Tiến Sĩ Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel trên cơ sở động cơ diesel m

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2013

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
1.4.2. 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
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 .
3.3. KẾT LUẬN 87


Chương 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL

VIKYNO 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
5.3. 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

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.

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;
- 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.