Nghiên cứu đánh giá sự cháy và khí thải của động cơ diesel 1 xy lanh với biogas và syngas

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng đánh giá đặc tính cháy và khí thải của động cơ diesel 01 xy lanh sử dụng diesel biogas và syngas.

• Tác giả: Nguyễn Minh Tâm
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Thanh Công
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Phỏng Đánh Giá Một Số Thông Số Đặc Tính Sự Cháy Và Khí Thải Tiêu Biểu Của Động Cơ Diesel 01 Xy Lanh Sử Dụng Diesel-Biogás, Diesel-Syngas, Diesel-Landfillgas
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu mô phỏng sự cháy và khí thải của động cơ diesel 1 xy lanh sử dụng biogas và syngas nhằm đánh giá các thông số đặc tính của động cơ, bao gồm áp suất, nhiệt độ cực đại trong xy lanh và phát thải khí độc hại như CO, NOx, SOOT. Việc áp dụng nhiên liệu tái tạo như biogas và syngas không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần vào việc tiết kiệm năng lượng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng nhiên liệu thay thế có thể cải thiện hiệu suất động cơ và giảm thiểu các thành phần khí thải độc hại. Đặc biệt, động cơ diesel 1 xy lanh là đối tượng nghiên cứu chính trong luận văn này, với việc thiết lập mô hình và tiến hành mô phỏng sự cháy trên phần mềm AVL Boost.

1.1 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và cạn kiệt tài nguyên năng lượng, việc nghiên cứu và phát triển các nguồn nhiên liệu tái tạo như biogas và syngas trở nên cấp thiết. Các loại nhiên liệu này không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm mà còn hỗ trợ trong việc chuyển đổi sang các giải pháp năng lượng bền vững. Sự phát triển của động cơ diesel sử dụng nhiên liệu thay thế có thể là một hướng đi quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và giảm phát thải khí độc hại. Nghiên cứu này nhằm phân tích các đặc tính nhiệt động lực học của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu này, từ đó đưa ra những khuyến nghị cho việc ứng dụng thực tiễn.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm việc xây dựng mô hình động cơ diesel 1 xy lanh và tiến hành mô phỏng trên phần mềm AVL Boost. Mô hình này cho phép xác định các thông số như áp suất và nhiệt độ trong xy lanh, cũng như các thông số phát thải như CO, NOx, SOOT. Các tỷ lệ phối trộn giữa diesel và các loại khí như biogas, syngas, và landfillgas sẽ được thay đổi từ 0% đến 100% để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất động cơ. Kết quả mô phỏng sẽ được phân tích để xác định các đặc tính sự cháy và khí thải của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau.

2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng

Mô hình động cơ được xây dựng dựa trên các thông số tiêu biểu như tốc độ động cơ và tỷ lệ các thành phần nhiên liệu. Sử dụng phần mềm AVL Boost, mô hình sẽ được thiết lập với các điều kiện biên và điều kiện ban đầu phù hợp. Các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất và các thông số phát thải sẽ được ghi nhận và phân tích. Việc mô phỏng này không chỉ giúp đánh giá hiệu suất động cơ mà còn cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc cải tiến thiết kế động cơ trong tương lai. Kết quả từ mô phỏng sẽ được so sánh với các nghiên cứu trước đó để xác định tính khả thi và hiệu quả của các loại nhiên liệu tái tạo.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc thay thế diesel bằng hỗn hợp lưỡng nhiên liệu diesel-biogas, diesel-syngas, và diesel-landfillgas dẫn đến sự giảm đáng kể về áp suất và nhiệt độ trong xy lanh. Điều này ảnh hưởng đến công suất và mô men của động cơ, tuy nhiên, đồng thời cũng góp phần làm giảm các thành phần khí thải độc hại như NOx, CO, và SOOT. Các tỷ lệ phối trộn khác nhau giữa các loại nhiên liệu cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong hiệu suất động cơ và mức độ phát thải. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về đặc tính sự cháy của động cơ mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển động cơ sử dụng nhiên liệu tái tạo trong tương lai.

3.1 Đánh giá hiệu suất động cơ

Khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp, hiệu suất động cơ có sự thay đổi đáng kể. Kết quả cho thấy rằng, với tỷ lệ diesel-biogas là 50/50, động cơ có thể duy trì công suất tối ưu trong khi phát thải khí độc hại giảm xuống. Việc sử dụng syngas cũng cho thấy khả năng tương tự, tuy nhiên, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng về tỷ lệ phối trộn để đảm bảo hiệu quả. Kết quả này khẳng định rằng việc sử dụng nhiên liệu thay thế không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững trong lĩnh vực động cơ.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu mô phỏng đã chỉ ra rằng việc sử dụng nhiên liệu tái tạo như biogas và syngas trong động cơ diesel 1 xy lanh có thể mang lại nhiều lợi ích về mặt môi trường và hiệu suất. Việc giảm thiểu khí thải độc hại và cải thiện hiệu suất động cơ là những kết quả đáng khích lệ. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các ảnh hưởng lâu dài của việc sử dụng các loại nhiên liệu này trong thực tế. Các khuyến nghị cho việc ứng dụng thực tiễn bao gồm việc phát triển các chính sách hỗ trợ cho việc chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu tái tạo, cũng như khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu này.

4.1 Hướng phát triển trong tương lai

Để nâng cao hiệu quả và tính khả thi của việc sử dụng nhiên liệu tái tạo, cần có sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển công nghệ mới. Việc áp dụng các giải pháp công nghệ tiên tiến trong việc sản xuất và tinh chế biogas và syngas sẽ là một yếu tố quan trọng. Bên cạnh đó, việc xây dựng các tiêu chuẩn và quy định cho việc sử dụng nhiên liệu tái tạo cũng sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp động cơ. Nghiên cứu này hy vọng sẽ tạo ra một nền tảng vững chắc cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ và ô tô. Trong tình hình dầu mỏ đang cạn kiệt và sự biến đổi khí hậu trái đất đang trở thành hiểm họa đối với loài người thì vấn đề nêu trên càng trở thành mối quan tâm hàng đầu của cả thế giới. Song song với việc hoàn thiện các hệ thống của động cơ đốt trong để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường thì các dự án, các chương trình nghiên cứu tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế và sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu thay thế cũng đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu, cụ thể: Nhiên liệu biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí CH4 và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ 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. Nhiên liệu syngas hay khí tổng hợp là một loại hỗn hợp khí nhiên liệu, chứa chủ yếu là H2, CO và bao gồm một lượng khí CO2. Khí tổng hợp có thể được sản xuất từ nhiều nguồn bao gồm khí tự nhiên, than đá, sinh khối hoặc hầu như bất cứ nguyên liệu hydrocarbon nào, bởi phản ứng với hơi nước, Carbon dioxide hoặc oxi. Khí tổng hợp thì dễ cháy và thường được sử dụng làm nhiên liệu của động cơ đốt trong.

Nhiên liệu landfillgas hay khí bãi chôn lấp là sản phẩm phụ của quá trình phân rã chất thải dạng rắn, với thành phần chính là khí CH4, CO2, N2 và các chất bay hơi khác. Việt Nam là một nước đang phát triển với tốc độ đô thị hóa rất nhanh. Chất thải trong sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, chăn nuôi và từ các bãi chôn lắp rác là nguồn nguyên liệu rất tốt để sản xuất biogas, syngas, landfillgas. Việc tận dụng nguồn biogas, syngas, landfillgas để phát điện cục bộ hướng tới tập trung nguyên liệu để sản xuất quy mô lớn cung cấp cho các nhà máy điện hay làm nhiên liệu cho 2 phương tiện giao thông vận tải là hướng phát triển nhiên liệu thay thế có thế mạnh và phù hợp với nước ta.

Do đó, việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng đánh giá một số thông số đặc tính sự cháy và khí thải tiêu biểu của động cơ diesel 01 xy lanh sử dụng diesel-biogas, diesel-syngas, diesel-landfillgas” có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1.1 Các nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam, một số tác giả nghiên cứu động cơ sử dụng nhiên liệu kép: diesel-biogas, diesel- syngas, diesel-landfillgas. Cụ thể như: • Huỳnh Thanh Công và cộng sự [1] nghiên cứu hiện trạng và xu hướng nghiên cứu động cơ đốt trong sử dụng khí sinh học biogas, Đặc tính kinh tế, kỹ thuật và môi trường của bốn loại hệ thống cung cấp nhiên liệu sử dụng biogas trên động cơ đốt trong khác nhau được phân tích nhằm đáp ứng ưu khuyết điểm của từng loại và tính khả thi khi ứng dụng thực tế của động cơ đốt trong dùng biogas. Ngoài ra, các công nghệ hiện đại trong việc tinh lọc biogas cho sử dụng trên phương tiện giao thông công cộng (xe buýt, taxi) cũng được giới thiệu và tìm hiểu; • Bùi Văn Ga và cộng sự [2] nghiên cứu ứng dụng diesel-biogas cho động cơ lắp trên phương tiện cơ giới đường bộ phục vụ giao thông nông thôn Việt Nam. Các tác giả đã phát triển bộ trộn diesel-biogas dùng riêng động cơ nhiên liệu kép với sự đồng đều của hỗn hợp giúp động cơ hoạt động ổn định với các điều kiện vận hành.

Xác định hệ số tương đương tốt nhất cho chế độ vận hành của động cơ nhiên liệu kép tương thích với các chế độ tốc độ, độ mở van cung cấp và vị trí bướm ga khác nhau. Ngoài ra, trên cơ sở tối ưu hệ số tương đương, tác giả đã trình bày được sự ảnh hưởng của hệ số này đến các thông số đặc tính công suất, sự cháy và vận hành thực tế của động cơ nhiên liệu kép; Nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy của động cơ nhiên liệu kép diesel-biogas; • Bùi Văn Chinh [3] nghiên cứu sử dụng khí tổng hợp từ sinh khối cho động cơ diesel phát điện cỡ nhỏ bằng phần mềm AVL-Boost. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thành phần khí có trong syngas được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu sinh khối khác nhau đến đặc tính của động cơ. Nghiên cứu cho thấy, khi tăng 3 hàm lượng hydro trong nhiên liệu, quá trình cháy được cải thiện làm tăng công suất, giảm tiêu hao năng lượng và cải thiện thành phần phát thải CO, SOOT; • Lê Minh Tiến và cộng sự [4] nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas-diesel trên cơ sở động cơ diesel một xy lanh tĩnh tại cho thấy việc chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang chạy bằng biogas có thể được thực hiện theo phương pháp động cơ đánh lửa cưỡng bức, phương pháp động cơ nhiên liệu kép hay phương pháp động cơ hai nhiên liệu biogas-diesel.

Phương pháp nhiên liệu kép sử dụng một lượng phun diesel tối thiểu để làm ngọn lửa mồi đánh lửa động cơ. Trong vận hành lượng phun tối thiểu cần thiết để đánh lửa chỉ chiếm khoảng dưới 10% lượng phun khi động cơ chạy bằng diesel ở chế độ định mức. Tuy nhiên để vòi phun không quá nóng trong quá trình hoạt động bằng biogas, lượng phun tối thiểu cần được duy trì ở mức khoảng từ 10% đến 20% lượng phun diesel ở chế độ định mức.2 Các nghiên cứu ngoài nước • C. Ji và cộng sự [5] đã nghiên cứu các đặc điểm về quá trình đốt cháy và phát thải của một động cơ SI chạy bằng hỗn hợp xăng-khí tổng hợp.

Các kết luận chính được liệt kê như sau: Do quá trình đốt cháy được tăng cường sau khi làm giàu khí tổng hợp, động cơ biểu thị hiệu suất nhiệt được tăng từ 34,52% của động cơ ban đầu lên 39,01% của động cơ xăng pha trộn 2,43% khí tổng hợp. Phát thải HC và NOx giảm khi tăng phần thể tích khí tổng hợp. Nhưng lượng khí thải CO tăng lên với bổ sung khí tổng hợp, do nhiệt độ xy lanh giảm. Mahmoodi và cộng sự [6] nghiên cứu ảnh hưởng của khí sinh học cải tạo như một nhiên liệu phản ứng thấp đối với hiệu suất và lượng khí thải của động cơ RCCI với nhiên liệu đốt kép biogas/diesel cải tiến, xây dựng mô hình tính toán 3D để xác nhận động cơ đánh lửa nén một xy lanh trong hoạt động diesel thông thường và nhiên liệu kép ở 9 bar, 1300 vòng/phút.

Sau đó, mô hình đốt cháy của động cơ RCCI được mô phỏng bằng cách thay thế nhiên liệu diesel với 20%, 40% và 60% khí biogas làm nhiên liệu phản ứng thấp trong khi vẫn giữ nguyên tổng năng lượng nhiên liệu đầu vào cho mỗi chu kỳ. Kết quả chứng minh rằng khi tỷ lệ thay thế khí biogas tăng với tỷ lệ tương đương không đổi là 0,43, nhiệt độ cháy trung bình giảm 4 xuống 1354 K, 1312 K, 1292 K thấp hơn khoảng 3,5%, 6,6%, 7,9% so với động cơ diesel thông thường sự đốt cháy, tương ứng. Áp suất tối đa trong xy lanh tăng lên đến 22,63%. Thay vào đó, nó dẫn đến tổn thất công suất động cơ lần lượt là 2,3%, 7,9% và 14,5%.

Ngoài ra, phát thải NOx, CO, giảm 50%. Phát thải bồ hóng và UHC giảm nhẹ khi sử dụng khí biogas với tỷ lệ trên 40%. Jazayeri [7] nghiên cứu đối với động cơ diesel xy lanh đơn hoạt động tại 9,4 bar ở chế độ RCCI được cấp nhiên liệu bằng dầu diesel và khí bãi rác được làm giàu bằng hydro, các nhận xét sau có thể được kết luận trong nghiên cứu này: Bằng cách thêm hydro vào khí bãi rác, tổng khối lượng nhiên liệu trên mỗi chu kỳ được giảm xuống trong khi áp suất đỉnh được tăng lên. Do sự có mặt của hydro trong hỗn hợp nhiên liệu, thời gian bắt đầu cháy xảy ra chậm lại và tải động cơ giảm nhẹ.

Mặc dù cường độ vẫn nằm trong phạm vi chấp nhận được, nhưng hoạt động của động cơ sẽ không bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn đốt cháy quá mức hoặc tiếng động cơ diesel. Ngay cả khi không có EGR, do sự hiện diện của carbon dioxide trong khí bãi rác, NOx giảm nhẹ. Bằng cách tăng phần trăm phụ gia hydro và yêu cầu EGR, vì phần carbon dioxide trong EGR tăng lên, NOx giảm mạnh. Hơn nữa, do sự tương tác của H2 với CO trong quá trình đốt cháy, CO giảm đáng kể.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn là để đánh giá các thông số tiêu biểu về đặc tính sự cháy và phát thải của động cơ diesel sử dụng hỗn hợp lưỡng nhiên liệu (bao gồm: diesel-biogas, diesel-syngas, và diesel-landfillgas) trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Trên cơ sở của kết quả nghiên cứu mô phỏng, tác giả sẽ phân tích ảnh hưởng của tốc độ động cơ, tỷ lệ thành phần hỗn hợp nhiên liệu đến đặc tính quá trình cháy và khí thải; làm cơ sở đề xuất tỷ lệ bổ sung phù hợp biogas, syngas, landfillgas thay thế diesel nhằm đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng của loại nhiên liệu thay thế này trong tương lai tại Việt Nam.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chính bao gồm: hỗn hợp các lưỡng nhiên liệu diesel- biogas, diesel-syngas, diesel-landfillgas, kết cấu động cơ diesel 01 xy lanh phun trực tiếp Vikyno RV125-2 và phần mềm AVL Boost ver.2 Phạm vi nghiên cứu: Luận văn này đặt giới hạn nghiên cứu trong các nội dung sau đây: - Nghiên cứu đặc tính sự cháy (áp suất cực đại, nhiệt độ cực đại) của động cơ diesel sử dụng hỗn hợp diesel-biogas, diesel-syngas, diesel-landfillgas. - Đánh giá đặc tính phát thải (khí NOx, CO, SOOT) của động cơ diesel sử dụng hỗn hợp diesel-biogas, diesel-syngas, diesel-landfillgas. - Đề xuất tỷ lệ phù hợp thay thế biogas, syngas, landfillgas trong Diesel trên cơ sở cân đối giữa các tiêu chí kinh tế, kỹ thuật, và môi trường.5 Phương pháp nghiên cứu Luận văn tiếp cận mục tiêu nghiên cứu thông qua tổng quan về lý thuyết và mô hình hóa, mô phỏng sử dụng phần mềm AVL Boost có kết hợp sử dụng thông số thực nghiệm về điều kiện vận hành trên băng thử.