Nâng cao hiệu quả động cơ biogas hydrogen qua điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm

Luận án tiến sĩ phân tích tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm để cải thiện kết quả công tác của động cơ, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng

• Tác giả: Bùi Văn Hùng
• Người hướng dẫn: PTS. Bùi Thị Minh Tú
• Trường học: Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Tối Ưu Hóa Động Cơ Biogas Hydrogen Với Hệ Số Tương Đương Và Góc Đánh Lửa Sớm
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỂ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
• ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• CẤU TRÚC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Cơ cấu năng lượng toàn cầu trong chiến lược Net Zero
• 1.2. Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid
• 1.3. Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid điện mặt trời - sinh khối
• 1.4. Ảnh hưởng của hydrogen đến tính năng của động cơ
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỜNG BỨC
• 2.1. Hệ phương trình cơ bản
• 2.2. Mô hình rơi
• 2.3. Mô hình cháy
• 2.4. Tính toán các đại lượng của quá trình cháy
• 2.5. Xác định vị trí màng lửa
• 2.6. Tốc độ màng lửa cháy tầng
• 2.7. Tốc độ cháy rơi
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ PHUN NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN
• 3.1. Thiết lập mô hình
• 3.2. Xây dựng không gian tính toán và chia lưới
• 3.3. Trình tự thực hiện mô phỏng
• 3.4. Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp của động cơ
• 3.5. Diễn biến quá trình nạp
• 3.6. Ảnh hưởng của đường kính líp phun và áp suất phun
• 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen
• 3.8. Ảnh hưởng của hàm lượng CH4 trong biogas
• 3.9. Ảnh hưởng của đường mở bướm ga
• 3.10. Giãn đế phun nhiên liệu biogas-hydrogen
• 3.11. Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ
• 3.12. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm
• 3.13. Ảnh hưởng của hệ số tương đương
• 3.14. Ảnh hưởng của thành phần biogas
• 3.15. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen
• 3.16. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ
• 3.17. Ảnh hưởng của chế độ tải
• 3.18. So sánh tính năng động cơ khi sử dụng biogas và biogas pha hydrogen
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Điều kiện điện tử vòi phun nhiên liệu biogas-hydrogen
• 4.2. Điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ chạy bằng hỗn hợp biogas-hydrogen
• 4.3. Tốc độ cháy cháy tầng
• 4.4. Mô hình vật lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm
• 4.5. Thiết lập ECU điều khiển động cơ biogas-hydrogen
• 4.6. Sơ đồ hệ thống cải tạo động cơ
• 4.7. Lắp đặt các bộ phận lên động cơ cải tạo
• 4.8. Nghiên cứu thực nghiệm
• 4.9. Chuẩn bị nhiên liệu
• 4.10. Bố trí hệ thống thí nghiệm
• 4.11. Trình tự thí nghiệm
• 4.12. Kết quả thí nghiệm
• 4.13. Điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu
• 4.14. Điều chỉnh góc đánh lửa sớm
• 4.15. Sơ đồ hệ thống tái động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm động cơ biogas-hydrogen có thành phần thay đổi
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về động cơ biogas hydrogen

Động cơ biogas hydrogen đang trở thành một giải pháp tiềm năng trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng hiện nay. Việc tối ưu hóa động cơ này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Động cơ biogas thường hoạt động với nhiên liệu biogas, một nguồn năng lượng tái tạo, và khi kết hợp với hydrogen, hiệu suất có thể được cải thiện đáng kể. Theo nghiên cứu, việc điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm là hai yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Điều này không chỉ giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn mà còn giảm thiểu phát thải khí độc hại.

1.1. Tầm quan trọng của biogas và hydrogen

Biogas và hydrogen là hai nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm không khí. Biogas được sản xuất từ quá trình phân hủy chất hữu cơ, trong khi hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm điện phân nước. Việc sử dụng biogas và hydrogen trong động cơ không chỉ giúp giảm thiểu khí thải CO2 mà còn cải thiện hiệu suất động cơ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc pha trộn hydrogen vào biogas có thể làm tăng năng lượng sạch, từ đó giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

II. Nguyên lý hoạt động của động cơ biogas hydrogen

Động cơ biogas hydrogen hoạt động dựa trên nguyên lý đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trong buồng đốt. Hỗn hợp này bao gồm biogas và hydrogen, với tỷ lệ được điều chỉnh để đạt được hiệu suất tối ưu. Hệ số tương đương là một yếu tố quan trọng trong quá trình này, ảnh hưởng đến tỷ lệ không khí và nhiên liệu trong buồng đốt. Việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm cũng đóng vai trò quan trọng, giúp tối ưu hóa quá trình cháy và nâng cao hiệu suất động cơ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh hai yếu tố này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ, đồng thời giảm thiểu phát thải khí độc hại.

2.1. Hệ số tương đương và góc đánh lửa

Hệ số tương đương là tỷ lệ giữa lượng nhiên liệu và không khí trong quá trình cháy. Việc điều chỉnh hệ số này giúp tối ưu hóa quá trình cháy, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ. Góc đánh lửa sớm cũng là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến thời điểm bắt đầu quá trình cháy trong buồng đốt. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm có thể giúp cải thiện hiệu suất động cơ, đồng thời giảm thiểu phát thải khí độc hại. Việc tối ưu hóa hai yếu tố này là cần thiết để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả và bền vững.

III. Ứng dụng thực tiễn của động cơ biogas hydrogen

Động cơ biogas hydrogen có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực giao thông và sản xuất năng lượng. Việc sử dụng động cơ này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tiết kiệm chi phí năng lượng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ biogas hydrogen có thể được áp dụng trong các phương tiện giao thông công cộng, xe tải và các thiết bị công nghiệp. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu khí thải mà còn tạo ra một nguồn năng lượng bền vững cho tương lai.

3.1. Lợi ích kinh tế và môi trường

Việc sử dụng động cơ biogas hydrogen mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường. Đầu tiên, nó giúp giảm chi phí nhiên liệu nhờ vào việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo. Thứ hai, động cơ này giúp giảm thiểu phát thải khí độc hại, từ đó cải thiện chất lượng không khí. Cuối cùng, việc áp dụng công nghệ này có thể tạo ra nhiều cơ hội việc làm trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, việc chuyển đổi năng lượng trở thành ưu tiên hàng đầu của nhiều quốc gia trên thế giới. Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), đến năm 2050, năng lượng tái tạo dự kiến sẽ cung cấp khoảng 2/3 tổng năng lượng sử dụng toàn cầu, trong khi năng lượng hóa thạch giảm xuống còn khoảng 20%. Việt Nam, với tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời và sinh khối, đặc biệt là biogas, đang hướng tới phát triển hệ thống năng lượng tái tạo hybrid (HRES) kết hợp năng lượng mặt trời và sinh khối nhằm đáp ứng mục tiêu Net-Zero vào năm 2050.

Động lực chính của nghiên cứu là giải quyết các thách thức trong vận hành động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hỗn hợp biogas-hydrogen trong hệ thống HRES. Thành phần nhiên liệu thay đổi liên tục theo nguồn cung cấp và điều kiện vận hành, đòi hỏi động cơ phải được điều chỉnh linh hoạt các thông số vận hành như góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương nhiên liệu-không khí để đảm bảo hiệu suất và giảm phát thải ô nhiễm. Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết kế và phát triển hệ thống điều khiển tự động quá trình cung cấp nhiên liệu và góc đánh lửa sớm cho động cơ sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen với thành phần biến đổi trong phạm vi rộng, nhằm nâng cao hiệu quả công tác và giảm phát thải.

Phạm vi nghiên cứu tập trung trên động cơ xăng Honda GX200 được cải tạo thành động cơ phun nhiên liệu khí và điều khiển điện tử, mô phỏng và thử nghiệm với các thành phần nhiên liệu biogas pha trộn hydrogen tại các điều kiện vận hành khác nhau. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ động cơ sử dụng nhiên liệu tái tạo linh hoạt, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng sạch tại Việt Nam và các quốc gia đang phát triển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức (SI engine): Nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp nhiên liệu-không khí, quá trình cháy rơi và cháy lan truyền, ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến tốc độ cháy và áp suất trong xi lanh.
• Mô hình điều khiển hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm: Phân tích ảnh hưởng của hệ số tương đương (φ) và góc đánh lửa sớm (φs) đến hiệu suất động cơ, phát thải NOx, CO và HC.
• Khái niệm về hệ thống năng lượng tái tạo hybrid (HRES): Kết hợp năng lượng mặt trời và sinh khối, trong đó hydrogen được sản xuất từ điện phân nước bằng năng lượng mặt trời, biogas được sản xuất từ chất thải hữu cơ, tạo thành nhiên liệu hỗn hợp cho động cơ.
• Thuật ngữ chuyên ngành: Hệ số tương đương nhiên liệu-không khí (φ), góc đánh lửa sớm (φs), hiệu suất nhiệt (η), phát thải NOx, CO, HC, hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen, điều khiển điện tử ECU.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp ba phương pháp chính:

• Phân tích lý thuyết: Tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cứu về quá trình cháy, ảnh hưởng của hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu biogas, các mô hình điều khiển động cơ.
• Mô phỏng số: Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT 2021R1 để mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong xi lanh động cơ với các thành phần nhiên liệu biogas-hydrogen khác nhau. Mô hình được xây dựng với không gian tính toán chia lưới chi tiết, áp dụng các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng, đồng thời mô phỏng sự biến thiên áp suất, nhiệt độ và phát thải.
• Thí nghiệm thực tế: Cải tạo động cơ xăng Honda GX200 thành động cơ phun nhiên liệu khí và điều khiển điện tử, thiết lập hệ thống cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu, lưu lượng không khí, áp suất và nhiệt độ. Thí nghiệm được tiến hành tại các điều kiện vận hành khác nhau, thay đổi thành phần hydrogen trong biogas từ 0% đến 40%, điều chỉnh góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương để đánh giá hiệu suất và phát thải.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều điểm vận hành với các tỷ lệ pha trộn nhiên liệu khác nhau, sử dụng phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện. Phân tích số liệu sử dụng các công cụ thống kê mô tả và so sánh, đồng thời đối chiếu kết quả mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen đến hiệu suất động cơ: Khi pha hydrogen vào biogas với tỷ lệ 10%, 20%, 30% và 40%, công suất chu trình động cơ tăng lần lượt khoảng 8%, 10%, 6% và 5% so với khi chạy bằng biogas thuần túy. Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm dần từ 18° xuống còn 11° khi hàm lượng hydrogen tăng lên 40%. (Số liệu mô phỏng và thí nghiệm đồng nhất với sai số dưới 5%).

2. Phát thải NOx tăng theo hàm lượng hydrogen: Mức phát thải NOx tăng khoảng 1,5 lần khi pha 15% hydrogen và tăng gấp đôi khi pha 30% hydrogen so với biogas thuần túy. Tuy nhiên, khi tăng tốc độ động cơ từ 1000 vòng/phút lên 3000 vòng/phút, mức NOx giảm 3 lần do giảm áp suất và nhiệt độ đỉnh trong xi lanh.

3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm: Tăng góc đánh lửa sớm từ 10° lên 30° làm tăng áp suất đỉnh và nhiệt độ cháy, dẫn đến tăng phát thải NOx khoảng 1,5 lần. Việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm linh hoạt theo thành phần nhiên liệu giúp cân bằng hiệu suất và phát thải.

4. Hiệu quả của hệ thống điều khiển tự động: Hệ thống điều khiển điện tử ECU được phát triển cho phép điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành, giúp duy trì hệ số tương đương nhiên liệu-không khí trong khoảng tối ưu (φ ≈ 1) và góc đánh lửa sớm phù hợp, nâng cao hiệu suất động cơ khoảng 10% và giảm phát thải CO, HC đáng kể.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc pha hydrogen vào biogas cải thiện đáng kể tốc độ cháy và hiệu suất nhiệt của động cơ do hydrogen có tốc độ cháy nhanh gấp 10 lần methane và giới hạn cháy rộng hơn. Tuy nhiên, sự gia tăng nhiệt độ đỉnh cũng làm tăng phát thải NOx, điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu.

Việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương nhiên liệu-không khí là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và giảm phát thải. Hệ thống điều khiển tự động được thiết kế trong luận văn đã chứng minh khả năng đáp ứng linh hoạt với biến đổi thành phần nhiên liệu trong phạm vi rộng, điều mà các động cơ truyền thống khó có thể thực hiện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ biến thiên công suất chu trình, phát thải NOx theo hàm lượng hydrogen và góc đánh lửa sớm, cũng như bảng so sánh hiệu suất và phát thải giữa các điều kiện vận hành khác nhau, giúp minh họa rõ ràng các xu hướng và hiệu quả của giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống điều khiển tự động trên động cơ sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen: Áp dụng ECU điều khiển thời gian phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành nhằm duy trì hiệu suất tối ưu và giảm phát thải. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: các nhà sản xuất động cơ và trung tâm nghiên cứu.

2. Phát triển công nghệ pha trộn nhiên liệu và lưu trữ hydrogen: Nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp lưu trữ hydrogen an toàn, hiệu quả, đồng thời thiết kế hệ thống pha trộn nhiên liệu linh hoạt để đảm bảo thành phần nhiên liệu ổn định trong phạm vi cho phép. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng.

3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành cho động cơ sử dụng nhiên liệu hỗn hợp: Đề xuất các tiêu chuẩn về thành phần nhiên liệu, điều kiện vận hành, kiểm soát phát thải phù hợp với đặc thù nhiên liệu biogas-hydrogen. Thời gian thực hiện: 1 năm; Chủ thể: cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức tiêu chuẩn.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ thuật viên và người vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành, bảo dưỡng động cơ sử dụng nhiên liệu tái tạo, đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động và an toàn khi sử dụng hydrogen. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực động cơ đốt trong và năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình và kết quả thực nghiệm chi tiết về việc sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen, hỗ trợ phát triển công nghệ động cơ sạch.

2. Doanh nghiệp sản xuất và cải tạo động cơ: Thông tin về hệ thống điều khiển tự động và cải tiến kỹ thuật giúp nâng cao hiệu suất và giảm phát thải, từ đó tăng tính cạnh tranh và đáp ứng yêu cầu môi trường.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp dữ liệu và giải pháp kỹ thuật hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn, chính sách phát triển năng lượng tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính.

4. Các tổ chức và cá nhân hoạt động trong lĩnh vực phát triển năng lượng sạch tại khu vực nông thôn: Thông tin về ứng dụng hệ thống năng lượng hybrid mặt trời-sinh khối, đặc biệt là sử dụng động cơ biogas-hydrogen, giúp cải thiện chất lượng điện và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần pha hydrogen vào biogas trong động cơ đốt trong?
   Hydrogen có tốc độ cháy nhanh và giới hạn cháy rộng, giúp cải thiện tốc độ cháy và hiệu suất nhiệt của động cơ khi pha vào biogas. Điều này làm tăng công suất và giảm phát thải CO, HC, tuy nhiên cần kiểm soát phát thải NOx do nhiệt độ cháy tăng.

2. Hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh những thông số nào?
   Hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm dựa trên thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành nhằm duy trì hệ số tương đương nhiên liệu-không khí tối ưu và góc đánh lửa phù hợp, giúp động cơ hoạt động hiệu quả và sạch hơn.

3. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi sử dụng hydrogen trong động cơ?
   Hydrogen được sản xuất và lưu trữ theo các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt, sử dụng bình chứa áp suất cao và hệ thống cảm biến phát hiện rò rỉ. Việc pha trộn và cung cấp nhiên liệu được kiểm soát chặt chẽ qua hệ thống điều khiển điện tử để tránh nguy cơ cháy nổ.

4. Phạm vi áp dụng của nghiên cứu này là gì?
   Nghiên cứu tập trung trên động cơ xăng cải tạo thành động cơ phun nhiên liệu khí sử dụng hỗn hợp biogas-hydrogen, phù hợp với các hệ thống năng lượng tái tạo hybrid tại các vùng nông thôn và khu vực chưa có lưới điện ổn định.

5. Lợi ích kinh tế khi áp dụng công nghệ này?
   Việc sử dụng nhiên liệu tái tạo biogas-hydrogen giúp giảm chi phí nhiên liệu hóa thạch, tăng hiệu suất động cơ, giảm phát thải ô nhiễm, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu địa phương sẵn có, góp phần phát triển kinh tế bền vững và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu.

Kết luận

• Đã phát triển thành công hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm cho động cơ sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen với thành phần biến đổi.
• Pha hydrogen vào biogas cải thiện hiệu suất động cơ, tăng công suất chu trình lên đến 10% và giảm phát thải CO, HC, tuy nhiên cần kiểm soát phát thải NOx tăng theo hàm lượng hydrogen.
• Việc điều chỉnh linh hoạt góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương nhiên liệu-không khí là yếu tố then chốt để cân bằng hiệu suất và phát thải.
• Kết quả mô phỏng và thí nghiệm đồng nhất, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid.
• Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ trong thực tế, đồng thời nghiên cứu mở rộng cho các loại động cơ và hệ thống năng lượng tái tạo khác.

Khuyến khích các nhà sản xuất động cơ và trung tâm nghiên cứu phối hợp phát triển hệ thống điều khiển tự động, đồng thời xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực vận hành. Đẩy mạnh ứng dụng công nghệ trong các dự án năng lượng tái tạo tại Việt Nam và khu vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TêNG QUAN VÄ VÂN ĐÄ NGHIÊN CþU. C¢ cÃu năng l°ùng toàn cÅu trong chiÃn l°ùc <Net Zero=. HË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid. HË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid điËn mÁt trói-sinh khçi.

Ành h°õng cýa hydrogen đÃn tính năng cýa đïng c¢ .22 CHƯƠNG 2: C¡ Sô LÝ THUYÂT QUÁ TRÌNH T¾O HìN HøP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐîNG C¡ ĐÁNH LĀA C¯öNG BþC. HË ph°¢ng trình c¢ bÁn. Mô hình rçi. Mô hình cháy.

Tính toán các đ¿i l°ùng cýa quá trình cháy. Xác đánh vá trí màng lāa. Tçc đï màng lāa chÁy tÅng. Tçc đï cháy rçi .42 CHƯƠNG 3: MÔ PHäNG QUÁ TRÌNH T¾O HìN HøP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CüA ĐîNG C¡ PHUN NHIÊN LIÊU BIOGAS-HYDROGEN.

ThiÃt lÁp mô hình. Xây dāng không gian tính toán và chia l°ñi. Trình tā thāc hiËn mô phång. Mô phång quá trình t¿o hín hùp cýa đïng c¢.

DiÉn biÃn quá trình n¿p. Ành h°õng cýa đ°óng kính lí phun và áp suÃt phun. Ành h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen. Ành h°õng cýa hàm l°ùng CH4 trong biogas.

Ành h°õng cýa đï mõ b°ñm ga. GiÁn đé phun nhiên liËu biogas-hydrogen. Mô phång quá trình cháy và phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢. Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm.

Ành h°õng cýa hË sç t°¢ng đ°¢ng. Ành h°õng cýa thành phÅn biogas. Ành h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen. Ành h°õng cýa tçc đï đïng c¢.

Ành h°õng cýa chà đï tÁi. So sánh tính năng đïng c¢ khi sā dûng biogas và biogas pha hydrogen 89 3.91 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CþU THĀC NGHIÊM VÀ ĐÁNH GIÁ KÂT QUÀ MÔ iii PHäNG. ĐiÅu khiÇn điËn tā vòi phun nhiên liËu biogas-hydrogen. ĐiÅu chßnh góc đánh lāa sñm đïng c¢ ch¿y bằng hín hùp biogas-hydrogen97 4.

Tçc đï cháy chÁy tÅng. Mô hình vÁt lý điÅu chßnh góc đánh lāa sñm. ThiÃt lÁp ECU điÅu khiÇn đïng c¢ biogas-hydrogen. S¢ đé hË thçng cÁi t¿o đïng c¢.

LÃp đÁt các bï phÁn lên đïng c¢ cÁi t¿o. Nghiên cÿu thāc nghiËm. Chuẩn bá nhiên liËu. Bç trí hË thçng thí nghiËm.

Trình tā thí nghiËm. KÃt quÁ thí nghiËm. ĐiÅu chßnh thói gian phun nhiên liËu. ĐiÅu chßnh góc đánh lāa sñm.

S¢ đé hË thçng tā đïng điÅu chßnh hË sç t°¢ng đ°¢ng và góc đánh lāa sñm đïng c¢ t*nh t¿i ch¿y bằng biogas-hydrogen có thành phÅn thay đëi .131 KÂT LUÀN VÀ H¯ðNG PHÁT TRIÆN. 132 DANH MúC CÔNG TRÌNH KHOA HâC. 136 TÀI LIÊU THAM KHÀO:. I iv TĀ ĐàNG ĐIÀU CHÈNH HÆ SÐ T¯¡NG Đ¯¡NG VÀ GÓC ĐÁNH LĀA SâM Đ NÂNG CAO HIÆU QUÀ CÔNG TÁC CĂA ĐàNG C¡ BIOGAS- HYDROGEN Tóm tÃt: Do tác đïng cýa biÃn đëi khí hÁu đang diÉn ra ngày càng trÅm trãng, viËc chuyÇn đëi năng l°ùng đang là mçi quan tâm hàng đÅu cýa hÅu hÃt các quçc gia trên thà giñi.

Trong bçi cÁnh đó thì hË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid (HRES) gém năng l°ùng mÁt trói và sinh khçi là mït l*nh vāc nghiên cÿu đang đ°ùc quan tâm. Đïng c¢ đçt trong th°óng đ°ùc thiÃt kà đÇ làm viËc vñi mït lo¿i nhiên liËu cho tr°ñc và trong điÅu kiËn vÁn hành xác đánh. Trong HRES thành phÅn nhiên liËu thay đëi th°óng xuyên theo nguyên liËu đÅu vào và nguén hydrogen do điËn mÁt trói cung cÃp. MÁt khác, chà đï tÁi cýa đïng c¢ cũng thay đëi th°óng xuyên đÇ cung cÃp tÁi bù cho hË thçng.

Do đó, đïng c¢ phÁi đ°ùc điÅu chßnh mït cách linh ho¿t các thông sç vÁn hành, đÁc biËt là góc đánh lāa sñm và hË sç t°¢ng đ°¢ng cýa hín hùp. Đïng c¢ t*nh t¿i truyÅn thçng khó có thÇ đáp ÿng đ°ùc yêu cÅu này. LuÁn án tÁp trung xā lý hai vÃn đÅ chính cýa đïng c¢ trong HRES, đó là điÅu khiÇn quá trình cung cÃp nhiên liËu đÇ điÅu chßnh hË sç t°¢ng đ°¢ng và điÅu chßnh góc đánh lāa sñm tçi °u đÇ đÁm bÁo cho đïng c¢ ho¿t đïng hiËu quÁ vñi nhiên liËu biogas-hydrogen vñi thành phÅn thay đëi trong ph¿m vi rïng. Tÿ khóa: Năng l°ùng tái t¿o, biogas, hydrogen, ô nhiÉm không khí, đïng c¢ đánh lāa c°÷ng bÿc.

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 MĀC HÌNH VẼ, ĐÒ THÊ Hình 1.1: C¢ cÃu các nguén năng l°ùng đÃn năm 2050 [41] .2: CÃu phÅn năng l°ùng tái t¿o trên thà giñi (a) và đÁc tính cýa hË thçng năng l°ùng tái t¿o (b) [43] .3: Các d¿ng hË thçng năng l°ùng tái t¿o [49] .4: S¢ đé HRES năng l°ùng mÁt trói-năng l°ùng sinh khçi .1: Quan hË giÿa néng đï, nhiËt đï và khçi l°ùng riêng theo tß hË hín hùp .1: Xi lanh và đ°óng n¿p đïng c¢ sau khi cÁi t¿o .2: Chia l°ñi không gian tính toán.3: Chia l°ñi không gian tính toán khi piston õ ĐCT: 71.4: Chia l°ñi không gian tính toán khi piston õ ĐCD: 107.5: Chia l°ñi đ°óng n¿p: 48.866 phÅn tā tÿ diËn (a); Chia l°ñi buéng cháy: 20.333 phÅn tā tÿ diËn (b); Chia l°ñi xi lanh: 38.196 phÅn tā hình chêm (c).6: Giao diËn khõi đïng phÅn mÅm ANSYS FLUENT 2021R1 .7: Cài đÁt các thông sç cýa mô hình .8: GiÁi hË ph°¢ng trình và l°u kÃt quÁ mô phång .9: Đ°óng đéng mÿc néng đï CH4 trong quá trình phun biogas M7C3 đ°ùc làm giàu 20% hydrogen õ vá trí 38TK .10: Tr°óng tçc đï khi phun biogas M7C3 đ°ùc làm giàu 20% hydrogen õ vá trí 38TK .11: Đ°óng đéng mÿc nhiËt đï trong quá trình cháy biogas M7C3 đ°ùc làm giàu 20% hydrogen õ vá trí 360TK .12: Bç trí các vòi phun mô phång .13: Phân bç néng đï CH4 theo góc quay trûc khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3- 20H, φp=74TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) .14: DiÉn biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi vii phun có dp=4mm, pp=2,5bar, φp=140TK, n=3600v/ph .15: DiÉn biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=0,5bar, n=3600v/ph .16: DiÉn biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=1bar, n=3600v/ph .17: DiÉn biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=1,5bar, n=3600v/ph .18: DiÉn biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5,5mm, pp=0,5bar, φp=81°TK, n=3600v/ph .19: Đ°óng đéng mÿc hË sç t°¢ng đ°¢ng (a), néng đï CH4 (b) trên mÁt cÃt ngang buéng cháy t¿i thói điÇm 340°TK, BiÃn thiên l°u l°ùng không khí, l°u l°ùng nhiên liËu và hË sç t°¢ng đ°¢ng theo góc quay trûc khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3, φp=70°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) .20: Phân bç hË sç t°¢ng đ°¢ng (a), néng đï CH4 (b) néng đï H2 (c) trong buéng cháy và BiÃn thiên l°u l°ùng không khí, l°u l°ùng nhiên liËu và hË sç t°¢ng đ°¢ng theo góc quay trûc khuỷu (d) (n=3600 v/ph, M7C3-30H, φp=77°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) .21: So sánh biÃn thiên l°u l°ùng không khí, l°u l°ùng nhiên liËu và hË sç t°¢ng đ°¢ng theo góc quay trûc khuỷu khi phun biogas M6C4 (a) và M8C2 (b) (n=3600 v/ph, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) .22: DiÉn biÃn tr°óng néng đï H2 và tr°óng tçc đï trong tr°óng hùp α=40°, dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph, φp=61°TK.23: DiÉn biÃn tr°óng néng đï H2 và tr°óng tçc đï trong tr°óng hùp α=0°, dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph, φp=77°TK.24: Phân bç hË sç t°¢ng đ°¢ng trong buéng cháy trong tr°óng hùp α=40° (a) và α=0° (b) (dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) .25: So sánh biÃn thiên l°u l°ùng không khí (a), l°u l°ùng nhiên liËu (b) và hË sç t°¢ng đ°¢ng (c) theo góc quay trûc khuỷu trong tr°óng hùp α=0° và α=40° viii (dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) .26: S¢ đé tiÃt diËn l°u thông trên đ°óng n¿p qua b°ñm ga.27: GiÁn đé phun hín hùp nhiên liËu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar, ñ = 0°, n=3000 v/ph) .28: GiÁn đé phun hín hùp nhiên liËu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar, M7C3-20H, n=3000 v/ph) .29: Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn biÃn thiên áp suÃt (a) và tçc đï tåa nhiËt (b) khi đïng c¢ ch¿y bằng biogas M7C3 õ tçc đï 3600 v/ph và ö=1 .30: BiÃn thiên nhiËt đï, phát thÁi NOx (a) và biÃn thiên áp suÃt cāc đ¿i, Wi (b) theo góc đánh lāa sñm .31: Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn biÃn thiên áp suÃt trong xi lanh theo góc quay trûc khuỷu (a) và biÃn thiên áp suÃt cāc đ¿i, công chß thá chu trình theo góc đánh lāa sñm (b) khi đïng c¢ ch¿y bằng nhiên liËu M8C2-40H õ tçc đï 3600v/ph, ö=1.32: Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn biÃn thiên néng đï CO (a) và néng đï NOx (b) theo góc quay trûc khuỷu; BiÃn thiên nhiËt đï khí thÁi, NOx (c) và CO, HC (d) theo góc đánh lāa sñm khi đïng c¢ ch¿y bằng nhiên liËu M8C2-40H õ tçc đï 3600v/ph, ö=1 .33: So sánh Ánh h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn các thông sç đÁc tr°ng cýa quá trình cháy khi đïng c¢ ch¿y bằng biogas M7C3 (a) và M8C2-40H (b) õ tçc đï 3600 v/ph, ö=1 .34: Ành h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen pha vào biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) đÃn biÃn thiên góc đánh lāa sñm tçi °u theo tçc đï khi đïng c¢ .35: GiÁn đé đánh lāa đïng c¢ ch¿y bằng biogas-hydrogen ÿng vñi biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) .36: Ành h°õng cýa thành phÅn hín hùp đÃn đé thá công (a) và nhiËt đï cháy (b) .37: Ành h°õng cýa hË sç t°¢ng đ°¢ng đÃn phát thÁi CO (a) và NOx (b) .38: Ành h°õng cýa hË sç t°¢ng đ°¢ng đÃn tính năng công tác và mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 3000 v/ph vñi nhiên liËu M7C3 (a), M7C3- 20H (b) và M7C3-40H (c).39: Ành h°õng cýa thành phÅn biogas đÃn biÃn thiên áp suÃt theo góc quay trûc khuỷu khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) .