Tài liệu 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)

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