Luận án Nghiên cứu ứng dụng biogas-diesel cho động cơ lắp trên phương tiện cơ giới đường bộ phục vụ giao thông nông thôn Việt Nam

Tên luận án:

Nghiên cứu ứng dụng biogas-diesel cho động cơ lắp trên phương tiện cơ giới đường bộ phục vụ giao thông nông thôn Việt Nam

Ngành:

Kỹ thuật động lực

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung vào "Nghiên cứu ứng dụng biogas-diesel cho động cơ lắp trên phương tiện cơ giới đường bộ phục vụ giao thông nông thôn Việt Nam" do nhu cầu máy nông nghiệp và nguồn động lực ở Việt Nam tăng 20-25% mỗi năm, kèm theo lượng khí thải nông nghiệp lớn (65,1 triệu tấn CO2, chiếm 43,1% tổng lượng khí nhà kính) và dự báo tiếp tục tăng. Trong khi đó, trữ lượng dầu khí thiên nhiên có giới hạn và Việt Nam có khả năng sản xuất 4 tỷ m³ biogas mỗi năm. Đề tài này được đánh giá là hết sức cấp thiết nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tìm kiếm nguồn nhiên liệu sạch thay thế, đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho động cơ nhiệt và mang lại lợi ích kinh tế cho người dân nông thôn.

Mục đích nghiên cứu chính của luận án là xác định hệ số tương đương φ tối ưu cho động cơ dual fuel biogas-diesel dưới các chế độ làm việc và thành phần CH4 khác nhau, đồng thời thiết kế bộ điều tốc tích hợp cho máy kéo K2600 để hoạt động đa chế độ. Luận án cũng hướng tới việc hoàn thiện công nghệ ứng dụng nhiên liệu biogas trên các phương tiện cơ giới phổ biến tại nông thôn Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu cụ thể là động cơ Vikyno EV2600-NB lắp trên máy kéo K2600, được chuyển đổi để chạy bằng dual fuel diesel-biogas. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thực nghiệm xác định hệ số φ tối ưu, cải tạo bộ điều tốc và nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp. Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết, mô hình hóa và thực nghiệm.

Về ý nghĩa khoa học, luận án góp phần vào nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu về ứng dụng biogas cho động cơ dual fuel biogas-diesel tại Việt Nam. Về ý nghĩa thực tiễn, đề tài này có vai trò quan trọng trong việc giải quyết vấn đề năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường và phát triển các phương tiện giao thông vận tải sạch, mới, đặc biệt phù hợp với khu vực nông thôn nơi chất thải hữu cơ dồi dào và nhu cầu sử dụng động cơ nhỏ chạy biogas rất lớn. Luận án hy vọng đưa ra giải pháp công nghệ gọn nhẹ, phù hợp với động cơ lắp trên phương tiện vận chuyển, với bộ điều tốc thiết kế giúp động cơ dual fuel biogas-diesel hoạt động ổn định và hiệu quả.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU
• LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
• ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• Đối tượng nghiên cứu
• Phạm vi nghiên cứu
• PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• Ý nghĩa khoa học
• Ý nghĩa thực tiễn
• Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
• 1.1. Đặc điểm giao thông nông thôn Việt Nam
• 1.2. Tổng quan về phát triển kinh tế trang trại ở nông thôn Việt Nam
• 1.3. Vấn đề sử dụng các phương tiện cơ giới ở nông thôn Việt Nam
• 1.3.1. Nhu cầu động cơ phục vụ cho các phương tiện vận chuyển cơ giới ở nông thôn Việt Nam
• 1.3.2. Các loại phương tiện vận chuyển cơ giới ở nông thôn Việt Nam
• 1.4. Trữ lượng biogas ở nông thôn Việt Nam
• 1.4.1. Trữ lượng dầu mỏ và khí thiên nhiên
• 1.4.2. Khả năng sinh khí biogas từ chất thải hữu cơ và phụ phẩm nông nghiệp
• 1.4.3. Trữ lượng biogas ở nông thôn Việt Nam
• 1.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng biogas trên động cơ
• 1.5.1. Kết quả nghiên cứu trên thế giới sử dụng biogas trên động cơ
• 1.5.2. Kết quả nghiên cứu trong nước sử dụng biogas trên động cơ
• 1.6. Kết luận
• Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL
• 2.1. Tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
• 2.1.1. Các tính chất cơ bản của biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
• 2.1.2. Đề xuất tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ở Việt Nam
• 2.2. Cơ sở lý thuyết của hỗn hợp cung cấp cho động cơ dual fuel biogas-diesel
• 2.2.1. Ảnh hưởng độ đồng đều của hỗn hợp đến quá trình cháy
• 2.2.2. Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước cục bộ
• 2.3. Thiết kế bộ điều tốc biogas cho động cơ EV2600-NB dual fuel diesel-biogas
• 2.3.1. Nguyên lý điều khiển động cơ dual fuel biogas-diesel
• 2.1.2. Công nghệ chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas-diesel
• 2.1.3. Vận hành động cơ dual fuel biogas-diesel sau khi chuyển đổi
• 2.4. Tính toán bộ điều tốc biogas
• 2.4.1. Sơ đồ tính toán và các thông số chọn
• 2.4.2. Các bước tính
• 2.4.2.1. Tính lực phục hồi Fhp
• 2.4.2.2. Tính lực duy trì Fdt
• 2.4.2.3. Đặc tính cân bằng của khớp trượt
• 2.5. Kết luận
• Chương 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL
• 3.1. Cơ sở lý thuyết xác định hệ số tương đương φ
• 3.2. Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp động cơ dual fuel biogas-diesel
• 3.2.1. Đặc điểm kết cấu bộ tạo hỗn hợp biogas-không khí
• 3.2.2. Tính toán các kích thước cơ bản của bộ tạo hỗn hợp
• 3.2.3. Mô phỏng bộ tạo hỗn hợp bằng phần mềm Ansys® Fluent
• 3.2.3.1. Xây dựng mô hình bộ hỗn hợp trong Ansys® Fluent
• 3.2.3.2. Mô hình mô phỏng độ đồng đều của hỗn hợp trong Ansys® Fluent
• 3.2.3.3. Chia lưới
• 3.2.3.4. Thiết lập điều kiện biên
• 3.2.3.5. Mô phỏng quá trình cháy dual fuel bằng phần mềm Ansys® Fluent
• 3.3. Kết quả mô phỏng hỗn hợp động cơ dual fuel biogas-diesel
• 3.3.1. Kết quả mô phỏng bộ tạo hỗn hợp
• 3.3.2. Kết quả mô phỏng độ đồng đều của bộ tạo hỗn hợp
• 3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến tính năng động cơ dual fuel biogas-diesel
• 3.3.1. Quan hệ giữa tỉ lệ hỗn hợp f và hệ số tương đương φ của động cơ biogas-diesel
• 3.3.2. Đánh giá quá trình cháy nhiên liệu biogas-diesel
• 3.3.3. Tính toán quá trình cháy diesel trong động cơ Vikyno EV2600
• 3.3.4. Tính toán quá trình cháy động cơ dual fuel biogas-diesel
• 3.3.4.1. Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu phun mồi
• 3.3.4.2. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ
• 3.3.5. Đường đặc tính cục bộ của động cơ dual fuel biogas-diesel
• 3.4. Kết luận
• Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 4.1. Cải tạo máy kéo diesel K2600 thành máy kéo dual fuel biogas-diesel
• 4.1.1. Các thông số kỹ thuật của máy kéo K2600
• 4.1.2. Động cơ thí nghiệm
• 4.2. Quy trình cải tạo máy kéo diesel K2600 thành máy kéo dual fuel biogas-diesel
• 4.2.1. Bố trí lắp đặt hệ thống giá đỡ biogas trên máy kéo K2600
• 4.2.2. Lắp đặt các bình biogas nén lên máy kéo K2600
• 4.2.3. Kiểm nghiệm tính ổn định của máy kéo sau khi cải tạo
• 4.2.3.1. Thông số kỹ thuật máy kéo sử dụng kiểm nghiệm tính ổn định
• 4.2.3.2. Kiểm nghiệm tính ổn định dọc tĩnh
• 4.2.3.3. Kiểm nghiệm tính ổn định ngang
• 4.2.4. Lắp họng venturi cung cấp biogas vào đường nạp động cơ
• 4.2.5. Qui trình vận hành máy kéo K2600 dual fuel biogas-diesel
• 4.3. Thực nghiệm đo đạc tính năng động cơ EV2600-NB dual fuel biogas - diesel
• 4.3.1. Các thiết bị phục vụ thực nghiệm
• 4.3.1.1. Băng thử công suất Froude DPX3
• 4.3.1.2. Card ghi nhận dữ liệu NI-6009
• 4.3.1.3. Các loại cảm biến ghi nhận số liệu động cơ hoạt động
• 4.3.1.4. Bình lọc H2S và CO2 và máy phân tích khí Gas
• 4.3.1.5. Hệ thống đo kết nối với máy tính
• 4.3.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
• 4.4. Kết quả thí nghiệm bộ điều tốc biogas
• 4.5. Kết luận
• Chương 5: PHÂN TÍCH SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Ảnh hưởng của hệ thống nạp và các chế độ vận hành động cơ dual fuel đến hệ số tương đương φ
• 5.1.1. Ảnh hưởng của độ mở bướm ga
• 5.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ
• 5.1.3. Ảnh hưởng của công suất động cơ
• 5.2. Phân tích các tính năng của động cơ dual fuel biogas-diesel
• 5.2.1. Đường đặc tính ngoài của động cơ dual fuel biogas-diesel
• 5.2.2. Đường đặc tính cục bộ của động cơ dual fuel biogas-diesel
• 5.2.3. Đường đặc tính điều tốc
• 5.2.4. Tiêu hao nhiên liệu diesel để đánh lửa động cơ dual fuel biogas-diesel
• 5.2.5. Ảnh hưởng của lượng phun diesel
• 5.3. Kết luận
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 1. KẾT LUẬN
• Động cơ dual fuel biogas-diesel lắp trên máy kéo có chế độ tốc độ tải và chế độ tốc độ thường xuyên thay đổi nên cần tăng độ đồng đều của hỗn hợp biogas-không khí cung cấp cho động cơ để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu biogas nén.
• Cùng một vị trí độ mở van cung cấp biogas, hệ số tương đương của hỗn hợp thay đổi theo thành phần CH4 trong biogas.
• Giá trị cực đại của áp suất cháy phụ thuộc vào hệ số tương đương tổng quát φ của hỗn hợp và đạt giá trị lớn nhất khi φ xấp xỉ 1.
• Trong cùng điều kiện cung cấp biogas, khi lượng phun diesel tăng thì đỉnh đường cong áp suất hầu như không thay đổi nhưng đường dãn nở cao hơn dẫn đến công chỉ thị tăng.
• Công suất có ích của động cơ biến thiên theo hệ số tương đương và thành phần CH4 trong biogas.
• Có thể tận dụng không khí thừa của động cơ diesel để cung cấp thêm biogas khi chuyển thành động cơ dual fuel biogas-diesel để nâng cao công suất động cơ.
• Để động cơ dual fuel biogas-diesel lắp trên máy kéo hoạt động ổn định ở nhiều chế độ tốc độ khác nhau ta phải bổ sung bộ điều tốc biogas tích hợp bên trong cơ cấu truyền động của động cơ.
• 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• Nghiên cứu phát triển động cơ biogas-diesel compact gồm 2 bộ điều tốc đặt bên trong động cơ.
• Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển động cơ hybrid biogas-diesel hoạt động theo nguyên lý dual fuel được cung cấp biogas có thành phần CH4 khác nhau.
• Đo đạc thực nghiệm tính năng máy kéo dual fuel biogas-diesel trực tiếp trên băng thử ô tô.
• Nghiên cứu tăng khả năng lưu trữ nhiên liệu biogas.
• Nghiên cứu ảnh hưởng của tuổi thọ động cơ VIKYNO EV2600-NB khi sử dụng dual fuel biogas-diesel do ảnh hưởng của các tạp chất và khí độc hại gây ăn mòn trong biogas, nhất là H2S.