Nghiên cứu ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc của động cơ dùng 100% biogas

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ LÊ HỒI PHƢƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG GĨC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ DÙNG 100% BIOGAS Chun ngành : Kỹ thuật Ơtơ, Máy kéo Mã số : 605235 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN NGỌC DŨNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS HUỲNH THANH CÔNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS ĐẶNG THÀNH TRUNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 26 tháng 07 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS TS Phạm Xuân Mai PGS TS Nguyễn Hữu Hƣờng TS Huỳnh Thanh Công TS Đặng Thành Trung TS Nguyễn Ngọc Dũng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS PHẠM XUÂN MAI TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ LÊ HOÀI PHƢƠNG MSHV : 11136064 Ngày, tháng, năm sinh: 14/07/1988 Nơi sinh : Tây Ninh Chuyên ngành: Kỹ thuật Ơtơ, Máy kéo Mã số : 605235 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc động dùng 100% biogas II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết kế mơ hình thử nghiệm động biogas đánh lửa cưỡng Chạy thử nghiệm với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đặc tính động dùng 100% biogas đánh lửa cưỡng III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21/06/2013 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS Nguyễn Ngọc Dũng Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 07 năm 2013 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS NGUYỄN NGỌC DŨNG TS TRẦN HỮU NHÂN TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời tri ân chân thành biết ơn sâu sắc đến gia đình ủng hộ động viên tơi suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn tri ân: - TS NGUYỄN NGỌC DŨNG Th.S TRẦN ĐĂNG LONG tận tình giảng dạy, hướng dẫn khoa học tạo điều kiện thuận lợi cho tơi thời gian học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn - Q thầy Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Động Đốt Bộ mơn Ơtơ Máy động lực tận tình giúp đỡ suốt thời gian làm luận văn - Ông NGUYỄN HỮU NHIỆM, chủ trang trại Tân Uyên – Tân Lập, tỉnh Bình Dương cô, chú, anh, chị làm việc trang trại tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho việc thử nghiệm động Tôi xin chân thành cảm ơn: - Các bạn học khóa Cao học 2011, em sinh viên khóa K09 khóa K10 nhiệt tình hỗ trợ cơng tác thiết lập thử nghiệm Bình Dương Trân trọng Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 07 năm 2013 VÕ LÊ HỒI PHƢƠNG i TĨM TẮT Động diesel thử nghiệm, 04 xy-lanh, tỉ số nén 17:1, chuyển đồi thành động biogas đánh lửa cưỡng Mục tiêu đề tài khảo sát ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đặc tính cơng suất khí thải động biogas đánh lửa cưỡng điều kiện nghèo nhiên liệu Động khảo sát với số vòng quay 1500 vòng/phút mức tải điện góc đánh lửa khác điều kiện nghèo nhiên liệu Kết cho thấy, 15kW tải điện, hiệu suất nhiệt động đạt giá trị cực đại 21,64 % 10oCA BTDC Khi tải điện đạt 17kW, hiệu suất nhiệt cực đại động tăng lên 22,51% 15oCA BTDC Thành phần HC CO khí thải có giá trị nhỏ khơng thay đổi theo góc đánh lửa sớm tải động Ngược lại, góc đánh lửa sớm động tăng hình thành NOx động nhiều Ứng với tải điện 15kW 17kW, thành phần NOx đạt giá trị cực đại 4991ppm 3819ppm góc đánh lửa sớm 25oCA BTDC ABSTRACT A four-cylinder diesel engine, compression ratio 17:1, was modified to operate as a biogas operated spark ignition engine The main objective of this paper is to investigate the effects of ignition timing on performance and emissions characteristics of the biogas engine The engine was operated at 1500rpm at different ignition timings and loads at lean condition At 15kW of electric load, maximum thermal efficiency of engine reached 21,64% at 10oCA BTDC of ignition timing Increasing electric load to 17kW, maximum thermal efficiency is improved to 22,51% at 15oCA BTDC of ignition timing There is no significant difference in CO and HC emissions with change in ignition timing and electric load Conversely, an increase in spark advance results in increased levels of NOx emissions At 15kW and 17kW of electric load, NOx emissions, respectively, reached the maximum value 4991ppm and 3819ppm at 25oCA BTDC of spark advance ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 07 năm 2013 VÕ LÊ HOÀI PHƢƠNG iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT A/F : Tỉ lệ khơng khí/Nhiên liệu BTDC : Trước điểm chết BMEP : Áp suất có ích trung bình CA : Góc quay trục khuỷu CI : Động diesel CDI : Hệ thống đánh lửa điện dung ĐCT : Điểm chết ĐCD : Điểm chết ECU : Bộ điều khiển trung tâm EGR : Phương pháp hồi lưu khí thải MBT : Mơ-men cực đại SI : Động xăng  : Hệ số dư lượng khơng khí  : Hệ số tương đương iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT ii LỜI CAM ĐOAN iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv MỤC LỤC v MỤC LỤC HÌNH viii MỤC LỤC BẢNG x CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Các nội dung thực CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Biogas số đặc điểm biogas 2.2 Quá trình cháy động đánh lửa cưỡng 2.2.1 Diễn biến trình cháy động đánh lửa cưỡng 2.2.2 Khí thải động đánh lửa cưỡng 12 2.3 Lý thuyết hệ thống đánh lửa 15 2.3.1 Nguyên lý 15 2.3.2 Lý thuyết hệ thống đánh lửa trực tiếp CDI (Capacitor Discharged Ignition) 20 2.3.3 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm 22 2.3.3.1 Công suất động 23 2.3.3.2 Tốc độ động 24 v 2.4 2.3.3.3 Hỗn hợp hịa khí 25 2.3.3.4 Tải động 25 2.3.3.5 Loại nhiên liệu 25 Chuyển đổi động biogas 26 2.4.1 Nhiên liệu sử dụng 26 2.4.2 Cơ chế đốt cháy 27 2.4.3 Tỉ số nén 28 2.4.4 Điều khiển ổn định tốc độ động 28 CHƢƠNG THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ 31 3.1 Quá trình chuyển đổi 31 3.2 Các hệ thống mô động chuyển đổi 33 3.2.1 Hệ thống cung cấp biogas điều khiển điện tử 33 3.2.1.1 Bộ đo lưu lượng khơng khí nạp 34 3.2.1.2 Bộ đo lưu lượng biogas cung cấp 36 3.2.1.3 Bộ trộn kiểu ống venturi 38 3.2.1.4 Các cụm van điều khiển 41 3.2.1.5 Mạch điều khiển trung tâm 42 3.2.2 Hệ thống đánh lửa trực tiếp điều khiển điện tử kiểu CDI-DC 44 3.2.3 Hệ thống giám sát điện tử 46 3.2.4 Hệ thống giao tiếp với người dùng 47 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 47 4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm 47 4.2 Điều kiện thử nghiệm quy trình thử nghiệm 48 4.3 Kết thảo luận 49 4.3.1 Khảo sát ảnh hưởng góc đánh lửa sớm 49 4.3.1.1 Hiệu suất nhiệt 49 4.3.1.2 Thành phần khí thải nhiệt độ khí thải 50 vi 4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng tải 51 4.3.2.1 Hiệu suất nhiệt động 51 4.3.2.2 Khí thải động 52 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 55 5.1 Kết luận 55 5.2 Hướng phát triển đề tài 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO i PHỤ LỤC iv PHỤ LỤC A Bài báo đăng Kỷ yếu Hội nghị Quốc tế iv PHỤ LỤC B Các bảng biểu xxvi PHỤ LỤC C Bảng vẽ 3D động chi tiết khác xxviii LÝ LỊCH KHOA HỌC xxx vii xvi xvii Hội nghị Quốc tế Kỹ thuật lần thứ xviii xix xx xxi xxii xxiii xxiv xxv Phụ lục B Các bảng biểu Phụ lục B.1 Bảng so sánh tính chất số loại nhiên liệu khí [29] LPG CNG H2 Biogas 85% CH4 30% C3H8 Thành phần 70% C4H10 57% CH4 7% C2H6 2% C3H8 H2 1% N2 41% CO2 0,18% CO 0,18% H2 5% CO2 Nhiệt trị thấp 1atm 15oC (MJ/kg) 45,7 50 120 17 Khối lượng riêng 1atm 15oC (kg/m3) 2,26 0,79 0,08 1,2 Tốc độ cháy (cm/s) 38,25 34 275 25 Tỉ lệ A/F lý tưởng 15,5 17,3 34,2 5,7 Chỉ số octane (RON) 103-105 120 130 130 Nhiệt độ tự cháy (oC) 405-450 540 585 650 Phụ lục B.2 Các nghiên cứu động biogas STT Tên quan/Cá nhân Tên đề tài/Dự án nghiên cứu “Hai lúa” Nguyễn Văn Dục Xã Giang Điền, huyện Trảng Bom, Đồng Nai Chế tạo lắp đặt máy phát điện khí sinh học Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Nghiên cứu sử dụng khí sinh học để Tác giả: ThS Nguyễn Đình Hùng chạy máy phát điện Năm 2005 2006 Nhóm nghiên cứu thuộc Phân viện kỹ thuật cơng binh Phịng Robot3 CAPIT (Bộ quốc phịng) phối hợp với trung tâm Nhiệt Thủy Khí Động học Nghiên cứu sử dụng khí sinh học để chạy máy phát điện công suất nhỏ 2006 (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) Phân viện Bảo hộ lao động Bảo vệ Nghiên cứu ứng dụng động sử môi trường miền Trung – Tây Nguyên xxvi dụng nhiên liệu khí biogas cho 2007 thiết bị sản xuất nơng nghiệp nhằm đa dạng hóa nguồn lượng bảo vệ môi trường Động piston lưỡng nhiên liệu – Phân viện Bảo hộ lao động Bảo vệ môi trường miền Trung – Tây Nguyên giải pháp hiệu cho sử dụng lượng tái tạo bảo vệ môi 2007 trường khu vực nông thôn Việt Nam Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Nghiên cứu hệ thống cung cấp khí GS TSKH Bùi Văn Ga sinh học cho động công suất nhỏ Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Nghiên cứu động nhỏ chạy GS TSKH Bùi Văn Ga biogas Đại học Bách Khoa Đà Nẵng GS TSKH Bùi Văn Ga 2007 - Nghiên cứu hệ thống cung cấp khí sinh học cho động lưỡng nhiên 2008 liệu biogas/diesel Chuyển đổi máy phát điện chạy KS Bùi Hoàng Lang xăng, diesel thàng động biogas, 2008 công suất từ 1kW – 20kW Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Đại Nghiên cứu sử dụng nguồn 10 học Osaka Perfecture (Nhật Bản) lượng biogas cho ôtô xe gắn 2009 máy Nghiên cứu chế tạo phụ kiện 11 Nhóm nghiên cứu Đại học Đà Nẵng vạn chuyển đổi động tĩnh Chủ trì: GS TSKH Bùi Văn Ga chạy xăng, diesel sang động - biogas Thiết kế chuyển đổi động diesel 12 ThS Nguyễn Quang Minh 04 xy-lanh sang dùng hoàn toàn 2011 biogas điều khiển điện tử (Nguồn: tác giả tổng hợp) xxvii Phụ lục C Bản vẽ 3D động chi tiết khác Phụ lục C.1 Mơ hình 3D bệ thử động biogas đánh lửa cưỡng xxviii Phụ lục C.2 Bản vẽ 3D trộn biogas đo lưu lượng khơng khí nạp Phụ lục C.3 Bản vẽ đo lưu lượng biogas xxix LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ tên: VÕ LÊ HỒI PHƢƠNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14/07/1988 Nơi sinh: Tây Ninh Quê quán: Huyện Gò Dầu – Tỉnh Tây Ninh Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 92 Nguyễn Khuyến, Phường 12, Quận Bình Thạnh, Tp HCM Điện thoại: 0906.200.774 E-mail: vlhphuong@gmail.com II Q TRÌNH ĐÀO TẠO Hệ đào tạo: Đại học quy Thời gian đào tạo: 7/2006 đến 1/2011 Nơi học: Đại học Bách Khoa Tp HCM Ngành học: Kỹ thuật Ôtô – Máy động lực Tên luận án tốt nghiệp: Nghiên cứu giải pháp phù hợp cho đo lƣu lƣợng thể tích ứng dụng động đốt Ngày bảo vệ luận án tốt nghiệp: 1/2011, Đại học Bách Khoa Tp.HCM Người hướng dẫn: ThS Đinh Quốc Trí, Đại học Bách Khoa Tp.HCM III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian 4/2011 – Nay Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Động Đốt trong, Đại học Quốc gia Tp.HCM xxx Cán nghiên cứu ... điện, góc đánh lửa sớm yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả làm việc ổn định động tải thay đổi đột ngột Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đặc tính cơng suất khí thải động dùng 100%. .. theo góc đánh lửa sớm 49 Hình 4.3 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến thành phần CO HC 50 Hình 4.4 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến thành phần NOx 51 Hình 4.5 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến. .. biogas đánh lửa cưỡng Tỉ số nén động giữ nguyên (17:1) để phục vụ cho mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc động sau chuyển đổi o Nghiên cứu ảnh hưởng góc đánh lửa sớm