NGUYỄN VĂN ĐÔNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Đà Nẵng, Năm 2013 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS NÉN CHO MÔ TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGUYỄN VĂN ĐÔNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Đà Nẵng, Năm 2013 Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ nhiệt Mã ngành: 62.52.34.01 Tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học: GS. TSKH BÙI VĂN GA TS NGUYỄN HOÀNG VIỆT PGS. TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS NÉN CHO MÔ TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Lời cam đoan  Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Văn Đông MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU . 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 5 1.1. Vấn đề năng lượng và môi trường . 5 1.2. Đặc điểm khí sinh học biogas 7 1.2.1. Đặc điểm khí Methane . 9 1.2.2. Đặc điểm khí Sunfua hydro 10 1.2.3. Đặc điểm khí Cacbon dioxyt . 12 1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong . 12 1.3.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong trên thế giới 12 1.3.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ở Việt Nam . 19 1.3.3. Tình hình nghiên cứu ứ ng dụng nhiên liệu biogas cho động cơ xe gắn máy . 20 1.4. Kết luận 22 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỬ DỤNG BIOGAS LÀM NHIÊN LIỆU CHO XE GẮN MÁY HONDA WAVE α 110CC 23 2.1. Yêu cầu chất lượng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong . 23 2.1.1. Tiêu chuẩn khí thiên nhiên và biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong . 23 2.1.2. Các tiêu chí xác định tiêu chuẩn đối với khí thiên nhiên và nhiên liệu thay thế khí thiên nhiên . 26 2.2. Công nghệ xử lý các tạp chất trong biogas 29 2.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định hiệu quả xử lý tạp chất trong biogas . 30 2.3.1. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm loại bỏ H 2 S . 30 2.3.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm loại bỏ CO 2 32 2.4. Công nghệ lưu trữ khí biogas làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông cơ giới . 35 2.4.1. Tính toán lý thuyết quá trình nén lưu trữ khí biogas sạch 35 2.4.2. Tính toán hiệu quả lưu trữ khí biogas bằng phương pháp nén . 36 2.4.3. Mô phỏng quá trình nén biogas và tách khí CO 2 38 2.4.4. Lưu trữ biogas kiểu hấp thụ 41 2.5. Nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc . 41 2.5.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc . 41 2.5.2. Xây dựng mô hình tính toán cho hệ thống cung cấp biogas nén kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc 45 2.5.2.1. Thiết lập các phương trình cân bằng lưu lượng cho các dung tích 48 2.5.2.2. Thiết lập các phương trình lưu lượng cho các phần tử tiết lưu 49 2.5.2.3. Thiết l ập các điều kiện biên của hệ thống cung cấp biogas kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc 52 2.5.2.4. Hệ phương trình vi phân tổng quát của hệ thống cung cấp biogas nén kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc 57 2.6. Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc 59 2.6.1. Xác định các thông số ban đầu 59 2.6.2. Kết quả mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén kiểu van ba chức năng cho động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc 60 2.7. Kết luận 62 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY HONDA WAVE α 110CC SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS 63 3.1. Đặc điểm quá trình cung cấp và cháy của hỗn hợp biogas – không khí 63 3.2. Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước đồng nhất 66 3.2.1. Tốc độ lan tràn màng lửa rối . 67 3.2.2. Tốc độ lan tràn màng lửa chảy tầng 69 3.2.3. Tính toán nhiệt độ 70 3.2.4. Tính toán khối lượng riêng 70 3.3. Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ . 71 3.3.1. Tính toán các đại lượng đặc trưng của mô hình 71 3.3.2. Tốc độ lan tràn màng lửa chảy tầng 72 3.4. Thiết lập mô hình tính toán quá trình cháy của độ ng cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc . 75 3.4.1. Thiết lập mô hình tính toán . 75 3.4.2. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm FLUENT 76 3.5. Kết luận 78 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM . 79 4.1. Trang thiết bị nghiên cứu . 79 4.1.1. Xe gắn máy thử nghiệm 79 4.1.2. Băng thử Chassis Dynamometer 20” 81 4.2. Hệ thống đo áp suất chỉ thị trong buồng cháy của động cơ xe gắn máy 82 4.2.1. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị đo áp suất trong buồng cháy động cơ 83 4.2.1.1. Cảm biến tốc độ 364 C-Angle Encoder . 83 4.2.1.2. Cảm biến áp suất GU12P . 86 4.2.1.3. Bộ khuếch đại tín hiệu điện áp: 3067A01 Piezo Amplifier . 87 4.2.1.4. Thiết bị ghi và xuất d ữ liệu thử nghiệm . 87 4.2.2. Quy trình thử nghiệm xe gắn máy trên băng thử 88 4.3. Thử nghiệm và đánh giá kết quả 88 4.4. Chạy thử nghiệm xe gắn máy sử dụng biogas nén trên đường 92 4.5. Kết luận 92 CHƯƠNG 5. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI THỰC NGHIỆM ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY HONDA WAVE α 110CC SỬ DỤNG BIOGAS NÉN . 93 5.1. So sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm 93 5.2. Mô phỏng ảnh hưởng của nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc 96 5.2.1. Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp (tỉ lệ tương đương ) . 96 5.2.2. Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu biogas khi động cơ làm việc ở các chế độ tốc độ khác nhau 98 5.3. Mô phỏng ảnh h ưởng của thông số kết cấu và vận hành đến tính năng kỹ thuật của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc 102 5.3.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm . 102 5.3.2. Ảnh hưởng tốc độ động cơ 105 5.4. Kết luận 107 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 108 Công trình công bố của tác giả 111 Tài liệu tham khảo . 112 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu mẫu tự La Tinh : d h [m] Đường kính họng khuếch tán venturi D xl [m] Đường kính xy lanh động cơ. N e [kW] Công suất động cơ. p [N/m 2 ] Áp suất môi chất công tác. p xl [N/m 2 ] Áp suất trong xy lanh động cơ. Q i [m 3 /s] Lưu lượng thể tích lưu lại trong dung tích V i . Q ij [m 3 /s] Lưu lượng thể tích qua tiết lưu ( S) j . R [J/kg. o K] Hằng số khí. R e [-] Chuẩn số Reynolds. R f [J/kg. o K] Hằng số khí của nhiên liệu. S i [m 2 ] Diện tích hiệu dụng của phần tử thứ i. S j [m 2 ] Diện tích hiệu dụng của phần tử thứ j. T [ o K] Nhiệt độ hỗn hợp. 2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp:  [-] Tỷ số nén động cơ.  [-] Tỷ lệ tương đương. α [độ] Góc quay trục khuỷu. β [-] Độ mở tương đối của bướm ga. φ [độ] Góc quay của bướm ga. η v [-] Hệ số nạp. µ [-] Hệ số lưu lượng. Δ [-] Độ nhám đường ống λ i,j [-] Hệ số tổn thất dọc đường. λ l [-] Tỉ số giữa bán kính quay trục khuỷu và chiều dài thanh truyền.  [m 2 /s] Hệ số nhớt động học. ω [rad/s] Tốc độ góc trục khuỷu động cơ.  [kg/m 3 ] Khối lượng riêng.  a [kg/m 3 ] Khối lượng riêng của không khí.  f [kg/m 3 ] Khối lượng riêng của nhiên liệu.  g [kg/m 3 ] Khối lượng riêng của khí.  + [-] Hệ số tổn thất cục bộ tại cửa vào của tiết lưu.  - [-] Hệ số tổn thất cục bộ tại cửa ra của tiết lưu.   [-] Hệ số tổn thất tổng cộng của tiết lưu. 3. Các chữ viết tắt : A/F Viết tắt chữ Air/Fuel (Tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu) ASME American Society of Mechanical Engineer ( Hội kĩ sư cơ khí Hoa Kỳ) CNG Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén) DOE Department of Energy (Cơ quan/Bộ năng lượng) DVGW Deutsche Vereinigung des Gas-und Wasserfaches (Hiệp hội khí và nước của Đức) EGR Exhaust Gas Recirculation (Hệ thống tuần hoàn khí thải) EPA Environmental Protection Agency (Cơ quan bảo vệ môi trường) HV Heating Value (Nhiệt trị cháy) LPG Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng) MCFC Molten carbonate fuel cells (Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy) MON Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ) NG Natural Gas (Khí thiên nhiên) PAFC Phosphoric acid Fuel Cells (Pin nhiên liệu acid phosphoric) PEM Proton Exchange Membrane (Pin nhiêu liệu màng trao đổi bằng proton) SG Specific Gravity-SG (Tỷ trọng tiêu chuẩn) SOFC Solid Oxide Fuel Cell (Pin nhiên liệu Ôxít rắn) DANH MỤC CÁC BẢNG Kí hiệu Tiêu đề bảng Trang 1.1. Thành phần các chất khí có trong biogas 8 1.2. Một số tính chất của CH 4 10 1.3. Một số tính chất của H 2 S 11 1.4. Một số tính chất của CO 2 12 2.1. Công nghệ ứng dụng biogas và yêu cầu xử lý 24 2.2. Giá trị các thông số vật lý cơ bản của khí thiên nhiên và Biogas 25 2.3. Các tiêu chí theo bộ tiêu chuẩn DVGW G 260 27 2.4. Tiêu chuẩn sử dụng biogas làm nhiên liệu của Thụy Điển 29 2.5. Thành phần biogas theo % thể tích thực nghiệm 33 2.6. Giá trị hằng số Henry theo các hệ hấp thụ 34 2.7. Thành phần và điều kiện của khí biogas sau khi được tách H 2 S 38 2.8. Thành phần (%V) sản phẩm biogas và CO 2 sau quá trình nén tách 40 2.9. Lưu lượng sản phẩm biogas và CO 2 sau quá trình nén tách 40 2.10. Biến thiên hệ số tỷ lệ tương đương của hỗn hợp theo tải động cơ 60 3.1. Giá trị tỉ lệ (F/A) lt theo thành phần CH 4 64 3.2. Giá trị các hệ số trong phương trình 3.25 74 4.1. Thông số kỹ thuật xe Honda wave α 110cc 80