt gần ĐCT Khi tăng hàm lượng HHO pha vào biogas CO HC giảm NOx tăng tăng nhiệt độ cháy - Kết thực nghiệm đo đồng độ CO HC khí thải cao kết cho mô phỏng; ngược lại nồng độ NOx cho thực nghiệm thấp kết mô điều kiện nạp cháy thực khơng diễn lý tưởng tính tốn mơ dẫn đến nhiệt độ trình cháy thực tế thấp lý thuyết KẾT LUẬN Tổng hợp kết đạt đề tài cho phép rút kết luận sau: - Năng lượng tái tạo nói chung khơng ổn định, phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, môi trường Việc lưu trữ lượng tái tạo để bù vào lúc nguồn cung cấp giảm sút thách thức lớn Việc sử dụng kết hợp nhiều nguồn lượng tái tạo giúp khắc phục nhược điểm đặc biệt điều kiện sản xuất lượng qui mô nhỏ Ở quốc gia vùng nhiệt đới lượng mặt trời biogas dồi Việc kết hợp sử dụng hai nguồn lượng hệ thống lượng tái tạo hybrid mở triển vọng ứng dụng rộng rãi lượng tái tạo khu vực nơng thơn Động biogas-hydrogen góp phần giải đồng thời hai vấn đề: lưu trữ lượng mặt trời cải thiện chất lượng trình cháy biogas - Độ chân khơng trung bình họng venturi đường nạp động sử dụng để điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo chế độ công tác động Khi cấp ga gián đoạn 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 HHO vào biogas Hệ số tương đương hỗn hợp giảm mạnh tăng tốc độ động hoặc/và mở rộng bướm ga Giải pháp cấp ga van chân không phổ biến không phù hợp với việc cung cấp biogas nghèo cho động - So với phương pháp phun hỗn hợp nhiên liệu, việc phun riêng rẽ HHO biogas tạo phân bố H2 CH4 buồng đốt kết thúc trình nén hợp lý Điều cải thiện hiệu đốt cháy giảm phát thải CO NOx Phun riêng rẽ với thời gian phun HHO cố định dẫn đến tăng nồng độ HHO cách tự động chế độ tải thấp hoặc/và tốc độ động cao giúp cải thiện tốc độ lan tràn màng lửa tăng khả cháy hoàn toàn điều kiện vận hành cực đoan - Hiệu trình cháy động cải thiện làm giàu biogas hydrogen Khi pha 40% hydrogen vào biogas M6C4, M7C3 M8C2 cơng thị chu trình động tăng 10%, 8% 6% so với chạy nhiên liệu biogas tương ứng không pha hydrogen Nồng độ NOx sản phẩm cháy tăng tăng hàm lượng H2 pha vào biogas Nồng độ NOx tăng xấp xỉ 1,5 lần pha 15% H2 tăng xấp xỉ lần pha 30% H2 so với chạy biogas tương ứng khơng pha H2 NOx tăng tăng góc đánh lửa sớm Khi tăng góc đánh lửa sớm từ 10TK lên 30TK, nồng độ NOx tăng 1,5 lần động chạy biogas M8C2 tăng 2,2 lần chạy biogas M8C2 pha 30% H2 - Công thị chu trình động tăng theo hàm lượng HHO pha vào biogas Khi pha 20% HHO vào biogas chứa 60% CH4 cơng suất động đạt cơng suất chạy xăng Góc đánh lửa sớm tối ưu động giảm tăng hàm lượng HHO pha vào biogas Khi động chạy tốc độ 3000 vịng/phút, góc đánh lửa sớm tối ưu 30, 27, 24 20⁰TK tương ứng với động chạy biogas M6C4 chạy biogas M6C4 pha 10%, 20%, 30% HHO Khi cố định góc đánh lửa sớm, tăng hàm lượng HHO biogas 22 áp suất nhiệt độ cực đại tăng đồng thời đỉnh đường cong dịch chuyển phía gần ĐCT - Nồng độ NOx tăng theo hàm lượng HHO pha vào biogas Với hàm lượng HHO 20%, nồng độ NOx tăng nhẹ, khoảng 1,5 lần so với sử dụng biogas M6C4 Nhưng hàm lượng HHO 30%, nồng độ NOx tăng mạnh, gấp 3,5 lần so với chạy M6C4 Việc bổ sung HHO vào biogas giúp cải thiện hiệu suất động cơ, giảm phát thải CO dẫn đến tăng nồng độ NOx Có thể biểu diễn mối quan hệ tuyến tính cơng thị chu trình, nồng độ CO theo hàm lượng HHO biểu diễn mối quan hệ parabol nồng độ NOx hàm lượng HHO - Ở tốc độ động định, góc đánh lửa sớm tối ưu giảm tăng hàm lượng hydrogen hay HHO biogas Phạm vi thay đổi góc đánh lửa sớm tối ưu theo tốc độ động giảm bổ sung hydrogen, HHO vào biogas Có thể sử dụng ECU mở với cảm biến hệ thống phun nhiên liệu động xe máy FI để cải tạo động xăng truyền thống thành động phun biogas làm giàu hydrogen, HHO điều khiển điện tử Góc đánh lửa sớm động điều chỉnh phù hợp với thành phần nhiên liệu chế độ công tác động nhờ cài đặt MAP đánh lửa hợp lý vào ECU - Để có giá trị Wi cho trước, làm giàu biogas nghèo HHO chế độ đầy tải có lợi so với biogas giàu chế độ tải cục khía cạnh bảo vệ mơi trường Khi chế độ tải động tăng từ 40% đến 100% với hàm lượng CH4 biogas 60% 90%, tốc độ tăng Wi thực tế nhau, khoảng 2,46%, tốc độ tăng nồng độ NOx 1,57 1,45 biogas M6C4 M9C1 Trong trường hợp biogas làm giàu HHO, điều kiện hoạt động cho trước, Wi tăng tăng hàm lượng HHO, nồng độ CH4, chế độ tải giảm tăng tốc độ động đạt giá trị cực đại theo biến thiên s Nồng độ NOx tăng tăng hàm lượng HHO, nồng độ CH4, chế độ tải, s, giảm tăng tốc độ động đạt giá trị cực đại biến thiên Có thể đạt hài hòa hiệu suất động lượng khí thải NOx cách điều chỉnh phù hợp thành phần nhiên liệu hoặc/và điều kiện vận hành động - Mức độ phát thải CO tăng nhanh theo độ đậm đặc hỗn hợp theo thành phần CH biogas Nồng độ CO tăng tăng nhiệt độ giảm tăng áp suất buồng cháy Cùng hệ số tương đương tổng quát, nồng độ CO tăng đánh lửa tia phun mồi so với đánh lửa tia lửa điện Khi tăng hàm lượng diesel phun vào buồng cháy nồng độ bồ hóng cực đại nồng độ bồ hóng khí xả tăng Ứng với hệ số tương đương =1 cho trước, giá trị nồng độ bồ hóng cực đại giảm 30% giá trị bồ hóng khí thải giảm 60% lượng phun diesel giảm từ 25% xuống 15% Ở tốc độ động lượng phun diesel cho trước, giá trị lớn nồng độ bồ hóng cực đại đạt vùng hỗn hợp giàu với hệ số tương đương nằm khoảng 1,2-1,3 lượng phun diesel tăng từ 15% đến 25% Trong đó, nồng độ bồ hóng khí thải tăng theo hệ số tương đương hỗn hợp - Ở giá trị hệ số tương đương lượng phun diesel cho trước, tốc độ động ảnh hưởng nhẹ đến tốc độ hình thành bồ hóng ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ cháy bồ hóng Nồng độ bồ hóng khí thải giảm 60% nồng độ cực đại bồ hóng giảm 50% tốc độ động tăng từ 1800 vòng/phút lên 2400 vòng/phút giá trị hệ số tương đương lượng phun diesel cho trước Nồng độ bồ hóng khí thải thực tế bỏ qua hệ số tương đương =0,98 lượng phun diesel 15% Đây điều kiện lý tưởng vận hành động dual fuel biogas diesel mặt hạn chế phát thải bồ hóng Nếu góc phun sớm động cố định 27°TK, giá trị cực đại áp suất xi lanh tăng 12% cơng thị chu trình giảm 0,7% hàm lượng hydrogen hỗn hợp nhiên liệu tăng từ 5% đến 20 % Góc phun sớm tối ưu giảm tăng nồng độ hydrogen hỗn hợp nhiên liệu Cơng thị chu trình tối đa đạt góc phun sớm 22°, 27°, 30°, 35°TK tương ứng với nồng độ hydrogen hỗn hợp nhiên liệu 20%, 15%, 10% 5% - Ở tốc độ động cho trước, lượng phát thải NOx giảm tăng hệ số tương đương tăng tăng nồng độ hydrogen hỗn hợp nhiên liệu Ở tốc độ động 1800 vòng / 23 phút, hệ số tương đương tăng từ đến 1,4, lượng phát thải NOx giảm 87% 67% tương ứng với động sử dụng biogas biogas làm giàu 20% hydrogen Ở tốc độ động 2400 vòng / phút, thêm 20% hydrogen vào biogas dẫn đến tăng 50% lượng khí thải NOx =1 Nồng độ NOx giảm tốc độ động tăng Với hệ số tương đương = pha 20% hydrogen vào biogas, NOx giảm 20% tốc độ động tăng từ 1800 vòng/phút đến 2400 vòng/phút Nồng độ NOx khí thải giảm 13% điều kiện động chạy biogas - Nồng độ bồ hóng đạt cực đại ứng với hỗn hợp giàu = 1.1 nồng độ hydrogen biogas; nồng độ bồ hóng khí thải tăng tỷ lệ thuận với hệ số tương đương giá trị nồng độ hydrogen cho trước Giá trị cực đại bồ hóng giảm nồng độ hydrogen hỗn hợp nhiên liệu tăng Ở hệ số tương đương cho trước, tỷ lệ hydrogen hỗn hợp nhiên liệu cao dẫn đến mức phát thải bồ hóng thấp Hỗn hợp nghèo nồng độ hydrogen cao dẫn đến nồng độ bồ hóng cực thấp Phát thải bồ hóng thực tế khơng đáng kể nồng độ = 0,9 20% hydrogen hỗn hợp với biogas - Có thể đạt hài hịa hiệu suất động phát thải NOx, bồ hóng Phát thải bồ hóng NOx tăng tăng góc phun sớm Khi nồng độ hydrogen tăng, góc phun sớm tối ưu giảm, giúp cải thiện công thị chu trình giảm phát thải bồ hóng NOx Khi pha 40% hydrogen vào biogas M7C3 cơng thị chu trình tăng 11%, nồng độ CO khí thải cịn 50%, nồng độ bồ hóng khơng thay đổi cịn nồng độ NOx tăng lên gấp lần so với động chạy biogas M7C3 tốc độ 2400 vòng/phút Thành phần biogas ảnh hưởng nhẹ đến cơng thị chu trình ảnh hưởng đáng kể đến phát thải ô nhiễm Khi hàm lượng CH4 biogas tăng từ 60% lên 80% nồng độ NOx tăng 70%, nồng độ CO giảm 100% nồng độ bồ hóng khơng thay đổi điều kiện biogas pha 40% hydrogen Khi tăng lượng diesel tia phun mồi để đánh lửa cơng thị chu trình nhiệt độ cháy bị ảnh hưởng nhiên nồng độ CO bồ hóng thay đổi đáng kể Kết mơ cho thấy khi die tăng từ 0,09 lên 0,16 Wi tăng 4%, nhiệt độ cháy tăng 10K, nồng độ CO khí thải động tăng từ 0,7% lên 1,2% cịn nồng độ bồ hóng tăng từ 0,007ppm lên 0,03ppm - Cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu nồng độ bồ hóng khí thải động có buồng cháy omega cao động có buồng cháy dự bị Trong điều kiện cung cấp nhiên liệu nhiệt độ cháy động có buồng cháy dự bị cao động có buồng cháy omega Nồng độ NOx khí thải động có buồng cháy dự bị cao động có buồng cháy omega Cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu nồng độ bồ hóng khí thải buồng cháy dự bị gấp 1,5 lần nồng độ chúng khí thải động buồng cháy omega Để tăng hiệu trình cháy động dual fuel sử dụng biogas làm nhiên liệu sử dụng buồng cháy dự bị trường hợp hàm lượng H2 pha vào biogas thấp sử dụng buồng cháy omega trường hợp hàm lượng H2 pha vào biogas cao Khi động chạy tốc độ 1200 vòng/phút với biogas pha 40% hydrogen 70/98, buồng cháy omega, cơng thị chu trình dao động từ 957 J/cyc ứng với M6C4 đến 985 M8C2 cơng chu trình dao động từ 1015 J/cyc ứng với M6C4 đến 1040 J/cyc ứng với M8C2 Như so với động buồng cháy omega động buồng cháy dự bị có cơng thị chu trình cao điều kiện thay đổi nhiên liệu biogas Ở chế độ tốc độ, sử dụng buồng cháy dự bị có lợi buồng cháy omega cơng thị chu trình, giảm phát thải CO bồ hóng bất lợi nồng độ NOx cao Càng tăng tốc độ động buồng cháy dự bị thể rõ ưu điểm tính kỹ thuật - Van cung cấp kiểu khí phù hợp với nhiên liệu biogas áp suất thấp Do biogas nạp liên tục vào đường nạp nên khó điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo chế độ công tác động Mặt khác kiểu nạp ga liên tục dễ gây tượng nổ ngược đường nạp cung cấp biogas làm giàu hydrogen hay HHO Cụm van tổ hợp chân khơng mơ-đun vị trí thường đóng, nhiên liệu hút vào động kỳ nạp, khắc phục bất cập van khí Mặt khác, cung cấp biogas/hydrogen/HHO riêng rẽ cụm van tổ hợp chân khơng cịn giúp hỗ trợ điều tốc nên tốc độ động giữ ổn định tốt tải bên thay 24 đổi, khả đáp ứng yêu cầu tải động cải thiện, nâng cao chất lượng hoạt động toàn hệ thống, đặc biệt động kéo máy phát điện - Có thể sử dụng cảm biến động xe gắn máy phun xăng với ECU mở ApiTech để cải tạo động truyền thống thành động phun biogas/hydrogen/HHO điều khiển điện tử Hệ thống cho phép điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu phù hợp với chế độ cơng tác động đặc tính hỗn hợp nhiên liệu biogas/hydrogen/HHO Động dual fuel biogas-diesel chuyển đổi thành động dual fuel chạy biogas làm giàu hydrogen/HHO cách bổ sung thêm cụm van chân không vào tạo hỗn hợp giúp cho động hoạt động ổn định với nguồn cung cấp nhiên liệu khí có áp suất cao áp suất khí trời khơng bị nổ ngược Có thể cải tạo động diesel thành động dual fuel biogas làm giàu hydorgen/HHO cách bổ sung thêm điều tốc nhiên liệu khí với cấu văng lắp đầu trục cân Phương án gọn gàng, làm việc tin cậy, khắc phục bất cập điều tốc rời Hướng phát triển Đề tài nghiên cứu tiếp tục phát triển theo hướng sau: - Đo biến thiên áp suất buồng cháy công suất trực tiếp trục động biogashydrogen cỡ nhỏ - Làm giàu khí tổng hợp (syngas) từ khí hóa chất thải rắn sinh hoạt hydrogen để nâng cao hiệu chuyển hóa rác-điện (WtE) - Cải tạo động diesel thành động dual fuel phun nhiên liệu khí biogas/syngas điều khiển điện tử - Tận dụng lượng phanh tái sinh để sản xuất HHO bổ sung vào nhiên liệu truyền thống nhằm tăng hiệu q trình cháy hiệu suất chuyển hóa lượng phương tiện giao thông giới 25 ... Nhờ hỗn hợp cháy hồn tồn, lượng khí thải CO HC động chạy hỗn hợp xăng-HHO giảm so với hỗn hợp xăng-H2 Đề tài ? ?Nghiên cứu tính kinh tế kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động cỡ nhỏ sử dụng hỗn hợp. .. : Hiệu suất giới THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thơng tin chung: • Tên đề tài: Nghiên cứu tính kinh tế kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động cỡ nhỏ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen •... 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