Tiến Sĩ Nghiên cứu ứng dụng biogas nén cho mô tô

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2013


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 .

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.
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;