i
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 11 năm 2021
Nghiên cứu sinh
Võ Anh Vũ
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................i
MỤC LỤC ................................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. v
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... x
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT...................................................................xi
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 6
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ..................................................................... 6
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 8
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 8
4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 10
5. Cấu trúc của luận án ............................................................................................. 10
6. Đóng góp mới của luận án .................................................................................... 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................ 11
1.1. Sự cần thiết của việc sử dụng năng lượng tái tạo [1] ...................................... 11
1.2. Nhiên liệu sinh học [66] ...................................................................................... 15
1.2.1. Các thế hệ nhiên liệu sinh học ................................................................ 15
1.2.2. Biogas ..................................................................................................... 16
1.3. Động cơ biogas [1] .............................................................................................. 23
1.3.1. Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ xăng ...... 23
1.3.2. Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ diesel ..... 25
1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng động cơ biogas thế giới và Việt Nam ......... 28
1.4.1. Các công trình nghiên cứu ứng dụng động cơ biogas trên thế giới ....... 28
1.4.2. Các công trình nghiên cứu phát triển động cơ biogas ở Việt Nam ....... 31
1.5. Kết luận ............................................................................................................... 36
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ
CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ............................................................ 31
2.1. Hệ phương trình cơ bản ..................................................................................... 31
2.1.1. Các phương trình tổng quát .................................................................... 31
2.1.2. Phân tích Reynolds ................................................................................. 31
2.1.3. Trung bình kiểu Favre ............................................................................ 32
2.1.4. Khép kín của hệ phương trình ................................................................ 33
2.2. Mô hình cháy không đồng nhất ........................................................................ 36
iii
2.2.1. Các mô hình cháy không đồng nhất ....................................................... 36
2.2.2. Mô hình cháy không đồng nhất thông qua đại lượng bảo toàn .............. 38
2.3. Mô hình cháy hỗn hợp đồng nhất ..................................................................... 42
2.3.1. Thiết lập hệ phương trình cháy .............................................................. 42
2.3.2. Lan tràn màng lửa ................................................................................... 47
2.4. Mô hình cháy đồng nhất cục bộ ........................................................................ 51
2.5. Kết luận ............................................................................................................... 53
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ
TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID
BIOGAS/XĂNG......................................................................................................... 54
3.1. Mục tiêu, đối tượng mô phỏng .......................................................................... 54
3.2. Mô hình hình học của động cơ và điều kiện biên mô phỏng .......................... 56
3.3. Kết quả mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng ......... 59
3.4. Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ DA465QE Towner
sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng ................................................................... 67
3.4.1. Ảnh hưởng của hệ số tương đương ........................................................ 67
3.4.2. So sánh tính năng động cơ khi chạy bằng biogas/xăng .......................... 72
3.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas ............................ 75
3.4.4. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ .............................................................. 81
3.4.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm .......................................................... 83
3.5. Hài hòa giữa Wi và NOx ..................................................................................... 88
3.6. Kết luận ............................................................................................................... 90
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYBRID BIOGAS-XĂNG92
4.1. Mục đích và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm ............................................... 92
4.2. Đặc điểm hệ thống nhiên liệu của động cơ DA465QE .................................... 92
4.3. Thiết kế hệ thống cung cấp hybrid biogas-xăng .............................................. 94
4.3.1. Nguyên lý cấp ga liên tục và gián đoạn ................................................. 94
4.3.2. Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ DA465QE ................................ 96
4.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động cơ DA465QE .. 98
4.5. Kết cấu tổ hợp van chân không cung cấp biogas ............................................ 99
4.6. Giới thiệu hệ thống thực nghiệm ...................................................................... 99
4.6.1. Tổng quan về băng thử công suất động cơ ............................................. 99
iv
4.6.2. Băng thử công suất APA 204/08 .......................................................... 100
4.6.3. Thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu 733S ......................................... 101
4.6.4. Thiết bị AVL 553 ................................................................................. 101
4.6.5. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp ............................................................... 102
4.6.6. Máy tính điều khiển .............................................................................. 103
4.6.7. Thiết bị phân tích khí thải MGT 5 ........................................................ 103
4.7. Nghiên cứu thực nghiệm động cơ chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng ...... 104
4.7.1. Bố trí hệ thống thí nghiệm .................................................................... 104
4.7.2. Chuẩn bị nhiên liệu ............................................................................... 105
4.7.3. Lắp đặt động cơ thí nghiệm lên băng thử công suất ............................ 107
4.7.4. Chế độ thí nghiệm ................................................................................ 108
4.8. Kết quả thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng ............................... 109
4.8.1. So sánh tính năng động cơ .................................................................... 109
4.8.2. So sánh phát thải các chất ô nhiễm cho bởi mô phỏng và thực nghiệm
........................................................................................................................ 115
4.9. Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng động cơ hybrid .................. 119
4.10. Kết luận ........................................................................................................... 120
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 122
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC .......................................................... 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 127
PHỤ LỤC ......................................................................................................................i
v
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các nguồn năng lượng ................................................................................ 11
Hình 1.2: Khoảng cách tương đối giữa Trái Đất và các hành tinh khác (a) và bức xạ
Mặt Trời ở Việt Nam (b) ............................................................................................. 12
Hình 1.3: Chu trình carbon trên Trái Đất .................................................................... 14
Hình 1.4: Chu trình carbon khi sử dụng biogas làm nhiên liệu .................................. 17
Hình 1.5: Động học quá trình sản sinh biogas [1] ....................................................... 17
Hình 1.6: Khả năng sinh khí biogas của một số nguyên liệu [1] ................................ 18
Hình 1.7: Yêu cầu lọc tạp chất trong biogas với các giải pháp sản xuất điện khác
nhau [1] ........................................................................................................................ 20
Hình 1.8: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động cơ đánh lửa cưỡng bức ................. 32
Hình 1.9: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động cơ dual fuel biogas-diesel ............ 32
..................................................................................................................................... 42
Hình 2.1: Quan hệ giữa nồng độ, nhiệt độ và khối lượng riêng theo tỉ hệ hỗn hợp.... 42
Hình 2.2: Sơ đồ lan tràn màng lửa theo mô hình hai khu vực .................................... 44
Hình 3.1: Các mặt cắt khảo sát trên đường nạp .......................................................... 56
Hình 3.2: Chia lưới không gian tính toán và đặc trưng của các phần tử ..................... 57
Hình 3.3: Ảnh chụp màn hình diễn biến các thông số trong xi lanh động cơ ............. 58
Hình 3.4: Biến thiên đường đồng mức áp suất, nồng độ CH4 và C8H18 trong quá trình
nạp (n=3000 vòng/phút, biogas M7C3, góc phun xăng 30-60, góc phun biogas 60-
110) ............................................................................................................................ 59
Hình 3.5: Biến thiên áp suất trên các mặt cắt ngang đường nạp khi động cơ chạy ở
tốc độ 2000 vòng/phút (a) và 5000 vòng/phút (b) (BG=0, không phun nhiên liệu) . 60
Hình 3.6: Biến thiên áp suất trên các mặt cắt ngang của đường nạp khi động cơ chạy
ở tốc độ 2000 vòng/phút (a) và 5000 vòng/phút (b) (BG=30, không phun nhiên liệu)
..................................................................................................................................... 61
Hình 3.7: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất tại mặt cắt ngang số
3 khi bướm ga mở hoàn toàn (a) và BG=30 (b) ........................................................ 61
Hình 3.8: Biến thiên áp suất trung bình tại mặt cắt ngang số 3 (a) và biến thiên hệ số
tương đương trong xi lanh (b) theo tốc độ động cơ ứng với các góc đóng bướm ga
khác nhau (cung cấp biogas M7C3 với góc phun cố định 50TK, không phun xăng)
..................................................................................................................................... 62