Tiến Sĩ Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số né

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2013


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . i
MỤC LỤC . ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT . v
DANH MỤC CÁC BẢNG . vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . viii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN . 6
1.1. Tình hình sản xuất và ứng dụng biogas trên thế giới và tại Việt Nam 6
1.1.1. Tình hình sản xuất biogas trên thế giới trong những năm gần đây . 6
1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng biogas tại Việt Nam . 10
1.2. Biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 11
1.2.1. Tinh lọc biogas 11
1.2.2. Các tiêu chí xác định tiêu chuẩn đối với khí thiên nhiên và nhiên liệu thay thế khí thiên nhiên . 16
1.3. Động cơ đốt trong chạy bằng biogas 19
1.4. Các nghiên cứu sử dụng biogas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức . 24
1.5. Hiệu quả bảo vệ môi trường do sử dụng biogas làm nhiên liệu 32
1.6. Kết luận và định hướng nghiên cứu của đề tài . 33

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL SANG ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 35
2.1. Các phương án chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng thành động cơ chạy bằng nhiên liệu biogas . 35
2.1.1. Chuyển đổi động cơ xăng . 35
2.1.2. Chuyển đổi động cơ diesel 36
2.1.3. Phân tích ưu nhược điểm của các phương án . 36
2.2. Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức . 38
2.2.1. Những vấn đề chung . 38
2.2.2. Tháo bỏ hệ thống nhiên liệu diesel . 40
2.2.3. Giảm tỉ số nén . 40
2.2.4. Bổ sung hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas . 44
2.2.5. Bổ sung hệ thống đánh lửa 48 iii

2.2.6. Dẫn động bướm ga 52
2.3. Kết luận 55
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC . 56
3.1. Giới thiệu phần mềm động lực học thủy khí CFD FLUENT 56
3.2. Lý thuyết dòng chảy rối . 57
3.2.1. Giới thiệu . 57
3.2.2. Các đặc điểm của dòng chảy rối . 58
3.2.3. Các phương trình tổng quát khống chế dòng chảy rối 59
3.2.4. Khép kín hệ phương trình . 63
3.3. Lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu khí . 66
3.4. Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước 66
3.4.1. Tổng quan 66
3.4.2. Sự lan tràn của màng lửa . 67
3.4.3. Tốc độ màng lửa rối 68
3.4.4. Tốc độ màng lửa chảy tầng . 69
3.4.5. Mô hình cháy hỗn hợp hòa trộn trước trong FLUENT . 70
3.4.6. Các phương pháp tính nhiệt độ . 70
3.5. Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ . 72
3.5.1. Tổng quan 72
3.5.2. Tính toán các đại lượng . 72
3.5.3. Tốc độ màng lửa chảy tầng . 73
3.6. Tính toán mô phỏng dòng chảy trong bộ tạo hỗn hợp động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel ZH1115 . 79
3.6.1. Thiết lập mô hình tính toán . 79
3.6.2. Kết quả tính toán . 81
3.7. Tính toán mô phỏng quá trình cháy hỗn hợp biogas-không khí trong động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức bằng phần mềm FLUENT 88
3.7.1. Thiết lập mô hình tính toán . 89
3.7.2. Diễn biến quá trình cháy . 91
3.7.3. Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến tính năng động cơ . 93
3.7.4. Ảnh hưởng của tỉ số nén . 94
3.7.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm . 97 iv

3.7.6. Ảnh hưởng của thành phần biogas 99
3.7.7. Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp đến tính năng động cơ 104
3.8. Kết luận 107
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT CÁC PHỤ KIỆN CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL ZH1115 THÀNH ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC . 109
4.1. Động cơ diesel ZH1115 . 109
4.2. Giảm tỉ số nén 110
4.3. Thiết kế lắp đặt hệ thống đánh lửa . 110
4.4. Tính toán thiết kế bộ tạo hỗn hợp 112
4.5. Thiết kế cải tạo cơ cấu điều tốc 116
4.6. Qui trình chuyển đổi động cơ diesel 1 xi lanh thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức . 118
4.7. Kết luận 120

CHƯƠNG 5 THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 121
5.1. Mục tiêu thí nghiệm . 121
5.2. Hệ thống thí nghiệm . 121
5.3. Kết quả và bàn luận 125
5.3.1. Kết quả thực nghiệm . 125
5.3.2. So sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm . 131
5.4. Kết luận 133
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU . 135
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . 138
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 139

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Sự gia tăng các chất khí gây hiệu ứng nhà kính, chủ yếu là CO2, do việc sử dụng năng lượng hóa thạch trong những thế kỷ qua, đã làm bề mặt quả đất ấm dần lên. Dẫn đến mực nước biển dâng cao, sa mạc hoang hóa ngày càng mở rộng, thiên tai hạn hán xảy ra bất thường . Sự phá vỡ cân bằng vốn có của carbon trong tự nhiên là nguyên nhân chính của những thảm họa mà loài người phải gánh chịu hiện nay và trong tương lai nếu không có những biện pháp hữu hiệu ngăn chặn kịp thời.
Việc nghiên cứu sản xuất và ứng dụng các nguồn năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời đã và đang được triển khai trên thế giới và Việt Nam. Một trong số đó là hướng nghiên cứu sử dụng khí biogas dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong phục vụ mục đích tĩnh tại và phương tiện cơ giới.
Giải pháp sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, đồng thời đạt được cả 3 mục tiêu: tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, hạn chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính và bảo vệ môi trường trong sản xuất và sinh hoạt.
Tại Việt Nam động cơ dùng biogas làm nhiên liệu có thể là động cơ biogas do nước ngoài sản xuất với giá thành rất cao; hoặc có thể chuyển đổi từ động cơ xăng hay động cơ diesel để tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu. Việc sử dụng các động cơ qua chuyển đổi này, bước đầu đã mang lại hiệu quả kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường rõ rệt. Tuy vậy, khi nhu cầu sử dụng biogas làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong cũng như nhu cầu về công suất tiêu thụ tăng cao, cộng thêm sự không đồng nhất về thành phần khí biogas cùng với sự đa dạng về chủng loại và kích cỡ các động cơ cần chuyển đổi, đòi hỏi phải có thêm các nghiên cứu làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên liệu, nghiên cứu quá trình cháy của động cơ biogas và xác định các thông số cơ bản tối ưu để đảm bảo tính năng của loại động cơ này.
Vì vậy, sử dụng động cơ biogas phục vụ cho sản xuất và đời sống ở nông thôn có ý nghĩa rất quan trọng trong chiến lược an ninh năng lượng ở nước ta. Giải pháp chuyển đổi động cơ diesel truyền thống thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức cho phép tận dụng được lợi thế của động cơ diesel về tốc độ thấp và tỉ số nén cao để nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ với nhiên liệu mới. Mặt khác trong quá trình vận hành không tốn nhiên liệu lỏng để phun mồi. Điều này giúp nâng cao hiệu quả kinh tế khi sử dụng động cơ biogas.
Do đó “Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
- Xây dựng qui trình chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng biogas.
- Thiết kế chế tạo bộ tạo hỗn hợp biogas và không khí cho động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức.
- Xác định tỉ số nén và góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel bằng mô hình và thực nghiệm.
3. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ 1 xi lanh, thay đổi được tỉ số nén, đánh lửa cưỡng bức.
Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas và nghiên cứu chất lượng quá trình cháy của biogas trên động cơ nghiên cứu. Từ đó, xác định các thông số tối ưu của động cơ biogas được chuyển đổi từ động cơ diesel bằng mô hình và thực nghiệm.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính đúng đắn của mô hình.
Về lý thuyết: