CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
5.3. Mô phỏng ảnh hưởng của thông số kết cấu và vận hành đến tính năng kỹ thuật
5.3.2. Ảnh hưởng tốc độ động cơ
Hình 5.24 cho thấy tốc độ tiêu thụ
CH4 thay đổi đáng kể khi thay đổi tốc độ
động cơ ở một góc đánh lửa sớm cho
trước (s = 300). Đường biểu diễn càng
dốc tương ứng với tốc độ cháy càng cao
khi tốc độ động cơ càng bé (3000
vòng/phút).
Khi tăng tốc độ góc động cơ lên
(6000–8000 vịng/phút) mà khơng thay
đổi góc đánh lửa sớm dẫn đến tốc độ tiêu
thụ nhiên liệu sẽ giảm.
Sự khác biệt về tốc độ cháy khi
thay đổi tốc độ động cơ ở một góc đánh 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90 120 150 180 210 240 270 XCH4(%) n(v/ph) n=8000(v/ph) n=6000(v/ph) n=3000(v/ph) Hình 5.24: Biến thiên nồng độ CH4
trung bình theo góc quay trục khuỷu
ứng với các tốc độ khác nhau của động
cơ (φs=300, =1,0) (độ) 20 24 28 32 36 3000 4000 5000 6000 7000 8000 n tối ưu
Hình 5.23: Biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo tốc độ góc động cơ
(v/ph)
180 240 300 360 420 480 540
(0)
lửa sớm cho trước thể hiện rõ trên đồ thị biến thiên áp suất và nhiệt độ trung bình trong buồng cháy theo góc quay trục khuỷu (hình 5.25 và hình 5.26). Ở góc đánh
lửa sớm 30 độ, áp suất cực đại của động cơ giảm từ 6 MPa xuống 4,5 MPa khi tốc
độ động cơ tăng từ (3000 – 8000) vòng/phút, tương ứng với nhiệt độ cực đại giảm
từ 2490 K xuống 2300 K. Do đó để đạt được công suất cực đại của động cơ sử dụng nhiên liệu biogas, khi tốc độ động cơ thay đổi ta phải thay đổi góc đánh lửa sớm cho phù hợp. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 45 90 135 180 225 270 315 360 P(MPa) φ(0) n=8000(v/ph) n=6000(v/ph) n=3000(v/ph) 0 500 1000 1500 2000 2500 0 60 120 180 240 300 360 T(K) φ(0) n=8000(v/ph) n=6000(v/ph) n=3000(v/ph)
Hình 5.25: Biến thiên áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu ứng với các
tốc độ khác nhau của động cơ (φs=300)
Hình 5.26: Biến thiên nhiệt độ theo
góc quay trục khuỷu ứng với các tốc
độ khác nhau của động cơ (φs=300)
Hình 5.27 so sánh đường đặc tính
ngồi cho bởi mơ phỏng và thực nghiệm của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc khi chạy bằng biogas chứa 85% CH4 với độ đậm =1. Kết quả này được tính trên cơ sở đồ thị áp suất chỉ thị. Hệ số tốc độ màng lửa cháy rối ff =1,3.
Chúng ta thấy kết quả tính toán khá phù hợp với kết quả thực nghiệm.
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Ni (kW) n (vịng/phút Hình 5.27: So sánh đường đặc tính ngồi
động cơ cho bởi mô phỏng và thực
nghiệm (=1,0, biogas chứa 85% CH4)
180 225 270 315 360 405 450 495 540 (0) 180 240 300 360 420 480 540 (0) Thực nghiệm Mô phỏng Ne [kW]
5.4. Kết luận
Những kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra được những kết luận sau:
- Khi chuyển động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sang chạy bằng
biogas nén và không cải tạo buồng cháy thì hệ số tốc độ màng lửa cháy rối ff có thể chọn bằng 1,3 đối với nhiên liệu chứa 85% CH4 và động cơ hoạt động trong phạm
vi tốc độ trung bình từ 3000 vịng/phút đến 6000 vòng/phút.
- Kết quả nghiên cứu trên đây cho thấy, nhiên liệu biogas có thành phần CH4
thấp thì phải tăng góc đánh lửa sớm của động cơ để đạt được công chỉ thị tối ưu.
Kết quả này cũng cho thấy nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm và tốc độ trục khuỷu của động cơ cố định khi thay đổi thành phần nhiên liệu từ 60% CH4 lên 90% CH4, công chỉ thị theo chu trình tăng gần như tuyến tính theo thành phần của nhiên liệu (hình 5.8).
- Động cơ Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu với 85% CH4 thì góc đánh
lửa sớm tối ưu dao động từ 20 đến 35 độ ứng với tốc độ động cơ thay đổi từ 3000
vịng/phút đến 8000 vịng/phút.
- Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu quả quá trình cháy. Nhiên
liệu càng nghèo và tốc độ động cơ càng cao, góc đánh lửa sớm tối ưu càng lớn. Khi tăng số vịng quay góc đánh lửa sớm cũng phải tăng theo. Thực tế, động cơ xe gắn máy không thể thay đổi theo yêu cầu trên đối với hỗn hợp biogas – khơng khí.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Việc sử dụng nhiên liệu tái tạo để thay thế dần nhiên liệu hóa thạch là xu thế tất yếu của văn minh nhân loại vì nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt dần, gây ảnh hưởng đến mọi nền kinh tế trên toàn thế giới. Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là một trong những giải pháp phát triển năng lượng tái tạo phù
hợp với Việt Nam nơi có đến 80% dân số sống ở vùng nơng thơn.
Sử dụng biogas làm nhiên liệu càng có ý nghĩa hơn khi chúng ta có thể chế biến chúng để cung cấp cho phương tiện giao thông cơ giới, trong đó xe gắn máy là phương tiện giao thơng cá nhân chính ở nước ta hiện nay.
Luận án góp phần xử lý 3 vấn đề quan trọng để có thể sử dụng biogas làm
nhiên liệu cho xe gắn máy, đó là (1) nén biogas vào bình chịu áp lực, (2) cung cấp biogas nén cho xe gắn máy đảm bảo cho xe hoạt động tối ưu trong mọi điều kiện
vận hành và (3) xác định hệ số tốc độ màng lửa cháy rối ff trong buồng cháy động cơ xe gắn máy Honda wave 110cc sử dụng biogas nén.
Kết quả nghiên cứu của luận án cho phép chúng ta rút ra được những kết luận sau đây.
Kết luận chung:
Việc lọc tạp chất trong biogas phụ thuộc vào yêu cầu và quy mơ sử dụng của
nhiên liệu khí. Đối với quy mô nhỏ, phương pháp lọc đơn giản sử dụng tháp có vật liệu đệm với dung mơi bằng nước cho kết quả đáp ứng tiêu chuẩn
nhiên liệu khí sử dụng cho các phương tiện vận tải cơ giới. Khi dùng dung dịch NaOH 20% để lọc, ta có thể loại trừ hoàn toàn H2S và nâng cao hàm lượng CH4 trong biogas lên đến 97% CH4. Đối với những trạm cấp biogas lớn, ta có thể kết hợp loại trừ H2S bằng các phương pháp lọc hấp phụ, hấp thụ truyền thống và phương pháp loại trừ CO2 bằng nén tách ở áp suất cao.
Hệ thống cung cấp biogas nén cho xe gắn máy bao gồm bình chứa biogas áp
khí thiên nhiên nén dung tích 3,5 lít chịu được áp suất 200 bar để lưu trữ
nhiên liệu trên xe gắn máy biogas. Mặt khác có thể điều chỉnh bộ phụ kiện cung cấp LPG cho xe gắn máy gồm 3 van chức năng: van khơng tải, van cấp ga chính và van làm đậm để cung cấp biogas nén cho xe gắn máy. Kết quả thí nghiệm cho thấy nếu sử dụng 2 bình 3,5 lít chứa biogas nén có 85% CH4
ở áp suất nén 75 bar thì xe gắn máy có thể chạy quãng đường độc lập 20 km ở tốc độ trung bình 40 km/h.
Tốc độ cháy của biogas thấp hơn tốc độ cháy của nhiên liệu lỏng truyền
thống. Vì vậy, khi chuyển xe gắn máy sang chạy bằng biogas nén chúng ta phải thay đổi góc đánh lửa để đảm bảo động cơ có thể chạy được ở tốc độ
cao. Biogas càng nghèo thì góc đánh lửa sớm tối ưu càng lớn. Kết quả
nghiên cứu của luận án cho thấy khi động cơ chạy ở vùng tốc độ 3000
vịng/phút và biogas có 85% CH4 thì góc đánh lửa sớm tối ưu là 20 độ.
Khi chuyển sang chạy bằng biogas nén, áp suất chỉ thị cực đại cũng như cơng
chu trình giảm so với khi chạy bằng xăng. Thực nghiệm cho thấy khi động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng RON92 thì áp suất cực đại pmax 58 bar sau
điểm chết trên khoảng 10 độ góc quay trục khuỷu và cơng chu trình là
106,369 J/cyc cịn khi chạy bằng nhiên liệu biogas nén có thành phần CH4 chiếm 85% áp suất cực đại đạt 34,5 bar, ở góc quay trục khuỷu 19 độ sau điểm chết trên và cơng chu trình là 75,842 J/cyc tức là khoảng 71,3% so với
xăng thị trường RON92.
Tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp biogas – khơng khí có thể sử dụng các cơng thức tính thực nghiệm của Iijima và Takeno [54]. Khi chuyển động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sang chạy bằng biogas nén và không cải tạo buồng cháy thì hệ số cháy rối ff có thể chọn bằng 1,3 đối với nhiên liệu biogas có chứa 85% CH4 và động cơ hoạt động trong phạm vi tốc độ trung bình từ 3000 vịng/phút đến 6000 vịng/phút. Trong trường hợp này kết quả tính tốn theo mô phỏng với phần mềm Fluent phù hợp với kết quả thí nghiệm trên băng thử xe gắn máy AVL.
Hướng phát triển
Để hoàn thiện cơ sở lý thuyết và thực nghiệm của động cơ xe gắn máy sử
dụng nhiên liệu biogas nén cần tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu những vấn đề sau:
Nghiên cứu phát triển công nghệ lọc và nén lưu trữ biogas bằng các vật liệu có cấu trúc nano để hấp thụ CH4 làm giảm thể tích bình chứa khi bố trí trên xe gắn máy để thuận lợi hơn khi sử dụng.
Nghiên cứu bố trí các bình chứa biogas nén trên xe gắn máy.
CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
[1]. Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đơng, Nguyễn Văn Anh, Trương Lê Bích
Trâm (2009), “Nghiên cứu hệ thống cung cấp biogas nén cho xe gắn máy”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, 12, tr. 79-82.
[2]. Nguyễn Đình Lâm, Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đơng (2010), “Tổng
hợp, định hình và ngun cứu khả năng hấp thụ Methane của Carbon Nano
ống (CNT) trong công nghệ lưu trữ Biogas”, Hội nghị Khoa học Thủy khí
tồn quốc, Quy Nhơn, tr. 321-328.
[3]. Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Văn Đông (2011), “Mô phỏng ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu biogas”, Tạp chí Cơ
khí Việt Nam, 01, tr. 4-9.
[4]. Bui Van Ga, Tran Thanh Hai Tung, Nguyen Van Dong (2012), “Simulation and experimetal studies of perfomance of 110cc motorcycle engine running on biogas”, The 4" AUN/SEED-Net Regional Conference in Mechanical and Aerospace Technology, HoChiMinh City, Vietnam, pp. 182-190.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Trần Ngọc Chấn (2001), Ô nhiễm khơng khí & xử lý khí thải, Nxb. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[2] Hồ Trọng Du, Trương Hoài Linh, Trần Đăng Long, Nguyễn Ngọc Dũng (2011), “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy sử dụng khí sinh học (Biogas)”, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 12 HCMUT.
[3] Vũ Thị Kim Châu, Chiêm Trấn Lâm, Huỳnh Thanh Công (2011), “Thực nghiệm
đánh giá sơ bộ đặc tính động cơ xe gắn máy sử dụng biogas”, Kỷ yếu Hội nghị Khoa
học và Công nghệ lần thứ 12 HCMUT.
[4] Võ Tấn Đông (2006), "Một số hướng nghiên cứu phát triển động cơ đốt trong trên thế giới hiện nay", Hội nghị Khoa học lần thứ 20 - Phân ban Động cơ Đốt trong, Hà Nội, 2006, tr. 128-135.
[5] Nguyễn Văn Đông (2012), Nghiên cứu công nghệ xử lý và lưu trữ biogas làm nhiên
liệu cho phương tiện cơ giới, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp Đại học Đà
Nẵng 2012, Đ2012-02-26.
[6] Bùi Văn Ga (2012), Nghiên cứu công nghệ sử dụng biogas dùng để phát điện, kéo
máy công tác và vận chuyển cơ giới, Báo cáo đề tài độc lập cấp Nhà nước
2010G/35.
[7] Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú (2004), “Hệ thống nhiên liệu của xe gắn máy chạy bằng LPG”, Tạp chí Giao thơng vận tải, (10), tr. 23-24 và 27.
[8] Bùi Văn Ga, Ngô Văn Lành, Ngô Kim Phụng, Venet Cederic (2007), “Thử nghiệm
động cơ biogas trên động cơ xe gắn máy”, Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ , Đại
học Đà Nẵng, 1(18), tr. 1-5.
[9] Bùi Văn Ga, Ngô Văn Lành, Ngô Kim Phụng (2007), “Tinh luyện khí biogas để chạy động cơ đốt trong”, Khoa học và Phát triển, Đà Nẵng.
[10] Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng (2007), “Nghiên cứu hệ thống không tải làm
đậm cho động cơ sử dụng nhiên liệu khí”, Tạp chí Giao thơng vận tải, (9), tr. 36-37.
[11] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh (2008), “Hệ
thống cung cấp biogas cho động cơ dual-fuel biogas/diesel”, Tạp chí Khoa học-
[12] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang (2009), “Biến thiên CO2 trong khí quyển và viễn cảnh cân bằng carbon trong tương lai”, Tuyển tập Cơng trình Khoa học Hội nghị Cơ học
toàn quốc lần thứ VIII, Hà Nội, 1, tr. 370-382.
[13] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Văn Đơng (2009), “Hạn chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính với cơng nghệ ứng dụng khí sinh học trên động cơ đốt trong”, Tuyển tập Cơng trình Khoa học Hội Nghị Cơ học toàn quốc
lần thứ VIII, 1, tr.383-392.
[14] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh, Nguyễn Thế Anh, Hồ Tấn
Quyền (2009), “Xe gắn máy chạy bằng biogas nén”, Tuyển tập hội nghị Cơ học
Thủy khí tồn quốc 2009, tr. 147-156.
[15] Bùi Văn Ga (2000),Ứng dụng biogas trong sản xuất và đời sống ở nông thôn Việt
Nam,Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6, Đà Nẵng.
[16] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đơng, Nguyễn Văn Anh, Trương Lê Bích Trâm (2009), “Nghiên cứu hệ thống cung cấp biogas nén cho xe gắn máy”, Tạp chí Giao thơng
Vận tải, 12, tr. 79-82.
[17] Bùi Văn Ga, Phan Thế Anh, Nguyễn Đình Lâm, Nguyễn Văn Đơng (2009), “Nghiên cứu đặc tính siêu kỵ nước của vật liệu tổ hợp C-CNT và khả năng ứng dụng vào lưu trữ biogas”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ-Đại học Đà Nẵng, 34, tr. 50-58.
[18] Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng (2010), “Xây dựng đường đặc tính bộ tạo hỗn hợp của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng biogas nén”, Tạp chí Giao thơng Vận
tải, 11, tr. 35-37.
[19] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đơng, Phan Đình Minh, Đặng Thị Hồng Tuyền (2010),
“Nghiên cứu quá trình nén Biogas làm nhiên liệu cho phương tiện vận chuyển cơ giới”,Hội nghị Khoa học Thủy khí tồn quốc, Quy Nhơn, tr. 175-184.
[20] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng (2011), “Tính tốn nồng độ các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy khuếch tán nhiên liệu biogas”, Tạp chí Khoa học
và cơng nghệ các Trường Đại học Kỹ thuật, 80, tr. 107-112.
[21] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xuân Thạch (2011), “Mơ phỏng dịng chảy qua bộ tạo hỗn hợp động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức bằng phần mềm Fluent”, Tạp chí
Khoa học và Cơng nghệ các Trường Đại học Kỹ thuật, 80, tr. 134-138.
[22] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Văn Đông (2011), “Mô phỏng ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu biogas”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 01, tr. 4-9.
[23] Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Văn Đông, Lê Xuân Thạch (2011),
“Tính tốn mơ phỏng góc đánh lửa sớm tối ưu của xe gắn máy 110cc chạy bằng
biogas”, Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ-Đại học Đà Nẵng, 7(48), tr. 10-18.
[24] Bùi Văn Ga (1999), Nghiên cứu sử dụng động cơ nhiên liệu khí ở Việt nam, Đề tài Nghiên cứu Khoa học cấp bộ trọng điểm - Mã số B97-III-01TD, Bộ Giáo dục và Đào tạo.
[25] Bùi Văn Ga (2002), Quá trình cháy trong động cơ đốt trong, Nxb. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[26] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng, Phạm Xuân Mai (1997), Mơ
hình hóa q trình cháy trong động cơ đốt trong, Nxb. Giáo dục, Đà Nẵng.
[27] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Thanh Hải Tùng (1999), Ơtơ và ơ nhiễm môi trường, NXB. Giáo dục, Đà Nẵng.
[28] Bùi Văn Ga (2003),“Hệ thống nhiên liệu cho xe gắn máy hai bánh sử dụng khí dầu
mỏ hóa lỏng LPG/xăng”, Bằng độc quyền sáng chế số 3692,Cục Sở hữu trí tuệ.
[29] Bùi Văn Ga (2006),“Bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng cho xe gắn máy”, Bằng độc quyền sáng chế số 5940,Cục Sở hữu trí tuệ.
[30] Bùi Văn Ga (2007), “Hệ thống ba van chức năng cung cấp nhiên liệu khí cho xe
gắn máy LPG/xăng”, Bằng độc quyền sáng chế số 6643, Cục Sở hữu trí tuệ.
[31] Bùi Văn Ga (2010), “Hệ thống không tải-làm đậm của động cơ ơ tơ chạy bằng khí
dầu mỏ hóa lỏng LPG”, Bằng độc quyền sáng chế số 8187, Cục Sở hữu trí tuệ.
[32] Nguyễn Đình Hùng, Nguyễn Hữu Hường, Đoàn Thanh Vũ, Vũ Việt Thắng (2009), “Ứng dụng biogas chạy máy phát điện cỡ nhỏ tại nông thơn việt nam”, Tạp chí phát
triển KH&CN, 12(14), tr. 5-11.
[33] Nguyễn Đình Lâm, Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đơng (2010), “Tổng hợp, định hình
và nghiên cứu khả năng hấp thụ Methane của Carbon Nano ống trong công nghệ lưu trữ Biogas”, Hội nghị Khoa học Thủy khí toàn quốc, Quy Nhơn,tr. 321-328.
[34] Nguyễn Thanh Nam, Hoàng Đức Liên (2000), Phương pháp khối hữu hạn ứng dụng
trong các bài tốn thủy khí động lực, Nxb. Khoa học kỹ thuật, TP HCM.
[35] Phạm Minh Tuấn (2008), Lý thuyết động cơ đốt trong, Nxb. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[36] Lê Văn Tụy (2009), Tính tốn mơ phỏng cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên phun
trực tiếp cho động cơ có tỷ số nén cao, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Bộ giáo dục và
Tiếng Anh
[37] Bui Van Ga (2005), “Combustion of LPG-Air Lean Mixture and its Application on