BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRẦN THANH TÂM
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ
THÔNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC
VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CHUYỂN ĐỔI
SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG)
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
HÀ NỘI - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRẦN THANH TÂM
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ
THÔNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC
VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CHUYỂN ĐỔI
SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG)
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số: 9520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS. LÊ ANH TUẤN
2. TS. TRẦN ĐĂNG QUỐC
HÀ NỘI - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRẦN THANH TÂM
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU
ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
CHUYỂN ĐỔI SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG)
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số: 9520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS. LÊ ANH TUẤN
2. TS. TRẦN ĐĂNG QUỐC
HÀ NỘI - 2022
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong các công trình nào khác!
Hà Nội, tháng … năm 2022
TM TT HƯỚNG DẪN
GS.TS. Lê Anh Tuấn
Nghiên cứu sinh
TS. Trần Đăng Quốc
i
Trần Thanh Tâm
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào
tạo, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện
luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Viện
Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn và TS Trần Đăng Quốc đã
hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện
và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Động cơ đốt trong và Trung
tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận
án này.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định
đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng chấm luận án đã đồng ý đọc, duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể
hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và
thực hiện công trình này.
Nghiên cứu sinh
Trần Thanh Tâm
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................................................ iii
DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ........................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................................ viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................................. xi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................................ 1
I. Lý do chọn đề tài..............................................................................................................1
II. Mục tiêu của đề tài..........................................................................................................3
III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...............................................................................3
IV. Phương pháp nghiên cứu..............................................................................................4
V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ...................................................................4
VI. Các điểm mới của luận án ............................................................................................5
VII. Bố cục luận án .............................................................................................................5
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ................................................................................. 6
1.1. Nguồn gốc của khí thiên nhiên....................................................................................6
1.1.1. Nguồn gốc hữu cơ..................................................................................................... 6
1.1.2. Nguồn gốc vô cơ ....................................................................................................... 6
1.1.3. Phân biệt về nguồn gốc khí thiên nhiên .................................................................. 7
1.2. Trữ lượng khí thiên nhiên ............................................................................................8
1.2.1. Thế giới ...................................................................................................................... 8
1.2.2. Ở Việt Nam ............................................................................................................... 9
1.3. Đặc điểm của khí thiên nhiên ....................................................................................10
1.3.1. Thành phần .............................................................................................................. 10
1.3.2. Tính chất đặc trưng ................................................................................................. 11
1.3.3. So sánh khí thiên nhiên với nhiên liệu gốc dầu mỏ ............................................. 12
1.4. Khái niệm về thông số kết cấu và vận hành .............................................................13
1.4.1. Thông số kết cấu ..................................................................................................... 13
1.4.2. Thông số vận hành.................................................................................................. 14
1.5. Tổng quan nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên ...................15
1.5.1. Các nghiên cứu ngoài nước ................................................................................... 16
1.5.2. Các nghiên cứu trong nước .................................................................................... 21
1.6. Kết luận chương 1 ......................................................................................................23
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY
CƯỠNG BỨC SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN .......................................................................... 25
iii
2.1. Tổng quan về cháy cưỡng bức ..................................................................................25
2.2. Định luật bảo toàn khối lượng ...................................................................................26
2.3. Định luật thứ nhất của nhiệt động học ......................................................................27
2.4. Một số mô hình cháy cưỡng bức...............................................................................28
2.4.1. Mô hình cháy không chiều (Zero dimensional combustion model).................. 29
2.4.2. Mô hình cháy Fractal (Fractal combustion model) ............................................. 32
2.5. Mô hình xác định trị số Ốc-tan yêu cầu (ON: Required Octane Number) ............42
2.6. Mô hình xác định vận tốc squish ở bên trong xylanh động cơ (Squish velocity)43
2.7. Kết luận chương 2 ......................................................................................................44
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ
THIÊN NHIÊN ................................................................................................................................ 45
3.1. Giới thiệu chung .........................................................................................................45
3.2. Xây dựng và điều khiển mô hình mô phỏng động cơ .............................................47
3.2.1. Lựa chọn các phần tử cho mô hình và kết nối các phần tử................................. 47
3.2.2. Nhập dữ liệu chung cho mô hình .......................................................................... 48
3.2.3. Nhập dữ liệu cho từng phần tử .............................................................................. 49
3.2.4. Điều khiển mô hình để xác định ảnh hưởng của thông số vận hành và thông số
kết cấu đến trị số Ốc-tan yêu cầu ..................................................................................... 55
3.2.5. Điều khiển mô hình để xác định ảnh hưởng kết cấu buồng cháy, vị trí đặt bugi
đến thời gian cháy.............................................................................................................. 56
3.2.6. Điều khiển mô hình để xác định ảnh hưởng của thông số kết cấu đến đặc tính
làm việc của động cơ......................................................................................................... 56
3.2.7. Kết cấu hình học đỉnh piston ................................................................................. 57
3.3. Hiệu chuẩn và đánh giá độ chính xác của mô hình .................................................58
3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận.................................................................................60
3.4.1. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành đến trị số ốc tan yêu cầu ... 60
3.4.2. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến mô men và công suất ........................................... 70
3.4.3. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành đến thời gian cháy .............. 72
3.4.4. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến mô men và công suất .................... 76
3.4.5. Ảnh hưởng của thông số kết cấu đến khí thải ...................................................... 81
3.5. Kết luận chương 3 ......................................................................................................82
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .......................................................................... 84
4.1. Chuyển đổi động cơ diesel một xylanh S1100 thành động cơ khí thiên nhiên 84
4.1.1. Lắp đặt hệ thống đánh lửa ...................................................................................... 85
4.1.2. Vị trí lắp cảm biến áp suất...................................................................................... 90
iv
4.1.3. Cảm biến lưu lượng khí nạp .................................................................................. 91
4.1.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên ...................................................... 91
4.1.5. Lựa chọn kết cấu hình học và thay đổi tỷ số nén động cơ .................................. 93
4.2. Mục đích thử nghiệm .................................................................................................95
4.3. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm........................................................................................95
4.4. Trang thiết bị thử nghiệm ..........................................................................................96
4.4.1. Phanh điện APA100 ............................................................................................... 97
4.4.2. Thiết bị đo lượng nhiên liệu ................................................................................... 98
4.4.3. Tủ phân tích khí CEB-II......................................................................................... 99
4.4.4. Cảm biến đo áp suất................................................................................................ 99
4.5. Quy trình và phạm vi thử nghiệm .............................................................................99
4.5.1. Quy trình thử nghiệm ............................................................................................. 99
4.5.2. Phạm vi thử nghiệm..............................................................................................100
4.6. Kết quả thử nghiệm và thảo luận ........................................................................... 100
4.6.1. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến mô men, công
suất ...................................................................................................................................100
4.6.2. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến khả năng cháy ......... 103
4.6.3. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến khí thải ..................... 105
4.6.4. So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm......................... 108
4.7. Kết luận chương 4 ................................................................................................... 111
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................... 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................ 113
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN....................................... 121
v
DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Ký hiệu/ viết tắt
Diễn giải
AVL Boost
Phần mềm mô phỏng của hãng AVL
A/F
Tỷ lệ không khí trên nhiên liệu
BMEP
Áp suất có ích trung bình
CNG
Nhiên liệu khí thiên nhiên nén
LNG
Khí thiên nhiên hoá lỏng
IMEP
Áp suất chỉ thị trung bình
QLHV
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
ε
Tỷ số nén
λ
Hệ số dư lượng không khí
CO
Cacbon monoxide
CO2
Điôxít cacbon
HC
Hydro cacbon
NOx
Nitric oxide
PM
Các chất thải dạng hạt
CH4
Methane
O2
Ô xi
He
Hê-li
Ar
Argon
N2
Nitơ
H2S
Hyđrô sulfít
Me
Mô men có ích
Ne
Công suất có ích
ge
Suất tiêu hao nhiên liệu
Gnl
Lượng nhiên liệu
IT
Thời điểm đánh lửa
n
Tốc độ động cơ
ma
Lưu khối khí nạp
mf
Lưu khối nhiên liệu cấp
HRR
Tốc độ giải phóng nhiệt
ON
Chỉ số Ốc-tan
vi
Ký hiệu/ viết tắt
Diễn giải
TKE
Động năng rối của dòng môi chất
MFB
Hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy
ĐCT
Điểm chết trên
ĐCD
Điểm chết dưới
Db
Đường kính lõm trên đỉnh piston
Hb
Độ sâu vết lõm trên đỉnh piston
OB
Vị trí tâm lõm trên đỉnh piston
OS
Vị trí lắp đặt bugi
α
Góc quay trục khuỷu
MFB
Khối lượng nhiên liệu đã cháy
P
Áp suất trong xylanh
V
Thể tích buồng cháy
Q
Nhiệt lượng
Cm
Tốc độ trung bình của piston
∆αc
Thời gian cháy
ηv
Hệ số nạp
WOT
Bướm gió
IEA
Cơ quan năng lượng quốc tế
TNHH
Trách nhiệm hữu hạn
MTV
Một thành viên
Air
Không khí
Fuel
Nhiên liệu
vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Thông số kết cấu của đỉnh piston .............................................................. 14
Hình 1.2. Động cơ nhiên liệu liệu kép cỡ nhỏ sử dụng phương pháp hòa trộn ........ 16
Hình 1.3. Sơ đồ hình dạng hình học của các buồng cháy ......................................... 19
Hình 1.4. Buồng đốt phụ của động cơ ..................................................................... 22
Hình 2.1. Quá trình cháy của động cơ làm việc theo chu trình Otto ........................ 26
Hình 2.2. Mô hình tiếp xúc của màng lửa với thành xylanh ..................................... 37
Hình 2.3. Hình dạng đỉnh piston và vùng xuất hiện squish ...................................... 43
Hình 3.1. Động cơ nghiên cứu được mô phỏng bằng AVL Boost ........................... 47
Hình 3.2. Cửa sổ nhập thông số phần tử động cơ ..................................................... 49
Hình 3.3. Cửa sổ nhập thông số cho mô hình tính ma sát động cơ........................... 50
Hình 3.4. Cửa sổ nhập thông số cho phần tử xylanh động cơ ................................. 50
Hình 3.5. Cửa sổ lựa chọn mô hình cháy cho mô hình mô phỏng ............................ 51
Hình 3.6. Các thông số nhập vào trong mô hình cháy Fractal .................................. 51
Hình 3.7. Các thông số hình dạng buồng cháy được nhập vào mô hình .................. 52
Hình 3.8. Các thông số của hàm tính trị số Octan yêu cầu ....................................... 52
Hình 3.9. Cửa sổ nhập thông số cho phần Heat Tranfer .......................................... 53
Hình 3.10. Nhập thông sổ điều khiển vòi phun nhiên liệu ....................................... 54
Hình 3.11. Thông số đường ống nạp ......................................................................... 55
Hình 3.12. Biểu diễn vị trí dịch chuyển tâm lõm và bugi ......................................... 58
Hình. 3.13. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến tổn hao cơ giới........................................ 58
Hình 3.14. Kết quả hiệu chuẩn mô hình ................................................................... 59
Hình 3.15. Ảnh hưởng tỷ số nén đến trị số Ốc-tan yêu cầu ...................................... 60
Hình 3.16. Ảnh hưởng tỷ số nén đến vùng làm việc của của động cơ...................... 61
Hình 3.17. Ảnh hưởng của lambda đến trị số Ốc-tan yêu cầu .................................. 62
Hình 3.18. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến trị số Ốc-tan yêu cầu ...................... 62
Hình 3.19. Sự thay đổi của tốc độ cháy theo góc quay trục khuỷu........................... 63
Hình 3.20. Tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu ................... 64
Hình 3.21. Động năng rối (TKE) thay đổi theo góc quay trục khuỷu (CA) ............. 65
Hình 3.22. Tỷ lệ nhiên liệu được đốt cháy theo góc quay trục khuỷu ...................... 66
Hình 3.23. Tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu................... 67
Hình 3.24. Ảnh hưởng thời điểm đánh lửa đến trị số Ốc-tan yêu cầu ...................... 68
Hình 3.25. Ảnh hưởng Hb đến trị số ốc tan yêu cầu và thời điểm đánh lửa ............ 69
viii
Hình 3.26. Ảnh hưởng Db đến trị số ốc tan yêu cầu và thời điểm đánh lửa ............ 70
Hình 3.27. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến mô men động cơ ...................................... 70
Hình. 3.28. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến công suất động cơ................................... 71
Hình 3.29. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến góc đánh lửa sớm tối ưu .......................... 71
Hình. 3.30. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến giới hạn tốc độ và góc đánh lửa sớm ..... 72
Hình 3.31. Ảnh hưởng Hb đến thời gian cháy và góc đánh lửa sớm ....................... 73
Hình 3.32. Ảnh hưởng Hb đến áp suất trong xylanh ................................................. 73
Hình 3.33. Ảnh hưởng Hb đến tổn thất nhiệt ............................................................ 74
Hình 3.34. Ảnh hưởng của vị trí dịch chuyển bugi đến thời gian cháy .................... 75
Hình 3.35. Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến thời gian cháy .......................... 76
Hình 3.36. Ảnh hưởng Hb đến mô men..................................................................... 76
Hình 3.37. Ảnh hưởng Hb đến công suất .................................................................. 77
Hình 3.38. Ảnh hưởng Hb tới thời gian cháy và tốc độ động cơ............................... 78
Hình 3.39. Ảnh hưởng của Hb đến góc đánh lửa sớm............................................... 79
Hình 3.40. Ảnh hưởng của Hb đến thời gian cháy và mô men ................................. 79
Hình 3.41. Ảnh hưởng của Hb đến áp suất trong xylanh .......................................... 80
Hình 3.42. Ảnh hưởng Hb đến suất tiêu hao nhiên liệu ............................................ 81
Hình 3.43. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đến khí thải ................................ 82
Hình 4.1. Động cơ S1100 .......................................................................................... 84
Hình 4.2. Sơ đồ hệ thống đánh lửa không tiếp điểm................................................. 85
Hình 4.3. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm ...................... 86
Hình 4.4. Cấu tạo bộ phát xung................................................................................. 87
Hình 4.5. Vị trí bánh răng khởi động ........................................................................ 87
Hình 4.6. Vị trí bộ điều chỉnh thời điểm đánh lửa .................................................... 88
Hình 4.7. Vị trí lắp IC đánh lửa ................................................................................ 88
Hình 4.8. Vị trí lắp biến áp đánh lửa ......................................................................... 89
Hình 4.9. Kiểu bugi lắp trên động cơ nghiên cứu ..................................................... 89
Hình 4.10. Vị trí lắp bugi và cảm biến áp suất buồng cháy trên nắp máy ................ 90
Hình 4.11. Vị trí lắp cảm biến áp suất xylanh........................................................... 90
Hình 4.12. Vị trí lắp cảm biến đo lưu lượng khí nạp ................................................ 91
Hình 4.13. Bố trí nhiên liệu và động cơ trên băng thử.............................................. 92
Hình 4.14. Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên .............. 92
Hình 4.15. Thông số hình học tính tỷ số nén động cơ .............................................. 93
Hình 4.16. Hình dạng đỉnh piston phục vụ thử nghiệm ............................................ 94
ix
Hình 4.17. Kết nối động cơ với băng thử động lực học cao ETB............................. 96
Hình 4.18. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm động cơ ....................................................... 96
Hình 4.19. Phòng thử nghiệm động cơ ..................................................................... 97
Hình 4.20. Sơ đồ phanh điện APA100 ...................................................................... 98
Hình 4.21. Thiết bị đo lưu lượng nhiên liệu khí CNG .............................................. 99
Hình 4.22. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đến mô men ............................. 100
Hình 4.23. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đến công suất ........................... 102
Hình 4.24. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh theo góc quay trục khuỷu .......... 104
Hình 4.25. Lượng nhiên liệu đã cháy thay đổi theo góc quay trục khuỷu .............. 104
Hình 4.26. Tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu ................. 105
Hình 4.27. Hydro-cacbon thay đổi theo tốc độ động cơ ......................................... 106
Hình 4.28. Cacbon Oxit thay đổi theo tốc độ động cơ............................................ 107
Hình 4.29. Nitơ Oxit thay đổi theo tốc độ động cơ................................................. 108
Hình 4.30. So sánh công suất động cơ giữa thực nghiệm và tính toán mô phỏng .. 109
Hình 4.31. So sánh phát thải CO giữa thực nghiệm và tính toán mô phỏng .......... 109
Hình 4.32. So sánh phát thải HC giữa thực nghiệm và tính toán mô phỏng .......... 110
Hình 4.33. So sánh phát thải NOx giữa thực nghiệm và tính toán mô phỏng ......... 111
x
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các nước có trữ lượng khí thiên nhiên nhiều nhất thế giới ........................ 8
Bảng 1.2. Thành phần của khí thiên nhiên ở một số nước trên thế giới ................... 10
Bảng 1.3. So sánh đặc tính của khí thiên nhiên với xăng và diesel .......................... 12
Bảng 2.1. Các hệ số của xupap nạp và xupap thải .................................................... 40
Bảng 3.1. Các phần tử trong mô hình động cơ ......................................................... 48
Bảng 3.2. Thông số nhập cho điều kiện biên đầu vào .............................................. 48
Bảng 3.3. Thông số nhập ở điều kiện biên đầu ra ..................................................... 49
Bảng 3.4. Độ nâng và hệ số lưu lượng của xupap .................................................... 53
Bảng 3.5. Các thông số nhập cho phần tử ................................................................. 55
Bảng 3.6. Thông số hình học của thể tích phần trụ lõm trên đỉnh piston ................. 57
Bảng 3.7. Thông số hình học kết cấu buồng cháy .................................................... 58
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của động cơ .................................................................. 84
Bảng 4.2. Thông số hình học của ba kiểu đỉnh piston .............................................. 95
Bảng 4.3. So sánh công suất động cơ giữa thực nghiệm và tính toán mô phỏng ... 108
Bảng 4.4. So sánh phát thải CO giữa thực nghiệm và tính toán mô phỏng ............ 109
Bảng 4.5. So sánh phát thải HC giữa thực nghiệm và tính toán mô phỏng ............ 109
Bảng 4.6. So sánh phát thải NOx giữa thực nghiệm và tính toán mô phỏng .......... 110
xi
MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài
Trong những thập niên gần đây, với sự tăng trưởng kinh tế của toàn cầu đã kéo
theo sự gia tăng nhanh chóng của các loại động cơ đốt trong. Hầu hết các quốc gia
trên thế giới đều phải đối mặt với hai vấn đề cực kỳ phức tạp đó là ô nhiễm môi
trường và an ninh năng lượng. Trong đó, việc kiểm soát phát thải khí do chính
những động cơ đốt trong gây ra, đồng thời phải đảm bảo an ninh năng lượng hiện đã
và đang là những vấn đề thách thức đối với toàn xã hội.
Nghiên cứu sản xuất và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng
mặt trời, năng lượng gió đã được nhiều nước trên thế giới và Việt Nam triển khai.
Hướng nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt
trong đã đạt được mục tiêu: tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch đảm bảo an ninh năng
lượng; hạn chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính, bảo vệ môi trường, sản
xuất, giao thông và sinh hoạt [1].
Tại Việt Nam, việc sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho động cơ đốt
trong đã từng bước mở rộng, phát triển: Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh phía
Nam đã đưa vào sử dụng động cơ xe buýt sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên [2].
Đến năm 2018 Hà Nội đã triển khai xe buýt sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên trên
một số tuyến [3]. Các động cơ trên xe buýt sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên đều
được sản xuất và lắp ráp ở nước ngoài, có giá thành quá cao so với khả năng của
người tiêu dùng Việt Nam. Mặt khác, do các trạm cấp nhiên liệu khí thiên nhiên
chưa được mở rộng nên việc áp dụng cũng gặp nhiều khó khăn trở ngại. Một giải
pháp để tiết kiệm được chi phí đầu tư ban đầu, rút ngắn thời gian thu hồi vốn là
chuyển đổi động cơ xăng hoặc động cơ diesel hiện có trong nước thành động cơ sử
dụng nhiên liệu khí thiên nhiên.
Mỗi loại nhiên liệu đều có tính chất vật lý, hóa học và đặc tính cháy phù hợp
với đặc điểm kết cấu động cơ nhất định. Khí thiên nhiên cũng vậy, đây là nhiên liệu
khí, có nhiều tính chất khác so với nhiên liệu lỏng truyền thống, nên khi chuyển đổi
động cơ từ sử dụng nhiên lỏng sang nhiên liệu khí cần phải thay đổi lại kết cấu thì
động cơ sẽ hoạt động được và đảm bảo tính năng kinh tế, kỹ thuật.
Các phương án chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng sang sử dụng nhiên
liệu khí thiên nhiên khi ứng dụng ở nước ta là rất có lợi về kinh tế và có ý nghĩa
khoa học cũng như thực tiễn cao.
1
Vì vậy luận án sẽ bám sát với thực trạng về sử dụng và sản xuất động cơ đốt
trong hiện nay ở nước ta, đồng thời sẽ thực hiện hướng nghiên cứu theo chủ trương
phát triển của Đảng và Nhà nước trong giai đoạn tiếp theo. Để thực hiện được định
hướng tổng quát này, trước tiên cần nghiên cứu và phân tích một cách tổng quát dựa
trên các nghiên cứu trong và ngoài nước có thể tiếp cận được. Từ kết quả tổng quan
này sẽ là cơ sở quyết định lựa chọn động cơ đốt trong để nghiên cứu chuyển đổi phù
hợp với thực tế sản xuất ở Việt Nam. Với đối tượng được hướng đến sẽ có thể xây
dựng được: Mục tiêu nghiên cứu; Đối tượng và phạm vi nghiên cứu; Phương pháp
nghiên cứu; Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trong các ngành vận tải, sản xuất, nông
nghiệp, thương mại và dân dụng, trong đó ngành vận tải chiếm tỷ trọng lớn. Chính
vì thế thị trường tiêu thụ và sản xuất động diesel ở nước ta đã và đang được phát
triển rộng khắp như: Nhà máy diesel Sông Công, Công ty TNHH một thành viên
điện cơ Trần Hưng Đạo, Công ty TNHH MTV cơ khí Trần Hưng Đạo, Công ty
TNHH MTV động cơ và máy nông nghiệp Miền Nam, …. Ngoài ra có khá nhiều
công ty bán và phân phối động cơ diesel công suất nhỏ ở nước ta, các sản phẩm tập
trung chủ yếu là các động cơ xuất xứ từ Trung Quốc có giá rẻ, các động cơ xuất xứ
Thái Lan liên doanh sản xuất với Nhật Bản, và một số ít động cơ của các hãng nổi
tiếng Nhật bản như YANMA, KUBOTA. Số lượng động cơ diesel một xylanh được
người dân sử dụng khá phổ biến ở nhiều vùng trong cả nước, vì vậy nguồn cung
cũng khá đa dạng và phụ tùng thay thế sẵn có.
Xuất phát từ những lý do trên, tiến hành “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số
thông số kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel chuyển đổi
sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG)” có ý nghĩa khoa học và phù hợp với thực tiễn
ở nước ta. Giải pháp chuyển đổi động cơ diesel truyền thống thành động cơ khí
thiên nhiên đánh lửa cưỡng bức cho phép tận dụng được những ưu điểm của động
cơ diesel như kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, các cơ cấu, chi tiết của động cơ có
nhiều chủng loại, mẫu mã để thay thế, phù hợp với điều kiện ở Việt Nam, nâng cao
hiệu quả hoạt động của động cơ với nhiên liệu mới. Mặt khác trong quá trình vận
hành để cung cấp nguồn động lực cho máy công tác bên ngoài sẽ không sử dụng
nhiên liệu xăng, diesel và cắt giảm được một lượng khí thải ô nhiễm, đồng thời tận
dụng được hiệu quả kinh tế trong khai thác sử dụng khí thiên nhiên [4][5].
2
II. Mục tiêu của đề tài
Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu (tỷ số nén, hình dạng
buồng cháy) đến thời gian cháy và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên
nhiên chuyển đổi từ động cơ diesel nguyên bản.
Các nhiệm vụ nghiên cứu
− Nghiên cứu tổng quan thông qua các tài liệu và các công trình khoa học đã
được công bố để: phân tích, đánh giá tính cấp thiết của đề tài và từ đó xây dựng
định hướng cho các bước nghiên cứu tiếp theo.
− Xây dựng cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của tỷ số nén, hình dạng buồng cháy
đến thời gian cháy và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cấp
trên đường ống nạp.
− Nghiên cứu mô phỏng: Xây dựng mô hình, điều khiển và phân tích kết quả
thu được từ mô phỏng động cơ sau chuyển đổi với nhiên liệu là khí thiên nhiên.
− Chuyển đổi động cơ diesel một xylanh thành động cơ sử dụng khí thiên
nhiên đáp ứng mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
− Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của một số các thông số kết
cấu và vận hành đến thời gian cháy và phát thải của động cơ.
III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
− Đối tượng: Do động cơ một xylanh khá phổ biến và sẵn có ở nước ta, nên
đối tượng được lựa chọn để chuyển đổi thành động cơ nghiên cứu của luận án sẽ là
động cơ một xylanh S1100. Đây là động cơ diesel truyền thống, một xylanh, không
tăng áp, làm mát bằng nước, động cơ sử dụng hai xúp-páp (1 nạp, 1 thải) buồng
cháy thống nhất. Động cơ S1100 sau khi thay đổi hệ thống nhiên liệu, gắn thêm hệ
thống đánh lửa và bướm gió (Throttle) sẽ được coi là đối tượng để nghiên cứu trong
luận án.
− Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đánh giá ảnh
hưởng của một số thông số kết cấu (tỷ số nén, hình dạng buồng cháy trên đỉnh piston)
đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ nghiên cứu. Các nội dung thí nghiệm
của luận án được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải
Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
3
IV. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với nghiên cứu mô
phỏng và thực nghiệm để hướng đến mục tiêu của luận án.
Về lý thuyết:
− Xây dựng cơ sở lý thuyết để phục vụ cho các nhiệm vụ: xây dựng mô hình mô
phỏng, thiết kế chuyển đổi động cơ và phân tích số liệu thu được từ nghiên cứu mô
phỏng và nghiên cứu thực nghiệm.
− Nghiên cứu mô phỏng để dự báo về ảnh hưởng của các thông số kết cấu và
vận hành đến đặc tính của động cơ, kết quả thu được từ mô phỏng sẽ là một trong
những thông số cơ bản để định hướng thiết kế thử nghiệm.
− Sử dụng phần mềm AVL BOOST để nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước
hình học buồng cháy đến quá trình cháy của động cơ nghiên cứu khi thay đổi các
thông số: tỷ số nén, góc đánh lửa sớm, kích thước hình học đỉnh piston.
Về thực nghiệm:
− Lựa chọn, chuyển đổi và lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên
và hệ thống đánh lửa cho động cơ S1100.
− Lắp đặt động cơ nghiên cứu lên băng thử, kết nối các thiết bị thí nghiệm và
kiểm tra trước khi thử nghiệm.
− Tiến hành thử nghiệm động cơ nghiên cứu với nhiên liệu khí Mê-tan (CH4),
thu thập và xử lý số liệu thử nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết
cấu đến mô men động cơ và khí thải.
V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
− Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án đã khảo sát thành công một số thông
số kết cấu đến tính năng làm việc và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu khí
thiên nhiên. Là cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu về hình thành hỗn hợp, cháy
và điều chỉnh kết cấu buồng cháy của động cơ khí thiên nhiên, hướng đến mục tiêu
nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải trong quá trình chuyển đổi động
cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên.
− Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần
thúc đẩy việc sử dụng khí thiên nhiên cho động cơ diesel nhằm giảm ô nhiễm môi
trường và giảm phụ thuộc nguồn nhiên liệu diesel truyền thống.
4
VI. Các điểm mới của luận án
− Luận án xây dựng thành công mô hình động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên
nhiên trên phần mềm AVL-Boost, cho phép khảo sát ảnh hưởng của một số thông
số kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ.
− Luận án đã bước đầu chuyển đổi động cơ diesel 1 xylanh S1100 thành động
cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên phục vụ nghiên cứu thực
nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của tỷ số nén và hình dạng đỉnh piston đến các
thông số làm việc và phát thải của động cơ.
VII. Bố cục luận án
Mở đầu.
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy ở động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng
khí thiên nhiên
Chương 3. Nghiên cứu mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên.
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm.
Kết luận chung và hướng phát triển.
5
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. Nguồn gốc của khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên là nguồn nguyên liệu quý giá trong đời sống, khoa học và công
nghệ. Có hai giả thuyết về nguồn gốc của sự hình thành khí thiên nhiên đó là nguồn
gốc hữu cơ hoặc vô cơ [6].
1.1.1. Nguồn gốc hữu cơ
Theo giả thiết được chấp nhận nhiều nhất, khí thiên nhiên được thành tạo từ các
vật chất hữu cơ (phần còn lại của cây cối hoặc động vật) bị nén ép trong lòng đất dưới
áp suất cao trong thời gian dài. Quá trình này được gọi là quá trình tạo thành Mê-tan
(CH4) do nhiệt. Theo thời gian, bùn và các mảnh vụn của vật chất hữu cơ bị chồng
chất, do đó chúng tạo ra một áp suất rất lớn nén chặt vật chất hữu cơ xuống phía dưới
lại. Sự nén ép này, kết hợp với nhiệt độ cao tại độ sâu dưới lòng đất đã phá huỷ cấu
trúc các bon trong vật chất hữu cơ. Càng xuống sâu dưới lớp vỏ trái đất thì nhiệt độ
càng cao và khí thiên nhiên được sinh ra nhiều hơn ở những khu vực có nhiệt độ cao
hơn. Đây chính là lý do khí thiên nhiên thường đi đồng hành với dầu thô trong các
trầm tích nằm sâu 1 ÷ 2 dặm trong vỏ trái đất. Các trầm tích nằm càng sâu dưới lòng
đất thì lượng khí thiên nhiên càng nhiều, trong nhiều trường hợp có những mỏ khí
chứa CH4 nguyên chất. Khí metan cũng có thể được tạo thành qua quá trình chuyển
hóa các chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật hoạt động trong môi trường thiếu ô-xi (O2)
hay còn gọi là môi trường yếm khí, quá trình chuyển hóa này có tên gọi là
Methanogens với sản phẩm thu được chủ yếu là CH4 sinh học. Khí CH4 được tạo ra
theo phương thức này thường xảy ra gần bề mặt trái đất và bay vào trong khí quyển,
tuy nhiên, ở một số trường hợp nhất định khí CH4 không thể bay vào bầu khí quyển
mà bị giữ lại trong lòng đất tạo thành những mỏ khí thiên nhiên [7].
1.1.2. Nguồn gốc vô cơ
Giả thuyết thứ hai cho rằng khí thiên nhiên được hình thành qua các quá trình
tự sinh ở những khu vực rất sâu của vỏ trái đất, những khu vực này có chứa các
phân tử cacbon và khí gas tự nhiên giàu hydro. Trong quá trình di chuyển hướng lên
trên bề mặt trái đất các khí này tương tác với các khoáng vật có trong lòng đất ở
điều kiện không có oxy. Sự tương tác này có thể dẫn đến xảy ra phản ứng hoá học
tạo thành các đơn chất và hợp chất gặp nhiều trong khí quyển như N2, O2, CO2, Ar,
và hơi nước. Nếu các chất khí này tồn tại dưới áp suất lớn khi di chuyển lên trên bề
6
- Xem thêm -