Tài liệu Nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp của động cơ sử dụng nhiên liệu khí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- TRƯƠNG CÔNG HUY C C R L T. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- TRƯƠNG CÔNG HUY NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ C C R L T. DU Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Người hướng dẫn khoa học: GS. TSKH. BÙI VĂN GA Đà Nẵng – Năm 2020 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 VĂN TRƯƠNG CÔNG HUY C C DU R L T. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ Học viên: Trương Công Huy Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 85.20.11.6 Khóa:K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Luận văn trình bày kết quả mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas-H2 cho động cơ đánh lửa cưỡng bức dựa trên tính toán độ chân không trên đường nạp. Kết quả cho thấy khu vực có độ chân không lớn nhất nằm gần họng venturi và về phía hạ lưu. Cùng độ mở bướm ga, khi tăng tốc độ động cơ thì độ chân không tăng mạnh và hệ số tương đương của hỗn hợp giảm, đồng thời đỉnh đường cong chân không dịch chuyển dần về phía cuối quá trình nạp. Tốc độ động cơ là thông số ảnh hưởng lớn nhất đến hệ số tương đương. Nếu cấp nhiên liệu khí bằng van chân không phổ biến hiện nay thì khi điều chỉnh hỗn hợp hợp lý ở tốc độ thấp, ở tốc độ cao hỗn hợp quá loãng; nếu điều chỉnh hỗn hợp hợp lý ở tốc độ cao thì ở tốc độ thấp hỗn hợp quá đậm. Hệ thống cấp nhiên liệu gồm van công suất cấp ga gián đoạn, van làm đậm cấp ga liên tục giúp điều chỉnh thành phần hỗn hợp phù hợp với các chế độ công tác của động cơ đồng thời cải thiện độ đồng đều của hỗn hợp, phù hợp động cơ chạy bằng nhiên liệu biogas nghèo được bổ sung H2. Từ khóa: Nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydrogen; HHO; Động cơ đánh lửa cưỡng bức C C R L T. DU RESEARCH PROCESS OF COMBINATION OF GAS FUEL ENGINE Abstract: The thesis presents the simulation results of biogas-H2 supply process for spark ignition engine based on vacuum calculation in the intake manifold. The results show that the largest vacuum area is located near the venturi throat toward the downstream. At a given throttle valve position, as the engine speed increases, the vacuum level increases sharply and the equivalence ratio of the mixture decreases, while the vacuum curve peak gradually moves towards the end of the intake process. Engine speed is the most important parameter that affects the equivalence ratio. If gas fuel is supplied by a popular existing vacuum valve, when adjusting the mixture properly at low speed, at high speed the mixture is too poor; if the mixture is adjusted properly at high speed, at low speed the mixture is too rich. The fuel supply system consists of an intermittent supply power valve and a continuous supply enriche valve that adjusts the equivalence ratio in accordance with the engine operating modes and improves the uniformity of the mixture, suitable for spark ignition engine fueled with poor biogas enriched by H2. Keywords: Renewable fuels; Biogas; Hydrogen;; Spark Ignition Engine MỤC LỤC TỔNG QUAN ...........................................................................................7 1.1. Tổng quan về môi trường .................................................................................7 1.1.1. Hệ lụy với môi trường của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch ............ 7 1.1.2. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu thay thế/ tái tạo trên động cơ đốt trong . 11 1.1.3. Tình hình sử dụng nhiên liệu tái tạo ở nước ta .................................. 12 1.2. Tổng quan về Biogas ......................................................................................15 1.2.1. Giới thiệu về Biogas .......................................................................... 15 1.2.2. Sản xuất, tinh luyện Biogas ............................................................... 16 1.2.3. Đặc điểm nhiên liệu Biogas ............................................................... 23 CÁC PHƯƠNG ÁN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KHÍ CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC .........................................................................................25 C C 2.1. Tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ xăng .....................25 2.2. Hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí ..................................................27 R L T. 2.3. Hệ thống phun xăng điện tử ...........................................................................29 2.3.1. Hệ thống phun xăng điện tử tập trung Mono – JetronicPhun ............ 30 2.3.2. Hệ thống phun xăng điện tử đa điểm ................................................. 31 2.3.3. Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI .................................................... 32 2.4. Phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp cung cấp nhiên liệu ..................33 DU 2.4.1. Ở chế độ không tải chuẩn................................................................... 33 2.4.2. Ở chế độ tăng tốc ............................................................................... 34 2.4.3. Chế độ khởi động động cơ ................................................................. 35 2.4.4. Chế độ toàn tải ................................................................................... 37 2.4.5. Chế độ giảm tốc đột ngột (Quá trình không tải cưỡng bức) .............. 37 2.5. Công nghệ cải tạo động cơ chạy nhiên liệu lỏng sang chạy bằng nhiên liệu khí biogas .........................................................................................................................38 2.5.1. Chuyển đổi động cơ xăng .................................................................. 38 2.5.2. Chuyển đổi động cơ diesel ................................................................. 38 2.6. Các giải pháp cấp nhiên liệu khí ....................................................................39 2.7. Phương án cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ đánh lửa cưỡng bức ..........40 2.7.1. Sử dụng bộ Gatec cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ .................... 40 2.7.2. Dùng bộ chế hòa khí .......................................................................... 41 2.7.3. Phun nhiên liệu khí trên đường nạp động cơ ..................................... 43 2.7.4. Phun trực tiếp nhiên liệu khí vào buồng cháy động cơ...................... 44 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ HÌNH THÀNH HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS HYDROGEN .................................................................................................................46 3.1. Mô phỏng quá trình phun biogas-hydrogen bằng phương pháp phun điều khiển điện tử ........................................................................................................................46 3.1.1. Giới thiệu phần mềm FLUENT 6.3 ................................................... 46 3.1.2. Thiết lập mô hình tính toán bằng Fluent ............................................ 47 3.1.3. Kết quả mô phỏng .............................................................................. 49 3.2. Mô phỏng quá trình cung cấp biogas-hydrogen bằng phương pháp hút .......52 3.2.1. Thiết lập mô hình tính toán bằng Fluent ............................................ 52 3.2.2. Kết quả mô phỏng .............................................................................. 54 THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC MỨC ĐỘ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SAMDI SB3600 CHẠY BẰNG BIOGAS BỔ SUNG H2 ............................................65 C C 4.1. Trang thiết bị thực nghiệm .............................................................................65 R L T. 4.1.1. Máy phát điện Samdi ......................................................................... 65 4.1.2. Bộ phụ kiện Gatec 26 ......................................................................... 67 4.1.3. Máy đo nồng độ khí thải Opus 400 .................................................... 70 4.1.4. Đồng hồ đo công suất dòng điện ....................................................... 71 4.2. Quá trình thực nghiệm ...................................................................................72 DU 4.3. Bố trí thiết bị thí nghiệm trong thực tế và kết quả đo ....................................72 4.4. Bảng kết quả thực nghiệm..............................................................................73 4.5. So sánh và đánh giá công suất của máy phát điện sinh ra: .........................732 4.6. So sánh ảnh hưởng nồng độ H2 đến mức độ phát thải CO giữa lý thuyết và thực nghiệm .............................................................................................................743 4.7. So sánh mức độ phát thải HC khi thay đổi nồng độ H2 trong hỗn hợp nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm ........................................................................754 4.8. Kết luận ........................................................................................................765 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN………………………………………….76 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ……………………………………..77 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….78 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Giới thiệu giá trị trung bình các thành phần hiện diện trong biogas. ....... 15 Bảng 1.2: Sản lượng CH4 theo lý thuyết .................................................................. 15 Bảng 1.3: Sản lượng CH4 với nguồn nguyên liệu khác nhau ................................... 16 Bảng 1.4: Giới thiệu sự cần thiết phải lọc các tạp chất phụ thuộc vào phương tiện sử dụng biogas. ................................................................................................................... 19 Bảng 3.1: Bảng số liệu ảnh hưởng của hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên áp suất trong xi lanh ............................................................................................. 59 Bảng 3.2 .................................................................................................................... 59 Bảng 3.3 .................................................................................................................... 60 Bảng 3.4: ................................................................................................................... 61 C C Bảng 4.1: Bảng số liệu thực nghiệm ......................................................................... 73 R L T. Bảng 4.2: Bảng số liệu so sánh công suất động cơ ( mô phỏng) và công suất máy phát điện ( thực nghiệm)........................................................................................................ 73 DU Bảng 4.3: Bảng số liệu so sánh nồng độ phát thải CO trong khí xả giữa thực nghiệm và mô phỏng .................................................................................................................. 74 Bảng 4.4: Bảng số liệu so sánh mức độ phát thải HC khi thay đổi nồng độ H2 trong hỗn hợp nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm ...................................................... 75 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Biến thiên nhiệt độ khí quyển gần mặt đất qua các thời kỳ băng hà.[1] .....7 Hình 1.2 Biến thiên nhiệt độ của khí quyển so với nhiệt độ trung bình 1961-1990 ...7 Hình 1.5: Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đông Nam Á do sự dâng cao mực nước biển .........................................................................................................................................9 Hình 1.6: Sự dịch chuyển tự nhiên của dòng đại dương ...........................................10 Hình 1.7: Kịch bản cắt giảm phát thải CO2 theo COP21 .........................................10 Hình 1.8: Cơ cấu năng lượng tương lai cho phương tiện giao thông cơ giới ...........11 Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống sản xuất Biogas ................................................................16 Hình 1.10: Các giai đoạn hình thành biogas từ các chất hữu cơ. ..............................17 Hình 1.11 Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất, tinh lọc và lưu trữ. ...........................19 Hình 1.12 Yêu cầu lọc tạp chất trong biogas đối với các giải pháp sản xuất điện khác nhau ...............................................................................................................................19 Hình 1.13 Phoi sắt đã bị oxy hóa ..............................................................................22 Hình 1.14 Diatomite Phú Yên ...................................................................................23 Hình 2.1: Hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ ché hòa khí .............................................28 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của chế hòa khí ......................................................29 Hình 2.3: Hệ thống phun xăng điện tử một điểm Mono – Jetronic ..........................30 Hình 2.4: Hệ thống phun xăng cơ điện tử KE – Jetronic ..........................................31 Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của một loại động cơ GDI..............................32 Hình 2.6: Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí sử dụng công nghệ Gatec 25 ..............41 Hình 2.7: Sơ đồ thiết kế bộ cấp từng loại nhiên liệu cho động cơ ..............................42 Hình 2.8 Sơ đồ thiết kế bộ cấp chung đa nhiên liệu cho động cơ...............................43 Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu khí trên đường nạp động cơ ...................44 Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu khí trực tiếp vào buồng cháy động cơ..45 Hình 3.1: Chia lưới không gian tính toán quá trình nạp Biogas -Hydrogen cho động cơ Samdi SB3600 với phương pháp phun điều khiển điện tử .......................................48 Hình 3.2: Quá trình phun và tạo hỗn hợp Biogas - Hydrogen ..................................49 Hình 3.3: Sự thay đổi nồng độ CH4, H2,HC theo góc quay trục khuỷu ....................50 Hình 3.4: Sự biến thiên hệ số tương đương ϕ theo góc quay trục khuỷu ứng với các tốc độ động cơ khác nhau. .............................................................................................50 Hình 3.5: Biến thiên nồng độ nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu khi bướm ga đóng 0 50 ..................................................................................................................................51 Hình 3.6: Biến thiên hệ số tương đương ϕ theo góc quay trục khuỷu khi bướm ga đóng 500 .........................................................................................................................51 Hình 3.7: Biến thiên góc phun Biogas theo tốc độ động cơ n ứng với độ mở của bướm ga khác nhau ..................................................................................................................52 C C DU R L T. Hình 3.8: Sơ đồ bộ tạo hỗn hợp động cơ chạy bằng biogas nghèo được làm giàu bởi H2 ..................................................................................................................................53 Hình 3.9: Đường đồng mức tốc độ và áp suất ở tốc độ quay trục khuỷu 1500 vòng/phút và 3500 vòng/phút (không cung cấp nhiên liệu) ..........................................53 Hình 3.10: Trường tốc độ, trường áp suất và trường nồng nộ nhiên liệu khi động cơ chạy ở tốc độ 1500 vòng/phút và 4000 vòng/phút ........................................................54 Hình 3.11: Biến thiên áp suất tĩnh trung bình trên các mặt cắt ngang (a) và áp suất tĩnh tại các điểm sát thành đường nạp (b) khi trục khuỷu động cơ quay với tốc độ 2000 vòng/phút, không cấp ga................................................................................................54 Hình 3.12: Ảnh hưởng của tốc độ quay trục khuỷu đến áp suất tĩnh trung bình trên mặt cắt ngang số 3 .........................................................................................................55 Hình 3.13: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) và van cấp gas liên tục (b) ..................56 Hình 3.14: Biến thiên hệ số tương đương  của hỗn hợp trong xi lanh động cơ ứng với các chế độ tốc độ khác nhau khi động cơ chạy bằng biogas theo phương thức cấp ga gián đoạn (a) và liên tục (b) ...........................................................................................57 Hình 3.15: Biến thiên hệ số tương đương ϕ của hỗn hợp trong xi lanh động cơ ứng với các chế độ tốc độ khác nhau khi động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen theo phương thức cấp ga gián đoạn (a) và liên tục (b) ..................................58 Hình 3.16 : Ảnh hưởng của hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên áp suất trong xi lanh ...........................................................................................................58 Hình 3.17: Ảnh hưởng của hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ CO trong xi lanh .......................................................................................................60 Hình 3.18: Ảnh hưởng của hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ HC trong xi lanh .......................................................................................................60 Hình 3.19: Ảnh hưởng của hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ NOx trong xi lanh .....................................................................................................61 Hình 3.20: So sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo hàm lượng LPG/H2 pha vào biogas M7C3 (n=4000 vòng/phút, ϕ =1) ......................................................................62 Hình 3.21: So sánh biến thiên nồng độ CO, HC, NOx theo hàm lượng LPG/H2 pha vào biogas M7C3 (n=4000 vòng/phút, ϕ =1) ..............................................................63 Hình 4.1 : Máy phát điện SAMDI S3600B ...............................................................65 Hình 4.2: Mô hình động cơ kéo máy phát điện SAMDI S3600B. ............................65 Hình 4.3: Động cơ SAMDI S3600B ........................................................................66 Hình 4.4: Bộ Gatec-26-2 ...........................................................................................67 Hình 4.5: Mặt cắt bộ GATEC 26-2 ...........................................................................69 Hình 4.6: Máy đo nồng độ khí xả Opus400 ..............................................................70 Hình 4.7: Đồng hồ đo công suất dòng điện...............................................................71 Hình 4.8: Hình ảnh bố trí thực nghiệm tại xưởng AVL Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng .......................................................................................................................................73 C C DU R L T. Hình 4.9: Ảnh hưởng của %H2 trong hỗn hợp đến công suất của động cơ và máy phát điện ................................................................................................................................74 Hình 4.10: So sánh mức phát thải CO trong khí xả động cơ Samdi S3600 sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu bởi lượng H2 tăng dần ........................................................75 Hình 4.11: So sánh mức độ phát thải HC khi thay đổi nồng độ H2 trong hỗn hợp nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm ..............................................................................76 C C DU R L T. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH Vh [m3]: n [vòng/phút]: Wi [J]: f: Pe [kW] : QH [MJ/m3] : Dung tích xi lanh Số vòng quay Công chỉ thị Hệ số thành phần hỗn hợp Công suất của động cơ Nhiệt trị thấp cỦA hỗn hợp 2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP φ [độ] : ε: λ: ϕ: Góc quay trục khủy Tỉ số nén Hệ số dư lượng không khí Hệ số tương đương 3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT C: CNG : ĐCT: LPG : H2: R L T. C C Carbon Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén) Điểm chết trên Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng) Hydrogen DU 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 1.1. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu thay thế/tái tạo  Ô tô là phương tiện giao thông cá nhân chủ yếu của thế giới văn minh. Loài ngoài không thể từ bỏ nó. Khi GDP tăng trên 1000 USD thì bắt đầu hình thành thị trường ô tô.  Bùng phát thị trường ô tô đặt ra những vấn đề lớn về cơ sở hạ tầng (đường sá, parking, cơ sở dịch vụ…) và ô nhiễm môi trường  Hơn 90% nguồn động lực của ô tô hiện nay trên thế giới sử dụng động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Dự báo trong vòng nửa thế kỷ tới, động cơ đốt trong vẫn là nguồn động lực chính.  CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính là thành phần chính có mặt trong sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch là thủ phạm làm gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển.  Cùng với việc khai thác và sử dụng tăng cường nhiên liệu hóa thạch, hàm lượng CO2 trong bầu khí quyển đã gia tăng nhanh chóng kể từ khi thế giới phát triển công nghiệp.  Lịch sử biến đổi khí hậu của hành tinh trong quá khứ diễn ra có tính chu kỳ. Nhưng những biến động chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển diễn ra do các hiện tượng tự nhiên.  Một bộ phận CO2 trong bầu khí quyển đã được chôn vùi cùng nhiên liệu hóa thạch trong lòng đất hàng triệu năm đã giúp cho hàm lượng của nó còn lại trong bầu khí quyển ở mức vừa phải, giữ cho nhiệt độ bề mặt hành tinh ở mức độ phù hợp cho sinh vật nẩy nở.  Khi công nghiệp phát triển, loài người đã khai thác nhiên liệu hóa thạch và sử dụng chúng làm nhiên liệu giải phóng CO2 trở lại vào bầu khí quyển, làm mất cân bằng carbon đã xác lập.  Nhiệt độ bầu khí quyển đã tăng nhanh trong thế kỷ qua và đà gia tăng chưa có dấu hiệu giảm do phát triển công nghiệp ồ ạt cùng với gia tăng mật độ phương tiện giao thông.  Các nhà khoa học tính toán khi nhiệt độ bầu khí quyển tăng quá 2 độ so với thời tiền công nghiệp thì sẽ xảy ra tình trạng khí hậu cực đoan. Khi đó nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tiếp tục gia tăng ngay cả khi ngừng phát thải CO2.  Đó là do hệ lụy của băng tan, giải phóng khí CH4 lưu giữ dưới lớp băng này, đồng thời đảo lộn dòng chảy đại dương do giảm chênh lệch nhiệt độ giữa xích đạo và các cực của trái đất. CH4 gây hiệu ứng nhà kính gấp 23 lần CO2. C C DU R L T. 2 Dòng đại dương giúp trao đổi chất giữa khí quyển và nước giúp hấp thụ O2, CO2 trong bầu khí quyển để nuôi dưỡng sinh thực vật dưới đáy đại dương.  Khi tất cả băng tuyết tan chảy cùng với dãn nở nước do nhiệt độ gia tăng thì mực nước biển có thể dâng lên đến 60m so với mức hiện nay. Hầu hết các vùng ven biển sẽ ngập nước. Phần lớn vùng Đồng bằng Sông Cửu long sẽ ngập nước khi mực nước biển dâng lên đến 3m.  Trở lại tình trạng khí hậu cực đoan “hothouse”. Giới hạn để hành tinh tránh được thảm họa này là ngưỡng 2 độ so với thời kỳ tiền công nghiệp. Vượt quá ngưỡng này thì sự gia tăng nhiệt độ sẽ theo quá tính của nó, không còn được kiểm soát, điều chỉnh.  Tại Hội nghị thượng đỉnh toàn cầu COP21 tại Paris năm 2015 hầu hết các nước đã cam kết cùng hành động để giữ cho nhiệt độ bầu khí quyển không vượt quá 2 độ, cố gắng không vượt quá 1,5 độ theo lộ trình cắt giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính.  Theo lộ trình thì năm 2020 là đỉnh điểm phát thải CO2. Kể từ đó cả thế giới cùng hành động để mức độ phát thải CO2 bắt đầu giảm, Đến giữa thế kỷ này, mức độ phát thải CO2 do sử dụng nhiên liệu hóa thạch tiến về 0.  Đây là thách thức rất lớn đối với mọi quốc gia, đặc biệt là các quốc gia công nghiệp và các quốc gia đang phát triển để làm sao một mặt vẫn duy trì được tốc độ tăng trưởng nhưng mặt khác, cắt giảm phát thải CO2.  Ngành giao thông vận tải chịu tác động lớn trong nỗ lực cặt giảm phát thải CO2 khi mà đại bộ nguồn động lực của ô tô vẫn dựa vào động cơ đốt trong.  Giải pháp căn bản nói chung và cho ngành ô tô nói riêng là đổi mới công nghệ, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng và sử dụng năng lượng tái tạo.  Những thành quả chính cải thiện chất lượng công tác của động cơ đốt trong trong những năm gần đây gồm: điều khiển điện tử hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống đánh lửa, hệ thống phối khí, tổ chức cháy hỗn hợp phân lớp…  Những tiến bộ về quá trình cháy đang được nghiên cứu phát triển gồm: HCCI, RCCI.  Sử dụng nhiên liệu khí thay thế cho nhiên liệu lỏng truyền thống: LPG, CNG, LNG…  Sử dụng nhiên liệu tái tạo: biodiesel, ethanol, DME, biogas, hydrogen…  Việc nâng cao hiệu suất của động cơ đốt trong bị giới hạn về mặt lý thuyết theo định luật nhiệt động 2 và về mặt công nghệ bởi tổ chức quá trình cháy. Hiệu suất thực tế của động cơ khó có thể đạt được hiệu suất nhiệt lý thuyết giữa hai nguồn nhiệt. C C DU R L T. 3  Để đáp ứng được yêu cầu cắt giảm phát thải CO2 theo lộ trình COP21 thì phải thay đổi căn bản về nguồn động lực ô tô, không sử dụng động cơ đốt trong hay sử dụng động cơ đốt trong nhưng chạy bằng nhiên liệu tái tạo.  Nhiên liệu tái tạo chủ yếu là nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời và hydrogen. Nghiên cứu tổng quan trên cho phép rút ra: - Tương lai lâu dài thì ô tô, xe gắn máy sẽ chạy bằng điện. - Trong khi chờ đợi xử lý vấn đề lưu trữ năng lượng điện thì động cơ đốt trong vẫn là nguồn động lực chính, ít nhất trong 50 năm tới. - Giảm phát thải CO2 đối với phương tiện vận tải cơ giới được thực hiện bằng 2 cách: (1) sử dụng nhiên liệu tái tạo và (2) nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt của quá trình cháy nhiên liệu. 1.2. Đặc điểm cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ C C  Hiệu quả sử dụng nhiên liệu tái tạo thể khí trên động cơ đốt trong phụ thuộc mạnh vào quá trình tạo hỗn hợp. Khác với nhiên liệu lỏng, quá trình cung cấp nhiên liệu khí rất nhạy cảm với sự thay đổi tốc độ động cơ và chế độ tải. Việc kiểm soát hệ số tương đương của hỗn hợp đảm bảo cho động cơ làm việc tối ưu ở các chế độ khác nhau là một thách thức lớn đối với việc phát triển ứng dụng nhiên liệu tái tạo.  Cấp nhiên liệu khí bằng phương pháp hút phụ thuộc vào độ chân không trên đường nạp. Độ chân khôn này biến thiên theo tốc độ di chuyển của dòng khí hút vào xi lanh do sự dịch chuyển của piston theo phương trình Bernoulli. Khi piston đến ĐCT hay ĐCD thì tốc độ của nó bằng không nhưng tốc độ dòng không khí trên đường nạp vẫn khác 0 do quán tính.  Kết quả nghiên cứu bước đầu chúng tôi đã thực hiện trên động cơ Samdi SB3600 cho thấy khi tốc độ động cơ thay đổi thì tốc độ dòng khí trong đường nạp cũng thay đổi. Độ chân không cực đại chỉ đạt khoảng 10.00Pa khi tốc độ động cơ 1000 vòng/phút nhưng đạt trên 70.000Pa ở tốc độ độn cơ 4000 vòng/phút. Thời điểm đạt giá trị cực đại của độ chân không dịch chuyển dần về phía cuối quá trình nạp khi tốc độ động cơ tăng. Sự dịch chuyển này có thể được giải thích do quán tính của dòng khí. Khi tốc độ động cơ tăng thì quán tính dòng khí lớn dẫn đến độ chân không tiếp tục tăng ngay sau khi tốc độ piston đã bắt đầu giảm. DU R L T. pres-vs-n_point3_sansfuel 4 0 60 0 120  (TK) 180 240 1000 v/ph 1500 v/ph -20000 2000 v/ph 2500 v/ph p (Pa) -40000 3500 v/ph 3000 v/ph -60000 4000 v/ph -80000 C C Hình 1: Ảnh hưởng của tốc fi-n_biogasseul độ quay trục khuỷu đến áp suất tĩnh tại họng Venturi 1  0.8 R L T. DU 2000 v/ph - 3000 v/ph 4000 v/ph 0.6 0.4 0.2  (TK) 0 0 60 120 180 240 300 360 Hình 2: Biến thiên hệ số tương đương ϕ của hỗn hợp trong xi lanh động cơ ứng với các chế độ tốc độ khác nhau  Do độ chân không và thời gian nạp thay đổi mạnh theo tốc độ động cơ nên hệ số tương đương cũng thay đổi dáng kể khi tốc độ động cơ biến thiên. Trong các điều kiện và phương thức cấp ga, khi tốc độ động cơ tăng thì hệ số tương đương giảm. Khi tăng tốc độ động cơ thì độ chân không tăng, khoảng góc quay 5 trục khuỷu mở van cấp ga tăng nhưng không tương ứng với mức giảm thời gian mở van nên lượng nhiên liệu nạp vào động cơ giảm.  Do hệ số tương đương ϕ thay đổi mạnh theo tốc độ động cơ trong cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu và cùng vị trí độ mở bướm ga nếu điều chỉnh cho hỗn hợp tối ưu cho động cơ chạy ở tốc độ thấp thì khi chạy ở tốc độ cao, hỗn hợp quá nghèo, động cơ không thể chạy được. Ngược lại khi chỉnh thành phần hỗn hợp tối ưu ứng với tốc độ cao thì khi chạy ở tốc độ thấp, hỗn hợp sẽ quá giàu, ngoài giới hạn bốc cháy. Vì vậy để động cơ có thể làm việc tại mọi điểm trên đường đặc tính (đặc tính ngoài và đặc tính cục bộ) chúng ta phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo tốc độ động cơ bằng cách bổ sung thêm nhiên liệu khi tốc độ động cơ tăng.  Trong khuôn khổ đề tài này, tôi sẽ nghiên cứu giải pháp điều chỉnh thành phần hỗn hợp động cơ chạy bằng nhiên liệu khí dựa vào sự biến thiên độ chân không trên đường nạp.  Cách tiếp cận đề tài nghiên cứu này tóm tắt như sau: - Khi tốc độ động cơ tăng thì thời gian nạp giảm nhưng độ chân không tại họng khuếch tán tăng, do đó để cung cấp đủ nhiên liệu khí cho động cơ như trong trường hợp động cơ chạy ở tốc độ thấp thì ta cung cấp thêm nhiên liệu khí qua một van làm đậm. Van làm đậm chỉ mở khi độ chân không tại họng khuếch tán đủ lớn. Nghĩa là van mở khi tốc độ động cơ lớn hơn một giá trị cho trước. Ở tốc độ thấp, van làm đậm ở vị trí đóng. - Đề tài sẽ nghiên cứu phối hợp hoạt động của van cung cấp ga chính và van làm đậm để thành phần hỗn hợp nạp vào động cơ hợp lý ở các chế độ vận hành khác nhau của động cơ. - Nghiên cứu trên nhiên liệu khí nghèo có thành phần khí trơ trong nhiên liệu cao (như biogas, syn gas…) C C R L T. DU 2. Mục tiêu nghiên cứu: Góp phần giảm phát thải ô nhiễm và nâng cao hiệu suất sử dụng nhiệt động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng nhiên liệu khí bằng cách kiểm soát thành phần hỗn hợp tối ưu ở các chế độ công tác khác nhau. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng: Động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại Samdi SB3600 - Phạm vi nghiên cứu:  Nhiên liệu: Hỗn hợp nhiên liệu nghèo Biogas bổ sung H2  Về phương pháp cung cấp nhiên liệu: cung cấp nhiên liệu khí kiểu hút.  Về mô phỏng: Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu và hình thành hỗn hợp cháy. 6  Về thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu nghèo Biogas bổ sung H2 cho động cơ Samdi SB3600. 4. Phương pháp nghiên cứu : Sử dụng kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm để nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên liệu khí. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm thông qua việc kiểm soát hệ số tương đương của hỗn hợp tối ưu. 6. Dự kiến kết quả đạt được Bộ tạo hỗn hợp nhiên liệu khí Biogas bổ sung H2 cho động cơ tĩnh tại. C C DU R L T. 7 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về môi trường 1.1.1. Hệ lụy với môi trường của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch Biến thiên nhiệt độ (C) Trong vòng 400.000 năm trở lại đây, nhiệt độ khí quyển gần mặt đất đã trải qua 4 chu kỳ băng hà (hình 1.1). Sự thay đổi nhiệt độ bầu khí quyển trong quá khứ phụ thuộc vào các hiện tượng tự nhiên. Từ khi bắt đầu thời kỳ công nghiệp, hoạt động của con người là nguyên nhân chính gây ra sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển. Điều này được khẳng định bởi mô hình tính toán sự gia tăng nhiệt độ khi xem xét các yếu tố ảnh hưởng khác nhau. 0 50 100 150 C C R L . 200 250 300 350 400 450 Nghìn năm về trước Hình 1.1: Biến thiên nhiệt độ khí quyển gần mặt đất qua các thời kỳ băng hà.[1] Theo diễn biến nhiệt độ khí quyển thì chúng ta đang sống trong thời kỳ có nhiệt độ cao nhất trong 2 thiên niên kỷ qua. Sự ấm lên của khí Trung bình hằng năm quyển diễn ra ở hai giai đoạn, giai đoạn đầu từ Trung bình 5 năm năm 1910 đến 1945 và giai đoạn sau từ 1976 đến nay. Sự gia tăng nhiệt độ khí quyển trong khoảng 1906 đến 2005 ước chừng 0,74°C0,18 °C (hình 1.2). Trong khoảng Năm 1956-2006, nhiệt độ tăng 0,65°C. Nhiệt độ trung bình của mặt đất trong giai đoạn 2001Hình 1.2 Biến thiên nhiệt độ của khí 2007 là 14,44°C nghĩa là tăng thêm 0,21°C so quyển so với nhiệt độ trung bình 1961với giai đoạn 1991-2000. Tốc độ gia tăng nhiệt 1990 độ trung bình hiện nay khoảng 2,5°C trong 100 năm. Nếu sự gia tăng nhiệt độ trong quá khứ gây ra do quá trình tự nhiên thì sự gia tăng nhiệt độ ngày nay chủ yếu là do hoạt động của con người. Cân bằng nhiệt của quả đất được đảm bảo khi hệ thống không tích lũy năng lượng thặng dư từ mặt trời. Ban ngày bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi khí quyển, đại dương và đại lục và ban đêm các thành phần này truyền ngược bức xạ ra không gian trong vùng hồng ngoại. Các tia bức xạ hồng ngoại này đến lượt nó bị hấp thụ bởi mây và một số chất khí có mặt trong khí quyển. Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính phản xạ lại một phần bức xạ này về mặt đất Biến thiên nhiệt độ (C) D T U 8 Gia tăng mực nước biển (cm) và làm nóng lớp khí quyển dưới cùng: Đó là hiệu ứng nhà kính. Không có hiệu ứng này, nhiệt độ trung bình của mặt đất là -18°C thay vì +15°C như hiện nay. Hiệu ứng nhà kính là một hiện tượng tự nhiên không thể thiếu trên hành tinh xanh của chúng ta. Tuy nhiên khi tác động của nó vượt quá mức cho phép thì nó gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với môi trường. Năm C C R L T. Hình 1.3: Dự báo dâng cao mực nước biển trong thế kỷ 21 theo các mô hình toán họa khác nhau DU Hình 1.4: Biến thiên nhiệt độ trung bình của khí quyển gần mặt đất và nồng độ CO2 tương ứng Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính thì CO2 chiếm vị trí quan trọng nhất. Từ khi bắt đầu thời kỳ công nghiệp đến nay (khoảng 200 năm), sự phát thải CO 2 vào bầu khí quyển đã không ngừng gia tăng. Nồng độ CO2 hiện nay đã tăng 35% so với hời kỳ tiền công nghiệp, vượt xa nồng độ của chúng 600.000 năm trước (hình 1.3 ). Nồng độ CO2 đã tăng từ 280ppm ở thời kỳ tiền công nghiệp đến 380ppm vào thời điểm hiện nay. Mức tăng trung bình của CO2 là +1,5 ppm/năm trong khoảng 1970 đến 2000 và +2,1 ppm/năm hiện nay. Sự gia tăng nhiệt độ khí quyển gần mặt đất gây ra những hậu quả năng nề đối với môi trường. Cây cối lớn nhanh hơn và chết sớm hơn. Một số giống động thực vật biến mất do biến đổi khí hậu. Nếu môi trường tiếp tục bị tác động bởi sự khô hạn, bão lụt 9 thì sự cân bằng hệ thống sinh thái của hành tinh sẽ bị ảnh hưởng nặng nề.Cường độ những cơn bão tăng mạnh hơn nhưng số lượng các cơn bão có giảm đi so với trước đây. Nguyên nhân của những biến động môi trường nêu trên là do nhiệt độ khí quyển gia tăng. Người ta ước tính đại Độ cao so với mực nước biển hiện nay dương hấp thụ trên 80% năng Hình 1.3: Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đông lượng cấp thêm vào hệ thống khí Nam Á do sự dâng cao mực nước biển hậu. Sự gia tăng nhiệt độ đại dương khiến nước giãn nở và làm tăng cao mực nước biển. Các số liệu nghiên cứu do vệ tinh cung cấp cho thấy trong thế kỷ 20, mực nước biển đã dâng cao khoảng vài chục cm (0,1-0,2m). Riêng trong giai đoạn 1961 đến 2003, mực nước biển đã tăng 1,8mm/năm. Sự gia tăng mực nước biển chủ yếu là do giãn nở nhiệt. Ảnh hưởng của sự tan băng ở các cực thể hiện trong quãng thời gian dài nhiều thế kỷ. Mực nước biển sẽ dâng cao từ 18 đến 59cm vào năm 2100 (hình 1.4 ). Nó có thể dâng cao 2m vào năm 2300. Sự dâng cao mực nước biển vài cm không gây ảnh hưởng đáng kể đối với bờ biển đá nhưng nó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đối với động học bùn cát của các bãi biển phẳng. Trong những vùng này, đang ở trạng thái cân bằng động học, sự dâng cao mực nước biển tạo ra khả năng xâm thực mạnh và làm dịch chuyển sự cân bằng toàn bộ về phía bãi biển bị xâm thực và lùi dần vào đất liền. Vì vậy sự dâng cao mực nước biển gây ảnh hưởng quan trọng hơn nhiều so với việc dịch chuyển bờ biển đối với chiều cao mực nước tương ứng. Việt Nam là một trong năm quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng. Hình 1.5 giới thiệu nguy cơ ngập nước của một số nước trong khu vực Đông nam Á. Khi nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển vượt quá một giới hạn nào đó thì hiện tượng bùng nổ của hệ thống khí hậu sẽ diễn ra. Hiện tượng này làm cho quả đất nóng lên nhanh hơn nhiều so tính toán. Vào cuối kỷ nguyên băng hà khí hậu trong một vài năm có thể tăng lên nhiều độ. Trong quá khứ, chất khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu là methane. Tính chất gây hiệu ứng nhà kính của methane lớn hơn khí CO2 đến 23 lần. Methane được hình thành do phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí và dưới tác động của vi khuẩn. Nếu mặt đất bị đóng băng, methane bị nhốt trong băng dưới dạng hydrate methane. Nếu mặt đất được sưởi nóng, băng tan ra, giải phóng methane, gây hiệu ứng nhà kính mạnh làm nhiệt độ mặt đất tăng, dẫn đến băng tan nhanh hơn, giải phóng methane nhiều hơn... và quá trình đó làm cho tốc độ gia tăng C C DU R L T.