1 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Tiết kiệm lượng giảm thiểu ô nhiễm môi trường mục tiêu nghiên cứu ngành động ô tô Biogas nguồn lượng tái tạo có nguồn gốc từ lượng mặt trời nên việc sử dụng không làm tăng nồng độ CO2 khí Biogas phát triển mạnh từ nước phát triển đến nước phát triển Để thỏa mãn nhu cầu đa dạng việc ứng dụng biogas động đốt trong, giải pháp công nghệ chuyển đổi động truyền thống sang sử dụng biogas cần thiết Để dự đoán kích thước chuyển đổi để cải tạo loại động diesel thành động dual fuel biogas-diesel làm việc với nhiều nguồn biogas khác phải tiến hành nghiên cứu mô đánh giá thực nghiệm kết mô số liệu thực nghiệm số trường hợp cụ thể [16] Với lý đề tài “Nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy động dual fuel (biogas-diesel)” cấp thiết; góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu dùng cho động nhiệt dầu mỏ cạn kiệt, mà góp phần sử dụng hiệu nguồn nhiên liệu biogas cho động đốt MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Thực nghiên cứu trình cháy cung cấp nhiên liệu cho động dual fuel biogas-diesel mục đích giảm thiểu ô nhiễm môi trường, làm phong phú nguồn nhiên liệu dùng cho động đốt trong, luận án hướng tới mục đích sử dụng rộng rãi nguồn nhiên liệu sinh học thay cho động đốt cách hiệu ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Luận án chọn đối tượng nghiên cứu trình cháy động dual fuel Vikyno EV2600-NB sử dụng nhiên liệu biogas-diesel Phạm vi nghiên cứu: Do tính chất phức tạp vấn đề nghiên cứu, luận án giới hạn tập trung nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp trình cháy động dual fuel EV2600-NB sử dụng nhiên liệu biogas-diesel mô hình hóa thực nghiệm 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa: Nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp động dual fuel (biogas-diesel) Vikyno EV2600-NB phương pháp hút qua họng venturi GATEC-20 để xác lập đường đặc tính hệ số tỷ lệ tương đương theo tải động cơ; nghiên cứu mô hình hóa trình cháy hỗn hợp biogas-không khí đánh lửa tia phun mồi để dự đoán tính kinh tế-kỹ thuật động ứng với chế độ vận hành thành phần nhiên liệu khác Kết mô hình hóa giúp ta giảm bớt chi phí thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm đo diễn biến áp suất buồng cháy động dual fuel (biogas-diesel) Vikyno EV2600-NB sử dụng nhiên liệu diesel nhiên liệu biogas ứng với thành phần CH4 khác đánh lửa tia phun mồi; Nghiên cứu thực nghiệm trình hình thành hỗn hợp động dual fuel để xác lập đường đặc tính hệ số tỷ lệ tương đương theo tải động cơ; so sánh kết cho mô hình hóa thực nghiệm Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI: Ý nghĩa khoa học: Luận án góp phần nghiên cứu chuyên sâu động dual fuel (biogas-diesel) Việt Nam Ý nghĩa thực tiễn: Luận án tính hiệu việc sử dụng nhiên liệu biogas cho động đốt giảm thiểu ô nhiễm môi trường CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN Bố cục luận án phần mở đầu, kết luận hướng phát triển đề tài, nội dung trình bày chương với cấu trúc sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Nghiên cứu mô trình hình thành hỗn hợp cháy động dual fuel (biogas-diesel) Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm Chương 4: So sánh kết cho mô thực nghiệm động dual fuel biogas-diesel NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI VỀ MẶT KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN: Luận án có số đóng góp mặt khoa học sau:  Bằng thực nghiệm luận án xác định đường đặc tính hệ số tỷ lệ tương đương theo tải theo tốc độ động cơ, kết so sánh cho mô hình tính toán trước  Luận án xây dựng mô hình tính toán trình hình thành hỗn hợp cháy động dual fuel (biogas-diesel) qua định hướng trình thử nghiệm để đánh giá khả sử dụng động  Luận án đặc điểm trình cháy nhiên liệu Biogas ứng với thành phần methane có nhiên liệu khác Qua cho phép phân tích đánh giá cách xác thông số ảnh hưởng đến tính động dual fuel (biogas-diesel) Chương TỔNG QUAN 1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG HIỆN NAY 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SẠCH 1.3 ĐẶC ĐIỂM KHÍ SINH HỌC BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Biogas (khí sinh học) sản phẩm khí sinh từ trình phân hủy kỵ khí hợp chất hữu Thành phần chủ yếu biogas khí methane (CH4) khí cacbonic (CO2) Chất thải hữu từ nguồn khác sử dụng để sản xuất biogas 1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.4.1 Nghiên cứu ứng dụng biogas giới Động đốt sử dụng biogas làm nhiên liệu động sử dụng nhiên liệu khí cải tạo từ động sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống Động sử dụng nhiên liệu biogas cải tạo từ động dùng nhiên liệu lỏng truyền thống động đánh lửa cưởng hay động nhiên liệu kép Động nhiên liệu kép phun khoảng 10% đến 20% nhiên liệu diesel mồi sử dụng rộng rãi dải công suất nhỏ phương án có hiệu phát điện cao Tuy nhiên mức độ phát thải ô nhiễm cao Mặt khác phương án có thuận lợi biogas, động chạy hoàn toàn diesel [8], [21], [22], [24] Clark (1985) [43] cho chuyển động sử dụng khí thiên nhiên sang chạy Biogas công suất giảm khoản 5÷20% so với chạy khí thiên nhiên Jewell cộng (1986) [75] cho chạy biogas chứa 60%CH4, công suất động giảm từ 15÷20% Derus (1983) [48] đề nghị thành phần tối thiểu methane biogas dùng cho động kỳ 35% với nhiệt trị 14,89[MJ/m3] 1.4.2 Nghiên cứu ứng dụng Biogas Việt Nam Năm 2007 nhóm nghiên cứu GS.TSKH Bùi Văn Ga tiến hành nghiên cứu động sử dụng biogas [7] Và thử nghiệm chạy Biogas xe gắn máy 110cc với phụ kiện GA5 Bên cạnh nhóm nghiên cứu công bố nghiên cứu hệ thống cung cấp khí Biogas cho động kéo máy phát điện 2[HP] trình bày hệ thống cung cấp khí biogas hoàn chỉnh cho cụm động đốt trong-máy phát điện [8] Năm 2008, GS.TSKH Bùi Văn Ga cộng tiếp tục công bố nghiên cứu hệ thống cung cấp biogas cho động dual-fuel biogas-diesel [8] Năm 2009, GS.TSKH Bùi Văn Ga cộng tiếp tục nghiên cứu hệ thống cung cấp cho động nhiều xi lanh cỡ lớn hai nhiên liệu [6] Năm 2013, Nguyễn Văn Đông nghiên cứu ứng dụng thành liệu biogas sử dụng cho xe gắn máy [25] Cũng năm 2013 Lê Xuân Thạch nghiên cứu công bố kết chuyển động diesel thành động biogas đánh lửa cưỡng chạy biogas [22] Lê Minh Tiến (2013) Đại học Đà Nẵng nghiên cứu thiết kế chế tạo động sử dụng hai nhiên liệu biogas-diesel sở động xi lanh [21] Tồn nghiên cứu nói chưa tiến hành đo đạc lượng phát thải khí xả động Khi chuyển đổi động diesel sang động chạy biogas tác giả tiến hành so sánh tính động với động diesel nguyên thủy thông qua công suất động phần mền mô chuyên dùng Như để đánh giá xác ta cần tiến hành đo áp suất thị buồng cháy động Trong trình cung cấp hỗn hợp nhiên liệu biogas-diesel cần tiến hành xác định độ đậm đặc chúng thực nghiệm 5 KẾT LUẬN Kết nghiên cứu tổng quan tình hình sử dụng Biogas cho động đốt cho phép rút kết luận sau: - Việc nghiên cứu sản xuất ứng dụng nguồn lượng tái sinh triển khai rộng khắp Một số hướng nghiên cứu sử dụng khí biogas dùng làm nhiên liệu cho động đốt phục vụ mục đích tĩnh phương tiện giới Giải pháp sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động đốt trong, đồng thời đạt mục tiêu: Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, hạn chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính bảo vệ môi trường sản xuất sinh hoạt - Biogas lượng tái sinh có nguồn gốc từ lượng mặt trời nên việc sử dụng lượng không làm tăng nồng độ chất khí gây hiệu ứng nhà kính khí Sự diện CO2 biogas làm giảm nhiệt trị nhiên liệu, làm giảm tốc độ cháy nhiên làm tăng tính chống kích nổ nhiên liệu, cho phép tăng tỉ số nén động - Các nghiên cứu động biogas cỡ nhỏ GS.TSKH Bùi Văn Ga tiến hành từ năm 2007 đến đưa phương án chuyển đổi động sử dụng Gatec-20 Gatec-21 Phương án chuyển đổi động truyền thống sang sử dụng hai nhiên liệu biogas-diesel sử dụng Gatec20 phương án tốt cần nghiên cứu hoàn thiện chuyên sâu Từ tạo sở khoa học để đảm bảo tính kỹ thuật kinh tế loại động Vì “Nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy động dual fuel (biogas-diesel)” có ý nghĩa khoa học mang tính thực tiễn cao Kết đề tài góp phần tiến trình giải triệt để vấn đề nêu trên; đặc biệt tạo tiền đề sở vững cho việc sản xuất hệ động dual fuel (biogas-diesel) làm việc với hiệu suất, công suất cao, suất tiêu hao nhiêu liệu thấp đem lại hiệu kinh tế cho đất nước 1.5 6 Chương NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL (BIOGAS-DIESEL) Trong chương trình bày sở lý thuyết thiết lập mô hình tính toán mô trình cháy hỗn hợp nhiên liệu kép biogas-diesel buồng cháy động xi lanh VIKYNO EV2600-NB thông qua mô phần mềm Fluent 2.1 LÝ THUYẾT PHÁT TRIỂN CỦA TIA PHUN DIESEL TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ DUAL FUEL (BIOGAS – DIESEL) 2.1.1 Các phương trình mô tả chuyển động hạt tia phun 2.1.2 Theo dõi chuyển động hỗn loạn hạt môi trường chảy rối 2.1.3 Bay hạt 0.16 0.016 0.12 0.012 0.08 0.008 Hơi diesel DPM 0.04 0.004 0 10 15 20 25 30 Mật độ khối lượng hạt nhiêu liệu (kg/m3) Nồng độ diesel (%) 2.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TIA PHUN DIESEL TRONG HỖN HỢP BIOGAS-KHÔNG KHÍ Diesel bao gồm phân tử ổn định C12H22, C13H24 C12H24 Thông thường người ta sử dụng thành phần hóa học trung bình diesel C12H23 Diesel có nhiệt độ tự cháy 210[0C] t[ms] Hình 2.3: Sự phát triển tia phun diesel hỗn hợp biogas-không khí (p=3[bar]) Chúng ta thấy sau kết thúc phun thời điểm 5[ms], tia phun bắt đầu phân rã mạnh biến dần thành đám mây hạt nhiên liệu, xa dần miệng vòi phun Khi đám mây hạt dãn nở thể tích, hạt nhiên liệu bay nhanh dần, số lượng hạt giảm dần nồng độ nhiên liệu tăng lên buồng cháy 2.3 NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT TRIỂN TIA PHUN DIESEL TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS CÓ THÀNH PHẦN CH4 KHÁC NHAU 2.3.1 Thành phần hỗn hợp 2.3.2 Điều kiện tia phun diesel Buồng cháy sử dụng tính toán mô có dạng hình trụ, đường kính 140[mm], chiều cao 300[mm], thể tích 4,62[lít] Luợng không khí dùng để đốt cháy hoàn toàn 0,4[g] diesel 2.3.3 Ảnh hưởng áp suất buồng cháy Cũng giống trường hợp phun nhiên liệu môi trường không khí hay môi trường chứa không khí CH4, thấy điều kiện nhau, áp suất buồng cháy tăng lên nồng độ nhiên liệu buồng cháy giảm 2.3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ hỗn hợp đến phát triển tia phun Cũng trường hợp phun diesel môi trường không khí chứa CH4, nhiệt độ hỗn hợp biogas-không khí tăng cao nồng độ nhiên liệu Diesel hỗn hợp tăng theo nhiên liệu bốc nhanh nhiệt độ cao 2.3.5 Ảnh hưởng nhiên liệu biogas Khi thành phần CH4 biogas tăng cải thiện trình cháy mà cải thiện tình trạng bay tia phun diesel dẫn đến cải thiện chất lượng đánh lửa tia phun mồi 2.3.6 Ảnh hưởng lưu lượng phun Kết tính toán cho thấy lưu lượng phun tăng nồng độ nhiên liệu diesel thời điểm cho trước sau phun tăng Tốc độ tăng nồng độ nhiên liệu lưu lượng phun lớn cao tốc độ tăng nồng độ nhiên liệu tốc độ phun bé Do để hỗn hợp bay nhanh, tạo điều kiện cho trình cháy diễn hoàn toàn nên tăng lưu lượng phun giảm thời gian phun để đảm bảo lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình không thay đổi 2.4 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA HỖN HỢP BIOGASKHÔNG KHÍ ĐÁNH LỬA BẰNG TIA PHUN MỒI DIESEL 2.4.1 Hệ số tương đương  thành phần hỗn hợp f Trong phần nghiên cứu trình cháy hỗn hợp biogas-không khí buồng cháy đẳng tích hình trụ có đường kính 140[mm] chiều cao 300[mm] a b Hình 2.32: Mô trình cháy hỗn hợp biogas-không khí đánh lửa tia phun mồi diesel (a) đánh lửa cưỡng tia lửa điện (b) Chúng ta thấy rõ  khác biệt trường hợp đánh lửa Trong trường hợp đánh lửa tia lửa điện màng lửa có dạng hình chỏm cầu, lan dần từ nến đánh lửa khu vực xa buồng t[ms] cháy Trong trường hợp đánh lửa tia diesel phun mồi, Hình 2.33: Biến thiên hệ số tương đương  theo thời gian (M6C4, p=3[bar], T=750[K], Q=0,01[kg/s], tphun=4[ms]) trình cháy đỉnh tia phun, có hình dạng ngẫu nhiên, màng lửa dịch chuyển xa, khu vực tia phun trì nhiệt độ thấp nhiệt độ chung hỗn hợp buồng cháy 1.1 0.9 0.8 f=0,075 f=0,13 0.7 0.6 0.5 15 30 45 60 75 Hệ số  tăng lên giai đoạn phun nhiên liệu diesel sau ổn định suốt trình cháy Biên dạng đường cong không thay đổi thay đổi tỉ lệ hỗn hợp 2.4.2 Biến thiên áp suất nhiệt độ hỗn hợp buồng cháy Chúng ta thấy ban đầu thành phần hỗn hợp tăng áp suất nhiệt độ hỗn hợp tăng Khi hỗn hợp bắt đầu đậm f tăng làm cho áp suất nhiệt độ giảm hỗn hợp cháy không hoàn toàn 15 T[0K] P[bar] 2600 12 2200 1800 f=0,03 f=0,03 f=0,05 1400 f=0,05 f=0,07 f=0,07 f=0,09 f=0,09 f=0,11 1000 f=0,11 600 15 30 45 60 75 15 30 45 60 75 Hình 2.36 : Biến thiên áp suất buồng t[ms] Hình 2.37: Biến thiên nhiệt độ hỗn hợp cháy (M8C2, P=3[bar], T=750[K], buồng cháy (M8C2, P=3[bar], T=750[K], Q=0,01[kg/s], tphun=4[ms]) Q=0,01[kg/s], tphun=4[ms]) 2.4.3 Ảnh hưởng yếu tố khác đến hiệu trình cháy 2.4.3.1 Ảnh hưởng lượng phun nhiên liệu diesel Chúng ta thấy điều kiện hỗn hợp nghèo, lượng phun diesel làm gia tăng đáng kể áp suất buồng cháy trường hợp sử dụng nhiên liệu M6C4 Khi sử dụng nhiên liệu M8C2, mức độ chênh lệch áp suất phun mồi không phun mồi không lớn 2.4.3.2 Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp f Chúng ta thấy trường hợp, tốc độ tăng áp suất f bé thấp f lớn 2.4.3.3 Ảnh hưởng nhiên liệu Chúng ta thấy sử dụng hỗn hợp nghèo, ảnh hưởng nhiên liệu đến biến thiên áp suất không lớn Tuy nhiên sử dụng hỗn hợp t[ms] 10 giàu, mức độ chênh lệch áp suất sử dụng nhiên liệu M8C2 M6C4 thay đổi đáng kể 2.5 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu rút kết luận sau: - Bay của tia phun diesel môi trường không khí gần với môi trường CO2 điều kiện áp suất buồng cháy thấp gần với môi trường CH4 điều kiện áp suất buồng cháy cao Ảnh hưởng hỗn hợp không khí-biogas buồng cháy phụ thuộc vào tỉ lệ CH4/CO2 nhiên liệu - Trong điều kiện phun thành phần hỗn hợp môi chất, bay tia diesel giảm áp suất buồng cháy tăng tăng mạnh tăng nhiệt độ hỗn hợp buồng cháy Nồng độ nhiên liệu diesel giảm đến lần áp suất tăng từ 3[bar] lên 5[bar] điều kiện nhiệt độ - Khi đánh lửa lửa mồi điểm đánh lửa xuất đầu tia phun, lửa có hình dạng ngẫu nhiên So với đánh lửa cưỡng bức, tốc độ gia tăng áp suất buồng cháy đánh lửa tia phun mồi cao - Áp suất buồng cháy đạt giá trị cực đại hệ số tương đương hỗn hợp chung buồng cháy đạt khoảng 1,01 - Trong điều kiện vận hành, nhiệt độ, áp suất cực đại hỗn hợp cháy buồng cháy động dual fuel tăng hàm lượng CH4 biogas tăng Áp suất cháy tăng 3% tăng thành phần CH4 biogas từ 60% lên 80% hỗn hợp có hệ số tương đương 0,5; mức độ gia tăng lên 20% với hệ số tương đương 1,01 11 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 TRANG THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 3.1.1 Động thí nghiệm Động thí nghiệm động dual fuel biogas-diesel EV2600-NB 3.1.2 Băng thử công suất động APA 204 Băng thử APA 204 (Asynchron Pendelmaschinen Anlage) đo công suất mômen động thí nghiệm thông qua cảm biến lực lắp băng thử [39] 3.1.3 Hệ thống đo áp suất buồng cháy động đốt - indiset 620 Biến thiên áp suất thị xy lanh ghi nhận cảm biến áp suất GU12P tốc độ động xác định cảm biến tốc độ Encoder 364C [34], [35], [36] 3.1.4 Thiết bị đo lưu lượng khí nạp lưu lượng biogas cung cấp cho động dual fuel 3.2 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm quy trình thử nghiệm động băng thử Hình 3.19: Sơ đồ bố trí thí nghiệm động dual fuel (biogas-diesel) băng thử động 3.2.1 Phân tích kết thực nghiệm 3.2.2.1 Phân tích kết thực nghiệm xác định hệ số tương đương  12 Từ kết mô chương kết chạy thực nghiệm ta tiến hành xác định kích thước lỗ cấp tương ứng với loại nhiên liệu có thành phần biogas khác Bảng 3.5: Đường kính lỗ cấp nhiên liệu biogas Nhiên liệu Biogas 60%CH4 70%CH4 80% CH4 Đường kính lỗ cấp [mm] 17,07 14,83 13,59 Với đường kính ống cung cấp biogas lựa chọn Biogas có chứa thành phần CH4 khác mối quan hệ hệ số tương đương độ mở bướm ga không khác biệt nhiều 3.2.2.2 Phân tích kết thực nghiệm trình cháy động dual fuel a Tính động diesel động dual fuel (biogas-diesel) Trong nghiên cứu này, góc phun sớm động giữ cố định giá trị s=22,25 trước ĐCT Công chu trình ứng với 100% lượng phun cực đại 1180.55[J/cyc]; công chu trình động khi phun 50% lượng phun cực đại 607,39[J/cyc], tức 51,45% so với phun cực đại Công chu trình động chạy biogas chứa 60%CH4 điều kiện nêu 851,65[J/cyc], 72% phun 100% lượng diesel cực đại (hình 3.26) pi 80 Diesel (1) Biogas (60%CH4) Diesel (2) [bar] 60 pi 80 40 40 20 20 180 240 300 360 420 480 Diesel (1) 60  [ 5400 Hình 3.25: Áp suất xi lanh động tốc độ n=2000 vòng/phút chạy diesel ứng với 100% lượng phun cực đại (diesel (1)), 50% lượng phun cực đại (diesel (2)) chạy biogas chứa 60%CH4 với =1 Biogas (60%CH4) Diesel (2) V [lít] 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Hình 3.26: Đồ thị công động tốc độ n=2000 vòng/phút chạy diesel không lắp tạo hỗn hợp (diesel 1), có lắp tạo hỗn hợp (diesel 2) chạy biogas chứa 60%CH4 với =1 13 b Ảnh hưởng độ mở bướm ga đến áp suất thị xi lanh động dual fuel Đồ thị áp suất ứng với =1 =1,05 gần trùng có giá trị áp suất cực đại cao Khi hệ số tương đương thấp đỉnh cực đại áp suất giảm dịch chuyển ĐCT 100 80 pi [bar] pi [bar] 100 độ chia,  = 1,05 100 độ chia,  = 1,05 80 80 độ chia  = 1,0 80 độ chia  = 1,0 60 60 độ chia  = 0,8 60 độ chia  = 0,8 60 40 độ chia  = 0,58 40 độ chia  = 0,58 20 độ chia  = 0,3 40 20 độ chia  = 0,3 40 20 20  [ CA]0 0 180 240 300 360 420 480 540 Hình 3.27: Ảnh hưởng độ mở bướm ga đến áp suất xi lanh động (20, 40, 60, 80, 100% bướm ga; 80%CH4; n=1800[vòng/phút]) 180 240 300 360 420 480  [0CA] 540 Hình 3.28: Ảnh hưởng độ mở bướm ga đến áp suất xi lanh động (20, 40, 60, 80, 100% bướm ga; 80%CH4; n=2000 [vòng/phút]) c Ảnh hưởng nồng độ CH4 biogas đến áp suất xi lanh động dual fuel Cùng điều kiện vận hành, áp suất cực đại xi lanh tăng theo hàm lượng CH4 biogas Đỉnh đường cong áp suất dịch xa ĐCT hàm lượng CH4 biogas giảm Điều giải thích tốc độ cháy hỗn hợp giảm hàm lượng CO2 biogas tăng d Ảnh hưởng tốc độ động đến áp suất xi lanh động dual fuel Kết cho thấy tốc độ động tăng, áp suất cực đại chu trình giảm dẫn đến công thị chu trình giảm Điều giải thích hỗn hợp biogas-không khí có tốc độ cháy thấp so với loại nhiên liệu truyền thống nên tốc độ động tăng, thời gian dành cho trình cháy giảm, dẫn đến tượng cháy không hoàn toàn, làm giảm công thị động e Ảnh hưởng hệ số tương đương  đến công thị chu trình động dual fuel 14 1200 1200 Wi [J/cyc] 1000 1000 800 800 600 600 400 400  200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 Hình 3.32: Quan hệ công thị chu trình hệ số tương đương động có chạy tốc độ n=2000 vòng/phút với biogas chứa 60%CH4 (), 70%CH4 () 80%CH4 (); Db=18mm) Wi [J/cyc] Độ mở bướm ga [% ] 200 20 40 60 80 100 Hình 3.33: Ảnh hưởng nhiên liệu đến đường cong biến thiên công thị theo độ mở bướm ga(%) (n=1800 vòng/phút; biogas chứa 80%CH4(), 70%CH4(), 60%CH4(); Db thay đổi) Hình 3.32 cho thấy công thị chu trình đạt giá trị cực đại hỗn hợp giàu,  xấp xỉ 1,1 Công thị chu trình giảm hệ số tương đương lớn hay nhỏ giá trị Về mặt lý thuyết, =1 hỗn hợp cháy tối ưu vị trí mà công chu trình đạt giá trị cực đại Đối với biogas nhiên liệu có chứa CO2 tốc độ cháy bị làm chậm lại Đồng thời hàm lượng khí trơ hỗn hợp tăng nên xảy tượng cháy không hoàn toàn cục Chính lý nên cần lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng cháy lớn lượng nhiên liệu lý thuyết để đảm bảo tính động cao Như đường đặc tính động dual fuel biogasdiesel đường đặc tính xây dựng ứng với =1,1 f Ảnh hưởng thành phần CH4 biogas đến công thị theo chu trình động dual fuel theo độ mở bướm ga Cùng độ mở bướm ga, công thị động tăng theo thành phần CH4 biogas Đường kính ống cung cấp biogas xác định ứng với hệ số tương đương =1,1 động làm việc chế độ tốc độ định mức với biogas có thành phần CH4 thấp g Ảnh hưởng thành phần CH4 biogas đến công thị theo chu trình động dual fuel theo tốc độ động 15 Pe [kW] Wi [J/cyc] 18 1200 Diesel 16 Biogas(80%CH4) 14 1000 12 10 800 Biogas(60%CH4) 600 1200 n [vg/ph] 1400 1600 1800 2000 2200 Hình 3.36: Ảnh hưởng thành phần CH4 biogas đến biến thiên công chu trình theo tốc độ động (biogas chứa 80%CH4() 60% CH4(), =1,1) 1200 n [vg/ph] 1400 1600 1800 2000 2200 Hình 3.37: So sánh đường đặc tính động chạy diesel nguyên thủy chạy biogas chứa 80%, 60% CH4 với =1,1 Khi tốc độ động tăng thời gian dành cho trình cháy giảm nên lượng nhiên liệu tiêu thụ trình cháy giảm dẫn đến công chu trình động bị giảm h So sánh đường đặc tính hiệu suất giới động dual fuel Ở chế độ tốc độ định mức n=2200[vòng/phút], công suất động dual fuel chạy với biogas chứa 80%CH4 giảm 12% so với chạy diesel Khi chạy biogas chứa 60%CH4, mức độ giảm lến đến 25% (Hình 3.37) 0.86 m m 0.9 Biogas(80%CH4) 0.85 0.88 Biogas(80%CH4) Biogas(70%CH4) 0.84 0.86 0.83 0.84 Biogas(60%CH4) Biogas(60%CH4) 0.82 1200 n [vg/ph] 1400 1600 1800 2000 2200 Hình 3.38: Biến thiên hiệu suất giới động dual fuel theo tốc độ động chạy biogas chứa 60%CH4 80%CH4 Độ mở bướm ga 0.82 20 30 40 50 60 70 [%] 80 90 100 Hình 3.39: Biến thiên hiệu suất giới động dual fuel theo độ mở bướm ga chạy biogas chứa 60% CH4, 70%CH4 80%CH4 16 Tuy mức độ giảm công suất động diesel chuyển sang chạy biogas nhỏ nhiều so với mức giảm công suất chuyển động xăng sang chạy biogas (mức giảm lên đến 40%) Đây ưu điểm bật chuyển động diesel sang chạy biogas Hiệu suất giới xác định m=Pe/Pi Đây thông số quan trọng để dự đoán công suất có ích động tính toán mô trình cháy Kết cho thấy hiệu suất giới giảm nhẹ theo tốc độ động Điều giải thích tăng tốc độ động cơ, tổn thất ma sát tăng theo nên công suất có ích động bị giảm Trong vùng làm việc định mức động từ 1800[vòng/phút] đến 2200[vòng/phút], hiệu suất giới thay đổi từ 0,82 đến 0,86 (Hình 3.38) Hình 3.39 cho ta thấy hiệu suất dao động khoảng từ 0,82 đến 0,89 Càng mở rộng bướm ga, áp suất xi lanh tăng làm tăng lực ma sát dẫn đến giảm hiệu suất giới động 3.3 KẾT LUẬN Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: - Cải tạo thành công nắp máy gắn cảm biến áp suất GU12P cho động EV2600-NB Động EV2600-NB trở thành động xi lanh dùng để nghiên cứu phòng thí nghiệm cho lĩnh vực khác ngành động nhiệt Các tín hiệu ghi nhận từ cảm biến áp suất GU12P ổn định đán tin cậy trình nghiên cứu - Áp suất cực đại xi lanh công thị chu trình giảm giảm thành phần CH4 biogas và/hoặc tăng tốc độ động diện CO2 biogas làm giảm tốc độ cháy Trong trường hợp cần tăng góc phun sớm để đảm bảo tính động - Công thị chu trình động dual fuel biogas-diesel đạt giá trị cực đại ứng với hệ số tương đương khoảng 1,1 Khi hệ số tương đương lớn hay nhỏ giá trị này, công thị chu trình động giảm 17 - Công suất cực đại động dual fuel biogas-diesel EV2600-NB chạy tốc độ định mức 2200[vòng/phút] thấp công suất chạy diesel 12% ứng với biogas chứa 80%CH4 25% ứng với biogas chứa 60%CH4 - Cùng điều kiện làm việc, áp suất xi lanh, công thị chu trình công suất có ích động tăng theo hàm lượng CH4 biogas Ở chế độ tốc độ định mức, công chu trình động EV2600NB giảm 10% chuyển từ biogas chứa 80%CH4 xuống 60%CH4 - Hiệu suất giới động dual fuel biogas-diesel nằm khoảng 0,82 đến 0,89 Hiệu suất giới giảm tăng tốc độ động hoặc/và tăng độ mở bướm ga - Đường kính ống cung cấp biogas động dual fuel biogas-diesel EV2600-NB tối ưu thay đổi theo thành phần CH4 có giá trị 17,07[mm] ứng với biogas chứa 60%CH4, 14,83[mm] ứng với biogas chứa 70%CH4 13,59[mm] ứng với biogas chứa 80%CH4 Hệ số tương đương hỗn hợp thay đổi mạnh theo độ mở bướm ga thay đổi theo tốc độ động Chương SO SÁNH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL 4.1 SO SÁNH BIẾN THIÊN ÁP SUẤT CHỈ THỊ TRONG BUỒN CHÁY ĐỘNG CƠ VÀ CÔNG CHỈ THỊ CHU TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL Hình 4.1, hình 4.2 cho thấy áp suất xi lanh động cho mô cao áp suất cho bới thực nghiệm trình cháy dãn nở 18 80 pi [bar] 80 pi [bar] Mô Thực nghiệm 40 40 20 20 180 Mô 60 Thực nghiệm 60 240 300 360 420 480  [độ] 540 Hình 4.1: Biến thiên áp suất xi lanh động dual fuel biogas-diesel chạy biogas chứa 80%CH4 tốc độ 1600[vòng/phút] 180  [độ] 240 300 360 420 480 540 Hình 4.2: Biến thiên áp suất xi lanh động dual fuel biogas-diesel chạy biogas chứa 70%CH4 tốc độ 1600[vòng/phút] 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 mô thực nghiệm giải thích lý do: (1) Mô tốc độ lan tràn lửa theo thành phần biogas mô 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) mô hình tính toán 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 mô hình chưa tính chi tiết thành phần xạ trình cháy khuếch tán tia phun mồi Trong trình nén, áp suất mô cao áp suất thực nghiệm làm giảm công thị mô Ngược lại áp suất mô đường dãn nở cao áp suất thực nghiệm làm tăng công thị mô Công thị chu trình cho mô cao giá trị cho thực nghiệm khoảng 10% với biogas chứa 60%CH4 3% với biogas chứa 80%CH4 19 1300 Wi [J/cyc] 1200 1200 Mô Thực nghiệm Wi [J/cyc] Mô Thực nghiệm 1000 1100 1000 800 900 800 60 64 68 72 0.7 80 Hình 4.7: So sánh công thị chu trình cho mô thực nghiệm động dual fuel chạy Biogas có chứa thành phần CH4 khác  600 [%]CH4 76 0.8 0.9 Hình 4.15: Biến thiên công thị cho mô thực nghiệm theo hệ số tương đương  Chênh lệch áp suất mô thực nghiệm diễn chủ yếu đường nén Khi  bé mức độ chênh lệch công thị cho mô thực nghiệm lớn Mức độ chênh lệch 3% =1 10% = 0,6 Những kết phân tích biến thiên áp suất xi lanh cho thấy chênh lệch cực đại thông số thị cho mô thực nghiệm 10% theo biến số: thành phần CH4 biogas, hệ số tương đương tốc độ động thông số khác giữ cố định 4.2 SO SÁNH TÍNH NĂNG CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL CHO BỞI MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 4.3.1 So sánh biến thiên công suất có ích động dual fuel theo hệ số tương đương cho mô thực nghiệm 1200 12 Wi [J/cyc] Mô Thực nghiệm 1000 Pe [kW] 10 Mô Thực nghiệm 800 600 400  200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 Hình 4.20: Biến thiên công thị chu trình theo hệ số tương đương động chạy n=1300 [vòng/phút] với biogas 80% CH4  0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Hình 4.23: Biến thiên công suất có ích theo hệ số tương đương động chạy n=1300[vòng/phút],biogas 80% CH4 20 Kết so sánh hình cho ta nhận xét chúng: (1) Các đường cong biến thiên theo qui luật chung có giá trị mà công thị chu trình đạt giá trị cực đại; (2) Đường cong mô đạt giá trị cực đại ứng với  xấp xỉ đường cong thực nghiệm đạt giá trị cực đại ứng với xấp xỉ 1,1; (3) Chênh lệch công thị cho mô thực nghiệm 10% tất chế độ vận hành Công suất có ích mô tính toán từ công thị chu trình hiệu suất giới Trong phần nghiên cứu thực nghiệm xác định hiệu suất giới động dual fuel nằm khoảng 0,82 đến 0,86 Trong tính toán chọn giá trị hiệu suất giới m=0,85 Kết so sánh cho thấy biến thiên công suất có ích động dual fuel cho mô phù hợp với công suất có ích cho thực nghiệm với giá trị hiệu suất giới m=0,85 4.3.2 So sánh đường đặc tính động dual fuel cho mô thực nghiệm 1400 Wi[J/cyc] Wi[J/cyc] 1200 80%CH4 Mô Thực nghiệm 80%CH4 1100 1200 1000 1000 900 800 800 60%CH4 Mô Thực nghiệm 600 n [vg/ph] 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 700 60%CH4 600 n [vg/ph] 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Hình 4.27: Biến thiên công thị chu trình Hình 4.26: Biến thiên công thị chu theo tốc độ động cho mô nhân trình theo tốc độ động chạy biogas chứa 60% 80%CH4 cho với hệ số 0,92 phù hợp với công thị cho thực nghiệm mô thực nghiệm 21 Kết nghiên cứu biến thiên công thị chu 18 Pe [kW] 16 Diesel 14 trình thực nghiệm động 12 cho thấy công thị chu 10 trình đạt giá trị cực đại hệ số tương đương có giá trị khoảng 1,1 giàu so Biogas 80%CH4 Biogas 60%CH4 n [vg/ph] 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 với giá trị cháy hoàn toàn lý Hình 4.28: So sánh đường đặc tính động thuyết =1 Vì đường dual fuelchạy biogas chứa 60%CH4 80% CH4 cho mô thực nghiệm, m=0,85 đặc tính động dual fuel xây dựng điều chỉnh hệ số tương đương =1,1 Theo kết nghiên cứu đồ thị áp suất cho mô thực nghiệm phần công thị chu trình cho mô lớn công thị chu trình cho thực nghiệm khoảng 8% Công suất thị động tỉ lệ với công thị chu trình tốc độ động Do công thị chu trình giảm tốc độ động tăng nên đường đặc tính công suất thị theo tốc độ động không tuyến tính Chúng ta thấy kết cho mô phù hợp với kết cho thực nghiệm So với công suất động diesel nguyên thủy tốc độ định mức 2200[vòng/phút], công suất động dual fuel nhỏ khoảng 12% chạy Biogas chứa 80%CH4 nhỏ khoảng 25% chạy Biogas chứa 60%CH4 4.3 KẾT LUẬN Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: - Sự diện CO2 nhiên liệu biogas giảm tốc độ cháy hỗn hợp Vì để đạt hiệu cao, cần tăng góc phun sớm thành phần CH4 biogas giảm hay tốc độ động tăng 22 - Công thị chu trình động cho mô đạt giá trị cực đại ứng với =1 động chạy tốc độ cho trước biogas có thành phần cho trước Công thị chu trình cho thực nghiệm đạt giá trị cực đại ứng với =1,1 - Có thể sử dụng phương pháp mô để dự đoán tính công tác động dual fuel biogas-diesel Công thị chu trình động cho mô lớn công thị chu trình thực nghiệm khoảng 8% phạm vi tốc độ động từ 1000 [vòng/phút] đến 2000 [vòng/phút] - Ở điều kiện tốc độ định mức, công suất có ích động dual fuel thấp công suất có ích động diesel nguyên thủy 12% chạy biogas chứa 80%CH4 25% chạy biogas chứa 60%CH4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết nghiên cứu luận án cho phép rút kết luận sau đây: KẾT LUẬN Bay của tia phun diesel môi trường không khí gần với môi trường CO2 điều kiện áp suất buồng cháy thấp gần với môi trường CH4 điều kiện áp suất buồng cháy cao Ảnh hưởng hỗn hợp không khí-biogas buồng cháy phụ thuộc vào tỉ lệ CH4/CO2 nhiên liệu Trong điều kiện phun thành phần hỗn hợp môi chất, bay tia diesel giảm áp suất buồng cháy tăng tăng mạnh tăng nhiệt độ hỗn hợp buồng cháy Nồng độ nhiên liệu diesel giảm đến lần áp suất tăng từ 3[bar] lên 5[bar] điều kiện nhiệt độ Khi đánh lửa lửa mồi điểm đánh lửa xuất đầu tia phun, màng lửa có hình dạng ngẫu nhiên Tốc độ gia tăng áp suất buồng cháy đánh lửa tia phun mồi cao đánh lửa tia lửa điện Khi hàm lượng CH4 biogas tăng nhiệt độ áp suất cực đại hỗn hợp cháy buồng cháy động dual fuel 23 tăng Áp suất cháy tăng 3% tăng thành phần CH4 biogas từ 60% lên 80% hỗn hợp có hệ số tương đương 0,5; mức độ gia tăng lên 20% với hệ số tương đương 1,01 Cùng điều kiện nhau, áp suất buồng cháy tăng lên nồng độ nhiên liệu diesel buồng cháy giảm Khi nhiệt độ hỗn hợp biogas-không khí tăng cao nồng độ nhiên liệu diesel hỗn hợp tăng theo Cùng lượng phun, tăng lưu lượng phun theo thời gian tốc độ bay hạt nhiên liệu diesel tăng Do để cải thiện trình bay đánh lửa động dual fuel biogas-diesel nên rút ngắn thời gian tăng lưu lượng phun Đường kính ống cung cấp biogas động dual fuel biogas-diesel EV2600-NB tối ưu thay đổi theo thành phần CH4 có giá trị 17,07[mm] ứng với biogas chứa 60%CH4, 14,83[mm] ứng với biogas chứa 70%CH4 13,59[mm] ứng với biogas chứa 80%CH4 Trong tính toán mô hàm lượng CH4 biogas tăng nhiệt độ áp suất cực đại hỗn hợp cháy buồng cháy động dual fuel tăng Theo kết thực nghiệm công thị chu trình động dual fuel biogas-diesel đạt giá trị cực đại ứng với hệ số tương đương khoảng 1,1 Khi hệ số tương đương lớn hay nhỏ giá trị này, công thị chu trình động giảm Sai lệch công thị cho mô hình thực nghiệm giảm dần  tiến gần đến giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết Cùng điều kiện làm việc, áp suất xi lanh, công thị chu trình công suất có ích động tăng theo hàm lượng CH4 biogas Ở chế độ tốc độ định mức, công chu trình động EV2600-NB giảm 10% chuyển từ biogas chứa 80% CH4 xuống 60% CH4 Công thị chu trình động cho mô lớn công thị chu trình thực nghiệm khoảng 8% phạm vi tốc độ động từ 1000[vòng/phút] đến 2000[vòng/phút] 24 Tốc độ cháy biogas thấp tốc độ cháy nhiên liệu lỏng truyền thống Áp suất cực đại xi lanh công thị chu trình giảm giảm thành phần CH4 biogas và/hoặc tăng tốc độ động Ở điều kiện tốc độ định mức 2200[vòng/phút], công suất có ích động dual fuel thấp công suất có ích động diesel nguyên thủy 12% chạy bằngbiogas chứa 80%CH4 25% chạy biogas chứa 60%CH4 Khi chuyển động diesel thành động dual fuel biogas-diesel cần tăng góc phun sớm để đảm bảo tính động Hiệu suất giới động dual fuel biogas-diesel nằm khoảng 0,82 đến 0,89 Hiệu suất giới giảm tăng tốc độ động hoặc/và tăng độ mở bướm ga HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài nghiên cứu tiếp tục phát triển theo hướng sau: Nghiên cứu thực nghiệm phát triển tia phun mồi diesel môi trường hỗn hợp biogas-không khí để so sánh với kết mô Thực nghiên cứu tương tự động dual fuel sử dụng biogas nén cải tạo từ động diesel lắp ô tô Nghiên cứu phát triển cấu điều chỉnh góc phun sớm theo thành phần nhiên liệu biogas cung cấp cho động tĩnh Hoàn thiện việc lắp đặt cảm biến, đặc biệt cảm biến áp suất buồng cháy để nâng cao độ xác kết thực nghiệm ... PHÁP NGHIÊN CỨU: Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa: Nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp động dual fuel. .. THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL (BIOGAS- DIESEL) Trong chương trình bày sở lý thuyết thiết lập mô hình tính toán mô trình cháy hỗn hợp nhiên liệu kép biogas-diesel buồng cháy động xi... Tổng quan Chương 2: Nghiên cứu mô trình hình thành hỗn hợp cháy động dual fuel (biogas- diesel) Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm Chương 4: So sánh kết cho mô thực nghiệm động dual fuel biogas-diesel