Nghiên cứu mô phỏng tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải độc hại của động cơ sử dụng nhiên liệu biogas chuyển đổi từ động cơ diesel

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá đặc tính làm việc và phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu khí sinh học trên phần mềm mô phỏng AVL Boost. Mô hình động cơ diesel nguyên bản được điều chỉnh bằng cách giảm tỷ số nén và thay đổi cách thức hình thành hỗn hợp và nhiên liệu để có thể làm việc với biogas. Các thông số làm việc của động cơ như lưu lượng khí nạp, mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần phát thải độc hại được xác định.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS CHUYỂN ĐỔI TỪ ĐỘNG CƠ DIESEL A SIMULATION STUDY ON PERFORMANCE AND EMISSION CHARACTERISTIC OF BIOGAS ENGINE CONVERTED FROM CONVENTIONAL DIESEL ENGINE Trần Công Minh1,*, Nguyễn Đức Khánh1, Nguyễn Phi Trường1,2 TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu đánh giá đặc tính làm việc phát thải động sử dụng nhiên liệu khí sinh học phần mềm mơ AVL Boost Mơ hình động diesel nguyên điều chỉnh cách giảm tỷ số nén thay đổi cách thức hình thành hỗn hợp nhiên liệu để làm việc với biogas Các thông số làm việc động lưu lượng khí nạp, mơ men, cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu thành phần phát thải độc hại xác định Kết nghiên cứu cho thấy sử dụng nhiên liệu biogas thành phần phát thải độc hại NOx giảm mạnh thành phần phát thải CO tăng so với trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel Tính kỹ thuật động cơng suất có ích giảm so với trường hợp sử dụng liệu diesel nhiên suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến tính làm việc động sử dụng nhiên liệu biogas đánh giá Đối với động biogas khoảng điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu xác định từ nghiên cứu 11 đến 19 độ trước điểm chết Từ khóa: Nhiên liệu thay thế, khí sinh học, góc đánh lửa sớm ABSTRACT This paper presents a simulation study on performance and emission characteristic of a biogas engine by thermodynamic simulation software AVL Boost The original model of diesel engine was modified to reduce compression ratio and mixture formation in order to operate with biogas fuel The engine operating parameters including air flow, brake torque and power, fuel consumption and emissions were determined The simulation results show that, when operating with biogas, the NOx emission reduces significantly while the CO emission increases compared to the case of diesel engine The engine performance as brake power reduces when the engine was simulated with biogas, however, the fuel economy tends to improve The effect of ignition timing on engine performance was also evaluated The results show that the optimized value of ignition timing for the biogas engine should be adjusted between 11 to 19 crank angle bTDC Keywords: Alternative fuel, biogas, ignition timing Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: minh.tc972806@gmail.com Ngày nhận bài: 12/5/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/6/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/10/2021 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Để đáp ứng nhu cầu sử dụng nhiên liệu ngày cao yêu cầu giảm phát thải độc hại nguồn động lực sử dụng động đốt sinh ra, việc sử dụng nhiên liệu khí sinh học biogas lựa chọn phù hợp Khí sinh học biogas hay cịn gọi nhiên liệu khí ga sản suất từ q trình phân hủy yếm khí chất thải nơng nghiệp Thành phần biogas CH4 (50 ÷ 70%) CO2 (30%) cịn lại chất khác nước, N2, O2, H2S CO [1-3] Khí biogas có nhiệt trị khoảng 23,400kJ/m3, trị số Octance (RON) khoảng 130, khí biogas sử dụng làm nhiên liệu thay cho nhiên liệu xăng/diesel truyền thống Nhiều nghiên cứu nước liên quan tới chuyển đổi động truyền thống sang sử dụng biogas hay nâng cao chất lượng nhiên liệu thực [4-7] Các nghiên nước [8-10] cho thấy, sử dụng nhiên liệu biogas làm giảm đáng kể phát thải độc hại so với sử dụng nhiên liệu truyền thống Nhiên liệu tồn dạng khí nên khơng gặp khó khăn q trình động khởi động lạnh Suất tiêu hao nhiêu liệu cải thiện đáng kể dù công suất đông có xu hướng giảm Để rút ngắn thời gian chi phí nghiên cứu chuyển đổi động sử dụng nhiên liệu diesel sang biogas, việc nghiên cứu mô cơng cụ máy tính cần thiết Bài báo trình bày kết nghiên cứu mô phần mềm AVL Boost việc sử dụng nhiên liệu biogas động hoán cải từ động diesel truyền thống Phần mềm công cụ mô chuyên sâu động đốt trong, mơ chu trình nhiệt động động cơ, tính tốn thơng số kinh tế, kỹ thuật động cơ, xác định thành phần phát thải độc hại động thông qua mơ hình cháy đại NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở cải tiến động diesel sang động biogas Để sử dụng khí biogas làm nhiên liệu cho động đốt trong, tỷ số nén phù hợp động thường nhỏ 16:1 để đảm bảo khơng xảy tượng kích nổ Tuy nhiên đối Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 75 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 với động tăng áp khí nạp, tỷ số nén động chuyển đổi cần phải có giá trị thấp Để giảm tỷ số nén động có phương án cắt gọt đỉnh piston, tăng độ dày đệm nắp máy Nếu tính tốn lựa chọn vị trí cắt gọt đỉnh piston phù hợp làm tăng độ xoáy lốc buống cháy, giúp hỗn hợp hịa trộn tốt hơn, cải thiện chất lượng q trình cháy Tuy nhiên cắt gọt làm thay đổi khối lượng piston từ ảnh hưởng tới động lực động Phương án tăng độ dày đệm nắp máy có nhiều ưu điểm khơng ảnh hưởng nhiều đến kết cấu khí khác động cơ, cơng cải tạo ít, giá thành phù hợp Tuy nhiên, tăng độ dày đệm nắp máy phải đảm bảo độ kín khít, tránh trường hợp rị rỉ dầu bơi trơn nước làm mát gây hư hỏng động Trong nghiên cứu này, phương án tối ưu để giảm tỷ số nén tăng độ dày đệm nắp máy thơng số hình dạng buồng cháy động nguyên không thay đổi Độ dày đệm thêm phụ thuộc vào hành trình piston, tỷ số nén trước sau cải tạo Độ dày đệm tăng thêm phụ thuộc vào tỷ số nén sau cải tạo thông số kết cấu nguyên động Khi đó, độ dày đệm cần tăng thêm xác định theo công thức (1): a = S ( )( (1) ) Trong đó, ε ε tỷ số nén trước sau cải tạo (-), S hành trình piston (mm), a độ dày đệm cần tăng (mm) 2.2 Thông số kỹ thuật xây dựng mô hình động Trên cở tính tốn lựa chọn tỷ số nén sau cải tạo động thơng số kỹ thuật bản, mơ hình mơ động AVL Boost thể hình Mơ hình cháy động sử dụng nhiên liệu biogas mơ hình Vibe hai vùng Hình Mơ hình động S6D108 phần mềm AVL Boost 2.3 Kết mô thảo luận Từ kết mô phỏng, xác định giá trị lưu lượng khí nạp, cơng suất, mơ men, suất tiêu hao nhiên liệu, áp suất nhiệt độ xy lanh, phát thải độc hại động sử dụng nhiên liệu biogas so với thông số sử dụng nhiên liệu diesel chế độ tốc độ với bướm ga mở hoàn toàn Quá trình nghiên cứu thực động S6D108, thông số kỹ thuật động trình bày bảng Bảng Thơng số kỹ thuật động Động Kiểu động Bố trí xy lanh - số xy lanh Thứ tự nổ Đường kính x hành trình (D x S) Thể tích cơng tác (cc) Tỷ số nén Cơng suất max/tốc độ Mô men max/tốc độ S6D108 Diesel, kỳ, tăng áp tua bin máy nén Thẳng hàng - xy lanh 1-5-3-6-2-4 108 x 130 (mm) 7150 17,5 121kW 2380v/ph 647Nm 1600v/ph Theo kết nghiên cứu mô thực nghiệm ảnh hưởng tỷ số nén đến tính cơng tác động biogas [11], tỷ số nén tối ưu động biogas nằm khoảng từ 11,5 đến 12,5 Trong nghiên cứu này, tỷ số nén động sau cải tạo chọn 12,5 Do đó, theo phương trình (1), độ dày đệm cần tăng thêm tính xác định: ε − ε a = S (ε − 1)(ε − 1) 17,5 − 12,5 = 130 = 3,43mm (17,5 − 1)(12,5 − 1) 76 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Hình So sánh mô men động sử dụng diesel biogas Hình So sánh cơng suất động sử dụng diesel biogas tốc độ Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Hình thể mơ men, cơng suất động chế độ tải từ tốc độ 1000v/ph đến 2380v/ph với hai loại nhiên liệu diesel biogas Trên tồn dải tốc độ, cơng suất mô men giảm từ 24% đến 27% sử dụng biogas tạo giai đoạn trùng điệp Mặc dù sinh phát thải HC khơng cịn phát thải soot lượng phát thải HC sinh trung bình 12% lượng phát thải soot Cơng suất mô men giảm biogas cấp vào đường nạp tích lớn chiếm chỗ khí nạp, làm giảm khối lượng khí nạp vào xy lanh từ giảm cơng suất mơ men động Hình thể lưu lượng khí nạp động theo tốc độ với hai nhiên liệu diesel biogas, lưu lượng dịng khí nạp giảm trung bình khoảng 4,59% sử dụng nhiên liệu biogas Kết đồ thị hình cho thấy, suất tiêu hao nhiên liệu động cải thiện sử dụng nhiên liệu biogas so với nhiên liệu diesel, trung bình suất tiêu hao nhiên liệu giảm 13% Hình So sánh phát thải soot HC sử dụng diesel biogas Hình So sánh lưu lượng khí nạp sử dụng diesel biogas Hình So sánh phát thải CO sử dụng diesel biogas Hình So sánh suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng diesel biogas Hình ÷ thể phát thải độc hại soot, HC, CO, NOx động chế độ toàn tải tốc độ thay đổi từ 1000v/ph đến 2380v/ph với hai loại nhiên liệu diesel biogas Hình cho thấy sử dụng biogas khơng cịn phát thải soot mà sinh phát thải HC Do soot hình thành điều kiện dư thừa lượng khơng khí thấp nhiệt độ cao, mơi trường giàu nhiên liệu axetylen hình thành phân hủy ankan mạch dài nhiên liệu diesel HC hình thành hình thành hỗn hợp bên ngồi xy lanh q trình cháy diễn khơng hồn tồn sinh phát thải HC Ngồi HC cịn Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình So sánh phát thải NOx sử dụng diesel biogas Kết đồ thị hình cho thấy, lượng phát thải CO động cao sử dụng nhiên liệu biogas so với nhiên liệu diesel, trung bình cao 97%, lượng phát thải CO tăng trung bình 68ppm Do hỗn hợp nhiên liệu có chứa nhiều vùng nhạt sinh lượng phát thải HC với trình cháy diễn khơng hồn tồn, dẫn đến việc phát thải CO tăng cao Kết đồ thị hình cho thấy, lượng phát thải NOx động giảm mạnh sử dụng nhiên liệu biogas so Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 77 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ với nhiên liệu diesel, lượng phát thải NOx giảm trung bình 1270ppm tương đương 99% Phát thải NOx giảm nhiệt độ cực đại trình cháy giảm, điều thể rõ kết mô áp suất nhiệt độ trình cháy (hình 10) P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 tăng Giá trị mô men lớn tìm thấy tốc độ 1800v/ph với góc đánh lửa IT = 11 bTDC (before Top Dead Center) Ngun nhân làm cho mơ men có xu hướng thay đổi hệ số như: hệ số nạp, hiệu suất nhiệt tổn hao ma sát Hình 12 thể cơng suất biogas góc đánh lửa Khi tốc độ động tăng cơng suất có xu hướng tăng Giá trị cơng suất lớn tìm thấy tốc độ 2380v/ph với góc đánh lửa IT = 19 bTDC Để làm rõ ảnh hưởng góc đánh lửa đến tiêu làm việc động cơ, cần phải xem đến suất tiêu hao nhiên liệu góc đánh lửa thay đổi Hình So sánh áp suất xy lanh sử dụng diesel biogas tốc độ 1600v/ph Hình 11 So sánh mơ men sử dụng biogas góc đánh lửa khác Hình 10 So sánh nhiệt độ xy lanh sử dụng diesel biogas tốc độ 1600v/ph Hình cho thấy thông số áp suất xy lanh biogas thấp so với diesel Áp suất cực đại sử dụng diesel 99bar góc quay trục khuỷu 366 độ, với biogas 46bar với góc quay trục khuỷu 380 độ Hình 10 cho thấy thơng số đốt cháy nhiệt độ xy lanh biogas thấp so với diesel Nhiệt độ cực đại sử dụng diesel 2155K góc quay trục khuỷu 380 độ, với biogas 1917K góc quay trục khuỷu 394 độ Có thể thấy sử dụng biogas áp suất nhiệt độ khơng giảm mà q trình cháy cịn bị đẩy lùi sang phía bên phải đồ thị so với trường hợp sử dụng diesel Hình 12 So sánh cơng suất sử dụng biogas góc đánh lửa khác Để đánh giá ảnh hưởng góc đánh lửa sớm tới tính kỹ thuật động sử dụng biogas, giá trị IT (Ignition Timing) thay đổi từ đến 21 độ bTDC, với bước thay đổi ΔIT Kết mô thể từ hình 11 ÷ 14 Hình 11 thể mô men sử dụng nhiên liệu biogas góc đánh lửa khác Khi tăng dần góc đánh lửa mơ men có xu hướng tăng theo tốc độ động từ 1000v/ph đến 2380v/ph, sau giảm dần tốc độ động 78 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Hình 13 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng biogas góc đánh lửa Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Hình 14 So sánh áp suất xy lanh sử dụng biogas góc đánh lửa Hình 13 thể suất tiêu hao nhiên liệu biogas góc đánh lửa Khi tăng dần góc đánh lửa suất tiêu hao nhiên liệu giảm theo tốc độ động từ 1000v/ph đến 1600v/ph, sau tăng dần tốc độ động tăng Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ tìm thấy tốc độ 1600v/ph với góc đánh lửa IT = 13 bTDC Hình 14 cho thấy biên dạng áp suất biogas giống với diesel, thay đổi góc đánh lửa làm cho điểm cực đại áp suất đạt khoảng 64bar với góc quay chục khuỷu 372 độ góc đánh lửa IT = 11 bTDC 67bar với góc quay chục khuỷu 370 độ góc đánh lửa IT = 13 bTDC, đạt 78bar với góc quay chục khuỷu 368 độ góc đánh lửa IT = 19 bTDC Có thể thấy sau thiết lập góc đánh lửa áp suất đạt điểm cực đại nhanh Sự ảnh hưởng góc đánh lửa sớm tới thơng số làm việc động (mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu) tương tự KẾT LUẬN Nghiên cứu mô động sử dụng nhiên liệu biogas thực đường đặc tính tốc độ với bướm ga mở hoàn toàn phần mềm AVL Boost cho thấy: - Trung bình, sử dụng biogas cải thiện khoảng 13% suất tiêu hao nhiên liệu - Công suất mô men động giảm khoảng 25% ảnh hưởng thể tích biogas làm giảm lượng khơng khí nạp tốc độ cháy biogas chậm so với diesel [2] Ho Thi Lan Huong Medium-scale tubular biogas plant (Plug-fow) Center for Renewable Energy and Clean Development Mechanism - Institute of Energy [3] Huynh Thanh Cong, et al., 2015 Biogas engine, status and trends research Science & Technology Development, Vol 18, No K7- 2019 [4] Bui Van Ga, et al.,, 2007 Experimental study of supplying biogas on motorcycle engine Journal of Science and Technology-The University of Danang, vol 18, pp 1-5 [5] Bui Van Ga, Le Minh Tien, Nguyen Van Dong, Nguyen Van Anh, 2008 Biogas supplying system for biogas/diesel dual-fuel engine Journal of Science and Technology-The University of Danang, vol 25, pp 17-22 [6] Nguyen Dinh Hung, Nguyen Huu Huong, Doan Thanh Vu, Vu Viet Thang, 2009 Application biogas for small generator’s engine in Vietnamese contryside Science & Technology Development, Vol 12, No.14, pp 5-11 [7] Bui Van Ga, et al., 2007 Refining biogas to run internal combustion engines Journal of Science and Technology, Danang Department of Science and Technology, Vol 127 [8] Wayan Sundta, et al., 2013 Sinple Conversion Method from gasoline to Biogas Fueled small Engine to Powered Electric Generator International Conference on Alternative Energy in Developing Counties and Emerging Economies, pp 626-632 [9] Juan Pablo Gomez Montoya, et al., 2015 Spark ignition engine performance and emissions in a high compression engine using biogas and methane mixtures without knock occurrence Thermal science, Vol 19, No 6, pp 1919-1930, [10] Tjokoda Gde Tirta Nindhia, et al., 2013 Method on conversion of gasoline to biogas fueled single cylinder of four stroke engine of electric generator International Journal of Environmental Science and Development, Vol 4, No.3, pp 300-303 [11] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Le Xuan Thach, 2013 Optimal Compression Ratio of Biogas Engine Determined by Simulation and Experiment Journal of Science and Technology - Technical Universities, Vol 96 AUTHORS INFORMATION Tran Cong Minh1, Nguyen Duc Khanh1, Nguyen Phi Truong1,2 Hanoi University of Science and Technology Hanoi University of Industry - Các thành phần phát thải Soot khơng cịn mà sinh phát thải HC, lượng phát thải HC sinh 12% lượng phát thải Soot trước Thành phần phát thải CO tăng 97%, thành phần phát thải NOx giảm 99% - Thiết kế hệ thống đánh lửa phục vụ nghiên cứu phát triển động sử dụng nhiên liệu biogas cần phải thay đổi tối thiểu khoảng từ 11 đến 19 độ bTDC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Dinh Tuan, 2012 Development of biofuel for building up biomass towns in Vietnam Vietnam Journal of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology, Vol 50, pp 943-949 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 79 ... Hình So sánh phát thải NOx sử dụng diesel biogas Kết đồ thị hình cho thấy, lượng phát thải CO động cao sử dụng nhiên liệu biogas so với nhiên liệu diesel, trung bình cao 97%, lượng phát thải CO tăng... hai nhiên liệu diesel biogas, lưu lượng dịng khí nạp giảm trung bình khoảng 4,59% sử dụng nhiên liệu biogas Kết đồ thị hình cho thấy, suất tiêu hao nhiên liệu động cải thiện sử dụng nhiên liệu biogas. .. với nhiên liệu diesel, trung bình suất tiêu hao nhiên liệu giảm 13% Hình So sánh phát thải soot HC sử dụng diesel biogas Hình So sánh lưu lượng khí nạp sử dụng diesel biogas Hình So sánh phát thải