Luận án Tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ Biogas-Hydrogen

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI VĂN HÙNG Đề tài: TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS-HYDROGEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2023 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI VĂN HÙNG Đề tài: TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS-HYDROGEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã ngành : 9520116 Hướng dẫn khoa học : 1. GS. TSKH. Bùi Văn Ga 2. PGS. TS. Bùi Thị Minh Tú Đà Nẵng, 2023 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 năm Nghiên cứu sinh Bùi Văn Hùng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................ vii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. xv DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ................................................................. xvi MỞ ĐẦU ............................................................................................................... xviii 1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................................................... xviii 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................... xxii 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .............................................. xxiii 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................. xxiii 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ................. xxiv 6. CẤU TRÚC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................... xxiv 7. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ............................................................... xxv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................... 1 1.1. Cơ cấu năng lượng toàn cầu trong chiến lược “Net Zero” ............................... 1 1.2. Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid .................................................................. 4 1.3. Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid điện mặt trời-sinh khối ............................ 7 1.4. Ảnh hưởng của hydrogen đến tính năng của động cơ .................................... 12 1.5. Kết luận .......................................................................................................... 22 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC ......................... 25 2.1. Hệ phương trình cơ bản .................................................................................. 25 2.2. Mô hình rối ..................................................................................................... 28 2.3. Mô hình cháy .................................................................................................. 31 2.3.1. Tính toán các đại lượng của quá trình cháy ............................................. 31 iii 2.3.2. Xác định vị trí màng lửa .......................................................................... 36 2.3.3. Tốc độ màng lửa chảy tầng ...................................................................... 37 2.3.4. Tốc độ cháy rối ........................................................................................ 40 2.4. Kết luận .......................................................................................................... 42 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ PHUN NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN ........................... 43 3.1. Thiết lập mô hình............................................................................................ 43 3.1.1. Xây dựng không gian tính toán và chia lưới ........................................... 43 3.1.2. Trình tự thực hiện mô phỏng ................................................................... 46 3.2. Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp của động cơ ................................................ 51 3.2.1. Diễn biến quá trình nạp ............................................................................ 51 3.2.2. Ảnh hưởng của đường kính lỗ phun và áp suất phun .............................. 53 3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen ...................................................... 57 3.2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng CH4 trong biogas ......................................... 59 3.2.5. Ảnh hưởng của độ mở bướm ga .............................................................. 60 3.2.6. Giản đồ phun nhiên liệu biogas-hydrogen ............................................... 63 3.3. Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ ......................... 65 3.3.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm ........................................................... 65 3.3.2. Ảnh hưởng của hệ số tương đương.......................................................... 71 3.3.3. Ảnh hưởng của thành phần biogas .......................................................... 74 3.3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen ...................................................... 79 3.3.5. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ ................................................................ 83 3.3.6. Ảnh hưởng của chế độ tải ........................................................................ 87 3.3.7. So sánh tính năng động cơ khi sử dụng biogas và biogas pha hydrogen 89 3.4. Kết luận .......................................................................................................... 91 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ iv PHỎNG ..................................................................................................................... 93 4.1. Điều khiển điện tử vòi phun nhiên liệu biogas-hydrogen .............................. 93 4.2. Điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ chạy bằng hỗn hợp biogas-hydrogen 97 4.2.1. Tốc độ cháy chảy tầng ............................................................................. 97 4.2.2. Mô hình vật lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm .......................................... 99 4.3. Thiết lập ECU điều khiển động cơ biogas-hydrogen ................................... 103 4.4. Cải tạo động cơ ............................................................................................. 108 4.4.1. Sơ đồ hệ thống cải tạo động cơ .............................................................. 108 4.4.2. Lắp đặt các bộ phận lên động cơ cải tạo ................................................ 110 4.5. Nghiên cứu thực nghiệm .............................................................................. 114 4.5.1. Chuẩn bị nhiên liệu ................................................................................ 114 4.5.2. Bố trí hệ thống thí nghiệm ..................................................................... 115 4.5.3. Trình tự thí nghiệm ................................................................................ 117 4.6. Kết quả thí nghiệm ....................................................................................... 118 4.6.1. Điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu .................................................... 118 4.6.2. Điều chỉnh góc đánh lửa sớm ................................................................ 124 4.6.3. Sơ đồ hệ thống tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas-hydrogen có thành phần thay đổi ............. 128 4.7. Kết luận ........................................................................................................ 131 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................. 132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ........................................................... 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO:...................................................................................... 138 PHỤ LỤC .................................................................................................................... I v TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS- HYDROGEN Tóm tắt: Do tác động của biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng trầm trọng, việc chuyển đổi năng lượng đang là mối quan tâm hàng đầu của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Trong bối cảnh đó thì hệ thống năng lượng tái tạo hybrid (HRES) gồm năng lượng mặt trời và sinh khối là một lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm. Động cơ đốt trong thường được thiết kế để làm việc với một loại nhiên liệu cho trước và trong điều kiện vận hành xác định. Trong HRES thành phần nhiên liệu thay đổi thường xuyên theo nguyên liệu đầu vào và nguồn hydrogen do điện mặt trời cung cấp. Mặt khác, chế độ tải của động cơ cũng thay đổi thường xuyên để cung cấp tải bù cho hệ thống. Do đó, động cơ phải được điều chỉnh một cách linh hoạt các thông số vận hành, đặc biệt là góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương của hỗn hợp. Động cơ tĩnh tại truyền thống khó có thể đáp ứng được yêu cầu này. Luận án tập trung xử lý hai vấn đề chính của động cơ trong HRES, đó là điều khiển quá trình cung cấp nhiên liệu để điều chỉnh hệ số tương đương và điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu để đảm bảo cho động cơ hoạt động hiệu quả với nhiên liệu biogas-hydrogen với thành phần thay đổi trong phạm vi rộng. Từ khóa: Năng lượng tái tạo, biogas, hydrogen, ô nhiễm không khí, động cơ đánh lửa cưỡng bức. 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 vi 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. vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cơ cấu các nguồn năng lượng đến năm 2050 [41] ..................................... 1 Hình 1.2: Cấu phần năng lượng tái tạo trên thế giới (a) và đặc tính của hệ thống năng lượng tái tạo (b) [43] ................................................................................................... 2 Hình 1.3: Các dạng hệ thống năng lượng tái tạo [49] ................................................. 5 Hình 1.4: Sơ đồ HRES năng lượng mặt trời-năng lượng sinh khối ............................ 9 Hình 2.1: Quan hệ giữa nồng độ, nhiệt độ và khối lượng riêng theo tỉ hệ hỗn hợp . 35 Hình 3.1: Xi lanh và đường nạp động cơ sau khi cải tạo .......................................... 43 Hình 3.2: Chia lưới không gian tính toán.................................................................. 44 Hình 3.3: Chia lưới không gian tính toán khi piston ở ĐCT: 71.321 phần tử .......... 44 Hình 3.4: Chia lưới không gian tính toán khi piston ở ĐCD: 107.395 phần tử ........ 45 Hình 3.5: Chia lưới đường nạp: 48.866 phần tử tứ diện (a); Chia lưới buồng cháy: 20.333 phần tử tứ diện (b); Chia lưới xi lanh: 38.196 phần tử hình chêm (c)..... 45 Hình 3.6: Giao diện khởi động phần mềm ANSYS FLUENT 2021R1 .................... 47 Hình 3.7: Cài đặt các thông số của mô hình ............................................................. 47 Hình 3.8: Giải hệ phương trình và lưu kết quả mô phỏng ........................................ 49 Hình 3.9: Đường đồng mức nồng độ CH4 trong quá trình phun biogas M7C3 được làm giàu 20% hydrogen ở vị trí 38TK ..................................................................... 50 Hình 3.10: Trường tốc độ khi phun biogas M7C3 được làm giàu 20% hydrogen ở vị trí 38TK ................................................................................................................... 50 Hình 3.11: Đường đồng mức nhiệt độ trong quá trình cháy biogas M7C3 được làm giàu 20% hydrogen ở vị trí 360TK .......................................................................... 51 Hình 3.12: Bố trí các vòi phun mô phỏng ................................................................. 52 Hình 3.13: Phân bố nồng độ CH4 theo góc quay trục khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3- 20H, φp=74TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) .................................................................. 53 Hình 3.14: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi viii phun có dp=4mm, pp=2,5bar, φp=140TK, n=3600v/ph ........................................... 54 Hình 3.15: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=0,5bar, n=3600v/ph ................................................................ 55 Hình 3.16: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=1bar, n=3600v/ph ................................................................... 55 Hình 3.17: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=1,5bar, n=3600v/ph ................................................................ 56 Hình 3.18: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5,5mm, pp=0,5bar, φp=81°TK, n=3600v/ph .......................................... 56 Hình 3.19: Đường đồng mức hệ số tương đương (a), nồng độ CH4 (b) trên mặt cắt ngang buồng cháy tại thời điểm 340°TK, Biến thiên lưu lượng không khí, lưu lượng nhiên liệu và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3, φp=70°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) ........................................................................... 57 Hình 3.20: Phân bố hệ số tương đương (a), nồng độ CH4 (b) nồng độ H2 (c) trong buồng cháy và Biến thiên lưu lượng không khí, lưu lượng nhiên liệu và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (d) (n=3600 v/ph, M7C3-30H, φp=77°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) .......................................................................................................... 58 Hình 3.21: So sánh biến thiên lưu lượng không khí, lưu lượng nhiên liệu và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu khi phun biogas M6C4 (a) và M8C2 (b) (n=3600 v/ph, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) ...................................................................... 59 Hình 3.22: Diễn biến trường nồng độ H2 và trường tốc độ trong trường hợp α=40°, dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph, φp=61°TK................................... 60 Hình 3.23: Diễn biến trường nồng độ H2 và trường tốc độ trong trường hợp α=0°, dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph, φp=77°TK................................... 61 Hình 3.24: Phân bố hệ số tương đương trong buồng cháy trong trường hợp α=40° (a) và α=0° (b) (dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) ............................... 61 Hình 3.25: So sánh biến thiên lưu lượng không khí (a), lưu lượng nhiên liệu (b) và hệ số tương đương (c) theo góc quay trục khuỷu trong trường hợp α=0° và α=40° ix (dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) ................................................... 62 Hình 3.26: Sơ đồ tiết diện lưu thông trên đường nạp qua bướm ga.......................... 63 Hình 3.27: Giản đồ phun hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar,  = 0°, n=3000 v/ph) .............................................................................. 64 Hình 3.28: Giản đồ phun hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar, M7C3-20H, n=3000 v/ph) ...................................................................... 65 Hình 3.29: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất (a) và tốc độ tỏa nhiệt (b) khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 ở tốc độ 3600 v/ph và =1 .............. 66 Hình 3.30: Biến thiên nhiệt độ, phát thải NOx (a) và biến thiên áp suất cực đại, Wi (b) theo góc đánh lửa sớm .............................................................................................. 66 Hình 3.31: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu (a) và biến thiên áp suất cực đại, công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm (b) khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M8C2-40H ở tốc độ 3600v/ph, =1............................................................................................................................. 67 Hình 3.32: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ CO (a) và nồng độ NOx (b) theo góc quay trục khuỷu; Biến thiên nhiệt độ khí thải, NOx (c) và CO, HC (d) theo góc đánh lửa sớm khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M8C2-40H ở tốc độ 3600v/ph, =1 ........................................................................................................... 68 Hình 3.33: So sánh ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 (a) và M8C2-40H (b) ở tốc độ 3600 v/ph, =1 .......................................................................................................... 69 Hình 3.34: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) đến biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo tốc độ khi động cơ ........ 70 Hình 3.35: Giản đồ đánh lửa động cơ chạy bằng biogas-hydrogen ứng với biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) ............................................................................ 71 Hình 3.36: Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp đến đồ thị công (a) và nhiệt độ cháy (b) .............................................................................................................................. 72 x Hình 3.37: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến phát thải CO (a) và NOx (b) .... 72 Hình 3.38: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 v/ph với nhiên liệu M7C3 (a), M7C3- 20H (b) và M7C3-40H (c) ......................................................................................... 73 Hình 3.39: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) ..................... 74 Hình 3.40: Ảnh hưởng thành phần biogas đến biến thiên áp suất trong xi lanh khi động cơ chạy bằng biogas pha 40% hydrogen ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) ................................................................................................................................... 75 Hình 3.41: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến tốc độ tiêu thụ nhiên liệu khi không pha hydrogen (a và b) và khi pha 40% hydrogen (c và