Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ diesel sử dụng nhiên liệu dieselsyngas

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ diesel sử dụng nhiên liệu dieselsyngas, phân tích hiệu suất và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Vũ Văn Dân
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Thanh Công
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel-syngas
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của đề tài

Luận văn tập trung vào nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel-syngas, một hướng đi mới trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực. Với sự cạn kiệt dần của nhiên liệu hóa thạch và vấn đề ô nhiễm môi trường, việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế như syngas trở nên cấp thiết. Syngas, được sản xuất từ các nguồn sinh khối như vỏ trấu, mùn cưa, và chất thải nông nghiệp, không chỉ giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Luận văn này nhằm đánh giá hiệu quả của việc sử dụng diesel-syngas trong động cơ diesel, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu hóa hoạt động của động cơ.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng mô hình động cơ diesel 1 xi-lanh để đánh giá đặc tính công suất, tiêu hao nhiên liệu, và khí thải khi sử dụng hỗn hợp diesel-syngas. Nghiên cứu cũng phân tích ảnh hưởng của các thông số vận hành như tốc độ và tỷ lệ H2/CO đến hiệu suất động cơ. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để đề xuất tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa diesel và syngas, nhằm tăng tính khả thi của việc ứng dụng nhiên liệu này trong tương lai.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel 1 xi-lanh, phun trực tiếp, sử dụng hỗn hợp diesel-syngas. Phạm vi nghiên cứu bao gồm đánh giá đặc tính công suất, áp suất xi-lanh, và khí thải (NOx, CO, Soot) khi thay đổi tỷ lệ diesel-syngas. Nghiên cứu được thực hiện thông qua mô phỏng trên phần mềm AVL Boost, kết hợp với dữ liệu thực nghiệm từ băng thử động cơ.

II. Tổng quan về nhiên liệu syngas

Syngas là khí tổng hợp được sản xuất từ các nguồn sinh khối như vỏ trấu, mùn cưa, và chất thải nông nghiệp. Thành phần chính của syngas bao gồm hydro (H2), carbon monoxide (CO), và một lượng nhỏ carbon dioxide (CO2). Quá trình sản xuất syngas thông qua công nghệ khí hóa, biến đổi các vật liệu hữu cơ thành khí nhiên liệu. So với diesel truyền thống, syngas có ưu điểm là giảm thiểu khí thải độc hại như NOx và Soot, đồng thời tận dụng được nguồn nguyên liệu tái tạo. Tuy nhiên, việc sử dụng syngas cũng đặt ra thách thức về hiệu suất động cơ và công nghệ sản xuất.

2.1. Công nghệ sản xuất syngas

Công nghệ sản xuất syngas bao gồm các phương pháp như khí hóa than, sinh khối, và chất thải. Quá trình khí hóa chuyển đổi các vật liệu hữu cơ thành syngas thông qua phản ứng nhiệt phân và oxy hóa. Các công nghệ phổ biến bao gồm khí hóa tầng cố định và khí hóa tầng sôi. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp phụ thuộc vào loại nguyên liệu và quy mô sản xuất.

2.2. Ưu nhược điểm của syngas

Syngas có ưu điểm là giảm thiểu khí thải độc hại và tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo. Tuy nhiên, việc sử dụng syngas cũng có nhược điểm như giảm công suất và mô-men động cơ so với diesel truyền thống. Ngoài ra, công nghệ sản xuất syngas cần được cải tiến để đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.

III. Phương pháp nghiên cứu và mô phỏng

Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm AVL Boost để đánh giá đặc tính động cơ khi sử dụng hỗn hợp diesel-syngas. Mô hình động cơ được thiết lập với các thông số vận hành như tốc độ và tỷ lệ H2/CO. Kết quả mô phỏng bao gồm công suất, mô-men, tiêu hao nhiên liệu, và khí thải được so sánh với trường hợp sử dụng 100% diesel. Phương pháp này cho phép đánh giá toàn diện hiệu quả của syngas trong động cơ diesel.

3.1. Mô hình hóa động cơ

Mô hình động cơ được xây dựng trên phần mềm AVL Boost với các thông số kỹ thuật của động cơ diesel 1 xi-lanh. Các điều kiện vận hành như tốc độ và tỷ lệ H2/CO được thiết lập để mô phỏng các tình huống thực tế. Kết quả mô phỏng được sử dụng để phân tích đặc tính công suất và khí thải của động cơ.

3.2. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng syngas làm giảm công suất và mô-men động cơ so với diesel truyền thống. Tuy nhiên, khí thải như NOx, CO, và Soot giảm đáng kể, góp phần bảo vệ môi trường. Tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa diesel và syngas được đề xuất dựa trên kết quả nghiên cứu.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng syngas trong động cơ diesel, mặc dù có sự giảm nhẹ về công suất và mô-men. Việc giảm thiểu khí thải độc hại như NOx, CO, và Soot là ưu điểm nổi bật của syngas. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới trong việc ứng dụng nhiên liệu tái tạo trong kỹ thuật cơ khí động lực, đặc biệt là tại các quốc gia có nguồn sinh khối dồi dào như Việt Nam.

4.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu góp phần làm rõ ảnh hưởng của syngas đến đặc tính động cơ và khí thải, đồng thời đề xuất các giải pháp tối ưu hóa hoạt động của động cơ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc ứng dụng nhiên liệu tái tạo tại Việt Nam, góp phần bảo vệ môi trường và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

4.2. Hướng phát triển tiếp theo

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm nghiên cứu cải tiến công nghệ sản xuất syngas và tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn với diesel. Ngoài ra, việc thử nghiệm trên các loại động cơ khác nhau và trong điều kiện thực tế cũng là hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Để bảo đảm an ninh năng lượng Quốc gia, hạn chế sự phụ thuộc của động cơ đốt trong vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày dần cạn kiệt. Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phát thải của động cơ đốt trong vào môi trường, đang là vấn đề được Đảng và Nhà Nước chúng ta quan tâm cũng như có nhiều giải pháp tìm kiếm nguồn nhiên liệu sạch để thay thế, trong đó nhiên liệu sinh học là nguồn nhiên liệu có giá thành rẻ và phổ biến. Do vậy nhiên liệu sinh học là một nguồn nhiên liệu được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm và đặc biệt là ở các nước nông nghiệp đang phát triển như Việt Nam có thể tận dụng tài nguyên tại chỗ để sản xuất nhiên liệu này.

Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học không phức tạp, tạo việc làm và tăng thu nhập cho người lao động, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp. Nhiên liệu sinh học sử dụng thuận tiện hơn các dạng nhiên liệu sạch khác nhất là đối với động cơ không cần phải thay đổi thiết kế chế tạo nhiều, giá thành nhiên liệu sinh học có giá thấp hơn so với xăng, dầu (xăng, dầu thuộc nguồn nhiên liệu hoá thạch đang ngày một cạn kiệt và giá thành ngày càng tăng nhanh). Sử dụng nhiên liệu sinh học giảm thiểu khí xả độc hại vào môi trường. Nhiên liệu syngas (viết tắt từ synthesis gas) là sản phẩm khí tổng hợp của nhiên liệu sinh học, bao gồm các thành phần khí H2, CO, CH4, CO2, N2,.

Syngas được sản xuất từ các hợp chất chứa cacbon như khí thiên nhiên gỗ, mùn cưa, vỏ trấu, sản phẩm dầu mỏ, than đá và sinh khối. Điều này đóng vai trò mấu chốt trong công nghiệp hóa học và sản xuất nhiên liệu tổng hợp. Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế. Nền kinh tế càng phát triển thì nhu cầu về năng lượng càng lớn dẫn đến suy giảm nhanh chóng nguồn nhiên liệu hóa thạch, đẩy giá nhiên liệu (xăng dầu, than, khí…) lên cao và gia tăng lượng khí CO2 thải vào khí quyển, gây nên hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu toàn cầu.

Do đó, ngoài những nghiên cứu giải 1 pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả thì nghiên cứu, ứng dụng những công nghệ mới nhằm phát triển, tạo ra nguồn năng lượng thay thế, bổ sung cho các nguồn năng lượng hoá thạch cần được quan tâm. Nguồn năng lượng sinh khối (NLSK) từ phụ phẩm nông, lâm nghiệp (rơm rạ, trấu, xơ dừa, vỏ cà phê, bã mía, xơ bắp, lá khô, vụn gỗ…) là một trong những nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo cần được quan tâm nghiên cứu khai thác. Nguồn sinh khối rất phong phú. Do vậy, công nghệ để sử dụng NLSK cũng rất đa dạng.

Việc nghiên cứu nắm vững công nghệ cho việc phát triển nguồn NLSK là việc rất quan trọng và đáng quan tâm. Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng nhiên liệu từ sinh khối ở các mức độ khác nhau [2], [9]: • Brasil là quốc gia đầu tiên sử dụng ethanol làm nhiên liệu ở quy mô công nghiệp từ năm 1970. Tất cả các loại xăng ở quốc gia này đều pha khoảng 25% ethanol (E25), mỗi năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD do không phải nhập dầu mỏ. • Mỹ sản xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương và thân cây cao lương ngọt, và củ cải đường.

Để khuyến khích sử dụng nhiêu liệu sạch, Chính phủ đã thực hiện việc giảm thuế 0,50 USD/gallon ethanol và 1 USD/gallon diesel sinh học, hỗ trợ các doanh nghiệp nhỏ sản xuất năng lượng sinh khối. • Đức sản xuất điện từ biogas đang rất phát triển với số lượng nhà máy đã đạt tới 4600 nhà máy với tổng công suất 1700MW/năm (năm 2009), và dự kiến sẽ tiếp tục tăng trong tương lai. • Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều ethanol sinh học trong cộng đồng Châu Âu với mức khoảng 1,07 triệu tấn ethanol và diesel sinh học (năm 2006). 2 • Thụy Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập khẩu xăng cho xe hơi vào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học.

Hiện nay, 20% xe ở Thụy Điển chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng ethanol. Để khuyến khích sử dụng xăng sinh học, chính phủ Thụy Điển không đánh thuế xăng sinh học, và trợ cấp xăng sinh học rẻ hơn 20% so với xăng thông thường. • Nhật Bản, Chính phủ đã ban hành Chiến lược năng lượng sinh khối từ năm 2003 và hiện nay đang tích cực thực hiện Dự án phát triển các đô thị sinh khối (biomass town) và đã có hơn 200 đô thị đạt danh hiệu này. • Thái Lan: Từ năm 1985, Thái Lan đã huy động hàng chục cơ quan khoa học đầu ngành để thực thi dự án Hoàng gia phát triển công nghệ hiệu quả sản xuất ethanol và diesel sinh học từ dầu cọ.

Năm 2003, đã có hàng chục trạm phân phối xăng sinh học ở Băng Cốc và vùng phụ cận và tiếp tục phát triển trong tương lai. • Việt Nam: Cũng như nhiều quốc gia khác, việc sử dụng năng lượng gió, năng lượng mặt trời, NLSK đang được áp dụng tại Việt Nam nhưng sản lượng còn thấp và quy mô không lớn. Bên cạnh đó, Việt Nam có một tiềm năng NLSK rất lớn từ các phụ phẩm nông, lâm nghiệp. Tiềm năng của NLSK tại Việt Nam theo [2],[9] như: - Tại ĐBSCL, khả năng thu gom phụ phẩm nông nghiệp của vùng vào khoảng trên 23 triệu tấn/năm, trong đó có khoảng trên 3,8 triệu tấn trấu, gần 17 triệu tấn rơm rạ, trên 372.000 tấn bắp; gần 1,4 triệu tấn bã mía (năm 2012).

Đây là các nguồn có khả năng tạo ra khí tổng hợp (syngas) ứng dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. - Lượng chất thải rắn (CTR) chăn nuôi của một số loài vật nuôi như sau: 3 Bảng 1.1 Thống kê lượng CTR theo thành phần vật nuôi Tổng số đầu con Tổng CTR/năm CTR bình quân Loài vật nuôi (triệu con) (triệu tấn) (kg/con/ngày) 2007 2008 2007 2008 Bò 6,72 6,33 10 24,528 23,13 Trâu 2,99 2,89 15 16,370 15,86 Lợn 26,56 26,7 2 19,389 19,49 Gia cầm 226,02 247,32 0,2 16,500 18,05 Dê 1,77 1,34 1,5 0,969 0,73 Cừu - 0,08 1,5 - 0,04 Ngựa 0,1 0,12 4 0,146 0,17 Hươu, nai 0,03 0,04 2,5 0,024 0,03 Chó - 8,07 1 - 2,95 Tổng cộng 77,926 80,45 Theo Nguyễn Thị Nhâm Tuất và cộng sự [9], nếu chỉ tính riêng từ phụ phẩm nông nghiệp và CTR chăn nuôi thì hàng năm nước ta có thể sản xuất khoảng 4,844 triệu m3 khí sinh học, tương đương với hơn 2 triệu tấn dầu. Việt Nam cũng đã khởi công xây dựng 4 nhà máy sản xuất ethanol từ tinh bột sắn, công suất mỗi nhà máy 100 triệu lít cồn/năm. Như vậy là vẫn còn khá nhỏ so với tiềm năng của nước ta.

Mặt khác, do nhiều nguyên nhân mà mỗi năm có hàng chục triệu tấn phế phụ phẩm nông nghiệp chưa được chú trọng khai thác mà bị đốt tại nhiều vùng nông thôn, cũng như các chất thải chăn nuôi thải ra môi trường gây ô nhiễm cho các khu vực.1 Vỏ trấu được thải bỏ bừa bãi Nhằm khai thác hiệu quả hơn các nguồn tài nguyên nông lâm nghiệp, tận dụng các nguồn chất thải, bảo vệ môi trường và nâng cao khả năng tiện dụng trong việc sử dụng NLSK cho động cơ nông nghiệp, động cơ tĩnh tại, máy phát điện trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày với quy mô nhỏ ở khu vực nông thôn. Do đó, việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng đánh giá đặc tính động cơ diesel sử dụng diesel-syngas” có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn là xây dựng mô hình động cơ diesel 1 xi-lanh để đánh giá đặc tính công suất, thông số tiêu biểu quá trình cháy và khí thải động cơ diesel sử dụng hỗn hợp syngas-diesel với tỷ lệ phối trộn thay đổi. Trên cơ sở của kết quả nghiên cứu, tác giả sẽ phân tích ảnh hưởng của các thông số vận hành tiêu biểu (vận tốc, góc quay trục khuỷu,…) đến đặc tính công suất và khí thải, cũng như đề xuất tỷ lệ bổ sung phù hợp syngas vào trong nhiên liệu diesel nhằm đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng nhiên liệu mới từ chất thải nông, lâm nghiệp trong tương lai tại Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel 1 xi-lanh, phun trực tiếp (dự kiến sử dụng kết cấu động cơ phổ biến RV125-2). Đây là dòng động cơ được Việt Nam sản xuất, chiếm thị phần lớn trong nước và xuất khẩu. Phạm vi nghiên cứu của luận văn này giới hạn trong các nội dung như sau: 1- Nghiên cứu đặc tính công suất (công suất, mô-men, tiêu hao nhiên liệu) của động cơ Diesel sử dụng hỗn hợp diesel- syngas. 2- Đặc tính thay đổi của nhiệt độ và áp suất trong xi-lanh khi có sự thay đổi của tỷ lệ diesel- syngas.

3- Đánh giá đặc tính phát thải (khí NOx, CO, Soot) của động cơ diesel sử dụng hỗn hợp diesel- syngas. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chính của luận văn là mô hình hóa và mô phỏng sử dụng phần mềm AVL Boost có sử dụng thông số vận hành thực nghiệm trên băng thử. Ngoài ra, tác giả cũng sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp các tài liệu liên quan và tham vấn ý kiến chuyên gia tại Công ty SVEAM, thầy hướng dẫn… 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu trong luận văn góp phần làm rõ ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn hợp syngas-diesel như nhiên liệu trên động cơ diesel đến công suất, mô-men, áp suất xi-lanh và một số khí thải độc của động cơ.

Kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở khoa học đề xuất cấu hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-syngas cho Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn: Nếu đề tài thực hiện thành công, kết quả nghiên cứu góp phần tin cậy cho xu hướng ứng dụng nhiên liệu mới từ nguyên liệu thải 6 lâm nghiệp, nông nghiệp (vốn phong phú) cho động cơ đốt trong, thiết bị động lực tại Việt Nam. Tổng quan về nhiên liệu syngas 1. Giới thiệu về nhiên liệu syngas Syngas là khí tổng hợp không phải là nhiên liệu hóa thạch tìm thấy trong tự nhiên, khí tổng hợp là một khí nhiên liệu hỗn hợp bao gồm chủ yếu là hydro, carbon monoxide và bao gồm một lượng khí carbon dioxide.

Phương pháp sản xuất bao gồm tái lập hơi nước của khí tự nhiên hoặc hydrocarbon lỏng để sản xuất hydro, các quá trình khí hóa than, sinh khối và trong một số loại chất thải thành năng lượng khí hóa.