Báo cáo Tóm tắt Nghiên cứu tính năng kinh tế kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ cỡ nhỏ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ---- BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ THUỘC CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2018 Nghiên cứu tính năng kinh tế kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ cỡ nhỏ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen Mã số: CTB2018-DNA.01 Cơ quan chủ trì: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Chủ nhiệm đề tài: GS.TSKH. BÙI VĂN GA ĐÀ NẴNG, 7/2020 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI TT Họ và tên Đơn vị công tác 1 GS.TSKH. Bùi Văn Ga Đại học Đà Nẵng 2 TS. Cao Xuân Tuấn Đại học Đà Nẵng 3 TS. Lê Minh Tiến Khoa Cơ khí Giao thông-Trường ĐHBK-ĐHĐN 4 TS. Huỳnh Tấn Tiến Khoa Cơ khí Giao thông-Trường ĐHBK-ĐHĐN 5 TS. Nguyễn Quang Trung Khoa Cơ khí Giao thông-Trường ĐHBK-ĐHĐN 6 ThS. Bùi Văn Tấn Công ty Đăng kiểm Đà Nẵng i MỤC LỤC Mở đầu 1 Chương 1 : Tính toán mô phỏng quá trình cung cấp biogas được làm giàu bởi hydrogen, LPG, xăng cho động cơ 3 1. Cung cấp biogas-HHO bằng phương pháp hút 3 2. Tạo hỗn bằng cách phun biogas-hydrogen/HHO trên đường nạp 4 3. Tóm tắt kết quả 4 Chương 2 : Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng biogas được làm giàu bởi hydrogen và các loại nhiên liệu khác 5 1. Động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen 5 2. Động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi HHO 6 3. Điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu động cơ phun biogas-HHO trên đường nạp 6 4. Tóm tắt kết quả 7 Chương 3 : Tính toán mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ dual fuel chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen 9 1. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen đến phát thải bồ hóng và NOx 9 2. Ảnh hưởng của tia phun mồi diesel 10 3. Ảnh hưởng của dạng buồng cháy 11 4. Tóm tắt kết quả Chương 4 : Nghiên cứu cải tạo động cơ tĩnh tại chạy bằng xăng, dầu truyền thống thành động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen 13 1. Bộ phụ kiện chuyển đổi động cơ xăng thành động cơ biogas-hydrogen kiểu van chân không tổ hợp 13 2. Cải tạo động cơ truyền thống thành động cơ phun nhiên liệu biogas- hydrogen/HHO 15 3. Động cơ dual fuel biogas-hydrogen/HHO với bộ điều tốc rời 16 4. Động cơ dual fuel biogas-hydrogen với bộ điều tốc compact 17 5. Tóm tắt kết quả 18 Chương 5 : Thí nghiệm động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen/HHO 18 ii 1. Điều kiện thí nghiệm 18 2. Thí nghiệm tính năng động cơ dual fuel biogas-hydrogen 18 3. Thực nghiệm động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas-hydrogen 20 4. Tóm tắt kết quả 21 Kết luận 22 Hướng phát triển 25 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) và van cấp gas liên tục (b) 3 Hình 2: Ảnh hưởng của chế độ tải và tốc độ động cơ đến thời gian phun biogas. 4 Hình 3: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm khi động cơ được cung cấp nhiên liệu sinh học (a) và với biogas được làm giàu bằng 30°CA-HHO (b); giản đồ đánh lửa (c) (Biogas M7C3,  = 1, s = 20 °CA, BV = 0°) 7 Hình 4: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen đến biến thiên nồng độ cực đại bồ hóng (a) và nồng độ bồ hóng trong khí thải (b) theo hệ số tương đương của động cơ nhiên liệu kép (biogas chứa 70% CH4, n = 2200 v/ph, i = 27°TK) 10 Hình 5: Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến biến thiên công chỉ thị chu trình (a) và nồng độ các chất ô nhiễm (b) theo hàm lượng H2 pha vào biogas (n=1200 v/ph, M7C3, 78/94) 11 Hình 6: Van chân không tổ hợp GATEC 26 14 Hình 7: Lắp đặt cụm van chân không tổ hợp lên động cơ biogas- hydrogen/HHO 14 Hình 8: Sơ đồ nguyên lý và lắp đặt cảm biến lên động cơ biogas- hydrogen/HHO điều khiển điện tử 15 Hình 9: Động cơ biogas-hydrogen/HHO điều khiển điện tử cải tạo từ động cơ Honda GX200 15 Hình 10: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen/HHO cho động cơ dual fuel (a) và động cơ dual fuel biogas-hydrogen/HHO sau khi cải tạo (b) 16 Hình 11: Vị trí lắp bộ điều tốc compact 17 Hình 12: Động cơ dual fuel biogas-hydrogen/HHO với bộ điều tốc compact 17 Hình 13: So sánh biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm trên động cơ dual fuel chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút với biogas chứa 60% CH4 (a), 70% CH4 (b) và 80% CH4 (c); =1; s=25 19 Hình 14: So sánh đường đặc tính ngoài của động dual fuel cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi chạy bằng biogas M6C4 và bằng biogas M6C4 được làm giàu bởi 20% hydrogen (=1,1; s=22,25; m=0,85) 19 Hình 15: So sánh biến thiên công suất (a), HC (b) và CO (c) theo hàm lượng H2 pha vào biogas M6C4 (n=3000 vòng/phút, =1) 20 Hình 16: So sánh công suất động cơ (a), phát thải NOx (b) và CO (c) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi chạy bằng biogas M6C4 +10% HHO ở tốc độ 2400 vòng/phút, =1 21 DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT TK : Độ theo góc quay trục khuỷu BV : Vị trí bướm ga () CA : Góc quay trục khuỷu CI : Động cơ tự cháy do nén DME : Dimethyl Ether ĐCT : Điểm chết trên fv : Hàm lượng thể tích bồ hóng (ppm) HHO : Hydroxy, hỗn hợp khí gồm 2/3 H2 và 1/3 O2 theo thể tích HRR : Tốc độ tỏa nhiệt (J/CA) MxCy : Thành phần biogas gồm 10x% CH4 và 10y% CO2 theo thể tích n : Tốc độ động cơ (vòng/phút) p : Áp suất (bar) Pe : Công suất có ích (kW) SI : Động cơ đánh lửa cưỡng bức T : Nhiệt độ (K) tp : Thời gian phun (ms) V : Thể tích xi lanh (lít) Wi : Công chỉ thị chu trình (J/ct) a/b : Hệ số tương đương thành phần gas : Hệ số tương đương của nhiên liệu khí, gas=a  : Hệ số tương đương tổng quát, =b die : Hệ số tương đương của diesel, die=b-a  : Góc quay trục khuỷu (TK) s : Góc đánh lửa sớm (TK) so : Góc đánh lửa sớm tối ưu (CA) m : Hiệu suất cơ giới I THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: • Tên đề tài: Nghiên cứu tính năng kinh tế kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ cỡ nhỏ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen • Mã số: CTB2018-DNA.01 • Chủ nhiệm đề tài: GS. TSKH. Bùi Văn Ga • Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng • Thời gian thực hiện: 8/2018-8/2020 2. Mục tiêu: Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng biogas trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid biogas-năng lượng mặt trời, góp phần phát triển ứng dụng năng lượng tái tạo ở khu vực nông thôn Việt Nam. 3. Tính mới và sáng tạo: - Về cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu: Sử dụng hydrogen để làm giàu biogas một mặt góp phần giải quyết vấn đề lưu trữ năng lượng mặt trời và mặt khác, cải thiện chất lượng quá trình cháy của động cơ biogas từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm. - Về phương pháp nghiên cứu: Sử dụng thế mạnh của công cụ mô phỏng để thực hiện nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp và quá trình cháy bên trong xi lanh động cơ mà phương pháp đo đạc thực nghiệm rất khó có thể thực hiện được. Kết quả mô phỏng được đánh giá bằng số liệu thực nghiệm ở đầu ra động cơ. Phương pháp này cho phép chúng ta khắc phục được những khó khăn về cơ sở vật chất để thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu về động cơ sử dụng nhiên liệu tái tạo. - Về kết quả mô phỏng: Nhờ phỏng đoán được các hiện tương diễn ra bên trong buồng cháy động cơ nên chúng ta đã xác lập được mối quan hệ giữa công chỉ thị chu trình của động cơ cũng như nồng độ các chất ô nhiễm theo thành phần nhiên liệu và các yếu tố kết cấu, vận hành của động cơ để từ đó thiết lập chiến lược điều khiển động cơ phù hợp. - Về ứng dụng kết quả mô phỏng: Các prototype động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen đã được thiết lập trên cơ sở kết quả nghiên cứu mô phỏng. Hệ thống nạp nhiên liệu biogas được làm giàu bởi hydrogen đã được thiết kế chế tạo; hệ thống phun nhiên liệu đã được lắp đặt để cải tạo động cơ truyền thống II thành động cơ điều khiển điện tử; góc đánh lửa sớm, góc phun sớm của động cơ tĩnh tại truyền thống được điều chỉnh cho phù hợp với thành phần nhiên liệu. 4. Kết quả nghiên cứu: Do hydrogen có giới hạn cháy rộng nên bộ chế hòa khí cung cấp nhiên liệu biogas phổ biến hiện nay cho động cơ không phù hợp với nhiên liệu biogas được làm giàu bởi hydrogen. Kết quả nghiên cứu này cho thấy để đảm bảo cho động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen làm việc ổn định chúng ta có thể chọn một trong hai giải pháp cung cấp nhiên liệu: (1) cụm van tổ hợp kiểu chân không gồm một van cấp ga liên tục và một van cấp ga gián đoạn và (2) hệ thống phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử. Cụm van tổ hợp kiểu chân không được thiết kế theo mô-đun để có thể ghép song song các cụm van nhằm cung cấp đủ nhiên liệu cho động cơ có công suất tương ứng. Đối với hệ thống phun nhiên liệu, có thể sử dụng bộ cảm biến của động cơ xe gắn máy phun xăng với ECU mở APITech để cải tạo động cơ truyền thống thành động cơ phun biogas/hydrogen/HHO. Bên cạnh điều chỉnh lượng phun chính xác, hệ thống này còn cho phép điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu phù hợp với chế độ công tác của động cơ và đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu. Hiệu quả quá trình cháy của động cơ được cải thiện khi làm giàu biogas bằng hydrogen. Khi pha 40% hydrogen vào biogas thì công chỉ thị chu trình của động cơ tăng khoảng 10% so với khi chạy bằng nhiên liệu biogas tương ứng không pha hydrogen. Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm dần khi tăng hàm lượng H2 trong nhiên liệu. Nồng độ NOx trong sản phẩm cháy tăng khi tăng hàm lượng H2 pha vào biogas. Mức độ tăng NOx cao ứng với biogas nghèo. Nồng độ NOx giảm khi tăng tốc độ động cơ nhưng tăng khi tăng góc đánh lửa sớm. Tương tự như hydrogen, công chỉ thị chu trình của động cơ tăng theo hàm lượng HHO pha vào biogas. Khi pha trên 20% HHO vào biogas M6C4 thì công suất của động cơ có thể đạt được công suất khi chạy bằng xăng. Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ giảm khi tăng hàm lượng HHO pha vào biogas. Khi cố định góc đánh lửa sớm, nếu tăng hàm lượng HHO trong biogas thì áp suất và nhiệt độ cực đại đều tăng đồng thời đỉnh của các đường cong này dịch chuyển về phía gần ĐCT. Điều này là tăng nồng độ NOx theo hàm lượng HHO pha vào nhiên liệu. Việc bổ sung HHO vào biogas giúp cải thiện hiệu suất động cơ, giảm phát thải CO nhưng dẫn đến tăng nồng độ NOx. Có thể biểu diễn mối quan hệ tuyến tính giữa công chỉ thị chu trình, nồng độ CO theo hàm lượng HHO và biểu diễn bằng mối quan hệ parabol giữa nồng độ NOx và hàm lượng HHO. Đối với động cơ dual fuel chạy bằng biogas được làm giàu bằng hydrogen, khi tăng hàm lượng diesel phun vào buồng cháy thì nồng độ bồ hóng cực đại và nồng độ bồ hóng trong khí xả đều tăng. Ở tốc độ động cơ cho trước, lượng phát thải NOx giảm khi tăng hệ số tương đương trong khi nó tăng khi tăng nồng độ hydrogen trong hỗn hợp nhiên III liệu. Ở bất kỳ nồng độ hydrogen nào trong biogas nồng độ bồ hóng trong khí thải tăng tỷ lệ thuận với hệ số tương đương. Ở một hệ số tương đương cho trước, tỷ lệ hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu cao hơn dẫn đến mức phát thải bồ hóng thấp hơn. Hỗn hợp nghèo và nồng độ hydrogen cao dẫn đến nồng độ bồ hóng cực thấp. Có thể đạt được sự hài hòa giữa hiệu suất động cơ và phát thải NOx, bồ hóng. Phát thải bồ hóng và NOx tăng khi tăng góc phun sớm. Khi nồng độ hydrogen tăng, góc phun sớm tối ưu giảm, giúp cải thiện công chỉ thị chu trình trong khi giảm phát thải cả bồ hóng và NOx. Thành phần biogas ảnh hưởng nhẹ đến công chỉ thị chu trình nhưng ảnh hưởng đáng kể đến phát thải ô nhiễm. Khi tăng lượng diesel của tia phun mồi để đánh lửa thì công chỉ thị chu trình và nhiệt độ cháy ít bị ảnh hưởng tuy nhiên nồng độ CO và bồ hóng thay đổi đáng kể. Cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu thì nồng độ NOx trong khí thải của động cơ có buồng cháy dự bị cao hơn động cơ có buồng cháy omega. Để tăng hiệu quả quá trình cháy động cơ dual fuel sử dụng biogas làm nhiên liệu chính chúng ta có thể sử dụng buồng cháy dự bị trong trường hợp hàm lượng H2 pha vào biogas thấp hoặc sử dụng buồng cháy omega trong trường hợp hàm lượng H2 pha vào biogas cao. So với động cơ buồng cháy omega thì động cơ buồng cháy dự bị có công chỉ thị chu trình cao hơn trong cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu. Ở mọi chế độ tốc độ, sử dụng buồng cháy dự bị có lợi hơn buồng cháy omega về công chỉ thị chu trình, giảm phát thải CO và bồ hóng nhưng bất lợi là nồng độ NOx cao. Càng tăng tốc độ động cơ thì buồng cháy dự bị càng thể hiện rõ ưu điểm về tính năng kỹ thuật. Bồ hóng trong khí thải động cơ dual fuel chủ yếu do quá trình cháy khuếch tán của tia phun mồi diesel sinh ra. Để giảm thiểu nồng độ bồ hóng chúng ta có thể sử dụng động cơ hybrid biogas-DME. Với bất kỳ thành phần biogas nào, khi hàm lượng DME tăng, Wi và NOx tăng trong khi CO và fv giảm. Tác động của DME đối với Wi và fv đáng kể hơn đối với biogas nghèo so với biogas giàu, trái với xu hướng ảnh hưởng của nó đối với nồng độ CO và NOx. Ở cùng điều kiện vận hành và hệ số tương đương tổng quát, động cơ hybrid biogas-DME đánh lửa cưỡng bức có lợi thế hơn động cơ hybrid dual fuel biogas-DME cả về hiệu suất động cơ và khí thải gây ô nhiễm trừ khi NOx. 5. Sản phẩm: 5.1. Sản phẩm khoa học Các công trình đã công bố: - 3 công trình trên Tạp chí SCIE, trong đó 1 công trình đăng trên Tạp chí Q1 - 1 công trình trên Tạp chí SCOPUS - 3 công trình trên Tạp chí trong nước IV - 4 báo cáo khoa học tại Hội nghị khoa học quốc gia - 1 Bằng độc quyền sáng chế đã được chấp nhận đơn 5.2. Sản phẩm đào tạo: - Hỗ trợ đào tạo 2 nghiên cứu sinh - Đào tạo 3 học viên Cao học đã bảo vệ thành công luận văn 5.3. Sản phẩm ứng dụng: - Xây dựng 2 chương trình gồm 7 mô-đun tính toán động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ dual fuel chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen - 1 prototype động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen cung cấp nhiên liệu bằng phương pháp hút qua bộ chế hòa khí - 1 prototype động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen cung cấp nhiên liệu bằng phương pháp phun điều khiển điện tử - 1 prototype động cơ dual fuel chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen với bộ điều tốc rời - 1 prototype động cơ dual fuel chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen với bộ điều tốc compact 6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu: 6.1. Chuyển giao kết quả nghiên cứu Kết quả nghiên cứu này là một phần trong kết quả nghiên cứu chung của chương trình nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Bộ. Các sản phẩm ứng dụng của đề tài là một cấu phần của sản phẩm chung của chương trình. Sau khi chương trình hoàn thành, sản phẩm của đề tài sẽ được chuyển giao một cách đồng bộ cho các đối tác tham gia nghiên cứu để ứng dụng trong thực tiễn. Riêng về động cơ biogas được làm giàu bởi hydrogen, sản phẩm của đề tài, đã được ứng dụng tại một hộ chăn nuôi ở Xã Hòa Phong và một trang trại chăn nuôi ở Xã Hòa Tiến, Huyện Hòa Vang, Thành phố Đà Nẵng. 6.2. Tác động của kết quả nghiên cứu - Đối với lĩnh vực giáo dục và đào tạo Nâng cao trình độ các bộ giảng dạy, cán bộ nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực cơ khí động lực và công nghệ môi trường, hỗ trợ đào tạo nghiên cứu sinh và học viên cao học. Những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài này có thể tích lũy được kinh nghiệm VII INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: • Project title: Performance and Emissions of Small Engines Fueled with Hydrogen Enriched Biogas • Code number: CTB2018-DNA.01 • Coordinator: Professor BUI Van Ga • Implementing institution: The University of Danang • Duration: from August 2018 to August 2020 2. Objective(s): Improving fuel efficiency and reducing pollution emissions of biogas-powered engines in the biogas-solar hybrid renewable energy system, contributing to the development of renewable energy applications in rural areas of Vietnam. 3. Creativeness and innovativeness: - Regarding the research approach: Using hydrogen to enrich biogas contributes to overcome the problem of solar energy storage and on the other hand, improving the combustion process of the biogas engine resulting in improvement of fuel efficiency and reduction of pollution emissions. - Regarding the research method: Using the advantages of the simulation tool to conduct research on the mixture formation and combustion process inside the engine cylinder, which experimental measurement methods are difficult to implement. Simulation results are validated by empirical data at engine output. This method allows us to overcome the difficulties in facilities to conduct in-depth studies on engines fueled with renewable fuels. - Regarding simulation results: By calculating the phenomena taking place inside the engine combustion chamber, we have established relationships between the indicative engine cycle work and the concentration of pollutants according to fuel components and engine structure, operating parameters from which we can set up appropriate engine control strategies. - Regarding the application of simulation results: Prototypes of hydrogen enriched biogas have been established based on simulation results. The biogas-hydrogen fueling system has been engineered; a fuel injection system has been installed to convert the traditional engine into an electronically controlled engine; advance VIII ignition angle, advance injection angle of traditional stationary engine is adjusted to suit the fuel composition. 4. Research results: Because hydrogen has a large range of flammability, the popular carburetor for biogas supplying does not match the hydrogen enriched biogas fueling mode. The results of this study show that to ensure the stability of the hydrogen-enriched biogas engine, two fuel supplying solutions can be chosen: (1) vacuum valve assembly including a continuous gas supplying valve and an intermittent gas supplying valve and (2) electronically controlled gas injection system. The vacuum valves assembly are designed to be modular so that they can be assembled in parallel to provide enough fuel for different power of the engines. For fuel injection systems, it is possible to use the set of sensors of a FI motorcycle engine with the opened ECU APITech to convert the traditional engine into a biogas/hydrogen/HHO injection engine. Besides adjusting the exact fuel amount of injection, this system also allows to adjust the optimum advance ignition angle in accordance with the engine operating mode and combustion characteristics of the fuel mixture. The combustion efficiency of the engine is improved when enriching biogas with hydrogen. When adding 40% hydrogen into biogas, the indicative engine cycle work increases by about 10% compared to the biogas fueling mode. The optimum advance ignition angle decreases gradually as increasing H2 content in the fuel mixture. NOx concentration in combustion products increases with increasing H2 content. The rate of NOx increase with H2 content is stronger with poor biogas. NOx concentration decreases with increasing engine speed but increases with increasing advance ignition angle. Similarly to hydrogen, the indicative engine cycle work increases with HHO content in the mixture with biogas. When HHO content in M6C4 biogas is higher than 20%, the power of the engine can reach the value of gasoline fueling mode. The optimum advance ignition angle of the engine decreases with increasing HHO content in the mixture with biogas. As the advance ignition angle is fixed, if HHO content increases, both maximum pressure and temperature increase and the peaks of these curves move toward the TDC. This results in an increase in the NOx concentration with the content of HHO. The addition of HHO to biogas improves engine efficiency, reduces CO emission but leads to an increase in NOx concentration. It is possible to express the linear relationship between the indicative