Tài liệu Nghiên cứu tính năng động cơ da465qe sử dụng biogas lpg

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------- oOo ---------- VÕ NHƯ TÙNG NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ DA465QE SỬ DỤNG BIOGAS-LPG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng, 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------- oOo ---------- VÕ NHƯ TÙNG NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ DA465QE SỬ DỤNG BIOGAS-LPG 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 1: GS.TSKH. BÙI VĂN GA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2: TS. TRƯƠNG LÊ BÍCH TRÂM Đà Nẵng, 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Luận văn này cho đến nay vẫn chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như ở nước ngoài và cho đến nay vẫn chưa được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây. Tác giả luận văn Võ Như Tùng LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và công tác tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng. Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Bùi Văn Ga và cô Trương Lê Bích Trâm em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính năng động cơ DA465QE sử dụng BiogasLPG”. Trong quá trình thực hiện đề tài em đã có học hỏi rất nhiều kiến thức bổ ích từ kiến thức chuyên môn, cách thực hiện một đề tài khoa học, điều này sẽ hỗ trợ em trong công việc sau này. Xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Bùi Văn Ga, người thầy trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đề tài. Xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Cơ khí Giao thông, quý thầy cô của Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng - Đại học Đà Nẵng đã giảng dạy em trong suốt những năm qua. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô để đề tài hoàn thiện hơn. Trân trọng! TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ DA465QE SỬ DỤNG BIOGAS-LPG Học viên:Võ Như Tùng, Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 8520116, Khóa: K35, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Luận văn tập trung nghiên cứu tính năng của động cơ DA465QE được lắp trên ô tô tải nhẹ Trường Hải Towner khi chạy bằng Biogas được làm giàu bởi LPG. Đề tài này nhằm góp phần phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu tái tạo trên phương tiện giao thông cơ giới nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Luận văn sử dụng kết hợp giữa mô phỏng quá trình cung cấp Biogas bằng phần mềm Ansys Fluent và thực nghiệm trên băng thử công suất APA100 tại Trung tâm Thí nghiệm Động cơ và Ô tô để đánh giá tính năng kỹ thuật của động cơ DA465QE khi chạy bằng Biogas được làm giàu bởi LPG. RESEARCH FEATURES DA465QE ENGINE USING BIOGAS-LPG The thesis focuses on researching the features of DA465QE engine installed on Truong Hai Towner light trucks when running on Biogas enriched by LPG. This project aims to contribute to the development of renewable fuel application technology in motor vehicles to save fossil fuels and reduce greenhouse gas emissions. The thesis uses a combination of simulating the process of supplying Biogas with Ansys Fluent software and experimenting on the APA100 power test tape at the Center for Automotive and Engine Testing to evaluate the technical features of the DA465QE engine when powered by Biogas enriched by LPG. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................2 MỤC LỤC .......................................................................................................................4 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................7 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU..................................................................................10 MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU TÁI TẠO TRÊN PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CƠ GIỚI ....................................................................4 1.1. Đặt vấn đề nghiên cứu .............................................................................................. 4 1.2. Phân tích đặc tính kỹ thuật của động cơ DA465QE lắp trên ô tô tải nhẹ Trường Hải Towner ....................................................................................................................12 1.2.1.Những tiện ích và nhu cầu sử dụng của ô tô tải nhẹ Trường Hải Towner 750 ....12 1.2.2.Đặc tính kỹ thuật của động cơ DA465QE lắp trên ô tô Towner 750 ...................13 1.3. Kết cấu động cơ DA465QE: ...................................................................................15 1.4. Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu ..................................................16 Chương 2: NHIÊN LIỆU BIOGAS...............................................................................17 2.1. Tình hình sản xuất và ứng dụng Biogas trên thế giới và ở Việt Nam ....................17 2.1.1. Lịch sử phát triển Biogas .....................................................................................17 2.2. Tình hình sản xuất Biogas trên thế giới trong những năm gần đây .......................19 2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng Biogas ở Việt Nam .................................................23 2.4 Công nghệ sử dụng Biogas ......................................................................................25 2.4.1. Giới thiệu .............................................................................................................25 2.4.2. Đèn Biogas ..........................................................................................................25 2.4.3. Bếp, lò Biogas .....................................................................................................26 2.4.4. Máy lạnh hấp thụ .................................................................................................28 2.4.5. Pin nhiên liệu .......................................................................................................28 2.4.6. Turbine khí chạy bằng Biogas .............................................................................29 2.4.7. Động cơ đốt trong chạy bằng Biogas ..................................................................29 2.4.8. Phối hợp sản xuất nhiệt năng và cơ năng (CHP) .................................................31 2.4.9. Biogas làm nhiên liệu cho ô tô ............................................................................32 2.4.10. Biogas hòa vào hệ thống cung cấp khí đốt thành phố .......................................37 2.4.11. Cung cấp Biogas gia dụng .................................................................................37 2.4.12. Hiệu quả bảo vệ môi trường do sử dụng Biogas làm nhiên liệu .......................38 2. Nhiên liệu Biogas: .....................................................................................................39 3. Sử dụng Biogas trên phương tiện giao thông cơ giới: ...............................................41 Chương 3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI KHÍ VÀ SINH CÔNG CỦA ĐỘNG CƠ DA465QE CHẠY BẰNG BIOGAS-LPG .................................................42 3.1. Thiết lập mô hình tính toán ....................................................................................42 3.2. Cung cấp nhiên liệu Biogas-LPG ...........................................................................45 3.3. Độ chân không trên đường nạp khi không cung cấp nhiên liệu ............................. 46 3.4. Nguyên lý cấp ga liên tục và cấp ga gián đoạn bằng van chân không ...................47 3.5 Cung cấp Biogas và LPG riêng rẽ ...........................................................................48 2.4. Cung cấp hỗn hợp Biogas và LPG hòa trộn trước .................................................52 3. Mô phỏng quá trình sinh công của động cơ DA465QE chạy bằng nhiên liệu Biogas pha LPG ......................................................................................................................... 54 3.1. Thiết lập mô hình tính toán ....................................................................................54 3.2. Biến thiên áp suất trong buồng cháy và đồ thị công ..............................................60 3.3 Nhiệt độ môi chất trong quá trình cháy ...................................................................62 3.4. Biến thiên nồng độ nhiên liệu trong quá trình cháy ...............................................64 Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................ 68 4.1 Chế tạo, lắp đặt bộ cung cấp nhiên liệu Biogas-LPG cho động cơ DA465QE .......68 4.1.1 Họng Venturi: .......................................................................................................68 4.1.2 Van điện từ và vị trí lắp đặt ..................................................................................68 4.1.3 Van tổ hợp cung cấp nhiên liệu khí kiểu chân không ..........................................70 4.1.4. Van ngắt ga tự động kiểu cơ khí..........................................................................71 4.1.5 Bình chứa Biogas nén ........................................................................................... 72 4.2. Cải tạo máy nén không khí thành máy nén Biogas áp suất thấp ............................ 73 4.3 Tổng quan về băng thử công suất động cơ .............................................................. 74 4.3.1 Quy trình vận hành thiết bị để thực nghiệm: ........................................................ 77 4.4 Vận hành các thiết bị của hệ thống đo trong phòng thí nghiệm động cơ. .............77 4.5. Vận hành máy tính điều khiển trung tâm puma ...................................................78 4.6. Thử nghiệm động cơ chạy bằng Biogas-LPG trên băng thử công suất..................83 4.7. So sánh công suất lý thuyết và thực nghiệm khi động cơ chạy bằng hỗn hợp Biogas-LPG ...................................................................................................................86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................91 1. Kết luận......................................................................................................................91 2. Kiến nghị ...................................................................................................................91 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1: Biến thiên nhiệt độ khí quyển gần mặt đất qua các thời kỳ băng hà ..................1 Hình 2: Hiệu ứng nhà kính .............................................................................................. 2 Hình 3: Dự báo dâng cao mực nước biển trong thế kỷ 21 theo các mô hình toán họa khác nhau .........................................................................................................................2 Hình 1.1: Dự báo nước biển dâng theo thời gian ............................................................ 4 Hình 1.2: Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đông Nam Á do sự dâng cao mực nước biển6 Hình 1.3: Kịch bản cắt giảm phát thải CO2 theo COP21................................................7 Hình 1.4: Cơ cấu năng lượng tương lai cho phương tiện giao thông cơ giới..................8 Hình 1.5: Phát thải ô nhiễm nhiên liệu LPG ...................................................................9 Hình 1.6: Các phương tiện giao thông dùng nhiên liệu LPG ..........................................9 Hình 1.7: Trạm cấp LPG cố địnhHình 1.8: Trạm cấp LPG cơ động ............................ 10 Hình 1.9: Chu trình Carbon khi sử dụng Biogas làm nhiên liệu ...................................11 Hình 1.10: Các kiểu hầm Biogas ...................................................................................12 Hình 1.11: Ô tô Trường Hải Towner 750 ......................................................................13 Hình 1.12: Đường đặc tính động cơ DA465QE ........................................................... 15 Hình 1.13. Mặt cắt dọc động cơ DA465QE ..................................................................15 Hình 1.14: Mặt cắt ngang động cơ DA465QE .............................................................. 16 Hình 2.1: Lượng Biogas sản xuất ở Châu Âu năm 2003 ..............................................20 Hình 2.2: Phân bố nguồn sử dụng Biogas ở Châu Âu năm 2010 và dự báo năm 2020 21 Hình 2.3: Công suất điện chạy bằng Biogas ở Châu Âu ...............................................21 Hình 2.4: Đèn măng-sông dùng Biogas ........................................................................26 Hình 2.5: Bếp dùng Biogas ........................................................................................... 27 Hình 2.6: Máy phát điện chạy bằng Biogas ..................................................................30 Hình2.7: Sử dụng Biogas trong hệ thống đồng sản xuất năng lượng............................ 31 Hình 2.8: Hiệu quả sản xuất năng lượng bằng động cơ nhiên liệu kép và động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng Biogas ...................................................................................32 Hình 2.9: Sơ đồ sản xuất và cung cấp nhiên liệu Biogas cho ô tô ................................ 34 Hình 2.10: Trạm cung cấp Biogas cho ô tô ...................................................................35 Hình 2.11: Sơ đồ bố trí hệ thống Biogas trên ô tô ......................................................... 36 Hình 2.12: Ô tô và tàu lửa chạy bằng Biogas ở Thụy Điển ..........................................36 Hình 2.13: Chuyên chở khí Biogas kiểu thủ công (a), ..................................................37 Hình 2.14: Sơ đồ hiệu quả bảo vệ môi trường khi sử dụng nhiên liệu Biogas. ............38 Hình 3.1: giới thiệu thiết kế xi lanh, buồng cháy và đường nạp của động cơ sau khi cải tạo và chia lưới không gian tính toán. ...........................................................................43 Hình 3.2 : Màn hình kết quả reong một trường hợp tính toán ......................................44 Hình 3.3: Các mặt cắt khảo sát trên đường nạp............................................................. 45 Hình 3.4: Biễu diễn biến thiên chân không trên đường nạp ..........................................45 Hình 3.5: Biến thiên độ chân không trên đường nạp khi độ mở bướm ga 30 độ, trục khuỷu độn cơ quay ở tốc độ 3000 vòng/phút ................................................................ 46 Hình 3.6: Biểu đồ cấp ga bằng van chân không ............................................................ 47 Hình 3.7: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) và van cấp gas liên tục (b) ......................... 48 Hình 3.8: So sánh biến thiên hệ số tương đương theo tốc độ trục khuỷu. ....................49 Hình 3.9: Biến thiên hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu khi làm giàu LPG 51 Hình 3.10: So sánh hệ số tương đương khi tốc độ động cơ thay đổi ............................ 52 Hình 3.11: Biến thiên hệ số tương đương của hỗn hợp trong xy lanh khi phun BiogasLPG hòa trộn trước ........................................................................................................54 Hình 3.12: Không gian xylanh và buồng cháy .............................................................. 55 Hình 3.13: Áp suất buồng cháy khi thay đổi thành phần LPG ......................................60 Hình 3.14: Đồ thị công khi thay đổi thành phần LPG ...................................................60 Hình 3.15: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến áp suất buồng cháy.......................61 Hình 3.16: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến đồ thị công ...................................61 Hình 3.17: Biến thiên nhiệt độ cháy khi thay đổi hệ số tương đương tại số 2000rpm..63 Hình 3.18: Biến thiên nhiệt độ cháy khi thay đổi hệ số tương đương tại số 4000rpm..63 Hình 3.19: Diễn biến đường cong nhiệt độ khi thay đổi góc đánh lửa sớm..................64 Hình 3.20: Diễn biến đường cong nhiệt độ khi thay đổi tốc độ động cơ ......................64 Hình 3.21: Diễn biến nồng độ nhiên liệu CH4 trong quá trình cháy ............................ 65 Hình 3.22: Diễn biến nồng độ nhiên liệu C4H10 trong quá trình cháy ........................ 65 Hình 3.23: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên nồng độ CH4 .....................66 Hình 3.24: Hàm lượng LPG ảnh hưởng đến tốc độ tiêu hao nhiêu liệu ........................ 67 Hình 4.1: Hình dạng, kết cấu bộ hòa trộn và van tiết lưu .............................................68 1. Họng venturi; 2. Thân; 3. Vít điều chỉnh ..................................................................68 Hình 4.2. Van điện từ và vị trí lắp đặt ...........................................................................69 Hình 4.3: Kết cấu van điện từ .......................................................................................69 Hình 4.4: Van tổ hợp cung cấp Biogas-LPG cho động cơ DA465QE .......................... 70 Hình 4.5 : Kết cấu van ngắt ga tự động kiểu cơ khí ......................................................71 Hình 4.6 : Sơ đồ lắp đặt phụ kiện cung cấp Biogas-LPG cho động cơ DA465QE .......72 Hình 4.7: Kết cấu bình chứa Biogas ..............................................................................73 Hình 4.8 Bình chứa Biogas ........................................................................................... 73 Hình 4.9: Hệ thống nén Biogas vào bình chứa .............................................................. 74 Hình 4.10. Băng thử APA 204/8 ...................................................................................75 Hình 4.11: Sơ đồ bố trí phòng thí nghiệm động cơ .......................................................76 Hình 4.11. Màn hình khởi động chương trình PUMA .................................................79 Hình 4.12. Bảng điều khiển hệ thống băng thử EMCON 300 ......................................79 Hình 4.14: Bảng thông báo động cơ và các chế độ thí nghiệm .....................................80 Hình 4.15. Màn hình máy tính sau khi hệ thống sẵn sàng hoạt động ........................... 81 Hình 4.17: Cách điều chỉnh tốc độ và vị trí tay ga bằng hai núm xoay trên bảng điều khiển .............................................................................................................................. 83 Hình 4.18 Bảng kết quả tính toán công suất lý thuyết của động cơ theo tốc độ ...........84 Hình 4.19 so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm đường đặc tính ngoài động cơ khi chạy bằng xăng. Chúng ta thấy kết quả thực nghiệm nhỏ hơn kết quả lý thuyết khoảng 5%. .................................................................................................................................84 Hình 4.19: So sánh công suất lý thuyết và thực nghiệm ...............................................84 Hình 4.20: Cung cấp Biogas-LPG cho động cơ DA465QE thử nghiệm.......................85 Hình 4.21 dưới thể hiện ảnh hưởng của thành phần CH4 trong Biogas đến công suất động cơ. ......................................................................................................................... 86 Hình 4.22: Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong Biogas đến công suất động cơ ......86 Hình 4.23: Ảnh hưởng của hàm lượng CH4 trong Biogas đến công suất động cơ .......87 Hình 4.24: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất trong xi lanh và đồ thị công (Biogas M7C3, 20% LPG) ..............................................................................87 Hình 4.25: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất trong xi lanh và đồ thị công (Biogas M8C2, 10% LPG) ..............................................................................89 Hình 4.26: Biểu đồ so sánh công suất cho bởi lý mô phỏng và thực nghiệm khi động cơ chạy bằng hỗn hợp 50% Biogas+50% LPG ............................................................. 90 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của động cơ DA465QE ....................................................14 Bảng 2.1: So sánh tính năng phát điện bằng Biogas với những giải pháp khác nhau...22 Bảng 2.2. Các tính chất của thành phần Biogas ............................................................ 39 Bảng 3.1: Biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến hệ số tương đương trong cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu ........................................................................................ 49 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đường đồng mức áp suất và hệ số tương đương trong cùng điều kiện cấp nhiên liệu ...................................................................50 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến phân bố hệ số tương đương khi phun Biogas-LPG hòa trộn trước ........................................................................................... 53 Bảng 3.4: % theo khối lượng các chất khí trong hỗn hợp nhiên liệu ............................ 55 Bảng 3.5: Biến thiên đường đồng mức của tốc độ dòng khí trong buồng cháy ............56 Bảng 3.6: biến thiên trường nhiệt độ trong quá trình cháy ...........................................57 hỗn hợp nhiên liệu Biogas M7C3 pha 20% LPG .......................................................... 57 Bảng 3.7: Diễn biến hệ số tương đương trong quá trình cháy ......................................58 Bảng 3.8: Bảng kết quả khi thay đổi thành phần LPG ..................................................60 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến công suất và công chu trình ...........62 1 MỞ ĐẦU Ô tô sử dung xăng dầu truyền thống là thủ phạm chính làm gia tăng hàm lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển. Theo cảnh báo của các nhà khoa học thì nếu nhiệt độ bầu khí quyển tăng vượt 2⁰C so với nhiệt độ trung bình trong giai đoạn 1850-1950 thì sẽ xảy ra hiện tượng “househot”, khi đó nhiệt độ khí quyển đạt giá trị cao nhất trong hơn 1,5 triệu năm qua và con người không còn khả năng điều chỉnh lại hệ thống khí hậu. Để nhân loại không phải đối mặt với hiện tượng khí hậu cực đoan này, tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu thế giới COP21 năm 2015 tại Paris, đa số các quốc gia đã thống nhất cam kết cùng hành động để từ 2020 trở đi, mức phát thải CO2 trên phạm vi toàn cầu giảm dần, đảm bảo nhiệt độ bầu khí quyển cuối thế kỷ 21 không vượt quá ngưỡng cực đoan 2⁰C so với thời kỳ tiền công nghiệp. 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). 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. Hình 1: Biến thiên nhiệt độ khí quyển gần mặt đất qua các thời kỳ băng hà 2 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 quyển diễn ra ở hai giai đoạn, giai đoạn đầu từ 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. Trong khoảng Hình 2: Hiệu ứng nhà kính Gia tăng mực nước biển (cm) 1956-2006, nhiệt độ tăng 0,65°C. Nhiệt độ trung bình của mặt đất trong giai đoạn 2001-2007 là 14,44°C nghĩa là tăng thêm 0,21°C so với giai đoạn 1991-2000. Tốc độ gia tăng nhiệt 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 (hình 2). 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 và làm nóng lớp khí quyển dưới cùng: Đó là hiệu ứng nhà kính. Không có hiệu ứng này, nhiệt độ Năm trung bình của mặt đất là -18°C thay vì +15°C như hiện nay. Hiệu ứng nhà Hình 3: Dự báo dâng cao mực nước kính là một hiện tượng tự nhiên không biển trong thế kỷ 21 theo các mô hình thể thiếu trên hành tinh xanh của toán họa khác nhau 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. 3 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 CO2 vào bầu khí quyển đã không ngừng gia tăng. Nồng độ CO2 hiện nay đã tăng 35% so với thời kỳ tiền công nghiệp, vượt xa nồng độ của chúng 600.000 năm trước. 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. Giải pháp hạn hữu hiệu chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính là sử dụng nhiên liệu tái tạo thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Đây là vấn đề mang tính thời sự đang được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới. Đề tài này tập trung “Nghiên cứu tính năng động cơ DA465QE sử dụng Biogas-LPG”. Đề tài này nhằm góp phần phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu tái tạo trên phương tiện giao thông cơ giới nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Đề tài này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn: - Góp phần vào việc nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu Biogas-LPG nén cho các loại động cơ đốt trong; - Đánh giá về ưu nhược điểm trong việc sử dụng nhiên liệu Biogas-LPG nén trên xe tải nhẹ vào điều kiện ở Việt Nam; - Đa dạng hoá nguồn nhiên liệu sử dụng cho các loại động cơ đốt trong và thân thiện với môi trường khi sử dụng lưỡng nhiên liệu Biogas-LPG nén. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được cấu trúc trong 4 chương gồm : - Tổng quan - Nhiên liệu Biogas - Mô phỏng quá trình cung cấp và quá trình cháy nhiên liệu Biogas-LPG - Thực nghiệm - Kết luận và hướng phát triển đề tài 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU TÁI TẠO TRÊN PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CƠ GIỚI 1.1. Đặt vấn đề nghiên cứu Ô tô sử dung xăng dầu truyền thống là thủ phạm chính làm gia tăng hàm lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển. Theo cảnh báo của các nhà khoa học thì nếu nhiệt độ bầu khí quyển tăng vượt 2⁰C so với nhiệt độ trung bình trong giai đoạn 1850-1950 thì sẽ xảy ra hiện tượng “househot”, khi đó nhiệt độ khí quyển đạt giá trị cao nhất trong hơn 1,5 triệu năm qua và con người không còn khả năng điều chỉnh lại hệ thống khí hậu. Để nhân loại không phải đối mặt với hiện tượng khí hậu cực đoan này, tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu thế giới COP21 năm 2015 tại Paris, đa số các quốc gia đã thống nhất cam kết cùng hành động để từ 2020 trở đi, mức phát thải CO2 trên phạm vi toàn cầu giảm dần, đảm bảo nhiệt độ bầu khí quyển cuối thế kỷ 21 không vượt quá ngưỡng cực đoan 2⁰C so với thời kỳ tiền công nghiệp. Hình 1.1: Dự báo nước biển dâng theo thời gian 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 5 khô hạn, bão lụt 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 dương hấp thụ trên 80% năng lượng cấp thêm vào hệ thống khí 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 1.1). Nó có thể dâng cao 4m vào năm 2300. Khi toàn bộ băng tuyết trên mặt đất tan chảy thì mực nước biển có thể dâng lên 80m (hình 4) 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 1.2 giới thiệu nguy cơ ngập nước ở một số vùng nước ta nếu mực nước biển dâng lên 1m. 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 6 tăng, dẫn đến băng tan nhanh hơn, giải phóng methane nhiều hơn... và quá trình đó làm cho tốc độ gia tăng nhiệt độ khí quyển lớn hơn nhiều so với bình thường. Hình 1.2: Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đông Nam Á do sự dâng cao mực nước biển Trong thời đại chúng ta, quả đất nóng lên chủ yếu là do khí CO2 do hoạt động của con người thải vào khí quyển. Nhờ sự chuyển động của dòng đại dương, nước biển hấp thụ hơn 50% lượng khí CO2 do con người thải ra. Nếu có sự thay đổi bất kỳ nào đó đối với dòng đại dương, mức độ hấp thụ CO2 của nước biển đều bị ảnh hưởng. Động cơ gây ra sự dịch chuyển nước trong đại dương là do chênh lệch khối lượng riêng. Nước lạnh gần các cực tiếp nhận lượng muối do nước đóng băng nhả ra nên khối lượng riêng của nó lớn hơn nước ở vùng gần xích đạo. Do khối lượng riêng lớn, nước gần các cực chìm xuống đáy đại dương hút nước nóng trên mặt vùng gần xích đạo về các cực. Nước dưới đáy đại dương vùng gần các cực lại nổi lên và sự dịch chuyển này tạo nên dòng đại dương (hình 6). Khi băng hà tan ra, động cơ tạo nên dịch chuyển của nước không còn nữa, nước trên mặt bão hòa CO2, mặt khác khi nhiệt độ nước biển tăng lên khả năng hấp thụ CO2 của nó cũng giảm đi đáng kể. Do vậy lượng CO2 tích lũy trong bầu khí quyển không giảm đi, làm cho nhiệt độ quả đất tăng nhanh hơn. 7 Hình 1.3: Kịch bản cắt giảm phát thải CO2 theo COP21 Như vậy vào cuối kỷ nguyên nhiên liệu hóa thạch, lượng CO2 trong bầu khí quyển đạt cực đại, có thể gây ra sự bùng nổ khí hậu làm nhiệt độ bầu khí quyển gần mặt đất tăng nhanh. Thiên nhiên và nhân loại khi đó sẽ chịu tác động khủng khiếp của sự gia tăng nhiệt độ đó. Để tránh thảm họa nhiệt độ cực đoan của bầu khí quyển, tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu COP21 năm 2015 tại Paris nguyên thủ các quốc gia trên thế giới đã thống nhất cùng hành động cắt giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Theo kế hoạch hành động này thì kể từ năm 2020 lượng phát thải 8 CO2 bắt đầu giảm để đến năm 2050 mức phát thải CO2 do sử dụng nhiên liệu hóa thạch tiến về 0 (hình 1.3). Trong số các nguồn phát thải CO2 thì phương tiện giao thông cơ giới chiếm tỷ trọng lớn nhất. Để giảm phát thải CO2 theo lộ trình COP21 thì ngành ô tô cần đi đầu trong việc thay đổi cơ cấu năng lượng. Hiện nay xăng dầu truyền thống cung cấp trên 90% nhu cầu năng lượng cho giao thông vận tải. Theo Hình 1.4: Cơ cấu năng lượng tương lai cho kịch bản cắt giảm CO2 nêu phương tiện giao thông cơ giới trên thì đến giữa thế kỷ này, năng lượng tái tạo/thay thế phải chiếm đến trên 60% tổng số năng lượng sử dụng cho ngành giao thông vận tải, trong đó năng lượng điện, nhiên liệu sinh học và nhiên liệu khí là 3 thành phần chính trong cơ cấu năng lượng cho ô tô (hình 1.4). Trong các loại nhiên liệu khí thì khí dầu mỏ hóa lỏng LPG thuận lợi cho việc sử dụng nhất. LPG là hỗn hợp của propan có công thức hóa học là C3H8 và butan có công thức hóa học là C4H10 được sản xuất từ quá trình lọc dầu hay tinh luyện khí thiên nhiên. LPG thông thường được pha trộn Propan/Butan: 30/70, 40/60, 50/50. Tính chất lý hóa của LPG được giới thiệu trên bảng 1.1. Đặc điểm nổi bậc của LPG là nó có thể hóa lỏng ở áp suất thấp (khoảng dưới 10 bar) nên nó có thể lưu trữ dễ dàng hơn trên phương tiện giao thông cơ giới với với khí thiên nhiên, hydrogen… Khí dầu mỏ hóa lỏng hòa trộn với không khí đồng đều hơn xăng nên quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn, ít phát thải các chất gây ô nhiễm (hình 1.5). Về mặt kinh tế, xe tiêu thụ1 kg LPG khi chạy được quãng đường tương đương với 2 lít xăng.