Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ hybrid biogas xăng

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác! Đà Nẵng, tháng 11 năm 2021 Nghiên cứu sinh Võ Anh Vũ i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v DANH MỤC BẢNG x DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 10 Cấu trúc luận án 10 Đóng góp luận án 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11 1.1 Sự cần thiết việc sử dụng lượng tái tạo [1] 11 1.2 Nhiên liệu sinh học [66] 15 1.2.1 Các hệ nhiên liệu sinh học 15 1.2.2 Biogas 16 1.3 Động biogas [1] 23 1.3.1 Động biogas đánh lửa cưỡng cải tạo từ động xăng .23 1.3.2 Động biogas đánh lửa cưỡng cải tạo từ động diesel .25 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới Việt Nam 28 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới .28 1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu phát triển động biogas Việt Nam 31 1.5 Kết luận 36 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 31 2.1 Hệ phương trình 31 2.1.1 Các phương trình tổng quát 31 2.1.2 Phân tích Reynolds 31 2.1.3 Trung bình kiểu Favre 32 2.1.4 Khép kín hệ phương trình 33 2.2 Mơ hình cháy khơng đồng 36 ii 2.2.1 Các mơ hình cháy khơng đồng 36 2.2.2 Mơ hình cháy khơng đồng thơng qua đại lượng bảo tồn .38 2.3 Mơ hình cháy hỗn hợp đồng 42 2.3.1 Thiết lập hệ phương trình cháy 42 2.3.2 Lan tràn màng lửa 47 2.4 Mơ hình cháy đồng cục 51 2.5 Kết luận 53 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG Q TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ Q TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS/XĂNG 54 3.1 Mục tiêu, đối tượng mô 54 3.2 Mơ hình hình học động điều kiện biên mô 56 3.3 Kết mô trình cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng 59 3.4 Mơ q trình cháy phát thải nhiễm động DA465QE Towner sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng 67 3.4.1 Ảnh hưởng hệ số tương đương 67 3.4.2 So sánh tính động chạy biogas/xăng 72 3.4.3 Ảnh hưởng hàm lượng xăng bổ sung vào biogas 75 3.4.4 Ảnh hưởng tốc độ động 81 3.4.5 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm 83 3.5 Hài hòa Wi NOx 88 3.6 Kết luận 90 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS-XĂNG92 4.1 Mục đích giới hạn nghiên cứu thực nghiệm 92 4.2 Đặc điểm hệ thống nhiên liệu động DA465QE 92 4.3 Thiết kế hệ thống cung cấp hybrid biogas-xăng 94 4.3.1 Nguyên lý cấp ga liên tục gián đoạn 94 4.3.2 Hệ thống cung cấp biogas cho động DA465QE 96 4.4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động DA465QE 98 4.5 Kết cấu tổ hợp van chân không cung cấp biogas 99 4.6 Giới thiệu hệ thống thực nghiệm 99 4.6.1 Tổng quan băng thử công suất động 99 iii 4.6.2 Băng thử công suất APA 204/08 100 4.6.3 Thiết bị cấp đo tiêu hao nhiên liệu 733S 101 4.6.4 Thiết bị AVL 553 101 4.6.5 Thiết bị đo lưu lượng khí nạp 102 4.6.6 Máy tính điều khiển 103 4.6.7 Thiết bị phân tích khí thải MGT 103 4.7 Nghiên cứu thực nghiệm động chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng 104 4.7.1 Bố trí hệ thống thí nghiệm 104 4.7.2 Chuẩn bị nhiên liệu 105 4.7.3 Lắp đặt động thí nghiệm lên băng thử công suất 107 4.7.4 Chế độ thí nghiệm 108 4.8 Kết thực nghiệm so sánh với kết mô 109 4.8.1 So sánh tính động 109 4.8.2 So sánh phát thải chất ô nhiễm cho mô thực nghiệm 115 4.9 Tổng hợp yếu tố ảnh hưởng đến tính động hybrid 119 4.10 Kết luận 120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 122 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 PHỤ LỤC i iv MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Từ thập niên cuối kỷ 20 sống loài người đất bị đảo lộn khí hậu thay đổi thất thường Nắng nóng, khơ hạn diễn nhiều nơi ảnh hưởng nặng nề đến canh tác nông nghiệp sống Ngược lại nhiều nơi khác trái đất trải qua mùa đông cực lạnh, bão tuyết kéo dài Những tượng thất thường thời tiết nhà khoa học dự báo từ lâu thực tế diễn sớm dự kiến Nước ta quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề biến đổi khí hậu nước biển dâng Dân chúng vùng nam Trung Bộ, Tây Nguyên năm gần phải vật lộn với nạn khô hạn, thiếu nước sinh hoạt sản xuất, nhiều vùng đất bị nhiễm mặn nghiêm trọng… Khu vực Tây Nam bộ, vựa lúa nước, bị sụt lún, nước biển xâm thực, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất đời sống người dân Những diễn cho thấy tác động biến đổi khí hậu nghiêm trọng nhiều người ta nghĩ Thời kỳ qua, tập trung phát triển kinh tế mà người ta phớt lờ cảnh báo nhà khoa học ô nhiễm môi trường biến đổi khí hậu tồn cầu Hơn 20 năm trước, giới đạt thỏa thuận Kyoto, cắt giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên số nước cơng nghiệp phát triển chiếm phần lớn lượng phát thải CO2 lại không thực cam kết Mãi đến năm 2015, Hội nghị thượng đỉnh biến đổi khí hậu tồn cầu COP21 Paris, nguyên thủ quốc gia đạt thỏa thuận nguyên tắc hạn chế mức tăng nhiệt độ khí cuối kỷ 21 khơng q C so với thời kỳ tiền công nghiệp Việt Nam quốc gia cam kết thực thỏa thuận nguyên tắc COP21 Là nước phát triển, mức độ phát thải ô nhiễm hoạt động công nghiệp nước ta chưa nhiều so với nước phát triển Mật độ phương tiện giao thông giới nước ta không cao nước phát triển phần lớn xe gắn máy, ô tô hệ cũ có mức độ phát thải cao Do cần có cách tiếp cận giảm phát thải nhiễm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính phù hợp với thực tế nước ta Hiện việc sản xuất điện nước ta có bước chuyển mạnh sang sử dụng lượng tái tạo Mức phát thải CO lĩnh vực cắt giảm theo lộ trình cam kết Đối với phương tiện giao thông, mức phát thải ô nhiễm nước ta cao nhiều so với nước phát triển Thế giới ngày thực cắt giảm phát thải CO phương tiện giới theo hai hướng chính: (1) sử dụng lượng điện (accu pin nhiên liệu hydrogen) (2) sử dụng nhiên liệu tái tạo cho động đốt Nhiều nước phát triển đặt lộ trình đưa mức phát thải CO2 phương tiện giao thông nơi sử dụng vào năm 2040 Sử dụng phương tiện giao thơng chạy điện làm thay đổi hồn tồn cơng nghệ, hạ tầng phụ vụ thói quen người sử dụng Điều khó diễn ngắn hạn đến trung hạn Việc sử dụng lượng tái tạo phương tiện giao thông chạy động đốt trước mắt giải pháp khả thi mặt công nghệ lẫn hiệu kinh tế Các nguồn nhiên liệu tái tạo đa dạng nguồn cung cấp hạn chế Mặt khác, nhiên liệu tái tạo có đặc trưng lý hóa khác biệt nhiều so với nhiên liệu hóa thạch nên việc cung cấp, lưu trữ chúng phương tiện giao thông thách thức lớn Do vậy, phối hợp sử dụng nhiên liệu tái tạo nhiên liệu hóa thạch giải pháp khả thi để giảm dần mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch Có hai hướng phối hợp sử dụng loại nhiên liệu: (1) hòa trộn nhiên liệu với tỉ lệ định trước cung cấp cho động (ví dụ xăng sinh học E5), (2) cung cấp nhiên liệu riêng rẽ với thành phần hỗn hợp nhiên liệu thay đổi linh hoạt (nhiên liệu hybrid) Trong khuôn khổ luận án này, nhiên liệu hybrid biogas-xăng nghiên cứu sử dụng động ô tô Với phương thức nhiên liệu hybrid, động chạy hoàn toàn xăng, hoàn toàn biogas hay hỗn hợp biogas-xăng với thành phần thay đổi linh hoạt Biogas nhiên liệu tái tạo dồi quốc gia vùng nhiệt đới Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động đốt không làm tăng nồng độ CO bầu khí Biogas có chứa tạp chất khí trơ CO2 nên nhiệt trị nhiên liệu thấp, tốc độ cháy thấp nhiều so với loại nhiên liệu truyền thống Những tính chất ảnh hưởng đến khả lưu trữ biogas làm ảnh hưởng đến chất lượng trình cháy, động phương tiện vận tải với chế độ công tác thay đổi thường xuyên Tuy nhiên số octane biogas cao nên có tính chống kích nổ tốt Việc sử dụng kết hợp biogas xăng theo phương án nhiên liệu hybrid giúp khắc phục hạn chế biogas, phát huy ưu điểm nó, góp phần phát triển ứng dụng nhiên liệu tái tạo động đốt nói chung động đốt phương tiện giao thơng nói riêng Vì vậy, luận án: “Nghiên cứu q trình cháy phát thải nhiễm động hybrid biogas-xăng” có ý nghĩa thiết thực Luận án thực nghiên cứu tảng ban đầu cho việc ứng dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng động ô tô kiểu phun xăng điện tử Nội dung luận án tập trung xử lý vấn đề chính: (1) mơ q trình nạp q trình cháy động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng, (2) giải pháp cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động phun xăng điện tử, (3) thử nghiệm tính mức độ phát thải ô nhiễm động ô tô chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng để đánh giá kết mô Mục tiêu nghiên cứu ➢ Mục tiêu tổng quát: Phát triển giải pháp công nghệ ứng dụng hiệu biogas nghèo động ô tô ➢ Mục tiêu cụ thể: Tối ưu hóa q trình cung cấp nhiên liệu tổ chức trình cháy động ô tô chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng nhằm nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu giảm mức độ phát thải chất ô nhiễm Đối tượng phạm vi nghiên cứu ➢ Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu tiến hành động DA465QE lắp ô tô tải nhẹ Trường Hải Towner Đây động xi lanh, kỳ, đánh lửa cưỡng bức, phun xăng điều khiển điện tử Ô tơ sử dụng để vận chuyển vật tư, hàng hóa nông thôn, gần nơi sản xuất biogas ➢ Phạm vi nghiên cứu: - Thực nghiên cứu bản, làm tảng ban đầu định hướng phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng động ô tô - Với phạm vi nghiên cứu này, luận án tập trung nghiên cứu nội dung sau đây: o Về lý thuyết: - Nghiên cứu hệ phương trình tổng quát học thủy khí áp dụng cho q trình cháy rối sử dụng nhiên liệu hybrid biogas/xăng - Mơ hình rối để khép kín hệ phương trình đối lưu-khuếch tán - Mơ hình cháy để đơn giản hóa phương trình bảo tồn phần tử - Động học phản ứng sản sinh NOx chế hình thành chất nhiễm khác o Về mô phỏng: - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Fluent để tính tốn, mơ q trình cung cấp nhiên liệu lỏng (xăng) nhiên liệu khí (biogas) cho động - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Fluent để tính tốn q trình cháy động đánh lửa cưỡng sử dụng lưỡng nhiên liệu hybrid biogas-xăng - Tính tốn mức độ phát thải chất nhiễm CO, HC NOx - Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần nhiên liệu chế độ vận hành động đến tính cơng tác phát thải ô nhiễm o Về thực nghiệm: - Cải tạo đường nạp động xăng nghiên cứu để thích nghi với nhiên liệu hybrid biogas-xăng - Giải pháp cung cấp biogas xăng cho động thí nghiệm - Lắp đặt động thí nghiệm lên băng thử cơng suất động AVL - Đo cơng suất có ích động đường đặc tính ngồi thay đổi hàm lượng xăng nhiên liệu hybrid phân tích chất ô nhiễm CO, HC, NOx chế độ vận hành tương ứng - So sánh kết thí nghiệm với kết mơ Phương pháp nghiên cứu Kết hợp lý thuyết, mô thực nghiệm Lý thuyết để định hướng việc sử dụng mơ hình tốn học xử lý tốn phức tạp q trình cháy rối Mơ phương pháp sử dụng nghiên cứu Thực nghiệm tiến hành số chế độ vận hành xác định động để đánh giá kết mô Sự phù hợp kết cho mô thực nghiệm cho phép rút kết luận mang tính tổng quát Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận án chia làm chương: ❖ ❖ ❖ ❖ Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết trình tạo hỗn hợp cháy động đốt Chương 3: Mô trình cung cấp nhiên liệu trình cháy động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá kết mô động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng Đóng góp luận án - Xây dựng mơ hình chương trình tính tốn q trình cung cấp nhiên liệu trình cháy động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng - Thiết kế hệ thống nạp động phun xăng điều khiển điện tử thành hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng - Xác định thành phần xăng tối ưu nhiên liệu hybrid biogas-xăng để đạt hài hịa tính kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động - Xác lập quy luật biến thiên công thị chu trình, nồng độ chất nhiễm theo thành phần nhiên liệu, góc đánh lửa sớm tốc độ động - Phát triển công nghệ ứng dụng biogas nghèo ô tô tải nhẹ hoạt động khu vực nơng thơn, góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính 10 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết việc sử dụng lượng tái tạo [1] Nguồn lượng sử dụng phân chia hình 1.1 - Các nguồn lượng sơ cấp phân chia thành lượng không tái tạo (hay lượng hóa thạch) lượng tái tạo - Năng lượng hóa thạch chủ yếu gồm: than đá, dầu mỏ khí thiên nhiên - Năng lượng tái tạo có nguồn gốc trực tiếp hay gián tiếp từ lượng mặt trời: điện mặt trời, lượng gió, thủy điện, biogas, biomass, hydrogen … - Các nguồn lượng hóa thạch sơ cấp dùng để chế biến thành lượng thứ cấp: than coke, nhiên liệu khí, xăng dầu … để sử dụng cho nhiều mục đích khác - Các nguồn lượng tái tạo chuyển sang điện, nhiệt hay nhiên liệu để thay nguồn lượng truyền thống Hình 1.1: Các nguồn lượng Năng lượng tái tạo nguồn lượng tạo bổ sung thời gian ngắn Chúng tồn thang đo thời gian Hệ Mặt trời Chúng cạn kiệt Mặt trời tắt, sớm phải đến vài tỉ năm nữa! Phần lớn nguồn lượng tái tạo khai thác có nguồn từ Mặt Trời điện mặt trời (PV solar), thủy điện, điện gió, điện từ sóng biển, nhiên liệu sinh học … Một số khác khai thác từ nhiệt lòng đất (địa nhiệt), từ lực hấp dẫn Mặt Trăng (thủy triều) … 11 PL-19: Chọn mơ hình pressure-inlet thẻ bio-in PL-20: Chọn giá trị áp suất dư nhiên liệu vào Gauge Total Pressure (ở lấy giá trị 10000 Pascal PL-21: Chọn giá trị thành phần chất nhiên liệu đầu vào cửa sổ Species Mole Fractions (ở chọn nhiên liệu có 0.6CH4 0.4CO2) Bước Chuẩn bị giải hệ phương trình a)Cài đặt tiêu chuẩn hội tụ - Monitors → Residual – Print, Plot (PL-22) - Giữ nguyên giá trị mặc định tùy chọn mặc định - Print, Plot Option thể kết q trình tính (in kết vẽ đồ thị) xii −3 - Thay đổi tiêu chuẩn hội tụ (Criteria) Tiêu chuẩn hội tụ mặc định 10 PL-22: Giá trị chọn giá trị mặt định thể kết q trình tính (in kết vẽ đồ thị) b)Cài đặt điều kiện ban đầu - Chọn Solution Initialization (PL-23) - Chọn Standard Initialization - Bấm chuột trái vào nút Initialize PL-23: Chọn Intialize Solution Initialization xiii Bước Giải hệ phương trình - Chọn Run Calculation (PL-24) - Chọn Number of Iterations: “300” (bước tính) - Chọn Reporting Interval: “5” (cứ bước tính in lần kết quả) - FLUENT giải hệ phương trình, hiển thị kết tính vẽ đồ thị biến thiên Residuals theo bước tính (PL-25) - Khi hội tụ tiến hành xong 300 bước tính, chương trình dừng - Nếu q 300 bước tính mà chương trình chưa hội tụ ta bấm vào Calculate để tính tiếp PL-24: Hiển thị giá trị Run Calculation xiv PL-25: Chạy chương trình tính tốn Bước Xuất kết PL-26: Chọn kết thị pressure Graphics and Animations xv Tính tốn mơ trình cháy với phần mền FLUENT Bước Xác định mơ hình lưới động Define → Dynamic Mesh → Parameters Bấm chuột trái vào Dynamic Mesh Chọn Models: − Dynamic Mesh (PL-27) − In-Cylinder (PL-31) Chọn Mesh Methods: − Smoothing (PL-28) − Layering (PL-29) − Remeshing (PL-30) PL-27: Chọn mơ hình lưới động Dynamic Mesh PL-28: Thiết lập mơ hình lưới động cho PL-29: Thiết lập mơ hình lưới động cho thẻ Smoothing thẻ Layering xvi PL-30: Thiết lập mơ hình lưới động cho PL-31: Thiết lập mơ hình lưới động thẻ Remeshing cho thẻ In-Cylinder Bước Xác định khu vực lưới biến dạng biên di động PL-32: Xác lập thông số cho khu vực xi lanh xvii PL-33: Xác lập lưới biến dạng cho xi lanh PL-34: Hiển thị lưới khơng gian tính tốn xviii Bước Kích hoạt phương trình lượng PL-35: Chọn phương trình lượng Bước Chọn mơ hình độ nhớt rối Bước 10 Chọn thông sô liên quan đến vị trí đánh lửu Chọn menu Define -> Model ->Species ->Spark Ignition, cửa sổ Spark Ignition Model chọn Fixed Spark Size Tiếp tục thiết lập thông số Spark Ignition Model sau: lượng đánh lửa trường hợp 143J, vị trí đánh lửa tọa độ (0,90,0), bắt đầu đánh lửa = (20 độ trước điểm chết trên) PL-36: Chọn thông số đánh lửa xix Bước 11 Xác định mặt phẳng để biểu diễn kết PL-37: Lập mặt phẳng biểu diễn kết pressure PL-38: Lập mặt phẳng biểu diễn kết nồng độ CH4 PL-39: Lập mặt phẳng biểu diễn kết PL-40: Lập mặt phẳng biểu diễn nhiệt độ kết nhiệt độ xx PHỤ LỤC 4: TỔ HỢP VAN CHÂN KHÔNG ĐỂ CUNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ CĨ CƠNG SUẤT 30 KW PL-1: Modun van chân không cung cấp biogas cho động công suất 15kW PL -3: Lắp song song tổ hợp van tổ hợp chân không cung cấp biogas cho động công suất 30kW xxi PL -4: Tổ hợp van chân không cung cấp biogas cho động DA465QE chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng PL -5: Lắp đặt tổ hợp van chân không lên động động DA465QE chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng xxii 10 11 PL -6: Tổ hợp van chân không cung cấp biogas cho động 5kW - Lò xo hồi vị; - Màng su trên; - Cần nối; - Vỏ ngoài; - Vòng đệm; - Màng su trên; - Đầu công suất; - Van cấp biogas chính; – Đầu làm đậm; 10 – Van cơng suất; 11- Đầu không tải xxiii PHỤ LỤC 5: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC HIỆN LUẬN ÁN PL-1: Chia lưới khơng gian tính tốn PL-2: Màn hình kết trường hợp tính tốn xxiv PL-3: Băng thử APA 204/8 PL-4: Thiết bị cấp đo tiêu hao nhiên liệu 733 xxv (a) (b) PL-5: Thiết bị kiểm tra khí xả động xăng MGT a Buồng phân tích khí xả động xăng; b Phần mềm điều khiển Eurosystem b PL-6: Ống mềm lấy khí xả (a), Đầu đo tốc độ thông qua bugi đánh lửa (b) PL-7: Thử nghiệm động DA465QE chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng áp suất biogas xấp xỉ áp suất khí trời (a) tăng áp suất (b) xxvi ... ? ?Nghiên cứu trình cháy phát thải nhiễm động hybrid biogas- xăng? ?? có ý nghĩa thiết thực Luận án thực nghiên cứu tảng ban đầu cho việc ứng dụng nhiên liệu hybrid biogas- xăng động ô tô kiểu phun xăng. .. .25 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới Việt Nam 28 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng động biogas giới .28 1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu phát triển động biogas Việt Nam... q trình nạp trình cháy động sử dụng nhiên liệu hybrid biogas- xăng, (2) giải pháp cung cấp nhiên liệu hybrid biogas- xăng cho động phun xăng điện tử, (3) thử nghiệm tính mức độ phát thải nhiễm động