Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ biogas-hydrogen

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:187

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ biogas-hydrogen" trình bày các nội dung chính sau: Cơ sở lý thuyết quá trình tạo hỗn hợp và quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức; Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp và quá trình cháy của động cơ phun nhiên liệu biogas-hydrogen.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ biogas-hydrogen

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI VĂN HÙNG Đề tài: TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS-HYDROGEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2023
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI VĂN HÙNG Đề tài: TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS-HYDROGEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã ngành : 9520116 Hướng dẫn khoa học : 1. GS. TSKH. Bùi Văn Ga 2. PGS. TS. Bùi Thị Minh Tú Đà Nẵng, 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là luận án nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Đà Nẵng, tháng năm Nghiên cứu sinh Bùi Văn Hùng i
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i MỤC LỤC ..................................................................................................................ii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................vii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. xv DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ................................................................. xvi MỞ ĐẦU ............................................................................................................... xviii 1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................................................... xviii 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................... xxii 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .............................................. xxiii 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................. xxiii 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ................. xxiv 6. CẤU TRÚC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................... xxiv 7. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ...............................................................xxv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................... 1 1.1. Cơ cấu năng lượng toàn cầu trong chiến lược “Net Zero” ...............................1 1.2. Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid ..................................................................4 1.3. Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid điện mặt trời-sinh khối ............................7 1.4. Ảnh hưởng của hydrogen đến tính năng của động cơ ....................................12 1.5. Kết luận ..........................................................................................................22 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC ......................... 25 2.1. Hệ phương trình cơ bản ..................................................................................25 2.2. Mô hình rối .....................................................................................................28 2.3. Mô hình cháy ..................................................................................................31 2.3.1. Tính toán các đại lượng của quá trình cháy .............................................31 ii
2.3.2. Xác định vị trí màng lửa ..........................................................................36 2.3.3. Tốc độ màng lửa chảy tầng ......................................................................37 2.3.4. Tốc độ cháy rối ........................................................................................40 2.4. Kết luận ..........................................................................................................42 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ PHUN NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN ........................... 43 3.1. Thiết lập mô hình............................................................................................43 3.1.1. Xây dựng không gian tính toán và chia lưới ...........................................43 3.1.2. Trình tự thực hiện mô phỏng ...................................................................46 3.2. Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp của động cơ ................................................51 3.2.1. Diễn biến quá trình nạp............................................................................51 3.2.2. Ảnh hưởng của đường kính lỗ phun và áp suất phun ..............................53 3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen ......................................................57 3.2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng CH4 trong biogas .........................................59 3.2.5. Ảnh hưởng của độ mở bướm ga ..............................................................60 3.2.6. Giản đồ phun nhiên liệu biogas-hydrogen ...............................................63 3.3. Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ .........................65 3.3.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm ...........................................................65 3.3.2. Ảnh hưởng của hệ số tương đương..........................................................71 3.3.3. Ảnh hưởng của thành phần biogas ..........................................................74 3.3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen ......................................................79 3.3.5. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ ................................................................83 3.3.6. Ảnh hưởng của chế độ tải ........................................................................87 3.3.7. So sánh tính năng động cơ khi sử dụng biogas và biogas pha hydrogen 89 3.4. Kết luận ..........................................................................................................91 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ iii
PHỎNG ..................................................................................................................... 93 4.1. Điều khiển điện tử vòi phun nhiên liệu biogas-hydrogen ..............................93 4.2. Điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ chạy bằng hỗn hợp biogas-hydrogen97 4.2.1. Tốc độ cháy chảy tầng .............................................................................97 4.2.2. Mô hình vật lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm ..........................................99 4.3. Thiết lập ECU điều khiển động cơ biogas-hydrogen ...................................103 4.4. Cải tạo động cơ .............................................................................................108 4.4.1. Sơ đồ hệ thống cải tạo động cơ ..............................................................108 4.4.2. Lắp đặt các bộ phận lên động cơ cải tạo ................................................110 4.5. Nghiên cứu thực nghiệm ..............................................................................114 4.5.1. Chuẩn bị nhiên liệu ................................................................................114 4.5.2. Bố trí hệ thống thí nghiệm .....................................................................115 4.5.3. Trình tự thí nghiệm ................................................................................117 4.6. Kết quả thí nghiệm .......................................................................................118 4.6.1. Điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu ....................................................118 4.6.2. Điều chỉnh góc đánh lửa sớm ................................................................124 4.6.3. Sơ đồ hệ thống tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas-hydrogen có thành phần thay đổi .............128 4.7. Kết luận ........................................................................................................131 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................. 132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ........................................................... 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO:...................................................................................... 138 PHỤ LỤC .................................................................................................................... I iv
TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS- HYDROGEN Tóm tắt: Do tác động của biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng trầm trọng, việc chuyển đổi năng lượng đang là mối quan tâm hàng đầu của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Trong bối cảnh đó thì hệ thống năng lượng tái tạo hybrid (HRES) gồm năng lượng mặt trời và sinh khối là một lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm. Động cơ đốt trong thường được thiết kế để làm việc với một loại nhiên liệu cho trước và trong điều kiện vận hành xác định. Trong HRES thành phần nhiên liệu thay đổi thường xuyên theo nguyên liệu đầu vào và nguồn hydrogen do điện mặt trời cung cấp. Mặt khác, chế độ tải của động cơ cũng thay đổi thường xuyên để cung cấp tải bù cho hệ thống. Do đó, động cơ phải được điều chỉnh một cách linh hoạt các thông số vận hành, đặc biệt là góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương của hỗn hợp. Động cơ tĩnh tại truyền thống khó có thể đáp ứng được yêu cầu này. Luận án tập trung xử lý hai vấn đề chính của động cơ trong HRES, đó là điều khiển quá trình cung cấp nhiên liệu để điều chỉnh hệ số tương đương và điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu để đảm bảo cho động cơ hoạt động hiệu quả với nhiên liệu biogas-hydrogen với thành phần thay đổi trong phạm vi rộng. Từ khóa: Năng lượng tái tạo, biogas, hydrogen, ô nhiễm không khí, động cơ đánh lửa cưỡng bức. AUTOMATIC CONTROL OF EQUIVALENCE RATIO AND ADVANCE IGNITION ANGLE TO IMPROVE THE PERFORMANCE OF BIOGAS- HYDROGEN ENGINE Summary: Due to the increasing impact of climate change, the energy transition is a top concern for most countries in the world. In that context, the hybrid renewable energy system including solar energy and biomass is an area of research interest. Internal combustion engines are typically designed to work with a given fuel type and under defined operating conditions. In a hybrid renewable energy system, the fuel v
composition changes frequently according to the input material and the source of hydrogen provided by solar power. On the other hand, the load mode of the motor also changes frequently to provide a compensating load for the system. Therefore, the engine must be flexibly adjusted to the operating parameters, especially the ignition advance angle and the equivalence factor of the mixture. Traditional stationary motors can hardly meet this requirement. The thesis focuses on dealing with two main problems of the engine in the hybrid renewable energy system, that is controlling the fuel supply process to adjust the equivalence ratio and adjusting the optimal advance ignition angle to ensure efficient engine operation with biogas- hydrogen fuel with variable composition over a wide range. Keywords: Renewable energy, biogas, hydrogen, air pollution, SI engine. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cơ cấu các nguồn năng lượng đến năm 2050 [41] .....................................1 Hình 1.2: Cấu phần năng lượng tái tạo trên thế giới (a) và đặc tính của hệ thống năng lượng tái tạo (b) [43] ...................................................................................................2 Hình 1.3: Các dạng hệ thống năng lượng tái tạo [49] .................................................5 Hình 1.4: Sơ đồ HRES năng lượng mặt trời-năng lượng sinh khối ............................9 Hình 2.1: Quan hệ giữa nồng độ, nhiệt độ và khối lượng riêng theo tỉ hệ hỗn hợp .35 Hình 3.1: Xi lanh và đường nạp động cơ sau khi cải tạo ..........................................43 Hình 3.2: Chia lưới không gian tính toán..................................................................44 Hình 3.3: Chia lưới không gian tính toán khi piston ở ĐCT: 71.321 phần tử ..........44 Hình 3.4: Chia lưới không gian tính toán khi piston ở ĐCD: 107.395 phần tử ........45 Hình 3.5: Chia lưới đường nạp: 48.866 phần tử tứ diện (a); Chia lưới buồng cháy: 20.333 phần tử tứ diện (b); Chia lưới xi lanh: 38.196 phần tử hình chêm (c).....45 Hình 3.6: Giao diện khởi động phần mềm ANSYS FLUENT 2021R1 ....................47 Hình 3.7: Cài đặt các thông số của mô hình .............................................................47 Hình 3.8: Giải hệ phương trình và lưu kết quả mô phỏng ........................................49 Hình 3.9: Đường đồng mức nồng độ CH4 trong quá trình phun biogas M7C3 được làm giàu 20% hydrogen ở vị trí 38TK .....................................................................50 Hình 3.10: Trường tốc độ khi phun biogas M7C3 được làm giàu 20% hydrogen ở vị trí 38TK ...................................................................................................................50 Hình 3.11: Đường đồng mức nhiệt độ trong quá trình cháy biogas M7C3 được làm giàu 20% hydrogen ở vị trí 360TK ..........................................................................51 Hình 3.12: Bố trí các vòi phun mô phỏng .................................................................52 Hình 3.13: Phân bố nồng độ CH4 theo góc quay trục khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3- 20H, φp=74TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) ..................................................................53 Hình 3.14: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi vii
phun có dp=4mm, pp=2,5bar, φp=140TK, n=3600v/ph ...........................................54 Hình 3.15: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=0,5bar, n=3600v/ph ................................................................55 Hình 3.16: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=1bar, n=3600v/ph ...................................................................55 Hình 3.17: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=1,5bar, n=3600v/ph ................................................................56 Hình 3.18: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5,5mm, pp=0,5bar, φp=81°TK, n=3600v/ph ..........................................56 Hình 3.19: Đường đồng mức hệ số tương đương (a), nồng độ CH4 (b) trên mặt cắt ngang buồng cháy tại thời điểm 340°TK, Biến thiên lưu lượng không khí, lưu lượng nhiên liệu và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3, φp=70°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) ...........................................................................57 Hình 3.20: Phân bố hệ số tương đương (a), nồng độ CH4 (b) nồng độ H2 (c) trong buồng cháy và Biến thiên lưu lượng không khí, lưu lượng nhiên liệu và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (d) (n=3600 v/ph, M7C3-30H, φp=77°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) ..........................................................................................................58 Hình 3.21: So sánh biến thiên lưu lượng không khí, lưu lượng nhiên liệu và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu khi phun biogas M6C4 (a) và M8C2 (b) (n=3600 v/ph, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) ......................................................................59 Hình 3.22: Diễn biến trường nồng độ H2 và trường tốc độ trong trường hợp α=40°, dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph, φp=61°TK...................................60 Hình 3.23: Diễn biến trường nồng độ H2 và trường tốc độ trong trường hợp α=0°, dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph, φp=77°TK...................................61 Hình 3.24: Phân bố hệ số tương đương trong buồng cháy trong trường hợp α=40° (a) và α=0° (b) (dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) ...............................61 Hình 3.25: So sánh biến thiên lưu lượng không khí (a), lưu lượng nhiên liệu (b) và hệ số tương đương (c) theo góc quay trục khuỷu trong trường hợp α=0° và α=40° viii
(dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) ...................................................62 Hình 3.26: Sơ đồ tiết diện lưu thông trên đường nạp qua bướm ga..........................63 Hình 3.27: Giản đồ phun hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar,  = 0°, n=3000 v/ph) ..............................................................................64 Hình 3.28: Giản đồ phun hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar, M7C3-20H, n=3000 v/ph) ......................................................................65 Hình 3.29: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất (a) và tốc độ tỏa nhiệt (b) khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 ở tốc độ 3600 v/ph và =1 ..............66 Hình 3.30: Biến thiên nhiệt độ, phát thải NOx (a) và biến thiên áp suất cực đại, Wi (b) theo góc đánh lửa sớm ..............................................................................................66 Hình 3.31: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu (a) và biến thiên áp suất cực đại, công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm (b) khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M8C2-40H ở tốc độ 3600v/ph, =1.............................................................................................................................67 Hình 3.32: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ CO (a) và nồng độ NOx (b) theo góc quay trục khuỷu; Biến thiên nhiệt độ khí thải, NOx (c) và CO, HC (d) theo góc đánh lửa sớm khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M8C2-40H ở tốc độ 3600v/ph, =1 ...........................................................................................................68 Hình 3.33: So sánh ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 (a) và M8C2-40H (b) ở tốc độ 3600 v/ph, =1 ..........................................................................................................69 Hình 3.34: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) đến biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo tốc độ khi động cơ ........70 Hình 3.35: Giản đồ đánh lửa động cơ chạy bằng biogas-hydrogen ứng với biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) ............................................................................71 Hình 3.36: Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp đến đồ thị công (a) và nhiệt độ cháy (b) ..............................................................................................................................72 ix
Hình 3.37: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến phát thải CO (a) và NOx (b) ....72 Hình 3.38: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 v/ph với nhiên liệu M7C3 (a), M7C3- 20H (b) và M7C3-40H (c).........................................................................................73 Hình 3.39: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) .....................74 Hình 3.40: Ảnh hưởng thành phần biogas đến biến thiên áp suất trong xi lanh khi động cơ chạy bằng biogas pha 40% hydrogen ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) ...................................................................................................................................75 Hình 3.41: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến tốc độ tiêu thụ nhiên liệu khi không pha hydrogen (a và b) và khi pha 40% hydrogen (c và d) ........................................76 Hình 3.42: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph và 3600 v/ph bằng biogas (a) và bằng biogas pha 40% hydrogen (b) ...........................................................................77 Hình 3.43: Biến thiên các thông số đặc trưng quá trình cháy theo hệ số tương đương khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 v/ph với biogas M6C4 (a) và M8C2 (b) ................79 Hình 3.44: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xi lanh khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) .............................................................................................................79 Hình 3.45: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph và 3600 v/ph ...................................................................................................................80 Hình 3.46: Biến thiên áp suất cực đại và công chỉ thị chu trình theo hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) ......................................................................................................................81 Hình 3.47: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) với =1.................................................................................................................82 x
Hình 3.48: Biến thiên các thông số đặc trưng quá trình cháy theo hệ số tương đương khi động cơ chạy ở tốc độ 3600 v/ph với nhiên liệu M7C3-20H .............................83 Hình 3.49: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đồ thị công (a) và đến biến thiên áp suất, tốc độ tỏa nhiệt (b) ............................................................................................84 Hình 3.50: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M6C4-40H (a), M7C3-40H (b) và M8C2- 40H (c) với góc đánh lửa sớm 20°TK và hệ số tương đương =1............................85 Hình 3.51: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên các thông số đặc trưng của quá trình cháy khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M7C3-15H (a) và M8C2-40H (b) với =1 và φs=20°TK ................................................................................................86 Hình 3.52: Đồ thị công ở các chế độ tải khác nhau (a) và ảnh hưởng của chế độ tải đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy (M7C3-0H, n=3600 v/ph, =1, φs=32°TK) .................................................................................................................87 Hình 3.53: Đồ thị công ở các chế độ tải khác nhau (a) và ảnh hưởng của chế độ tải đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy (M7C3-20H, n=3600 v/ph, =1, φs=30°TK) .................................................................................................................88 Hình 3.54: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất trong xi lanh (a) và đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy (b) khi động cơ chạy ở tốc độ 3600 v/ph, 60% tải với nhiên liệu M7C3-20H ...................................................................89 Hình 3.55: So sánh các đặc trưng quá trình cháy trong điều kiện tối ưu về góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương khi sử dụng biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) ...................................................................................................................................90 Hình 4.1. Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm thay đổi thời gian phun của động cơ tĩnh tại ...............................................................................................................................94 Hình 4.2. Ảnh chụp mô hình thí nghiệm điều chỉnh góc đánh lửa sớm (a) và hộp điều khiển, hộp công suất (b) ............................................................................................94 Hình 4.3. Tín hiệu điều khiển vòi phun khi chưa xử lý nhiễu (a, b) và các tín hiệu cảm biến Hall, tín hiệu đánh lửa và tín hiệu phun khi đã xử lý nhiễu (c) ........................95 xi
Hình 4.4. Tín hiệu Hall, tín hiệu đánh lửa và tín hiệu điều khiển vòi phun do chương trình điều tốc thực hiện khi tăng tải cản ....................................................................96 Hình 4.5: Biến thiên tốc độ cháy chảy tầng theo hệ số tương đương  và thành phần CO2 trong hỗn hợp với CH4 ......................................................................................97 Hình 4.6: Tốc độ cháy chảy tầng của hydrogen, methane (a) và ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH4-H2 ............................98 Hình 4.7. Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm thay đổi góc đánh lửa sớm của động cơ tĩnh tại ........................................................................................................................99 Hình 4.8. Ảnh chụp mô hình thí nghiệm điều chỉnh góc đánh lửa sớm (a) và hộp điều khiển, hộp công suất (b) ..........................................................................................100 Hình 4.9. Tín hiệu của cảm biến Hall và tín hiệu đánh lửa khi chưa xử lý nhiễu (a), tín hiệu khi xử lý nhiễu các cổng kết nối bằng tụ điện (b) và tín hiệu sau khi xử lý bằng nguồn cách ly quang học (c)...........................................................................101 Hình 4.10. Lược đồ chương trình cài đặt vào vi điều khiển để điều chỉnh góc đánh lửa sớm (a) và độ lệch giữa xung tín hiệu Hall và xung đánh lửa (b).....................102 Hình 4.11. Mô phỏng thay đổi góc đánh lửa sớm theo hàm lượng hydrogen pha vào hỗn hợp biogas ........................................................................................................103 Hình 4.12: Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm thay đổi góc đánh lửa sớm, thời gian phun của động cơ tĩnh tại ........................................................................................104 Hình 4.13: Arduino Mega 2560 .............................................................................105 Hình 4.14: Tín hiệu ĐCT, tín hiệu điều khiển vòi phun và đánh lửa .....................106 Hình 4.15: Tín hiệu cảm biến Hall, tín hiệu đánh lửa và tín hiệu phun khi đã xử lý nhiễu mô phỏng theo nhiên liệu biogas M7C3 (a), hỗn hợp 80% biogas M7C3+20% hydrogen (b) ............................................................................................................106 Hình 4.16: Sơ đồ nối dây hộp điều khiển công suất, khử nhiễu (a), Sơ đồ nối dây hộp điều khiển (b) ..........................................................................................................107 Hình 4.17: Sơ đồ cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động xii
cơ tĩnh tại phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử...................................................108 Hình 4.18: Tín hiệu phun nhiên liệu (a) và tín hiệu đánh lửa (b) tương đối so với tín hiệu cảm biến Hall ..................................................................................................109 Hình 4.19: Lắp đặt các bộ phận cải tạo động cơ .....................................................110 Hình 4.20: Cải tạo vòi phun LPG thành vòi phun biogas-hydrogen ......................111 Hình 4.21: Lắp đặt cụm cảm biến đo lưu lượng không khí và nhiên liệu ..............112 Hình 4.22: Sơ đồ đấu dây hộp điều khiển động cơ .................................................113 Hình 4.23: Ảnh chụp mặt trước (a), mặt sau (b) hộp điều khiển động cơ ..............113 Hình 4.24: Sơ đồ pha trộn hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen ............................115 Hình 4.25: Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm...........................................................116 Hình 4.26: Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm ..............................................................116 Hình 4.27: Điều chỉnh các mức tải động cơ ............................................................118 Hình 4.28: Biến thiên lưu lượng không khí và lưu lượng nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu (M7C3-20H, dp=5,5, pp=0,5bar, φp=100°TK, n=3600 v/ph) .......................118 Hình 4.29: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm biến thiên lưu lượng không khí (a) và lưu lượng nhiên liệu (b) theo vị trí bướm ga khi động cơ chạy ở tốc độ 3600 v/ph với nhiên liệu M7C3-20H (dp=5,5mm, pp=0,5bar) .........................................119 Hình 4.30: So sánh biến thiên hệ số tương đương theo vị trí bướm ga cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (n=3600 v/ph, M7C3-20H, dp=5,5mm, pp=0,5bar) ............121 Hình 4.31: Điều chỉnh thời gian phun (n=3600 v/ph, M7C3-20H, dp=5,5mm, pp=0,5bar) ................................................................................................................121 Hình 4.32: Điều chỉnh thời gian phun (n=3600 v/ph, M6C4-30H, dp=5,5mm, pp=0,5bar) ................................................................................................................122 Hình 4.33: Điều chỉnh thời gian phun (n=3600 v/ph, M8C2, dp=5,5mm, pp=0,5bar) .................................................................................................................................123 Hình 4.34: Giản đồ phun nhiên liệu M6C4-20H sau khi điều chỉnh (n=3600 v/ph, dp=5,5mm, pp=0,5bar) .............................................................................................123 xiii
Hình 4.35: Sơ đồ điều chỉnh góc đánh lửa sớm ......................................................124 Hình 4.36: Ảnh hưởng của thành phần hydrogen đến biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm trong trường hợp động cơ chạy bằng Biogas M7C3 (a), Biogas M6C4 (b) ở tốc độ 3000 vòng/phút, =1, 100% tải ................................................125 Hình 4.37: Biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu s theo tỉ số H2/CH4 .....................126 Hình 4.38: Giản đồ góc đánh lửa sớm tối ưu ..........................................................128 Hình 4.39: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm động cơ biogas-hydrogen có thành phần nhiên liệu thay đổi ..........................129 Hình 4.40: Sơ đồ cấu trúc chương trình điều khiển tự động hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm ...........................................................................................................130 xiv
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Các loại nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu ..........................................52 Bảng 3.2: Năng lượng do nhiên liệu mang vào động cơ trong mỗi chu trình ..........75 Bảng 3.3: Điều kiện tối ưu về hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm khi động cơ chạy bằng biogas và biogas pha 20% hydrogen. ......................................................90 Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560..........................................105 Bảng 4.2: Thành phần mol của nhiên liệu ..............................................................114 Bảng 4.3: Áp suất riêng phần của các chất trong nhiên liệu ...................................114 Bảng 4.4: Thông số thực nghiệm ............................................................................117 Bảng 4.5: Kết quả thực nghiệm đo lưu lượng không khí ........................................120 Bảng 4.6: Kết quả thực nghiệm đo lưu lượng nhiên liệu ........................................120 xv
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu mẫu tự La Tinh D [mm] Đường kính xi lanh dh [mm] Đường kính họng dp [mm] Đường kính lỗ vòi phun Gnl [kg/h] Lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ Me [N.m] Mô men có ích MxCy [%mol] Biogas chứa 10x (%) CH4 và 10y (%) CO2 theo thể tích MxCy-zH [%mol] Biogas chứa 10x (%) CH4 và 10y (%) CO2 và z (%) H2 theo thể tích n [v/ph] Tốc độ động cơ Ne [kW] Công suất có ích pnap [bar] Áp suất khí nạp pp [bar] Áp suất vòi phun S [mm] Hành trình piston Tthai [K] Nhiệt độ khí thải TK [] Độ theo góc quay trục khuỷu Vc [m3] Thể tích buồng cháy Vh [m3] Dung tích xi lanh Vkk/Vnl [-] Tỉ lệ không khí/nhiên liệu nạp vào động cơ Wi [J/ct] Công chỉ thị chu trình 2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp α [°] Góc đóng bướm ga α=0° mở hoàn toàn, α=60° đóng hoàn toàn xvi
ε [-] Tỉ số nén m [%] Hiệu suất cơ giới v [-] Hệ số nạp  [kg/cm3] Khối lượng riêng φ [°TK] Góc quay trục khuỷu φs [°] Góc đánh lửa sớm theo góc quay trục khuỷu φp [°] Thời gian mở vòi phun theo góc quay trục khuỷu  [-] Hệ số tương đương của hỗn hợp nhiên liệu-không khí 3. Các chữ viết tắt CO Carbon monoxide ĐCD Điểm chết dưới ĐCT Điểm chết trên ECU Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit) FFV Xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt (Flexible-fuel vehicle) H2 Hydrogen HC Hydrocarbon HHO Hydroxyl HRES Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid (Hybrid Renewable Energy Systems) LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas) PV Mô-đun quang điện trên mặt đất RES Hệ thống năng lượng tái tạo (Renewable Energy Systems) xvii
MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Để đảm bảo mức tăng nhiệt độ bầu khí quyển không quá 2°C (mong muốn dưới ngưỡng 1,5°C) so với thời kỳ tiền công nghiệp [1] theo thỏa thuận Paris 2015 thì lượng phát thải ròng CO2 hàng năm trên toàn cầu phải giảm xuống mức bằng 0 hoặc âm ròng vào giữa thế kỷ này [2-3]. Mức độ gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển tỉ lệ thuận với lượng khí thải CO2 tích lũy. Vì vậy, xây dựng chiến lược để đạt được mục tiêu mức phát thải ròng bằng 0 ngày càng trở bức bách của các quốc gia trên khắp thế giới [2, 4, 5, 6]. Trọng tâm của các chiến lược này là chuyển đổi nhanh chóng và sâu rộng các hệ thống năng lượng, bao gồm giảm mạnh việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng, điện khí hóa rộng rãi các lĩnh vực sử dụng năng lượng đầu cuối và khống chế mức phát thải carbon [7-9]. Sự chuyển đổi hệ thống năng lượng này phải được hài hòa với cả các mục tiêu phát triển bền vững [10-11] cũng như tiềm lực kinh tế để thay thế cơ sở hạ tầng năng lượng hóa thạch hiện có [12]. Mới đây, tại cuộc họp Đại hội đồng Liên hiệp quốc tháng 11-2021, Tổng thư ký Liên hiệp quốc đã nói hiện chưa quá muộn để thực hiện mục tiêu này nhưng cánh cửa đang khép lại nhanh chóng. Tháng 11-2021, tại Hội nghị thượng đỉnh thường niên về chống biến đổi khí hậu COP 26 ở Glasgow, lãnh đạo các quốc gia đã đề ra chiến lược Net-Zero (tức chiến lược trung hòa carbon, mức độ phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính thấp hơn mức độ loại bỏ chúng từ môi trường). Tại hội nghị này, nước ta cũng cam kết giảm phát thải CO2, CH4 để đạt mục tiêu Net-Zero vào năm 2050 [13]. Đến nay đã có 74 quốc gia và vùng lãnh thổ cam kết thực hiện lộ trình Net Zero tương tự. Có khoảng 10 quốc gia cam kết thực hiện lộ trình Net Zero trước ngưỡng thời gian đó. Việc sử dụng năng lượng tái tạo thay thế năng lượng hóa thạch là trụ cột trong chiến lược Net Zero của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên nhược điểm chính của năng lượng tái tạo nói chung là chúng phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện thời tiết và môi trường khó có thể đoán trước và không thể kiểm soát, xviii