Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng biogas nén cho mô tô (la)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN ĐÔNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS NÉN CHO MÔ TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN ĐÔNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS NÉN CHO MÔ TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ nhiệt Mã ngành: 62.52.34.01 Tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học: GS. TSKH BÙI VĂN GA TS NGUYỄN HOÀNG VIỆT PGS. TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Đà Nẵng, Năm 2013 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 án Nguyễn Văn Đông MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .................................................................... 5 1.1. Vấn đề năng lượng và môi trường ....................................................................... 5 1.2. Đặc điểm khí sinh học biogas .............................................................................. 7 1.2.1. Đặc điểm khí Methane ..................................................................................... 9 1.2.2. Đặc điểm khí Sunfua hydro ............................................................................ 10 1.2.3. Đặc điểm khí Cacbon dioxyt ........................................................................... 12 1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong . 12 1.3.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong trên thế giới ...................................................................................................... 12 1.3.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ở Việt Nam....................................................................................................... 19 1.3.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas cho động cơ xe gắn máy . 20 1.4. Kết luận .............................................................................................................. 22 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỬ DỤNG BIOGAS LÀM NHIÊN LIỆU CHO XE GẮN MÁY HONDA WAVE α 110CC .............................................................. 23 2.1. Yêu cầu chất lượng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ..................... 23 2.1.1. Tiêu chuẩn khí thiên nhiên và biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong . 23 2.1.2. Các tiêu chí xác định tiêu chuẩn đối với khí thiên nhiên và nhiên liệu thay thế khí thiên nhiên ........................................................................................................... 26 2.2. Công nghệ xử lý các tạp chất trong biogas ........................................................ 29 2.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định hiệu quả xử lý tạp chất trong biogas ................................................................................................................................... 30 2.3.1. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm loại bỏ H2S ................................................. 30 2.3.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm loại bỏ CO2 ................................................ 32 2.4. Công nghệ lưu trữ khí biogas làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông cơ giới............................................................................................................................. 35 2.4.1. Tính toán lý thuyết quá trình nén lưu trữ khí biogas sạch .............................. 35 2.4.2. Tính toán hiệu quả lưu trữ khí biogas bằng phương pháp nén ....................... 36 2.4.3. Mô phỏng quá trình nén biogas và tách khí CO2 ............................................ 38 2.4.4. Lưu trữ biogas kiểu hấp thụ ............................................................................ 41 2.5. Nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc ................................................................................................. 41 2.5.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc ............................................................................................................. 41 2.5.2. Xây dựng mô hình tính toán cho hệ thống cung cấp biogas nén kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc...................................................... 45 2.5.2.1. Thiết lập các phương trình cân bằng lưu lượng cho các dung tích .............. 48 2.5.2.2. Thiết lập các phương trình lưu lượng cho các phần tử tiết lưu .................... 49 2.5.2.3. Thiết lập các điều kiện biên của hệ thống cung cấp biogas kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc .............................................................. 52 2.5.2.4. Hệ phương trình vi phân tổng quát của hệ thống cung cấp biogas nén kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc .......................................... 57 2.6. Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc .............................................................................. 59 2.6.1. Xác định các thông số ban đầu........................................................................ 59 2.6.2. Kết quả mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén kiểu van ba chức năng cho động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc ................................................ 60 2.7. Kết luận .............................................................................................................. 62 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY HONDA WAVE α 110CC SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS.......... 63 3.1. Đặc điểm quá trình cung cấp và cháy của hỗn hợp biogas – không khí ................ 63 3.2. Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước đồng nhất.............................. 66 3.2.1. Tốc độ lan tràn màng lửa rối ........................................................................... 67 3.2.2. Tốc độ lan tràn màng lửa chảy tầng ................................................................ 69 3.2.3. Tính toán nhiệt độ .......................................................................................... 70 3.2.4. Tính toán khối lượng riêng.............................................................................. 70 3.3. Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ ................................................. 71 3.3.1. Tính toán các đại lượng đặc trưng của mô hình .............................................. 71 3.3.2. Tốc độ lan tràn màng lửa chảy tầng ................................................................ 72 3.4. Thiết lập mô hình tính toán quá trình cháy của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc ............................................................................................................. 75 3.4.1. Thiết lập mô hình tính toán ............................................................................. 75 3.4.2. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm FLUENT ................................................ 76 3.5. Kết luận .............................................................................................................. 78 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................. 79 4.1. Trang thiết bị nghiên cứu ................................................................................... 79 4.1.1. Xe gắn máy thử nghiệm .................................................................................. 79 4.1.2. Băng thử Chassis Dynamometer 20” .............................................................. 81 4.2. Hệ thống đo áp suất chỉ thị trong buồng cháy của động cơ xe gắn máy............ 82 4.2.1. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị đo áp suất trong buồng cháy động cơ .............. 83 4.2.1.1. Cảm biến tốc độ 364 C-Angle Encoder ....................................................... 83 4.2.1.2. Cảm biến áp suất GU12P ............................................................................. 86 4.2.1.3. Bộ khuếch đại tín hiệu điện áp: 3067A01 Piezo Amplifier ......................... 87 4.2.1.4. Thiết bị ghi và xuất dữ liệu thử nghiệm ....................................................... 87 4.2.2. Quy trình thử nghiệm xe gắn máy trên băng thử ............................................ 88 4.3. Thử nghiệm và đánh giá kết quả ........................................................................ 88 4.4. Chạy thử nghiệm xe gắn máy sử dụng biogas nén trên đường .......................... 92 4.5. Kết luận .............................................................................................................. 92 CHƯƠNG 5. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI THỰC NGHIỆM ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY HONDA WAVE α 110CC SỬ DỤNG BIOGAS NÉN................................... 93 5.1. So sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm .......................................... 93 5.2. Mô phỏng ảnh hưởng của nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc ........................................................................................ 96 5.2.1. Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp (tỉ lệ tương đương ) ........................... 96 5.2.2. Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu biogas khi động cơ làm việc ở các chế độ tốc độ khác nhau........................................................................................................ 98 5.3. Mô phỏng ảnh hưởng của thông số kết cấu và vận hành đến tính năng kỹ thuật của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc ...................................................... 102 5.3.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm................................................................. 102 5.3.2. Ảnh hưởng tốc độ động cơ ............................................................................ 105 5.4. Kết luận ............................................................................................................ 107 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................................... 108 Công trình công bố của tác giả ................................................................................ 111 Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 112 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu mẫu tự La Tinh : dh [m] Đường kính họng khuếch tán venturi Dxl [m] Đường kính xy lanh động cơ. Ne [kW] Công suất động cơ. p [N/m2] Áp suất môi chất công tác. pxl [N/m2] Áp suất trong xy lanh động cơ. Qi [m3/s] Lưu lượng thể tích lưu lại trong dung tích Vi. Qij [m3/s] Lưu lượng thể tích qua tiết lưu (S)j. R [J/kg.oK] Hằng số khí. Re [-] Chuẩn số Reynolds. Rf [J/kg.oK] Hằng số khí của nhiên liệu. Si [m2] Diện tích hiệu dụng của phần tử thứ i. Sj [m2] Diện tích hiệu dụng của phần tử thứ j. T [oK] Nhiệt độ hỗn hợp. 2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp:  [-] Tỷ số nén động cơ.  [-] Tỷ lệ tương đương. α [độ] Góc quay trục khuỷu. β [-] Độ mở tương đối của bướm ga. φ [độ] Góc quay của bướm ga. ηv [-] Hệ số nạp. µ [-] Hệ số lưu lượng. Δ [-] Độ nhám đường ống λi,j [-] Hệ số tổn thất dọc đường. λl [-] Tỉ số giữa bán kính quay trục khuỷu và chiều dài thanh truyền.  [m2/s] Hệ số nhớt động học. ω [rad/s] Tốc độ góc trục khuỷu động cơ.  [kg/m3] Khối lượng riêng. 3 a [kg/m ] Khối lượng riêng của không khí. f [kg/m3] Khối lượng riêng của nhiên liệu. g [kg/m3] Khối lượng riêng của khí. + [-] Hệ số tổn thất cục bộ tại cửa vào của tiết lưu. - [-] Hệ số tổn thất cục bộ tại cửa ra của tiết lưu.  [-] Hệ số tổn thất tổng cộng của tiết lưu. 3. Các chữ viết tắt : A/F Viết tắt chữ Air/Fuel (Tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu) ASME American Society of Mechanical Engineer (Hội kĩ sư cơ khí Hoa Kỳ) CNG Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén) DOE Department of Energy (Cơ quan/Bộ năng lượng) DVGW Deutsche Vereinigung des Gas-und Wasserfaches (Hiệp hội khí và nước của Đức) EGR Exhaust Gas Recirculation (Hệ thống tuần hoàn khí thải) EPA Environmental Protection Agency (Cơ quan bảo vệ môi trường) HV Heating Value (Nhiệt trị cháy) LPG Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng) MCFC Molten carbonate fuel cells (Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy) MON Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ) NG Natural Gas (Khí thiên nhiên) PAFC Phosphoric acid Fuel Cells (Pin nhiên liệu acid phosphoric) PEM Proton Exchange Membrane (Pin nhiêu liệu màng trao đổi bằng proton) SG Specific Gravity-SG (Tỷ trọng tiêu chuẩn) SOFC Solid Oxide Fuel Cell (Pin nhiên liệu Ôxít rắn) DANH MỤC CÁC BẢNG Kí hiệu Tiêu đề bảng Trang 1.1. Thành phần các chất khí có trong biogas 8 1.2. Một số tính chất của CH4 10 1.3. Một số tính chất của H2S 11 1.4. Một số tính chất của CO2 12 2.1. Công nghệ ứng dụng biogas và yêu cầu xử lý 24 2.2. Giá trị các thông số vật lý cơ bản của khí thiên nhiên và Biogas 25 2.3. Các tiêu chí theo bộ tiêu chuẩn DVGW G 260 27 2.4. Tiêu chuẩn sử dụng biogas làm nhiên liệu của Thụy Điển 29 2.5. Thành phần biogas theo % thể tích thực nghiệm 33 2.6. Giá trị hằng số Henry theo các hệ hấp thụ 34 2.7. Thành phần và điều kiện của khí biogas sau khi được tách H2S 38 2.8. Thành phần (%V) sản phẩm biogas và CO2 sau quá trình nén tách 40 2.9. Lưu lượng sản phẩm biogas và CO2 sau quá trình nén tách 40 2.10. Biến thiên hệ số tỷ lệ tương đương của hỗn hợp theo tải động cơ 60 3.1. Giá trị tỉ lệ (F/A)lt theo thành phần CH4 64 3.2. Giá trị các hệ số trong phương trình 3.25 74 4.1. Thông số kỹ thuật xe Honda wave α 110cc 80 DANH MỤC CÁC HÌNH Kí hiệu Tiêu đề hình Trang 1.1. Minh họa về khai thác tài nguyên và ô nhiễm môi trường 5 1.2. Sơ đồ trung hòa cacbon của nhiên liệu biogas 8 1.3. Công thức phân tử của methane 9 1.4. Công thức phân tử của H2S 10 1.5. Công thức phân tử của CO2 12 1.6. Trạm cung cấp nhiên liệu biogas cho các phương tiện vận tải 13 1.7. Sản lượng biogas một số nước năm 2010 13 1.8. Tàu lửa chạy bằng nhiên liệu biogas ở Thụy Điển 14 1.9. Ô tô sử dụng nhiên liệu biogas tại Thụy Điển 15 1.10. Sơ đồ sản xuất và ứng dụng biogas tại Thụy Điển 15 1.11. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong biogas đến tính năng 17 động cơ 1.12. Góc đánh lửa sớm tối ưu theo độ đậm đặc nhiên liệu 18 1.13. Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử 20 2.1. Mô hình xử lý H2S trong biogas bởi các vật liệu lọc khác nhau 31 2.2. Hiệu quả xử lý H2S bằng những vật liệu lọc khác nhau 31 2.3. Sơ đồ hệ thống lọc biogas bằng tháp nước có vật liệu đệm 32 2.4. Sơ đồ mô phỏng tháp lọc khí biogas bằng nước và bảng kết quả về thành phần của nguyên liệu biogas thô và sản phẩm biogas sạch 2.5. Biến thiên công suất nén theo áp suất biogas ở đầu ra của khí có thành phần 60% CH4, 40% CO2 34 36 2.6. Biến thiên năng lượng tích lũy trong biogas theo áp suất nén 37 2.7. Hiệu quả năng lượng sử dụng biogas nén 37 2.8. Sơ đồ mô phỏng quá trình nén tách CO2 của khí biogas 39 2.9. Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp biogas kiểu van chân không 42 ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc 2.10. Sơ đồ nguyên lý cụm van chân không ba chức năng cung cấp 43 nhiên liệu biogas nén cho xe gắn máy 2.11. Mô hình tính toán tương đương của hệ thống cung cấp biogas 46 kiểu van ba chức năng trên xe gắn máy 2.12. Sơ đồ tính toán cân bằng lưu lượng tại các dung tích Vi 49 2.13. Độ nhấc van cung cấp biogas theo góc quay trục khuỷu động cơ 60 2.14. Quan hệ giữa tỉ lệ tương đương hỗn hợp và tải động cơ của cụm 61 van chân không ba chức năng cung cấp biogas nén cho xe gắn máy Honda wave α 110cc 3.1. Sơ đồ lan tràn màng lửa theo mô hình hai khu vực 66 3.2. Ảnh hưởng của CO2 đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp 73 methane/không khí/CO2 ở 1 bar và 298K 3.3. Không gian tính toán buồng cháy xe gắn máy Honda wave α 110cc 75 3.4. Lưới của mặt phẳng chính diện trong không gian buồng cháy 76 3.5. Toàn bộ lưới trong không gian buồng cháy 76 3.6. Biến thiên nồng độ trung bình CH4, nhiệt độ và trường tốc độ của hỗn 77 hợp trong buồng cháy động cơ ứng với nhiên liệu M85C15 (85% CH4 với 15% CO2) và tốc độ trục khuỷu n=3000 vòng/phút 4.1. Xe gắn máy Honda wave α 110cc sau khi lắp đặt hệ thống nhiên 80 liệu biogas nén và đưa lên băng thử Chassis Dynamometer 20’’ 4.2. Sơ đồ dẫn động rulô 81 4.3. Đưa xe gắn máy lên băng thử Chassis Dynamometer 20“ 81 4.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm quá trình cháy trong động cơ Honda 82 wave α 110cc 4.5. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm đo áp suất buồng cháy của động cơ 83 4.6. Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo tốc độ góc (Encoder 364C) 84 4.7. Lắp đặt cảm biến tốc độ lên động cơ thử nghiệm 85 4.8. Cảm biến đo áp suất trong buồng cháy động cơ (GU12P) 86 4.9. Bộ khuếch đại 3067A01 Piezo Amplifier 87 4.10. Thiết bị ghi và xuất dữ liệu 87 4.11. Diễn biến áp suất theo góc quay trục khuỷu của động cơ xe gắn 89 máy Honda wave α 110cc 4.12. Đồ thị công chỉ thị chu trình của động cơ xe gắn máy Honda wave α 89 110cc ứng với nhiên liệu xăng RON 92 và biogas 85%CH4 4.13. Diễn biến áp suất theo góc quay trục khuỷu của động cơ xe gắn 90 máy Honda wave α 110cc ứng với các tốc độ góc của trục khuỷu khác nhau 4.14. Đồ thị công chỉ thị chu trình của động cơ xe gắn máy Honda 91 wave α 110cc thực nghiệm 4.15. Biến thiên công suất theo tốc độ góc trục khuỷu của động cơ xe 91 gắn máy Honda wave α 110cc thực nghiệm 4.16. Chạy thử nghiệm trên đường 92 5.1. So sánh kết quả biến thiên áp suất chỉ thị cho bởi mô hình và 94 thực nghiệm (góc đánh lửa sớm φs = 270, Biogas chứa 85% CH4, ϕ =1) ứng với tốc độ góc trục khuỷu động cơ n = 3000 vòng/phút và n = 3620 vòng/phút 5.2. So sánh kết quả biến thiên áp suất chỉ thị cho bởi mô hình và 95 thực nghiệm (góc đánh lửa sớm φs=270, Biogas chứa 85% CH4, ϕ =1) ứng với tốc độ góc trục khuỷu động cơ n = 4070 vòng/phút và n = 5360 vòng/phút 5.3. Biến thiên nồng độ CH4 (a) và nồng độ O2 (b) theo góc quay 96 trục khuỷu động cơ trong quá trình cháy (n=3000 vòng/phút, φs=300, chứa 80% CH4, ϕ=1) 5.4. Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp đến đồ thị áp suất chỉ thị 97 (a) và đồ thị công chỉ thị (b) (n=3000 vòng/phút, φs=300, Biogas chứa 80% CH4) 5.5. Biến thiên công chỉ thị chu trình theo độ đậm đặc của hỗn hợp (n=3000 vòng/phút, φs=300, Biogas chứa 80% CH4) 98 5.6. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas đến 98 biến thiên nồng độ O2 (a) và nồng độ CH4 (b) trong buồng cháy động cơ (n=5000 vòng/phút, φs=350, ϕ =1) 5.7. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas đến đồ 99 thị áp suất chỉ thị và đồ thị công chỉ thị (n=5000 vòng/phút, φs=350, ϕ =1) 5.8. Biến thiên công chỉ thị chu trình theo thành phần CH4 trong 99 nhiên liệu biogas (n=5000 vòng/phút, φs=350, ϕ =1) 5.9. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến biến thiên 100 nồng độ CH4 (n=4000 vòng/phút, φs=300, ϕ =1,1) 5.10. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến biến thiên 100 nồng độ O2 (n=4000 vòng/phút, φs=300, ϕ =1,1) 5.11. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến áp suất chỉ 101 thị trong buồng cháy (n=4000 vòng/phút, φs=300, ϕ =1,1) 5.12. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến nhiệt độ 101 trung bình trong buồng cháy (n=4000 vòng/phút, φs=300, ϕ =1,1) 5.13. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến đồ thị công 101 chỉ thị (n=4000 vòng/phút, φs=300, ϕ =1,1) 5.14. Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ trung bình 102 của CH4 trong buồng cháy (n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39) 5.15. Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ trung bình 102 của O2 trong buồng cháy (n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39) 5.16. Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ CO2 102 (n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39) 5.17. Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị áp suất chỉ thị (n=3000 103 vòng/phút, ϕ =1,39) 5.18. Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nhiệt độ trung bình 103 của hỗn hợp trong buồng cháy (n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39) 5.19. Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị công chỉ thị (n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39) 104 5.20. Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến công chỉ thị chu trình 104 (n=3000 vòng/phút, ϕ =1,39) 5.21. Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị công chỉ thị (n=6000 104 vòng/phút, ϕ =1,39) 5.22. Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến công chỉ thị chu trình 104 (n=6000 vòng/phút, ϕ =1,39) 5.23. Biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo tốc độ góc động cơ 105 5.24. Biến thiên nồng độ CH4 trung bình theo góc quay trục khuỷu 105 ứng với các tốc độ khác nhau của động cơ (φs = 300, ϕ =1) 5.25. Biến thiên áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu ứng với các 106 tốc độ khác nhau của động cơ (φs = 300) 5.26. Biến thiên nhiệt độ theo góc quay trục khuỷu ứng với các tốc độ 106 khác nhau của động cơ (φs = 300) 5.27. So sánh đường đặc tính ngoài động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (ϕ = 1,0, biogas chứa 85% CH4) 106 1 MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Khác với các nước công nghiệp phát triển, phương tiện giao thông chính trong các thành phố nước ta là xe gắn máy hai bánh. Đây là loại phương tiện đi lại được nhiều người dân lựa chọn bởi dễ sử dụng, khả năng cơ động và giá thành hợp lý. Hiện tại, Việt Nam có hơn 30 triệu xe gắn máy đang lưu hành và con số này dự báo tiếp tục gia tăng với tốc độ rất lớn trong những năm tiếp theo [2], [25]. Việc sử dụng xe gắn máy đã góp phần rất lớn vào sự phát triển kinh tế chung trong điều kiện xã hội ở nước ta. Tuy nhiên, sử dụng loại phương tiện này hiện đang được quan tâm đặc biệt, bởi xe gắn máy là một trong những tác nhân chính gây kẹt xe và ô nhiễm môi trường trong các thành phố lớn ở nước ta [4], [16], [25]. Hơn nữa, khí xả từ động cơ đã làm cho đời sống của người dân đô thị trở nên ngột ngạt, luôn ở trong trạng thái lo sợ và phòng ngừa. Các nhà chức trách ở những thành phố lớn đã áp dụng những biện pháp hết sức cứng rắn để bảo vệ môi trường không khí, khi nồng độ các chất ô nhiễm vượt quá mức báo động. Chẳng hạn như sử dụng bộ tiêu chuẩn EURO 2 để kiểm soát lượng khí thải từ động cơ, đặc biệt đến năm 2017 sẽ áp dụng bộ tiêu chuẩn EURO 3 cho các thành phố lớn ở Việt Nam; khuyến khích người dân sử dụng các phương tiện công cộng. Tuy nhiên những kết quả đạt được hiện nay vẫn còn khoảng cách khá xa so với mong muốn của các nhà bảo vệ môi trường. Vì vậy, để góp phần giảm thiểu nồng độ các chất ô nhiễm từ khí xả của động cơ, ngoài những giải pháp tác động trực tiếp lên kết cấu động cơ, các nhà nghiên cứu cũng rất quan tâm đến vấn đề nhiên liệu thay thế ít gây ô nhiễm. Việc tìm kiếm và ứng dụng những nguồn nhiên liệu mới thay thế nguồn nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch đang sử dụng cho xe gắn máy hiện nay là vấn đề được quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học cũng như các nhà hoạch định chính sách ở Việt Nam. Trong trường hợp này các nhà khoa học quan tâm nhiều đến các loại nhiên liệu thể khí như khí thiên nhiên (NG), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), đặc biệt là nhiên liệu tái tạo “khí biogas” là nguồn năng lượng tái sinh và có nguồn gốc từ mặt trời để ứng dụng cho động cơ đốt trong. 2 Hơn nữa, với tốc độ tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch như năm 2006 thì trữ lượng dầu mỏ, than đá và khí thiên nhiên còn có thể khai thác được tương ứng trong 40 năm, 200 năm và 70 năm [6]. Như vậy, đòi hỏi cần phải có nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng hóa thạch ngày một cạn kiệt. Với những lý do nêu trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng biogas nén cho mô tô” của luận án có ý nghĩa to lớn và hết sức cấp thiết; nó không những góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu dùng cho động cơ nhiệt khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang cạn kiệt, mà còn góp phần sử dụng hiệu quả hơn nhiên liệu sinh học cho động cơ đốt trong và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong tình hình mới. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Ngoài mục đích giảm thiểu ô nhiễm môi trường, làm phong phú nguồn nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong, luận án còn hướng tới mục đích sử dụng rộng rãi hơn nguồn nhiên liệu sinh học thay thế này cho các phương tiện giao thông cơ giới một cách hiệu quả. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Đối tượng nghiên cứu: Theo những phân tích trên đây, luận án chọn đối tượng nghiên cứu là động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu biogas. Phạm vi nghiên cứu: Do tính chất hết sức phức tạp của vấn đề nghiên cứu, luận án này chỉ giới hạn nghiên cứu những vấn đề sau đây: - Nghiên cứu công nghệ lọc và lưu trữ biogas làm nhiên liệu cung cấp cho xe gắn máy Honda wave α 110cc; - Nghiên cứu quá trình cung cấp và quá trình cháy của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu biogas nén bằng mô hình hóa và thực nghiệm; 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa: Nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave  110cc bằng phương pháp hút qua họng Venturi bởi cụm van ba chức năng để xác lập đường đặc tính của hệ số tỷ lệ tương đương theo tải của động cơ; nghiên cứu mô hình hóa quá trình cháy hỗn hợp biogas – không khí trong động cơ xe gắn máy Honda wave  110cc trên cơ sở so sánh giữa mô hình và thực nghiệm; Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm đo diễn biến áp suất trong buồng cháy của động cơ xe gắn máy Honda wave  110cc sử dụng nhiên liệu xăng RON92 và nhiên liệu biogas nén 85% CH4. Trên cơ sở đó, luận án xây dựng lý thuyết tương ứng để xác lập mô hình hóa cho quá trình cháy nhiên liệu biogas cho động cơ xe gắn máy Honda wave  110cc. Thử nghiệm trên các loại đường khác nhau xác định các yếu tố ảnh hưởng đến vận hành và tiêu hao nhiên liệu khi xe chạy thực tế. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI: Khí biogas sau khi loại bỏ các tạp chất và được nén vào các bình chứa để cung cấp cho động cơ xe gắn máy bằng phương pháp hút qua họng venturi. Luận án sẽ chỉ ra được tính hiệu quả hơn của việc sử dụng nhiên liệu biogas cho động cơ đốt trong và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Những nghiên cứu liên quan đến hệ thống cung cấp và quá trình cháy của động cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu biogas nén cho đến nay vẫn chưa có công trình khoa học nào được công bố. Vì vậy, luận án không những có ý nghĩa khoa học lớn mà còn mang tính thực tiễn cao trong tình hình nguồn năng lượng hóa thạch có dấu hiệu khủng hoảng, dầu mỏ đang cạn kiệt và biến đổi khí hậu ngày một trở nên nghiêm trọng. Việc xây dựng mô hình hóa quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu biogas nén thông qua phần mềm tính toán động lực học Fluent trên cơ sở xác định các thông số của mô hình bằng thực nghiệm có ý nghĩa khoa học quan trọng, góp phần hoàn thiện nghiên cứu quá trình cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức và tạo tiền 4 đề phát triển một loại nhiên liệu mới. Hơn nữa, ở nước ta việc sử dụng nhiên liệu biogas cho xe gắn máy ngoài ý nghĩa thực tiễn nêu trên còn giúp chúng ta đa dạng hóa nguồn năng lượng sử dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải, giảm bớt sự phụ thuộc duy nhất vào nguồn nhiên liệu lỏng như hiện nay và làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm môi trường ngay từ nguồn phát sinh. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI VỀ MẶT KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN: Luận án có một số đóng góp mới về mặt khoa học như sau:  Luận án đã chỉ ra được các yêu cầu của nhiên liệu khí biogas cũng như hiệu quả về kinh tế, lợi ích về môi trường khi sử dụng loại nhiên liệu này cho các phương tiện giao thông cơ giới ở nước ta.  Luận án đã xây dựng được mô hình tính toán quá trình cung cấp, quá trình cháy của nhiên liệu khí biogas nén cho xe gắn máy; qua đó định hướng thay đổi một số thông số trong quá trình thử nghiệm để đánh giá khả năng sử dụng biogas nén cho loại phương tiện này.  Luận án đã chỉ ra những đặc điểm trong quá trình cháy của nhiên liệu biogas ứng với các thành phần methane có trong nhiên liệu khác nhau. Qua đó cho phép phân tích đánh giá một cách chính xác các thông số ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật trong quá trình vận hành xe gắn máy. Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của đề tài, nội dung chính được trình bày trong 5 chương với cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu khí biogas cho động cơ đốt trong. Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết sử dụng biogas làm nhiên liệu cho xe gắn máy Honda wave  110cc. Chương 3: Nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình cháy trong động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu biogas. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Chương 5: So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng biogas nén. 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1. Vấn đề năng lượng và môi trường Trong những thập niên gần đây, sự tăng trưởng kinh tế ở các nước đang phát triển đã kéo theo sự tăng nhanh của các phương tiện giao thông cơ giới. Điều đó, đặt ra hàng loạt vấn đề về kinh tế - xã hội, an ninh năng lượng và môi trường đối với các nhà quản lý, các nhà nghiên cứu cũng như các nhà hoạch định chiến lược phát triển kinh tế - xã hội trong lĩnh vực giao thông vận tải. Đặc biệt, trong tình hình nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và sự biến đổi khí hậu trái đất đang trở thành hiểm họa đối với loài người thì vấn đề nêu trên càng trở nên cấp thiết. Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ và ô tô, vừa là động lực cho các công trình nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến năng lượng và môi trường [1], [4], [5], [6], [25], [62]. Sự khai thác cạn kiệt tài nguyên kèm theo phát thải các chất độc hại vào môi trường làm mất cân bằng sinh thái vốn có trong tự nhiên. Điều này đã và đang gây ra những hệ lụy nghiêm trọng đối với cuộc sống của con người. Nhiều diễn đàn quốc tế, nhiều cuộc họp thượng đỉnh đã diễn ra khắp nơi trên thế giới để nêu lên một thông điệp: hãy bảo vệ môi trường trước khi đã quá muộn. Hình 1.1: Minh họa về khai thác tài nguyên và ô nhiễm môi trường [6]