Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Lê Xuân Thạch

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU
VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA
CƯỠNG BỨC CÓ TỈ SỐ NÉN CAO SỬ DỤNG BIOGAS

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Lê Xuân Thạch

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU
VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA
CƯỠNG BỨC CÓ TỈ SỐ NÉN CAO SỬ DỤNG BIOGAS

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
Mã số: 62.52.34.01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn I: PGS.TS. Trần Văn Nam
Người hướng dẫn II: GS. TSKH. Bùi Văn Ga

Đà Nẵng - Năm 2013

i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Nếu có gì sai sót, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.
Tác giả

LÊ XUÂN THẠCH


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
MỤC LỤC

......................................................................................................... ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. viii
MỞ ĐẦU

..........................................................................................................1

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ...........................................................6

1.1. Tình hình sản xuất và ứng dụng biogas trên thế giới và tại Việt Nam ............6
1.1.1. Tình hình sản xuất biogas trên thế giới trong những năm gần đây ...........6
1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng biogas tại Việt Nam ...............................10
1.2. Biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ................................................11
1.2.1. Tinh lọc biogas ........................................................................................11
1.2.2. Các tiêu chí xác định tiêu chuẩn đối với khí thiên nhiên và nhiên liệu thay
thế khí thiên nhiên...................................................................................16
1.3. Động cơ đốt trong chạy bằng biogas ..............................................................19
1.4. Các nghiên cứu sử dụng biogas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức ...............24
1.5. Hiệu quả bảo vệ môi trường do sử dụng biogas làm nhiên liệu ....................32
1.6. Kết luận và định hướng nghiên cứu của đề tài ...............................................33
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL SANG ĐỘNG
CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC ......................................35
2.1. Các phương án chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng thành động cơ
chạy bằng nhiên liệu biogas ...........................................................................35
2.1.1. Chuyển đổi động cơ xăng .......................................................................35
2.1.2. Chuyển đổi động cơ diesel ......................................................................36
2.1.3. Phân tích ưu nhược điểm của các phương án .........................................36
2.2. Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức .........38
2.2.1. Những vấn đề chung ...............................................................................38
2.2.2. Tháo bỏ hệ thống nhiên liệu diesel .........................................................40
2.2.3. Giảm tỉ số nén .........................................................................................40
2.2.4. Bổ sung hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas .........................................44
2.2.5. Bổ sung hệ thống đánh lửa ......................................................................48


iii

2.2.6. Dẫn động bướm ga ..................................................................................52
2.3. Kết luận ..........................................................................................................55

CHƯƠNG 3 MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ Q
TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA
CƯỠNG BỨC ...................................................................................56
3.1. Giới thiệu phần mềm động lực học thủy khí CFD FLUENT ........................56
3.2. Lý thuyết dòng chảy rối .................................................................................57
3.2.1. Giới thiệu.................................................................................................57
3.2.2. Các đặc điểm của dịng chảy rối .............................................................58
3.2.3. Các phương trình tổng qt khống chế dịng chảy rối ............................59
3.2.4. Khép kín hệ phương trình .......................................................................63
3.3. Lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu khí .........................................................66
3.4. Lý thuyết q trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước ..........................................66
3.4.1. Tổng quan................................................................................................66
3.4.2. Sự lan tràn của màng lửa .........................................................................67
3.4.3. Tốc độ màng lửa rối ................................................................................68
3.4.4. Tốc độ màng lửa chảy tầng .....................................................................69
3.4.5. Mơ hình cháy hỗn hợp hòa trộn trước trong FLUENT ...........................70
3.4.6. Các phương pháp tính nhiệt độ ...............................................................70
3.5. Lý thuyết q trình cháy hịa trộn trước cục bộ .............................................72
3.5.1. Tổng quan................................................................................................72
3.5.2. Tính tốn các đại lượng ...........................................................................72
3.5.3. Tốc độ màng lửa chảy tầng .....................................................................73
3.6. Tính tốn mơ phỏng dịng chảy trong bộ tạo hỗn hợp động cơ biogas đánh lửa
cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel ZH1115 .........................................79
3.6.1. Thiết lập mơ hình tính tốn .....................................................................79
3.6.2. Kết quả tính tốn .....................................................................................81
3.7. Tính tốn mơ phỏng q trình cháy hỗn hợp biogas-khơng khí trong động cơ
biogas đánh lửa cưỡng bức bằng phần mềm FLUENT ..................................88
3.7.1. Thiết lập mơ hình tính tốn .....................................................................89
3.7.2. Diễn biến q trình cháy .........................................................................91
3.7.3. Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến tính năng động cơ .......................93

3.7.4. Ảnh hưởng của tỉ số nén .........................................................................94
3.7.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm...........................................................97


iv

3.7.6. Ảnh hưởng của thành phần biogas ..........................................................99
3.7.7. Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp đến tính năng động cơ ................104
3.8. Kết luận ........................................................................................................107
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT CÁC PHỤ KIỆN CHUYỂN
ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL ZH1115 THÀNH ĐỘNG CƠ BIOGAS
ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC ...........................................................109
4.1. Động cơ diesel ZH1115 ...............................................................................109
4.2. Giảm tỉ số nén ..............................................................................................110
4.3. Thiết kế lắp đặt hệ thống đánh lửa ...............................................................110
4.4. Tính tốn thiết kế bộ tạo hỗn hợp ................................................................112
4.5. Thiết kế cải tạo cơ cấu điều tốc ....................................................................116
4.6. Qui trình chuyển đổi động cơ diesel 1 xi lanh thành động cơ biogas đánh lửa
cưỡng bức .....................................................................................................118
4.7. Kết luận ........................................................................................................120
CHƯƠNG 5 THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 121
5.1. Mục tiêu thí nghiệm .....................................................................................121
5.2. Hệ thống thí nghiệm .....................................................................................121
5.3. Kết quả và bàn luận ......................................................................................125
5.3.1. Kết quả thực nghiệm .............................................................................125
5.3.2. So sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm .............................131
5.4. Kết luận ........................................................................................................133
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU .................................................135
CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .....................................................................138
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................139

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH:
 Vh

Thể tích cơng tác, dm3

 Vc

Thể tích buồng cháy, dm3

 Vcct

Thể tích buồng cháy sau chuyển đổi, dm3

 S

Hành trình piston, mm

 D

Đường kính xi lanh, mm

 d

Đường kính phần khoét lõm trên đỉnh piston, mm

 n

Số vịng quay trục khuỷu, v/ph

 Vc

Thể tích buồng cháy cần mở rộng thêm, dm3

 Vk

Thể tích phần khoét lõm trên đỉnh piston, dm3

 h

Chiều cao đỉnh piston cần cắt bớt, mm

 db

Đường kính buồng hỗn hợp, mm

 dh

Đường kính họng, mm

 an

Hệ số dao động của dịng chảy

 vtb

Tốc độ trung bình của dịng khí, m/s

 lb

Chiều dài buồng hỗn hợp, mm

 ph

Độ chân không tại họng, Pa

 i

Số xi lanh

 Wi

Công chỉ thị, J

2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP:
 

Tỉ số nén

 

Số kỳ

 s

Góc đánh lửa sớm, độ góc quay trục khuỷu

 ct

Tỉ số nén sau chuyển đổi

 λ

Hệ số dư lượng không khí


vi

 h

Hệ số lưu lượng của họng

 nl

Khối lượng riêng của nhiên liệu, kg/m3

 kk

Khối lượng riêng của khơng khí, kg/m3

 

Hệ số tương đương, độ đậm đặc của hỗn hợp

 v

Hệ số nạp

 m

Hiệu suất cơ giới

3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
 A/F

Tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu

 MToE Triệu tấn dầu thơ qui đổi
 QHV

Nhiệt trị thể tích của nhiên liệu, MJ/m3

 CH4

Mê tan

 O2

Ơ xy

 LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng
 ĐCT Điểm chết trên
 ĐCD Điểm chết dưới
 HVC Van tiết lưu
 A/D

Analog/Digital

 H2 S

Hydro Sunphua


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần các chất trong biogas ............................................................11
Bảng 1.2. Sự cần thiết lọc tạp chất trong biogas đối với các ứng dụng khác nhau ..12
Bảng 1.3. Các tiêu chí theo bộ tiêu chuẩn DVGW G 260 ........................................18
Bảng 1.4. So sánh tính năng phát điện bằng biogas với những giải pháp khác nhau. 19
Bảng 3.1. Giá trị của các hệ số của phương trình 3.32 .............................................75
Bảng 3.2. Giá trị các hệ số phương trình 3.34 ..........................................................76
Bảng 3.3. Độ mở bướm ga tính theo phần trăm tiết diện lưu thơng ứng với góc mở ..80
Bảng 3.4. Tỉ lệ nhiên liệu/khơng khí lý thuyết theo thành phần CH4 ......................81
Bảng 3.5. Tổng hợp giá trị của  ...............................................................................83
Bảng 3.6. Độ dốc các đường cong biến thiên độ đậm đặc của hỗn hợp theo độ mở
bướm ga ...................................................................................................85
Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của động cơ ZH1115 ................................................109
Bảng 4.2. Hệ số dao động của dịng chảy ...............................................................113
Bảng 4.3. Kích thước các chi tiết dẫn động trục bướm ga ......................................117
Bảng 5.1. Thông số các thiết bị thí nghiệm ............................................................123


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sản lượng biogas ở các nước EU năm 2009 ...............................................7
Hình 1.2. Phân bố nguồn sử dụng biogas ở Châu Âu năm 2010 và dự báo năm .......8
Hình 1.3. Cơng suất điện chạy bằng biogas ở Châu Âu .............................................9
Hình 1.4. Yêu cầu lọc tạp chất trong biogas đối với các giải pháp sản xuất điện ....12
Hình 1.5. Phoi sắt đã bị oxy hóa ...............................................................................15
Hình 1.6. Diatomite Phú Yên ....................................................................................16
Hình 1.7. Máy phát điện chạy bằng biogas ...............................................................21
Hình 1.8. Sử dụng biogas trong hệ thống đồng sản xuất năng lượng .......................23
Hình 1.9. Hiệu quả sản xuất năng lượng bằng động cơ nhiên liệu kép và động cơ đánh
lửa cưỡng bức chạy bằng biogas .............................................................23
Hình 1.10. Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến nhiệt độ ngọn lửa ................25
Hình 1.11. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến cơng suất động cơ.....................25
Hình 1.12. Biến thiên cơng suất chỉ thị khi động cơ sử dụng hỗn hợp methane –
hydrogen theo độ đậm đặc của hỗn hợp (a); theo thành phần hydrogen
trong hỗn hợp nhiên liệu (b) ....................................................................26
Hình 1.13. Giới hạn cháy của hỗn hợp biogas-khơng khí........................................26
Hình 1.14. Ảnh hưởng của tỉ số nén đến công suất chỉ thị ở các độ đậm đặc hỗn hợp
khác nhau .................................................................................................27
Hình 1.15. Cơng suất và hiệu suất nhiệt của động cơ ...............................................28
Hình 1.16. Bugi tích hợp buồng cháy phụ ................................................................29
Hình 1.17. Sơ đồ hiệu quả bảo vệ môi trường khi sử dụng ......................................32
Hình 2.1. Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến tính năng động cơ ......................38
Hình 2.2. Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến cơng suất ......................................38
Hình 2.3. Góc đánh lửa sớm tối ưu ...........................................................................39
Hình 2.4. Sơ đồ tính tốn gia cơng ............................................................................42
Hình 2.5. Các dạng piston cải tạo .............................................................................43

ix

Hình 2.6. Bộ tạo hỗn hợp kiểu Venturi với các lỗ khoan bố trí xung quanh họng ...45
Hình 2.7. Họng Venturi với một đường Biogas vào loại cùng chiều .......................46
Hình 2.8. Họng Venturi với một đường biogas vào loại trực giao ..........................46
Hình 2.9. Van hỗn hợp kiểu màng ............................................................................47
Hình 2.10. Kết cấu bộ tạo hỗn hợp dạng modul hóa................................................47
Hình 2.11. Sơ đồ tính tốn các kích thước của bộ tạo hỗn hợp ...............................47
Hình 2.12. Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử AC CDI ...............................................49
Hình 2.13. Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử DC CDI ...............................................50
Hình 2.14. Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử DC CDI dùng cho động cơ 4 xi lanh ..51
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý của bộ điều tốc kiểu li tâm dùng quả văng ..................53
Hình 2.16. Bộ điều tốc điện tử ..................................................................................54
Hình 2.17. Bộ điều tốc biogas độc lập được dẫn động bởi buli ở đầu trục khuỷu ....54
Hình 2.18. Điều tốc biogas – Gatec 20 .....................................................................54
Hình 3.1. Lớp biên rối và lớp phụ nhớt .....................................................................57
Hình 3.2. Vận tốc tức thời trong dịng chảy rối ........................................................58
Hình 3.3. Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy methane theo  ở nhiệt
độ 400K ...................................................................................................74
Hình 3.4. Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy theo nhiệt độ ở =1. 75
Hình 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp
methane/khơng khí bị làm bẩn ở p=3,5atm và =1 ................................76
Hình 3.6. Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp
methane/khơng khí bị làm bẩn ở T=350K và =1 ..................................77
Hình 3.7. Kết quả thực nghiệm biến thiên tốc độ cháy chảy tầng theo tỉ lệ các chất
khí làm bẩn hỗn hợp khác nhau ...............................................................77
Hình 3.8. Ảnh hưởng của CO2 đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp methane/khơng
khí ở 1bar và 298K ..................................................................................78
Hình 3.9. Kết cấu bộ tạo hỗn hợp Mixer_ZH1115 ...................................................79
Hình 3.10. Chia lưới bộ tạo hỗn hợp .........................................................................80

Hình 3.11. Độ đậm đặc của hỗn hợp theo số vòng quay ..........................................82


x

Hình 3.12. Độ đậm đặc của hỗn hợp theo độ mở bướm ga ......................................83
Hình 3.13. Độ đậm đặc của hỗn hợp theo góc mở van ball ......................................84
Hình 3.14. Độ đậm đặc của hỗn hợp theo độ mở bướm ga ......................................85
Hình 3.15. Biến thiên độ đậm đặc của hỗn hợp theo độ mở bướm ga ......................86
Hình 3.16. Biến thiên đường kính tương đương theo thành phần CH4.....................86
Hình 3.17. Độ đậm đặc của hỗn hợp theo thành phần CH4 trong biogas ................87
Hình 3.18. Áp suất tĩnh .............................................................................................87
Hình 3.19. Áp suất động ...........................................................................................87
Hình 3.20. Áp suất tổng ............................................................................................87
Hình 3.21. Trường nồng độ CH4 ...............................................................................87
Hình 3.22. Trường nồng độ O2 .................................................................................88
Hình 3.23.Trường nồng độ CO2 ................................................................................88
Hình 3.24. Trường tốc độ dịng chảy qua bộ tạo hỗn hợp ........................................88
Hình 3.25. Buồng cháy Omega .................................................................................89
Hình 3.26. Buồng cháy phẳng ...................................................................................89
Hình 3.27. Diễn biến nồng độ CH4 và nhiệt độ trong quá trình cháy động cơ biogas
đánh lửa cưỡng bức có buồng cháy Omega ............................................90
Hình 3.28. Diễn biến nồng độ CH4 và nhiệt độ trong quá trình cháy động cơ biogas
đánh lửa cưỡng bức có buồng cháy phẳng ..............................................91
Hình 3.29. Trường tốc độ ở vị trí 345 của môi chất công tác trong động cơ biogas đánh
lửa cưỡng bức có buồng cháy Omega (a) và buồng cháy phẳng (b) ...........92
Hình 3.30. Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến biến thiên nồng độ O2 (a) và CH4
(b) trong quá trình cháy của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức ..........92
Hình 3.31. Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến biến thiên nhiệt độ trong quá trình cháy
của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức...................................................93

Hình 3.32. Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến áp suất chỉ thị (a) và đồ thị công
chỉ thị (b) của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức .................................94
Hình 3.33. Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến biến thiên nồng độ CH4 trong quá
trình cháy .................................................................................................94


xi

Hình 3.34. Áp suất chỉ thị của động cơ biogas có tỉ số nén 9,11 (a) và 16,10 (b)
(n=2200v/ph; biogas chứa 70% thể tích CH4) .........................................95
Hình 3.35. Đồ thị cơng chỉ thị của động cơ biogas có tỉ số nén =9,11 (a) và 16,10 (b)
n=2200v/ph; biogas chứa 70% thể tích CH4 ...........................................96
Hình 3.36. Biến thiên cơng chỉ thị chu trình theo tỉ số nén động cơ khi chạy ở tốc độ
2200v/ph (a) và 1500v/ph (b) với góc đánh lửa sớm 40, 30 và 20 .....97
Hình 3.37. Áp suất chỉ thị pi ứng với các góc đánh lửa sớm φs=20, 30, 40 và 50
khi động cơ chạy ở tốc độ 2200v/ph với biogas chứa 60% (a), 70% (b) và
80% (c) thể tích CH4; đồ thị cơng ứng với trường hợp biogas chứa 70%
thể tích CH4 (d) ........................................................................................97
Hình 3.38. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến cơng chỉ thị động cơ khi chạy ở tốc
độ 1500v/ph và 2200v/ph với biogas chứa 70% thể tích CH4 ................98
Hình 3.39. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công chỉ thị động cơ khi chạy ở tốc
độ 2200v/ph với biogas chứa 60%, 70% và 80% thể tích CH4 ...............98
Hình 3.40. Biến thiên thành phần khối lượng O2 (a) và CH4 (b) trung bình trong
buồng cháy động cơ .................................................................................99
Hình 3.41. Nhiệt độ trung bình của mơi chất (=11,63; n=2200v/ph; φs=30o) ......100
Hình 3.42. Áp suất chỉ thị của động cơ biogas khi góc đánh lửa sớm φs=20o (a), 30o
(b), 40o (c) và 50o (d) ứng với các thành phần nhiên liệu khác nhau
(=11,63; n=2200v/ph) ..........................................................................100
Hình 3.43. Biến thiên cơng chỉ thị chu trình theo thành phần CH4 trong nhiên liệu
biogas ứng với các góc đánh lửa sớm khác nhau .................................101

Hình 3.44. Biến thiên thành phần khối lượng của O2 và CH4 ................................101
Hình 3.45. Biến thiên thành phần khối lượng CO2 ................................................102
Hình 3.46. Nhiệt độ trung bình mơi chất (=11,63; s=30o; =1,08) .....................102
Hình 3.47. Áp suất chỉ thị ứng với các thành phần nhiên liệu khác nhau n=2200v/ph
(a); n=1500v/ph (b) ................................................................................102
Hình 3.48. Đồ thị cơng chỉ thị ứng với các thành phần nhiên liệu khác nhau
n=2200v/ph (a); n=1500v/ph (b) ...........................................................103


xii

Hình 3.49. Biến thiên cơng chỉ thị của chu trình theo thành phần CH4 .................103
Hình 3.50. Biến thiên thành phần khối lượng CH4 (a) và O2 (b) ............................104
Hình 3.51. Hàm lượng CH4 và O2 cuối quá trình cháy ..........................................105
Hình 3.52. Nồng độ CO2 .........................................................................................105
Hình 3.53. Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp khi thay đổi độ đậm đặc ...................105
Hình 3.54. Áp suất chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp .......................................106
Hình 3.55. Đồ thị cơng chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp ..............................106
Hình 3.56. Biến thiên cơng chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp ..........................107
Hình 4.1. Động cơ ZH1115 .....................................................................................109
Hình 4.2. Sơ đồ tính tốn chiều dày đỉnh piston cần cắt bỏ ...................................110
Hình 4.3. Biến áp đánh lửa......................................................................................111
Hình 4.4. Bugi .........................................................................................................111
Hình 4.5. IC xe máy ................................................................................................111
Hình 4.6. Bình accu .................................................................................................111
Hình 4.7. Cải tạo cốc chặn nước để gắn bugi .........................................................112
Hình 4.8. Cụm tì giữ chặt cốc chặn nước ................................................................112
Hình 4.9. Lắp đặt cảm biến đánh lửa lên bánh đà và vỏ máy ................................112
Hình 4.10. Sơ đồ tính tốn các kích thước chính của bộ tạo hỗn hợp ....................113
Hình 4.11. Kết cấu bộ tạo hỗn hợp dùng trên động cơ biogas (ZH1115) ...............115

Hình 4.12. Dẫn động bướm ga ................................................................................116
Hình 4.13. Sơ đồ tính tốn dẫn động trục bướm ga ................................................117
Hình 4.14. Quan hệ giữa góc xoay trục bướm ga và càng điều khiển ....................118
Hình 4.15. Động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được chuyển đổi từ động
cơ diesel ZH1115 ...................................................................................119
Hình 5.1. Sơ đồ bố trí chung của hệ thống thí nghiệm ...........................................122
Hình 5.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ............................................................................123
Hình 5.3. Bộ tạo hỗn hợp động cơ (a), Cảm biến lực LoadCell PST 100kg (b) .....124
Hình 5.4. Encoder 100 xung/vịng (a), Card NI-6009 (b) .......................................124
Hình 5.5. Kết nối các cảm biến vào máy tính điều khiển .......................................125


xiii

Hình 5.6. Tiến hành thử nghiệm động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức ...................125
Hình 5.7. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas đến đường đặc
tính ngồi của động cơ (=12, s=37) ..................................................126
Hình 5.8. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas đến đường đặc tính
cục bộ của động cơ ................................................................................127
Hình 5.9. Biến thiên cơng suất trên đường đặc tính ngồi theo thành phần CH4 trong
biogas ứng với các chế độ tốc độ khác nhau (=12, s=37) ................128
Hình 5.10. Ảnh hưởng của tỉ số nén đến đường đặc tính ngồi động cơ biogas ...128
Hình 5.11. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đường đặc tính ngồi của động cơ
(=12, biogas chứa 60% CH4) ...............................................................129
Hình 5.12. Biến thiên cơng suất trên đường đặc tính ngồi của động cơ theo góc đánh
lửa sớm ứng với các chế độ tốc độ khác nhau .......................................130
Hình 5.13. So sánh đường đặc tính ngồi động cơ khi chạy bằng diesel, LPG và
biogas .....................................................................................................130
Hình 5.14. So sánh đường đặc tính moment của động cơ khi chạy bằng diesel, LPG
và biogas ở chế độ đầy tải ......................................................................131

Hình 5.15. So sánh đường đặc tính ngồi động cơ biogas cho bởi mơ hình và thực
nghiệm với tỉ số nén 10 (a), 12 (b) và 14 (c) .........................................132
Hình 5.16. So sánh đường đặc tính ngồi động cơ ZH1115 khi chạy bằng biogas chứa
70% thể tích CH4 cho bởi mơ phỏng và thực nghiệm ứng với góc đánh lửa
sớm 20 (a), 40 (b) và 50 (c) ..............................................................133


1

MỞ ĐẦU

1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Sự gia tăng các chất khí gây hiệu ứng nhà kính, chủ yếu là CO2, do việc sử
dụng năng lượng hóa thạch trong những thế kỷ qua, đã làm bề mặt quả đất ấm dần
lên. Dẫn đến mực nước biển dâng cao, sa mạc hoang hóa ngày càng mở rộng, thiên
tai hạn hán xảy ra bất thường... Sự phá vỡ cân bằng vốn có của carbon trong tự nhiên
là nguyên nhân chính của những thảm họa mà loài người phải gánh chịu hiện nay và
trong tương lai nếu khơng có những biện pháp hữu hiệu ngăn chặn kịp thời.
Việc nghiên cứu sản xuất và ứng dụng các nguồn năng lượng tái sinh có nguồn
gốc từ năng lượng mặt trời đã và đang được triển khai trên thế giới và Việt Nam. Một
trong số đó là hướng nghiên cứu sử dụng khí biogas dùng làm nhiên liệu cho động cơ
đốt trong phục vụ mục đích tĩnh tại và phương tiện cơ giới.
Giải pháp sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, đồng thời đạt
được cả 3 mục tiêu: tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, hạn chế phát thải chất khí gây hiệu
ứng nhà kính và bảo vệ mơi trường trong sản xuất và sinh hoạt.
Tại Việt Nam động cơ dùng biogas làm nhiên liệu có thể là động cơ biogas do
nước ngồi sản xuất với giá thành rất cao; hoặc có thể chuyển đổi từ động cơ xăng
hay động cơ diesel để tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu. Việc sử dụng các động cơ qua
chuyển đổi này, bước đầu đã mang lại hiệu quả kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường
rõ rệt. Tuy vậy, khi nhu cầu sử dụng biogas làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong

cũng như nhu cầu về công suất tiêu thụ tăng cao, cộng thêm sự khơng đồng nhất về
thành phần khí biogas cùng với sự đa dạng về chủng loại và kích cỡ các động cơ cần
chuyển đổi, địi hỏi phải có thêm các nghiên cứu làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên
liệu, nghiên cứu quá trình cháy của động cơ biogas và xác định các thông số cơ bản
tối ưu để đảm bảo tính năng của loại động cơ này.
Vì vậy, sử dụng động cơ biogas phục vụ cho sản xuất và đời sống ở nơng thơn có
ý nghĩa rất quan trọng trong chiến lược an ninh năng lượng ở nước ta. Giải pháp


2

chuyển đổi động cơ diesel truyền thống thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức
cho phép tận dụng được lợi thế của động cơ diesel về tốc độ thấp và tỉ số nén cao để
nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ với nhiên liệu mới. Mặt khác trong q
trình vận hành khơng tốn nhiên liệu lỏng để phun mồi. Điều này giúp nâng cao hiệu
quả kinh tế khi sử dụng động cơ biogas.
Do đó “Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh
lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
-

Xây dựng qui trình chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ đánh lửa cưỡng
bức sử dụng biogas.

-

Thiết kế chế tạo bộ tạo hỗn hợp biogas và khơng khí cho động cơ biogas đánh
lửa cưỡng bức.

-

Xác định tỉ số nén và góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ biogas đánh lửa
cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel bằng mơ hình và thực nghiệm.

3. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ 1 xi lanh, thay đổi được tỉ số nén,
đánh lửa cưỡng bức.
Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas và
nghiên cứu chất lượng quá trình cháy của biogas trên động cơ nghiên cứu. Từ đó, xác
định các thơng số tối ưu của động cơ biogas được chuyển đổi từ động cơ diesel bằng
mơ hình và thực nghiệm.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mơ hình hóa kết hợp với
nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính đúng đắn của mơ hình.
Về lý thuyết:
- Sử dụng phần mềm FLUENT để tính tốn, mơ phỏng hệ thống cung cấp nhiên
liệu biogas cho động cơ.


3

- Sử dụng phần mềm FLUENT để tính tốn, mơ phỏng quá trình cháy của động
cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng biogas làm nhiên liệu khi thay đổi các thơng số: tỉ số
nén, góc đánh lửa sớm, kiểu buồng cháy và thành phần nhiên liệu.
Về thực nghiệm:
- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel một xi lanh
thành động cơ đánh lửa cưỡng bức.
- Chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas.
- Thực nghiệm trên băng thử công suất động cơ, nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên

liệu, thông số kết cấu và vận hành đến đường đặc tính ngồi của động cơ.
5. TÊN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ
đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên liệu, nghiên
cứu quá trình cháy của động cơ biogas và xác định các thông số cơ bản tối ưu để đảm
bảo tính năng của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao chuyển đổi từ
động cơ diesel.
Góp phần tạo tiền đề cho việc sản xuất các thế hệ động cơ biogas đánh lửa
cưỡng bức làm việc với hiệu suất, công suất cao, suất tiêu hao nhiêu liệu thấp, tuổi
thọ lâu dài phục vụ trong ngành nơng nghiệp nơng thơn nói riêng và kinh tế - xã hội
Việt Nam nói chung.
7. CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được chia làm 5 chương
trình bày các nội dung chính như sau:
 Chương 1: Nghiên cứu tổng quan (29 trang): Tình hình sản xuất và ứng dụng
biogas trên thế giới và tại Việt Nam; yêu cầu, đặc điểm của biogas khi sử dụng
làm nhiên liệu; hiệu quả bảo vệ mơi trường và tình hình nghiên cứu ứng dụng
biogas làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức.


4

 Chương 2: Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ biogas đánh
lửa cưỡng bức (21 trang): So sánh các phương án chuyển đổi động cơ sử dụng
nhiên liệu lỏng thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức ứng dụng ở nước ta
và phân tích một cách tổng quát những vấn đề chính cần phải giải quyết khi
chuyển đổi một động cơ diesel thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng
nhiên liệu biogas.

 Chương 3: Mơ hình hóa q trình cấp nhiên liệu và q trình cháy trong động
cơ biogas đánh lửa cưỡng bức (53 trang): Cơ sở lý thuyết và tính tốn mơ hình
hóa q trình cấp nhiên liệu và quá trình cháy trong động cơ biogas đánh lửa
cưỡng bức trên cơ sở phần mềm động lực học thủy khí CFD Fluent. Kết quả
tính tốn mơ phỏng bộ tạo hỗn hợp và quá trình cháy của hỗn hợp biogas khơng khí.
 Chương 4: Thiết kế chế tạo và lắp đặt các phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel
ZH1115 thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức (12 trang): Thiết kế chế tạo
và lắp đặt các phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel ZH1115 thành động cơ
biogas đánh lửa cưỡng bức, qui trình vận hành động cơ biogas đánh lửa cưỡng
bức, qui trình chuyển đổi động cơ diesel nhiều xi lanh.
 Chương 5: Thử nghiệm động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức (14 trang): Trình
bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, bàn luận và so sánh kết quả tính tốn
mơ phỏng với kết quả thực nghiệm.
8. CÁC ĐIỂM MỚI CHỦ YẾU CỦA LUẬN ÁN
1. Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi thành công động cơ diesel 1 xi lanh ZH1115
thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức.
2. Tính tốn mơ phỏng bộ tạo hỗn hợp cho phép xác định được các kích thước
tối ưu ứng với nhiên liệu biogas chứa hàm lượng CH4 khác nhau.
3. Tính tốn mơ phỏng thành cơng q trình cháy của động cơ biogas nhờ phần
mềm FLUENT. Các kết quả đạt được của mơ hình đảm bảo độ tin cậy nhờ kiểm
chứng với kết quả thực nghiệm.


5

4. Thiết kế được bộ tạo hỗn hợp kiểu venturie dạng 2 nửa lắp ghép, có thể cấp
hỗn hợp ổn định cho động cơ biogas. Khi tiết diện lưu thông của ống cung cấp biogas
cố định thì thành phần hỗn hợp ít thay đổi theo độ mở bướm ga và theo tốc độ động
cơ. Đối với động cơ ZH1115, khi đường ống cung cấp khơng khí bằng đường nạp
ngun thủy của động cơ thì đường kính tương đương của ống cung cấp biogas có

thể biểu diễn bằng biểu thức D=166.X-0,5443 (mm) với X là tỉ lệ phần trăm (%) của
CH4 trong biogas tính theo thể tích.
5. Động cơ biogas chuyển đổi từ động cơ diesel ZH1115 làm việc theo nguyên
lý đánh lửa cưỡng bức ở tốc độ định mức 2200v/ph, tỉ số nén tối ưu nằm trong khoảng
từ 11,5 đến 12,5. Với =12, nhiên liệu biogas chứa 60% CH4 thì góc đánh lửa sớm
tối ưu nằm trong khoảng từ 34o đến 42o trước ĐCT khi tốc độ động cơ thay đổi.