Nghiên cứu ứng dụng biogas nén cho mô tô

NGUYỄN VĂN ĐÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Đà Nẵng, Năm 2013

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS NÉN CHO MÔ TÔ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGUYỄN VĂN ĐÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Đà Nẵng, Năm 2013

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

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS NÉN CHO MÔ TÔ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

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.o

K] Hằng số khí.

Re [-] Chuẩn số Reynolds.

Rf [J/kg.o

K] 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 [

o

K] 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.

a [kg/m3

] 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

động cơ

17

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

34

2.5. Biến thiên công suất nén theo áp suất biogas ở đầu ra của khí có

thành phần 60% CH4, 40% CO2

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

ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc

42

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

kiểu van ba chức năng trên xe gắn máy

46

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

van chân không ba chức năng cung cấp biogas nén cho xe gắn

máy Honda wave α 110cc

61

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

methane/không khí/CO2 ở 1 bar và 298K

73

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

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

77

4.1. Xe gắn máy Honda wave α 110cc sau khi lắp đặt hệ thống nhiên

liệu biogas nén và đưa lên băng thử Chassis Dynamometer 20’’

80

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

wave α 110cc

82

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

máy Honda wave α 110cc

89

4.12. Đồ thị công chỉ thị chu trình của động cơ xe gắn máy Honda wave α

110cc ứng với nhiên liệu xăng RON 92 và biogas 85%CH4

89

4.13. Diễn biến áp suất theo góc quay trục khuỷu của động cơ xe gắn

máy Honda wave α 110cc ứng với các tốc độ góc của trục

khuỷu khác nhau

90

4.14. Đồ thị công chỉ thị chu trình của động cơ xe gắn máy Honda

wave α 110cc thực nghiệm

91

4.15. Biến thiên công suất theo tốc độ góc trục khuỷu của động cơ xe

gắn máy Honda wave α 110cc thực nghiệm

91

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

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

94

5.2. So sánh kết quả biến thiên áp suất chỉ thị cho bởi mô hình và

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

95

5.3. Biến thiên nồng độ CH4 (a) và nồng độ O2 (b) theo góc quay

trục khuỷu động cơ trong quá trình cháy (n=3000 vòng/phút,

φs=300

, chứa 80% CH4, ϕ=1)

96

5.4. Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp đến đồ thị áp suất chỉ thị

(a) và đồ thị công chỉ thị (b) (n=3000 vòng/phút, φs=300

, Biogas

chứa 80% CH4)

97

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