Tài liệu Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogasdiesel trên cơ sở động cơ diesel một xy lanh tĩnh tại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lê Minh Tiến NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH TĨNH TẠI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lê Minh Tiến NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH TĨNH TẠI Chuyên ngành: Mã số: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT 62 52 34 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học I: PGS.TS. Trần Văn Nam Người hướng dẫn khoa học II: GS.TSKH. Bùi Văn Ga Đà Nẵng - Năm 2013 -3- LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình 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 bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Lê Minh Tiến -4- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. - 3 MỤC LỤC .............................................................................................................. - 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ - 8 1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH: ........................................................... - 8 2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP: ............................................................. - 8 3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT: .................................................................................. - 9 DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................... - 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................. - 11 MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ......................................................................................1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ........................................................2 3. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU .................................................................................2 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................3 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN ............................3 6. CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN .................................................................3 7. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN ......................................................4 Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ..................................................................5 1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG .............................................5 1.1.1. Nhiên liệu hóa thạch và sự bùng nổ khí hậu .............................................5 1.1.2. Nhiên liệu thay thế có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời ........................9 1.2. NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ..........10 1.2.1. Tính chất biogas ......................................................................................10 1.2.2. Yêu cầu chất lượng biogas để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong .....12 1.2.3. Công nghệ lọc tạp chất trong biogas tại Việt Nam [4] ...........................14 1.2.4. Chỉ số mêtan của biogas ..........................................................................16 1.3. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .....16 1.3.1. Nghiên cứu và ứng dụng biogas trên thế giới .........................................16 1.3.2. Nghiên cứu và ứng dụng biogas tại Việt Nam ........................................21 1.4. NHU CẦU ĐỘNG CƠ BIOGAS CỠ NHỎ TẠI VIỆT NAM ......................25 1.4.1. Nhu cầu công suất kéo máy phát điện và máy công tác .........................25 -51.4.2. Đặc điểm của công nghệ hai nhiên liệu biogas/diesel Gatec-20 .............27 1.4.3. Lựa chọn động cơ nghiên cứu phát triển phù hợp ..................................28 1.5. KẾT LUẬN ....................................................................................................29 Chương 2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL ..................................................31 2.1. CÁC GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI .................................................................31 2.1.1. Giải pháp động cơ đánh lửa cưỡng bức ..................................................31 2.1.2. Giải pháp động cơ nhiên liệu kép ...........................................................32 2.2. TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIOGAS ............................................33 2.2.1. Động cơ sử dụng biogas đánh lửa cưỡng bức .........................................33 2.2.2. Động cơ nhiên liệu kép ...........................................................................37 2.3. CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL .................................................................................................38 2.3.1. Phạm vi sử dụng của động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel ....................38 2.3.2. Yêu cầu thiết kế chuyển đổi ....................................................................38 2.3.3. Xác định phương án nghiên cứu tính toán thiết kế .................................39 2.4. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU .....................................................45 2.4.1. Thông số động cơ ....................................................................................45 2.4.2. Kích thước ...............................................................................................46 2.4.3. Đặc tính động cơ .....................................................................................47 2.5. KẾT LUẬN ....................................................................................................47 Chương 3 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KÉP BIOGAS/DIESEL .....................................................................................................49 3.1. LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KHÍ ..............................49 3.1.1. Lý thuyết cháy của hỗn hợp không hòa trộn trước.....................................50 3.1.2. Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước ...................................58 3.1.3. Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ ......................................64 3.2. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY.........................................70 3.2.1. Thiết lập mô hình tính toán trong Ansys® Fluent ..................................70 3.2.2. Đánh giá quá trình cháy nhiên liệu kép...................................................73 3.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến tính năng động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel .....................................................................................75 3.3. KẾT LUẬN ....................................................................................................87 Chương 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL -6VIKYNO EV2600-NB-BIO TRÊN CƠ SỞ MẪU ĐỘNG CƠ VIKYNO EV2600-NB ...................................................................................................................................89 4.1. THIẾT KẾ BỘ TẠO HỖN HỢP ...................................................................89 4.1.1. Tính toán thành phần hỗn hợp qua bộ tạo hỗn hợp .................................89 4.1.2. Tính toán các thông số của bộ tạo hỗn hợp .............................................90 4.1.3. Thiết kế bộ tạo hỗn hợp ..........................................................................93 4.1.4. Tính toán mô phỏng bằng phần mềm Ansys® Fluent ............................93 4.1.5. Các thông số chọn và kết quả tính toán điều kiện biên ...........................95 4.1.6. Kết quả tính toán: Trường áp suất, thành phần CH4, O2, vector tốc độ ..98 4.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS ...................................108 4.2.1. Đặc điểm ...............................................................................................108 4.2.2. Xác định phương án lắp đặt bộ điều tốc biogas lên cơ cấu chuyển động quay sẵn có trên động cơ .................................................................................108 4.2.3. Định vị cơ cấu điều tốc lên trục cân bằng trên ......................................109 4.2.4. Đo xác định kích thước nắp máy ..........................................................111 4.2.5. Thiết kế nắp máy và các cơ cấu điều khiển ..........................................112 4.2.6. Tính toán bộ điều tốc biogas .................................................................113 4.2.7. Chế tạo lắp đặt nắp máy, càng điều khiển và cơ cấu điều tốc ..............119 4.3. KẾT LUẬN ..................................................................................................121 Chương 5 THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ ............................................122 5.1. THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ ...............................122 5.1.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm..........................................................................122 5.1.2. Các phương án lắp đặt động cơ biogas lên băng thử công suất ............123 5.1.3. Vít hạn chế lượng phun tối thiểu ...........................................................124 5.1.4. Các thiết bị phục vụ thực nghiệm chính ...............................................125 5.1.5. Bảng thông số thiết bị ...........................................................................127 5.1.6. Các bước tiến hành thực nghiệm...........................................................128 5.1.7. Đo đạc tính năng của động cơ tại nguồn khí .........................................128 5.2. SO SÁNH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .......132 5.2.1. Phạm vi so sánh .....................................................................................132 5.2.2. So sánh ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp ........................................133 5.2.3. So sánh ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến đường đặc tính ngoài động cơ ............................................................................................................135 -75.3. KẾT LUẬN ..................................................................................................137 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...............................................139 1. KẾT LUẬN .....................................................................................................140 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ..........................................................143 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................144 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................145 -8- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH: - Vh [m3] Dung tích xi lanh - Vc [m3] Thể tích buồng cháy - S [m] Hành trình piston - D [m] Đường kính xi lanh - n [vòng/phút] Số vòng quay - db [m] Đường kính buồng hỗn hợp - dh [m] Đường kính họng - an - vtb [m] Tốc độ trung bình của dòng khí - lb [m] Chiều dài buồng hỗn hợp - ph [Pa] Độ chân không tại họng - i - Wi - f Hệ số thành phần hỗn hợp - ffuel Thành phần nhiên liệu trong hỗn hợp - fsec Thành phần nhiên liệu thứ cấp trong hỗn hợp - fox Thành phần chất oxy hóa trong hỗn hợp - psec Giá trị tương đối của thành phần hỗn hợp thứ cấp - Sm Đại lượng nguồn chỉ do truyền chất từ các hạt nhiên liệu lỏng hay các hạt phản ứng vào pha khí - Suser Đại lượng nguồn do người sử dụng định nghĩa Hệ số dao động của dòng chảy Số xi lanh [J] Công chỉ thị 2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP: - : [độ] Góc quay trục khủy - s: [độ] Góc đánh lửa sớm (góc phun diesel mồi) -  Tỉ số nén -9-  Số kỳ - h Hệ số lưu lượng của họng - biogas [kg/m3] Khối lượng riêng của biogas - air [kg/m3] Khối lượng riêng của không khí - λ Hệ số dư lượng không khí -  Hệ số tương đương - v Hệ số nạp 3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT: - C Carbon - ĐCT: Điểm chết trên - SVEAM: CÔNG TY TNHH MTV ĐỘNG CƠ VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP MIỀN NAM - TBN Chỉ số kiềm tổng (Total Base Number) - MN Chỉ số mêtan (Methane Number) - 10 - DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần trung bình các thành phần của biogas [74] ...........................11 Bảng 1.2: Sản lượng CH4 theo lý thuyết [74] ...........................................................12 Bảng 1.3: Sản lượng CH4 với nguồn nguyên liệu khác nhau [74] ............................12 Bảng 1.4: Thời gian sử dụng động cơ biogas theo số lượng lợn và công suất động cơ ...................................................................................................................................25 Bảng 2.1: Thông số động cơ Vikyno EV2600-NB ...................................................46 Bảng 2.2: Kích thước và thông số cơ bản của động cơ Vikyno EV2600-NB ..........47 Bảng 3.1: Giá trị của các hệ số của phương trình (3.42) ..........................................67 Bảng 3.2: Giá trị các hệ số của phương trình (3.44) .................................................68 Bảng 3.3: Tương quan giữa f và ϕ (biogas chứa 60% thể tích CH4) ........................77 Bảng 4.1: Hệ số dao động của dòng chảy .................................................................91 Bảng 4.2: Các thống số chọn và kết quả tính toán khối lượng hỗn hợp giả định .....95 Bảng 4.3: Kết quả tính toán áp suất chân không trung bình theo tốc độ động cơ ....96 Bảng 4.4: Bảng thông số chọn và kết quả tính lượng phun mồi ...............................96 Bảng 4.5: Lượng không khí cần để đốt kiệt lượng diesel mồi theo tốc độ động cơ .96 Bảng 4.6: Thông số chọn để tính công suất động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel dựa trên khả năng cung cấp của bộ hòa trộn ....................................................................96 Bảng 4.7: Thông số nhiên liệu biogas với các thành phần khác nhau ......................97 Bảng 4.8: Quan hệ góc mở và % độ mở bướm ga ....................................................97 Bảng 4.9: Vị trí bướm ga để ϕ=1 khi n=1000 vòng/phút ........................................105 Bảng 4.10: Vị trí bướm ga để ϕ=1 khi n=2200 vòng/phút ......................................105 Bảng 4.11: Các thông số đo được của bộ điều tốc biogas. .....................................114 Bảng 4.12: Chiều dài càng bướm ga theo từng loại nhiên liệu ...............................116 Bảng 4.13: Tốc độ làm việc của động cơ theo biến dạng ban đầu của lò xo điều tốc. .................................................................................................................................116 Bảng 5.1: Thông số các thiết bị thí nghiệm ............................................................127 Bảng 5.2: Bảng nội dung thực nghiệm....................................................................128 - 11 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Con người khai thác nhiên liệu hóa thạch...................................................5 Hình 1.2: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và nồng độ CO2 trong 1000 năm gần đây ..6 Hình 1.3: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và nồng độ CO2 trong 100 năm gần đây ....6 Hình 1.4: Biến thiên nhiệt độ trung bình thực tế trên mặt đất a: Mô hình có xem xét yếu tố do hoạt động của con người b: Mô hình không xem xét yếu tố do hoạt động của con người ..............................................................................................................6 Hình 1.5: Dòng nước luân chuyển trong đại dương....................................................7 Hình 1.6: Sự gia tăng mực nước biển theo các kịch bản khác nhau và các yếu tố làm tăng mực nước biển .....................................................................................................7 Hình 1.7: Bản đồ ngập mặn do nước biển dâng ở Việt Nam ......................................8 Hình 1.8: Nồng độ CO2 trong bầu khí quyển theo các kịch bản phát thải khác nhau 8 Hình 1.9: Sơ đồ trung hòa Carbon của nhiên liệu biogas .........................................11 Hình 1.10: Yêu cầu lọc biogas đối với các phương tiện sử dụng khác nhau ............14 Hình 1.11: Các phương án lọc H2S ...........................................................................15 Hình 1.12: Hiệu quả lọc hấp phụ H2S bằng các vật liệu lọc khác nhau....................15 Hình 1.13: Động cơ biogas kéo máy phát điện và xay xát .......................................22 Hình 1.14: Giá thành và tiết kiệm khi sử dụng động cơ biogas [13]. .......................26 Hình 1.15: Bộ Gatec-20 ............................................................................................27 Hình 1.16: Động cơ RV70 kéo máy phát 3KVA lắp bộ Gatec-20 ...........................27 Hình 2.1: Giới hạn cháy của hỗn hợp với thành phần CH4 và CO2 khác nhau [44] .33 Hình 2.2: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến tính năng động cơ [67] ..............34 Hình 2.3: Ảnh hưởng của CO2 đến nhiệt độ ngọn lửa [44] ......................................34 Hình 2.4: Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến công suất, nhiên liệu: 100% mêtan [56] ............................................................................................................................35 Hình 2.5: Góc đánh lửa sớm tối ưu [67] ...................................................................35 Hình 2.6: Ảnh hưởng của thành phần mêtan trong biogas đến tính năng động cơ. Tỉ số nén =15:1 ............................................................................................................36 Hình 2.7: Bộ tạo hỗn hợp kiểu Venturi .....................................................................40 Hình 2.8: Nguyên lý cấp biogas và điều chỉnh lượng phun mồi...............................41 Hình 2.9: Chế độ làm việc của động cơ gắn điều tốc ...............................................44 Hình 2.10: Nguyên lý cấp biogas tự động bằng điều tốc ly tâm. ..............................45 Hình 2.11: Kích thước cơ bản của động cơ Vikyno EV2600-NB ............................46 Hình 2.12: Các đặc tính động cơ Vikyno EV2600-NB cho bởi nhà sản xuất. .........47 Hình 3.1: Quan hệ giữa ffuel, fsec và fox ......................................................................51 - 12 Hình 3.2: Quan hệ giữa ffuel, fsec và psec .....................................................................51 Hình 3.3: Biểu diễn đồ thị hàm mật độ xác suất p(f) ................................................55 Hình 3.4: Ví dụ hàm pdf delta kép ............................................................................57 Hình 3.5: Sự phụ thuộc logic của các đại lượng trung bình i vào f , f '2 và mô hình hóa học (hệ thống đoạn nhiệt, một thành phần hỗn hợp). .................................58 Hình 3.6: Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy CH4 theo  ở nhiệt độ 400K [50] ..................................................................................................................66 Hình 3.7: Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy theo nhiệt độ ở =1 [50] ...................................................................................................................................66 Hình 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH4/không khí bị làm bẩn ở p=3,5atm và =1 [28].....................................................................68 Hình 3.9: Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH4/không khí bị làm bẩn ở T=350K và =1 [28] ......................................................................69 Hình 3.10: Kết quả thực nghiệm biến thiên tốc độ cháy chảy tầng theo tỉ lệ các chất khí làm bẩn hỗn hợp khác nhau (Ngọn lửa CH4/không khí, p = 0.1 MPa, T = 393 K, = 1) [36] .................................................................................................................69 Hình 3.11: Ảnh hưởng của CO2 đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH4/không khí ở 1bar và 298K [69] ............................................................................................70 Hình 3.12: Kích thước chi tiết và hình dạng mô hình tính toán .......................................71 Hình 3.13: Chia lưới ..................................................................................................72 Hình 3.14: Biến thiên của trường nồng độ CH4, trường nhiệt độ và trường tốc độ hỗn hợp trong buồng cháy (ứng với M6C4; n=1400 v/ph; s=30 độ; f=0,14; Vf=2)......74 Hình 3.15: Biến thiên của trường nồng độ CH4, trường nhiệt độ và trường tốc độ hỗn hợp trong buồng cháy (ứng với M8C2; n=1400 v/ph; s=30 độ; f=0,088; Vf=2)....75 Hình 3.16: Áp suất chỉ thị ứng với s: 20, 30, 40, 50 (độ);M7C3;n=2000 v/ph.......75 Hình 3.17: Áp suất chỉ thị ứng với ps: 20, 30, 40, 50 (độ); M7C3;n=2000 v/ph ....76 Hình 3.18: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công chỉ thị/chu trình Wi(J) (n=2200 v/ph, M7C3)................................................................................................76 Hình 3.19: Biến thiên nồng độ O2 (M6C4; n=2000 v/ph; s=40 độ)........................77 Hình 3.20: Biến thiên nồng độ CH4 (M6C4; n=2000 v/ph; s= 40 độ) ....................77 Hình 3.21: Biến thiên nhiệt độ trung bình môi chất (K) (n=2000 v/ph; s=40 độ; M6C4) .......................................................................................................................78 Hình 3.22: Áp suất chỉ thị theo dung tích xi lanh (M6C4; s= 40 (độ); n=2000 v/ph) ...................................................................................................................................78 Hình 3.23: Áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu (M6C4; s= 40 (độ); n=2000 v/ph) ..........................................................................................................................79 Hình 3.24: Công chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp (M6C4, n=2000 v/ph; s= 40 độ) ...79 - 13 Hình 3.25: Diễn biến quá trình cháy tại vị trí  =339 độ ..........................................80 Hình 3.26: Diễn biến quá trình cháy tại vị trí  =357 độ ..........................................80 Hình 3.27: Áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu (M6C4;s= 30 độ; ϕ=1) ........81 Hình 3.28: Áp suất chỉ thị của động cơ theo dung tích xi lanh ứng với M6C4;s= 30 (độ);ϕ=1 .....................................................................................................................81 Hình 3.29: Wi=f(n); n=2000v/ph; s==30 độ; ϕ=1; M6C4 ......................................82 Hình 3.30: Pi=f(n); n=2000v/ph; s==30 độ; ϕ=1; M6C4........................................82 Hình 3.31: Diễn biến nồng độ CH4 theo  n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 ..................83 Hình 3.32: Diễn biến nồng độ CH4 theo  n=1400 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 ................83 Hình 3.33: Nhiệt độ trung bình môi chất theo ; n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 ........84 Hình 3.34: Nhiệt độ trung bình môi chất theo ; n=1400 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 ......84 Hình 3.35: Áp suất chỉ thị chu trình theo  ứng với n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 ...85 Hình 3.36: Áp suất chỉ thị chu trình theo  ứng với n=1400 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 .85 Hình 3.37: Áp suất chỉ thị chu trình theo Vh ứng với n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 .85 Hình 3.38: Áp suất chỉ thị chu trình theo Vh ứng với n=1400 v/ph; s= 30 độ; ϕ=186 Hình 3.39: Biến thiên công chỉ thị theo tốc độ động cơ;s= 30 độ; ϕ=1 ..................86 Hình 3.40: Biến thiên công suất chỉ thị theo tốc độ động cơ s= 30 độ; ϕ=1 ...........87 Hình 4.1: Bộ tạo hỗn hợp biogas không khí .............................................................93 Hình 4.2: Dòng chảy trong bộ tạo hỗn hợp sử dụng để mô phỏng. ..........................94 Hình 4.3: Chia lưới dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp ..................................................94 Hình 4.4: Đặc tính lưu lượng theo độ mở bướm ga ..................................................97 Hình 4.5: Trường áp suất tĩnh (M6C4, bướm ga 87%) ............................................98 Hình 4.6: Trường hàm lượng CH4 (M6C4, bướm ga 87%) ......................................98 Hình 4.7: Trường hàm lượng CO2 (M6C4, bướm ga 87%) ......................................98 Hình 4.8: Trường hàm lượng O2 (M6C4, bướm ga 87%).........................................99 Hình 4.9: Trường tốc độ (M6C4, bướm ga 87%) .....................................................99 Hình 4.10: Biên thiên độ đậm đặc ϕ theo tốc độ động cơ n ứng với nhiên liệu biogas chứa thành phần CH4 khác nhau. ............................................................................100 Hình 4.11: Biến thiên ϕ=f(n) ứng vớ M6C4, bướm ga ở vị trí 30 độ. ....................100 Hình 4.12: Thay đổi độ đậm đặc của hỗn hợp theo tốc độ động cơ (Bướm ga ở vị trí 50 độ, tiết diện lưu thông 19%) ...............................................................................101 Hình 4.13: Biến thiên ϕ=f(n) ứng với M7C3, bướm ga ở vị trí 30 độ ....................101 Hình 4.14: Thay đổi độ đậm đặc của hỗn hợp theo tốc độ động cơ ở các vị trí bướm ga khác nhau của nhiên liệu M5C5 .........................................................................102 Hình 4.15: Thay đổi độ đậm đặc của hỗn hợp theo tốc độ động cơ ở các vị trí bướm ga khác nhau của nhiên liệu M9C1 .........................................................................102 - 14 Hình 4.16: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo độ mở bướm ga của các nhiên liệu khác nhau tại giá trị tốc độ n=1000 vòng/phút ................................................................103 Hình 4.17: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo tốc độ động cơ của các nhiên liệu khác nhau xuất phát từ giá trị ban đầu ϕ=1 tại n=1000 vòng/phút ...........................................103 Hình 4.18: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo độ mở bướm ga của các nhiên liệu khác nhau tại giá trị tốc độ n=2200 vòng/phút ................................................................104 Hình 4.19: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo tốc độ động cơ của các nhiên liệu khác nhau với giá trị ϕ=1 tại n = 2200 vòng/phút ....................................................................105 Hình 4.20: Đặc tính ngoài động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel dựa trên khả năng cung cấp của bộ bộ hòa trộn ....................................................................................106 Hình 4.21: Đặc tính cục bộ ứng với nhiên liệu M6C4 (ϕ=1, bướm ga mở 87%) ...107 Hình 4.22: Đặc tính cục bộ ứng với nhiên liệu M8C2 (ϕ=1, bướm ga mở 56%) ...107 Hình 4.23: Sơ đồ dẫn động của các bánh răng. Bánh răng 1,2: 24 răng; Bánh răng 3,4: 45 răng; Bánh răng 5: 48 răng. ................................................................................108 Hình 4.24: Bộ con đội quả văng..............................................................................109 Hình 4.25: Khoan lỗ dẫn hướng chốt điều tốc trên trục cân bằng trên ...................109 Hình 4.26: Đế gắn bộ con đội quả văng lên trục cân bằng trên. .............................110 Hình 4.27: Gắn bộ con đội quả văng lên chân đế. ..................................................110 Hình 4.28:Vị trí cơ cấu điều tốc diesel và biogas bên trong động cơ. ....................111 Hình 4.29: Đo kích kích thước của nắp máy...........................................................111 Hình 4.30: Kết quả đo kích thước nắp máy ............................................................112 Hình 4.31: Nắp máy mới có gắn các càng điều tốc. ...............................................112 Hình 4.32: Các vị trí điều khiển trên nắp máy mới:................................................113 Hình 4.33: Sơ đồ tính toán điều tốc điều chỉnh van tiết lưu biogas dạng bướm. ....113 Hình 4.34: Đặc tính cân bằng điều tốc ....................................................................117 Hình 4.35: Công suất động cơ theo độ mở bướm ga ở các tốc độ khác nhau (M6C4) .................................................................................................................................118 Hình 4.36: Hàn khung và các mặt xung quanh .......................................................119 Hình 4.37: Phay mặt lắp ghép với thân động cơ .....................................................119 Hình 4.38: Phay mặt lắp ghép bơm cao áp .............................................................119 Hình 4.39: Gắn các cơ cấu điều khiển của hai bộ điều tốc .....................................120 Hình 4.40: Lắp đặt nắp máy lên động cơ ................................................................120 Hình 4.41: Cụm động cơ đã được chuyển đổi lắp đặt hoàn chỉnh ..........................120 Hình 5.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm............................................................................122 Hình 5.2: Thiết kế bệ máy di động lắp băng thử và động cơ. .................................123 Hình 5.3: Cụm động cơ-băng thử lắp đặt cố định trên nền bê tông. .......................124 Hình 5.4: Cụm động cơ-băng thử lắp đặt trên xe tải để có thể di động. .................124 - 15 Hình 5.5: Vít hạn chế lượng phun diesel tối thiểu. .................................................125 Hình 5.6: Băng thử thủy lực FROUDE DPX3 và cảm biến lực, cảm biến tốc độ ..125 Hình 5.7: Card NI-6009. .........................................................................................126 Hình 5.8: Bố trí các cảm biến và điều khiển ...........................................................126 Hình 5.9: Hệ thống lọc H2S và CO2. .......................................................................127 Hình 5.10: Gas Data GFM 435 ...............................................................................127 Hình 5.11: Đo suất tiêu hao nhiên liệu diesel .........................................................129 Hình 5.12: So sánh đường đặc tính ngoài động cơ .................................................129 Hình 5.13: So sánh đặc tính ngoài của động cơ diesel và động cơ nhiên liệu kép sử dụng nhiên liệu biogas có thành phần CH4 thay đổi ở các chế độ tốc độ khác nhau .................................................................................................................................130 Hình 5.14: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến đường đặc tính động cơ nhiên liệu kép (Biogas chứa 65% CH4) ...................................................................................131 Hình 5.15: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến đường đặc tính động cơ nhiên liệu kép (Biogas chứa 91% CH4) ...................................................................................131 Hình 5.16: Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong biogas đến suất tiêu hao nhiên liệu diesel của động cơ nhiên liệu kép (100% bướm ga) ...............................................132 Hình 5.17: Thay đổi hệ số ϕ bằng thực nghiệm ......................................................133 Hình 5.18: So sánh công suất cực đại (n=2000v/ph, s=30 độ, M7C3) .................135 Hình 5.19: So sánh công suất mô phỏng và thực nghiệm (M8C2) .........................136 Hình 5.20: So sánh công suất mô phỏng và thực nghiệm (M7C3) .........................137 Hình 5.21: So sánh công suất mô phỏng và thực nghiệm (M6C4) .........................137 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã gây ô nhiễm nặng nề bầu khí quyển. CO2, sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch là chất khí gây hiệu ứng nhà kính, thủ phạm chính làm tăng nhiệt độ mặt đất dẫn đến tình trạng biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng, đe dọa cuộc sống của nhân loại. Mặt khác nguồn nhiên liệu hóa thạch trong lòng đất có giới hạn. Sự khai thác cường độ cao trong những thập niên gần đây đã làm cho nguồn năng lượng này cạn kiệt nhanh chóng. Sự gia tăng giá dầu mỏ trong thời gian gần đây đã phản ảnh thực trạng này. Khả năng tìm thấy nguồn dầu mỏ lớn có thể khai thác thương mại như trong quá khứ hầu như không còn hy vọng. Một câu hỏi đặt ra là khi nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt thì loài người sẽ sử dụng nguồn năng lượng nào để thay thế. Năng lượng hạt nhân từ lâu được xem là cứu cánh nhưng những thảm họa hạt nhân ở Chernobyl năm 1986 và Fukushima năm 2011 đã làm cho người ta đặt lại vấn đề. Nước Đức đã tuyên bố từ bỏ hoàn toàn năng lượng hạt nhân vào năm 2022, nước Nhật cũng đang xem xét đóng cửa các nhà máy hạt nhân từ sau thảm họa kép động đất-sóng thần-hạt nhân… chỉ còn nguồn năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời là có thể đảm bảo duy trì nền văn minh nhân loại cho đến khi hệ Mặt trời biến mất! Biogas là nguồn năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời nên việc sử dụng nó không làm tăng nồng độ CO2 trong khí quyển. Biogas đã và đang được phát triển mạnh từ các nước đang phát triển đến các nước phát triển. Trong lĩnh vực động cơ đốt trong, hiện nay một số quốc gia trên thế giới đã sản xuất và thương mại hóa các động cơ biogas chuyên dụng. Tuy nhiên, các động cơ này thường có giá thành cao hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng xăng dầu truyền thống. Bên cạnh đó, nhiên liệu biogas sử dụng cho những động cơ này phải thỏa mãn một số điều kiện như thành phần nhiên liệu, áp suất cung cấp… và chỉ chạy được bằng biogas, không chạy được bằng nhiên liệu lỏng. 2 Mặc khác, những động cơ biogas đơn giản, cỡ nhỏ thì làm việc không tin cậy và không phù hợp với nguồn biogas đa dạng. Do những tồn tại trên đây nên động cơ biogas cho đến nay chưa được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Để thỏa mãn nhu cầu đa dạng của việc ứng dụng biogas trên động cơ đốt trong, giải pháp công nghệ chuyển đổi động cơ truyền thống sang sử dụng biogas cần thỏa mãn các điều kiện sau: mang tính vạn năng cao; khi chuyển đổi động cơ sang chạy bằng biogas, bản chất quá trình công tác và kết cấu của các hệ thống động cơ nguyên thủy không thay đổi, nghĩa là khi không chạy bằng biogas, động cơ có thể sử dụng lại xăng, dầu như trước khi chuyển đổi; các bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu cho động cơ sang chạy bằng biogas phải có độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện sử dụng ở vùng nông thôn, trang trại... Vì vậy việc nghiên cứu một cách cơ bản, thiết kế một động cơ sử dụng biogas để chế tạo hoàn thiện cung cấp cho thị trường để người sử dụng có thể mua về và sử dụng được ngay với chi phí hợp lý và độ tin cậy của thiết bị cao là nhu cầu cấp thiết. Do vậy “Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel trên cơ sở động cơ diesel một xi lanh tĩnh tại” là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi động cơ diesel nguyên thủy thành động cơ hai nhiên liệu biogas-diesel mẫu, compact, có thể áp dụng được trong thực tiễn. Động cơ này có thể chạy bằng biogas theo phương thức nhiên liệu kép, đánh lửa bằng tia phun mồi diesel; hoặc chạy bằng diesel như thiết kế truyền thống. Công nghệ chuyển đổi động cơ này có thể được áp dụng trên nhiều chủng loại động cơ khác để tạo ra sản phẩm công nghiệp mới, góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường. 3. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu nâng cấp thiết kế động cơ diesel Vikyno EV2600-NB thành động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel với các nội dung chính: - Nghiên cứu quá trình cháy hai nhiên liệu biogas/diesel; - Nghiên cứu chế tạo bộ tạo hỗn hợp biogas/không khí; 3 - Tính toán bộ điều tốc bổ sung để điều chỉnh bộ tạo hỗn hợp một cách tự động. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa và thực nghiệm để xác định các thông số tối ưu của hệ thống thiết kế bổ sung.  Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa: nghiên cứu dòng chảy rối của hỗn hợp biogas-không khí qua bộ tạo hỗn hợp và trong buồng cháy động cơ để xác lập đường đặc tính bộ tạo hỗn hợp; nghiên cứu mô hình hóa quá trình cháy hỗn hợp biogas-không khí được đánh lửa bằng tia phun mồi để dự đoán tính năng kinh tế-kỹ thuật của động cơ ứng với các chế độ vận hành và thành phần nhiên liệu khác nhau. Kết quả mô hình hóa giúp ta giảm bớt chi phí thực nghiệm.  Nghiên cứu thực nghiệm: Đo đạc các tính năng động cơ trên băng thử công suất khi chạy bằng diesel và khi chạy bằng biogas đánh lửa bằng tia phun mồi; nghiên cứu thực nghiệm đường đặc tính điều tốc biogas; so sánh kết quả cho bởi mô hình hóa và thực nghiệm. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa và thực nghiệm chúng ta nghiên cứu nâng cấp thiết kế động cơ diesel Vikyno EV2600-NB thành động cơ compact hai nhiên liệu biogas/diesel. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 5.1. Ý NGHĨA KHOA HỌC Đề tài đã góp phần nghiên cứu chuyên sâu về động cơ hai nhiên liệu sử dụng biogas/diesel tại Việt Nam. 5.2. Ý NGHĨA THỰC TIỄN Đề tài đã góp phần tạo ra một sản phẩm thiết thực, đáp ứng kịp thời nhu cầu của đời sống kinh tế xã hội. 6. CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN  MỞ ĐẦU  Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN  Chương 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL 4 THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL  Chương 3: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KÉP BIOGAS/DIESEL  Chương 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL VIKYNO EV2600-NB-BIO  Chương 5: THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ  KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN - Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/diesel. Động cơ có thể sử dụng lại diesel khi cần thiết. Phương án này rất phù hợp đối với những nơi có nguồn cung cấp biogas hạn chế; - Mô hình hóa bộ tạo hỗn hợp cho động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel. Kết quả mô hình cho thấy mức độ thay đổi của độ đậm đặc hỗn hợp theo tốc độ động cơ hay theo thành phần biogas rất bé, không ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ; - Khẳng định khả năng tính toán mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu kép biogas/diesel dựa trên nền phần mềm động lực học lưu chất FLUENT với mô hình rối k-ε tiêu chuẩn, mô hình cháy Partially Premixed, mô hình tia phun mồi có thể chọn gần đúng theo dạng hình trụ với năng lượng đánh lửa bằng năng lượng do tia phun diesel cung cấp. - Công suất động cơ nhiên liệu kép có thể lớn hơn công suất của động cơ này khi chạy hoàn toàn bằng diesel. Do đó ở chế độ tốc độ định mức của động cơ nhiên liệu kép, có thể sử dụng biogas nghèo, không cần lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi chuyển đổi; - Góc phun sớm tăng khi hàm lượng CH4 trong nhiên liệu giảm hay khi tốc độ động cơ tăng. Đối với biogas giàu, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm theo thành phần CH4 trong nhiên liệu; - Thiết kế chuyển đổi động cơ diesel VIKYNO EV2600-NB thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel với bộ điều tốc biogas được lắp bên trong động cơ và nắp máy được cải tạo phù hợp. 5 Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG 1.1.1. Nhiên liệu hóa thạch và sự bùng nổ khí hậu Sự gia tăng nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong môi trường là nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển gây ra hiện tượng ấm dần lên toàn cầu. Không có ai còn nghi ngờ thủ phạm chính là CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính từ sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch [25], [38], [70]. Ngay từ khi quả đất hình thành, bầu khí quyển có chứa một hàm lượng C cố định. Sau hàng tỷ năm biến đổi, một bộ phận C bị chôn lấp trong lòng đất dưới dạng nhiên liệu hóa thạch. Hàm lượng C trong bầu khí quyển giảm xuống mức của thời kỳ tiền công nghiệp. Khi loài người khai thác nhiên liệu hóa thạch ra sử dụng thì C Hình 1.1: Con người khai thác nhiên liệu hóa thạch được giải phóng lại bầu khí quyển dưới dạng CO2. Do CO2 không quay lại vào lòng đất được nên hàm lượng C trong bầu khí quyển gia tăng. Về mặt lý thuyết, nếu toàn bộ nhiên liệu hóa thạch được khai thác ra sử dụng hết thì nồng độ C trong bầu khí quyển sẽ đạt ở mức cao như khi quả đất được hình thành. Thống kê nhiệt độ môi trường trong 1000 năm trở lại đây cho thấy nhiệt độ bầu khí quyển gần như ổn định trong một thời gian dài trước thời kỳ công nghiệp bắt đầu phát triển [38], [81]. Sau đó, nhiệt độ khí quyển tăng nhanh cùng với sự gia tăng nồng độ CO2 có mặt trong không khí. Hình 1.2 và Hình 1.3 cho thấy, trong 1000 năm nhiệt độ