Xem mẫu
Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông
12
PHỎNG ĐOÁN SỰ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ NOX TRONG BUỒNG CHÁY
ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CHẠY BẰNG BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU
BỞI HYDROGEN
TEMPERATURE AND NOX DISTRIBUTION PREDICTION IN COMBUSTION CHAMBER
OF SI ENGINE FUELED WITH BIOGAS ENRICHED HYDROGEN
Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; buivanga@ac.udn.vn
Tóm tắt - Bài báo phân tích phân bố nhiệt độ cháy và NOx dựa trên
mô phỏng phân bố thành phần hỗn hợp khi phun nhiên liệu hòa
trộn trước và khi phun riêng rẽ trên động cơ đánh lửa cưỡng bức
chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen. Kết quả cho thấy,
với cùng thành phần nhiên liệu và chế độ vận hành của động cơ,
phun hỗn hợp biogas-hydrogen thì thành phần hỗn hợp cuối quá
trình nén đồng đều hơn phun nhiên liệu riêng rẽ. Cùng phương
thức cung cấp và thành phần nhiên liệu thì mức chênh lệch nồng
độ nhiên liệu trên mặt cắt ngang càng rộng khi tốc độ động cơ càng
cao. Khi tăng hàm lượng hydrogen thì nhiệt độ cực đại của quá
trình cháy và nồng độ NOx đều tăng. Khi phun hỗn hợp nhiên liệu
hòa trộn trước thì nhiệt độ cực đại nằm gần thành xi lanh theo
phương x còn nồng độ NOx cực đại nằm gần thành xi lanh theo
phương z. Khi phun riêng rẽ thì vùng nhiệt độ cực đại hướng về xú
páp thải còn vùng NOx cực đại hướng về xú páp nạp.
Abstract - Prediction of temperature and NOx distribution in
combustion chamber of SI engine fueled with biogas enriched
hydrogen based on simulation of mixture formation via blend
injection and dual injection is presented in this paper. The results
show that under the same fuel composition and operation
conditions, mixture at the end of compression process is more
homogenous in case of biogas-hydrogen blend injection compared
to dual injection. With the same injection strategy, the difference
between maximum fuel concentration and minimum fuel
concentration in the cross section is larger at increasing engine
speed. Combustion temperature and NOx concentration increase
with increasing hydrogen concentration in the fuel mixture.
Maximum temperature is found in zones close to the cylinder wall
in x direction while maximum NOx concentration is found in zones
close to cylinder wall in z direction with blend injection. As dual
injection, maximum temperature is close to exhaust valve and
maximum NOx concentration is close to inlet valve.
Từ khóa - nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydrogen; NOx; phun nhiên
liệu.
Key words - renewable energy; Biogas; Hydrogen; NOx; fuel
Injection.
1. Giới thiệu
Sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã làm gia tăng hàm lượng
chất khí gây hiệu ứng nhà kính CO2 trong bầu khí quyển,
gây biến đổi khí hậu, làm mực nước biển dâng cao, đe dọa
đến cuộc sống trên hành tinh. Để đảm bảo sự phát triển bền
vững, các nhà khoa học từ lâu đã nghiên cứu phát triển
công nghệ ứng dụng các loại nhiên liệu tái tạo có nguồn
gốc từ bức xạ mặt trời [1], [2]. Đây là nguồn năng lượng
dồi dào và bất tận trong thang đo thời gian của Thái dương
hệ. Nguồn năng lượng này phân bố đều khắp trên hành tinh,
không phụ thuộc nhiều vào vị trí địa lý như nguồn năng
lượng hóa thạch.
Theo cảnh báo của các nhà khoa học thì nếu nhiệt độ
bầu khí quyển tăng vượt 2⁰C so với nhiệt độ trung bình
trong giai đoạn 1850-1950 thì sẽ xảy ra hiện tượng
“househot”, khi đó nhiệt độ khí quyển đạt giá trị cao nhất
trong hơn 1,5 triệu năm qua và con người không còn khả
năng điều chỉnh lại hệ thống khí hậu. Để nhân loại không
phải đối mặt với hiện tượng khí hậu cực đoan này, tại Hội
nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu thế giới COP21 năm
2015 tại Paris, đa số các quốc gia đã thống nhất cam kết
cùng hành động để từ 2020 trở đi, mức phát thải CO2 trên
phạm vi toàn cầu giảm dần, đảm bảo nhiệt độ bầu khí quyển
cuối thế kỷ 21 không vượt quá ngưỡng cực đoan 2⁰C so
với thời kỳ tiền công nghiệp.
Trong các nguồn phát thải CO2 thì động cơ đốt trong là
thủ phạm chính. Vì thế, để đạt được mục tiêu COP21, thì
trong vòng 3 thập niên tới, nhiên liệu thay thế/ tái tạo sử
dụng trên động cơ đốt trong phải chiếm ít nhất 60% tổng
năng lượng sử dụng so với mức 10% hiện nay. Đây là một
thách thức rất lớn đối với các nhà khoa học trong lĩnh vực
động cơ đốt trong và phương tiện vận chuyển cơ giới.
Ở các nước vùng nhiệt đới, sản xuất nông nghiệp thì
biogas và điện mặt trời là nguồn năng lượng dồi dào.
Biogas từ lâu đã được dùng để đun nấu, thắp sáng. Với mức
độ dồi dào của biogas, việc sử dụng nó làm nguồn nhiên
liệu này trên động cơ đốt trong để kéo máy công tác tĩnh
tại hay lắp trên phương tiện vận chuyển cơ giới là giải pháp
rất hữu hiệu để tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ô
nhiễm môi trường [3], [4]. Biogas có thể sử dụng làm nhiên
liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức hay động cơ dual fuel
[5], [6].
Bên cạnh biogas, điện mặt trời đang được phát triển
nhanh chóng trong những năm gần đây do chi phí đầu tư
giảm. Người ta ước tính với tốc độ phát triển của công
nghệ hiện nay, giá thành điện mặt trời cứ sau 10 năm sẽ
giảm đi một nửa. Kỷ nguyên năng lượng tái tạo đã chính
thức ra đời sớm hơn dự kiến của các nhà khoa học trong
thế kỷ trước. Một số dự báo lạc quan cho rằng, có thể đến
¾ các nước trên thế giới sử dụng hoàn toàn năng lượng
tái tạo trước năm 2050. Khi nguồn điện mặt trời dồi dào
thì việc sản xuất hydrogen bằng điện phân nước để làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong là giải pháp mang tính
bền vững.
Biogas có chỉ số octane lớn, khoảng 130, nên nó có khả
năng chống kích nổ tốt. Vì thế, nó có thể dùng trên động
cơ có tỉ số nén cao để cải thiện hiệu suất nhiệt [7], [8], [9].
Tuy nhiên, biogas có chứa CO2, một tạp chất làm giảm tốc
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, Quyển 1
thải ô nhiễm nhờ những đặc tính ưu việt của nó như giới
hạn cháy mở rộng, tốc độ cháy cao, hệ số khuếch tán lớn,
nhiệt độ đoạn nhiệt cao [29]. Những công trình nghiên cứu
về động cơ chạy bằng biogas-hydrogen đã công bố đến nay
dường như mới chỉ đề cập đến những kết quả tổng quát ở
đầu ra, chưa có những nghiên cứu tường tận hiện tượng
diễn ra trong buồng cháy động cơ.
Quá trình cung cấp nhiên liệu ảnh hưởng đến sự phân
bố nồng độ các chất trong buồng cháy vì thế ảnh hưởng đến
chất lượng quá trình cháy và mức độ phát thải ô nhiễm.
Việc nghiên cứu bằng thực nghiệm để đo đạc diễn biến tức
thời bên trong buồng cháy rất khó có thể thực hiện được.
Vì thế nghiên cứu mô phỏng sẽ giúp chúng ta khắc phục
được hạn chế này.
Trong công trình này chúng tôi nghiên cứu mô phỏng
sự phân bố nồng độ các thành phần nhiên liệu trong buồng
cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được
làm giàu bởi hydrogen để trên cơ sở đó phỏng đoán phân
bố nhiệt độ và nồng độ NOx. Hai phương án phun nhiên
liệu được nghiên cứu so sánh: phun hỗn hợp nhiên liệu đã
được hòa trộn trước (blend) và phun nhiên liệu riêng rẽ
(dual). Công nghệ phun nhiên liệu khí cho phép điều chỉnh
thành phần hỗn hợp nhiên liệu theo chế độ công tác của
động cơ chính xác hơn phương pháp cung cấp nhiên liệu
qua họng venturi truyền thống [30].
Trong nghiên cứu này, nhiên liệu sử dụng được ký hiệu
MaCb/Hc, trong đó MaCb là biogas chứa a% CH4 và b%
CO2 tính theo thể tích, Hc là c% thể tích H2 trong hỗn hợp
với CH4. Ví dụ nhiên liệu M80C20/H30 là biogas chứa
80% CH4, 20% CO2 được làm giàu bởi 30% H2.
2. Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp
Vòi phun 1: d=3mm
Vòi phun 2: d=5mm
S=64mm
độ lan tràn màn lửa và giảm nhiệt trị nhiên liệu, ảnh hưởng
đến tính năng của động cơ [10]. Trong khi đó hydrogen là
nhiên liệu có tốc độ cháy cao. Tốc độ lan tràn màn lửa của
hydrogen đạt 230 cm/s, lớn gần gấp 6 lần tốc độ lan tràn
màn lửa của methan CH4 (42 cm/s) nên khi phối hợp với
biogas nó sẽ giúp cải thiện chất lượng quá trình cháy của
động cơ [11].
Kết quả nghiên cứu của Ilbas et al. [12] cho thấy khi
tăng thành phần hydrogen trong hỗn hợp với methan thì
tốc độ lan tràn màn lửa tăng và giới hạn cháy mở rộng.
Điều này cho phép rút ngắn thời gian từ lúc đánh lửa đến
khi áp suất đạt cực đại khiến áp suất cực đại gần điểm
chết trên hơn dẫn đến gia tăng tốc độ tỏa nhiệt. Chung et
al. [13] nghiên cứu hiệu quả quá trình cháy của hỗn hợp
hydrogen/biogas trong động cơ đánh lửa cưỡng bức bằng
mô phỏng và thấy rằng, khi tăng hàm lượng hydrogen
trong hỗn hợp nhiên liệu thì áp suất cực đại và tốc độ tỏa
nhiệt cực đại đều tăng. Porpatham et al. [14] cũng nhận
được kết quả tương tự khi nghiên cứu động cơ cưỡng bức
chạy bằng biogas được làm giàu bởi 5%, 10% và 15%
hydrogen ở các hệ số tương đương khác nhau. Silvana Di
Iorio et al. [15] nghiên cứu quá trình cháy của hydrogenmethane trong động cơ đánh lửa cưỡng bức cỡ nhỏ bằng
phương pháp quay phim kỹ thuật số tốc độ cao và thấy
rằng áp suất cực đại tăng, tiến gần đến ĐCT, thời gian
cháy giảm khi tăng hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp
nhiên liệu.
Về mức độ phát thải ô nhiễm, động cơ chạy bằng
biogas có mức độ phát thải ô nhiễm thấp [16]. Động cơ
chạy bằng hydrogen có mức độ phát thải ô nhiễm nói
chung còn thấp hơn động cơ sử dụng nhiên liệu truyền
thống hay nhiên liệu thay thế [17]. Khi pha hydrogen vào
biogas thì mức độ phát thải NOx phụ thuộc vào hàm lượng
hydrogen. Với hàm lượng hydrogen vừa phải thì NOx
giảm nhưng khi hàm lượng hydrogen cao thì NO x lại tăng
do tăng nhiệt độ cháy [18], [19]. Mức độ phát thải NOx có
mối quan hệ chặt chẽ với áp suất cực đại trong xi lanh, áp
suất cực đại càng cao, mức độ phát thải NOx càng lớn
[20]. Khi động cơ làm việc với =1, với hàm lượng
hydrogen vừa phải thì tính năng kinh tế, kỹ thuật và mức
độ phát thải ô nhiễm của động cơ được cải thiện. Tuy
nhiên khi hàm lượng hydrogen tăng vượt quá 10% thì
lượng nhiệt truyền cho nước làm mát tăng làm giảm hiệu
suất nhiệt đồng thời phát thải NOx tăng [21]. Khi động cơ
làm việc với hỗn hợp nghèo, do hydrogen cho phép mở
rộng giới hạn cháy nên cả tính năng kinh tế kỹ thuật lẫn
mức độ phát thải NOx đều được cải thiện khi tăng hàm
lượng hydrogen [22], [23], [24]. Sự hiện diện của
hydrogen trong hỗn hợp với biogas không những làm
giảm phát thải ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức
mà nó còn góp phần làm giảm phát thải bồ hóng trong khí
thải động cơ dual fuel biogas-diesel [25], [26]. Wang et
al. [27] đề xuất hàm lượng thể tích hydrogen trong hỗn
hợp với methane khoảng 20% là tối ưu cả về hiệu suất
nhiệt và mức độ phát thải ô nhiễm. Góc đánh lửa sớm ảnh
hưởng đáng kể đến chất lượng làm việc của động cơ
biogas được làm giàu bằng hydrogen [28].
Nói một cách tổng quát, hydrogen có thể xem là một
chất pha trộn vào biogas để cải thiện hiệu suất và giảm phát
13
D=88mm
Hình 1. Chia lưới không gian tính toán
Hình 1 giới thiệu xi lanh, buồng cháy và đường nạp
động cơ Honda GX390. Trên đường nạp được lắp bổ sung
2 vòi phun để cung cấp nhiên liệu khí. Vòi phun thứ nhất
có đường kính lỗ phun 3mm và vòi phun thứ hai có đường
kính lỗ phun 5mm. Động cơ Honda GX390 có đường kính
xi lanh D=88mm, hành trình piston S=64mm, tỉ số nén
8,2. Công suất định mức của động cơ là 6,4kW ở tốc độ
3000 vòng/phút khi chạy bằng xăng.
Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông
14
nồng độ nhiên liệu trong xi lanh thấp. Kết quá trên cho thấy
tại vị trí góc quay trục khuỷu 60⁰CA (độ góc quay trục
khuỷu), nồng độ cực đại của CH4 trong xi lanh đạt khoảng
15% với n=1000 vòng/phút, trong khi đó nồng độ này chỉ
đạt khoảng 5% với n=3000 vòng/phút. Do chỉ sử dụng 1
vòi phun nên khi phun blend, thời gian phun kéo dài hơn
phun dual. Khi n=1000 vòng phút, quá trình phun kết thúc
trước 60⁰CA. Nồng độ CH4 trong xi lanh tại một thời điểm
góc quay trục khuỷu cho trước ứng với phun dual cao hơn
phun blend.
Hình 2. Biến thiên tốc độ và nồng độ CH4 khi phun dual và
phun blend, tốc độ động cơ 1000 vòng/phút và 3000 vòng/phút ở
vị trí góc quay trục khuỷu 60⁰CA (Biogas M80C20 được làm
giàu bởi 30% hydrogen, thời điểm bắt đầu phun 30⁰CA)
Hình 3a giới thiệu biến thiên nồng độ CH4, H2, O2 và
hệ số tương đương trong xi lanh động cơ khi phun blend
ở chế độ tốc độ động cơ 1000 vòng/phút. Đầu kỳ nạp, khi
bắt đầu phun nồng độ nhiên liệu tăng nhanh làm tăng hệ số
tương đương . Khi kết thúc phun, lượng nhiên liệu cung
cấp vào xi lanh cố định trong khi lượng không khí nạp tiếp
tục tăng lên đến khi bắt đầu kỳ nén nên nồng độ nhiên liệu
giảm cùng với giảm hệ số tương đương . Hệ số tương
đương trung bình trong lanh không thay đổi sau khi xú
páp nạp đóng.
20
O2, CH4, H2 (%)
16
12
8
1.6
CH4
H2
4
0
0
60
1.2
24
1.2
1
16
12
O2
0.8
0.6
CH4
0.4 4
(⁰CA)
20
0.8 8
0
120 180 240 300 360
a)
3. Kết quả và bình luận
3.1. Tạo hỗn hợp trong kỳ nạp
Hình 2 giới thiệu trường tốc độ và trường nồng độ CH4
trên mặt cắt đối xứng chứa trục xi lanh và trục đường nạp
trong trường hợp phun hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen
hòa trộn trước (blend) và phun riêng rẽ (dual) ở hai chế độ
tốc độ động cơ n=1000 vòng/phút và n=3000 vòng/phút.
Biogas chứa 80% CH4 được làm giàu bởi 30% hydrogen
tính theo thể tích trong hỗn hợp với CH4.
Khi tăng tốc độ động cơ thì thời gian phun tính theo góc
quay trục khuỷu kéo dài. Tốc độ phun nhiên liệu không
thay đổi nhưng tốc độ không khí trên đường nạp tăng khi
tăng tốc độ động cơ. Khi tốc độ dòng khí trên đường nạp
tăng thì nhiên liệu bị hút mạnh vào xi lanh nhưng do lượng
nhiên liệu phun trong cùng một góc quay trục khuỷu bé nên
2
O2
O2, CH4, H2 (%)
Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu khí và tạo hỗn hợp
trong động cơ được thực hiện nhờ phần mềm FLUENT với
mô hình chảy rối k-. Hệ phương trình đối lưu - khuếch tán
được sử dụng liên quan đến hỗn hợp khí gồm các chất N2,
O2, CH4, H2 và CO2. Điều kiện biên gồm: (1) áp suất, nhiệt
độ, thành phần các chất ở đầu vào đường nạp không khí,
(2) áp suất, nhiệt độ, thành phần nhiên liệu đầu vào vòi
phun 1, (3) áp suất, nhiệt độ, thành phần nhiên liệu đầu vào
vòi phun 2. Thời gian đóng, mở các vòi phun được thiết lập
trong event của lưới động với màng ngăn giả định ở trạng
thái wall (đóng) và interior (mở).
Khi phun hỗn hợn nhiên liệu biogas-hydrogen hòa trộn
trước (blend) thì chỉ sử dụng vòi phun 2. Khi phun nhiên
liệu riêng rẽ (dual) thì hydrogen được phun qua vòi phun 1
còn biogas được phun qua vòi phun 2.
Quá trình cháy không được tính toán trực tiếp trên
động cơ này. Mối quan hệ giữa nhiệt độ cháy, thành phần
NOx theo hệ số tương đương ứng với biogas được làm
giàu bởi hydrogen với các tỉ lệ khác nhau được nghiên
cứu riêng rẽ trong buồng cháy đẳng tích hình cầu. Bảng 1
và Bảng 2 giới thiệu biến thiên nhiệt độ cháy và nồng độ
NOx theo ứng với biogas M80C20 được làm giàu bởi
H2 lần lượt với tỉ lệ 10% và 30%. Trên cơ sở kết quả
nghiên cứu cơ bản này, nhóm tác giả xác lập được mối
quan hệ giữa nhiệt độ cháy T, nồng độ NOx theo ứng
với các điều kiện nhiên liệu cung cấp khác nhau. Các mối
quan hệ này được cài đặt vào phần mềm FLUENT để tính
toán dự báo nhiệt độ cháy và nồng độ NOx tại thời điểm
bắt đầu đánh lửa.
0.2
H2
0
0
60
0.4
0
120 180 240 300 360
(⁰CA)
b)
Hình 3. Biến thiên nồng độ CH4, H2, O2 và hệ số tương đương
khi phun blend với n=1000 vòng/phút (a) và khi phun dual với
n=3000 vòng/phút (b)
Hình 3b giới thiệu kết quả tương tự trong trường hợp
phun dual ở tốc độ động cơ 3000 vòng/phút. Do H 2 chiếm
tỉ lệ thấp và không chứa tạp chất nên thời gian phun rút
ngắn. Trong khi đó, biogas chứa tạp chất CO2 và thành
phần CH4 trong hỗn hợp với H2 cao hơn nên thời gian
phun kéo dài. Biến thiên nồng độ các chất cũng như
trung bình trong kỳ nạp khi phun dual khác rất nhiều so
với phun blend nhưng cuối quá trình nạp, các đại lượng
này đạt giá trị ổn định như trường hợp phun blend với tốc
độ động cơ 1000 vòng/phút. Điều này cho thấy, khi phun
dual, nồng độ các chất đạt ổn định sớm hơn nhiều so với
phun blend.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, Quyển 1
3.2. Tạo hỗn hợp trong kỳ nén
Sự hòa trộn nhiên liệu và không khí trong xi lanh chịu
ảnh hưởng bởi tốc độ vận động của hỗn hợp khi piston vận
chuyển. Hình 4 giới thiệu trường tốc độ và trường nồng độ
CH4 của hỗn hợp khí trong xi lanh theo phương x và theo
phương z trong quá trình nén. Kết quả cho thấy khi piston
đi lên, hỗn hợp có xu hướng bị đẩy về phía xú páp nạp theo
phương x. Trong khi đó theo phương z, trường tốc độ có
khuynh hướng tạo thành hai vùng xoáy, ở đó hỗn hợp bị
đẩy lên ở tâm xi lanh với tốc độ cao và bị đẩy xuống khi
vực gần thành xi lanh. Khu vực trung tâm có vận tốc dòng
khí lớn nên nhiên liệu và không khí hòa trộn đồng đều.
Ngược lại khu vực sát thành xi lanh và thành buồng cháy,
do tốc độ dòng khí bé nên sự khuếch tán của nhiên liệu bị
hạn chế làm ảnh hưởng đến độ đồng đều của hỗn hợp. Gần
cuối quá trình nén, nhiên liệu phân bố tương đối đồng đều
hơn theo phương x so với phương z.
Hình 4. Biến thiên trường tốc độ và trường nồng độ CH4
trên mặt cắt dọc theo phương x và theo phương z trong quá
trình nén (nhiên liệu M80C20/H30, n=2000 vòng/phút,
phun blend, =1)
Hình 5. Biến thiên đường đồng mức nồng độ CH4 trong
quá trình nén ứng với tốc độ động cơ 1000, 2000 và 3000
vòng/phút (Biogas M80C20, được làm giàu 30% H 2,
phun blend)
15
Hình 5 biểu diễn các đường đồng mức nồng độ CH4
trên mặt cắt ngang tại y=0 ứng với tốc độ động cơ 1000,
2000 và 3000 vòng/phút. Biogas M80C20 được làm giàu
30% H2 phun vào đường nạp động cơ theo phương án
blend. Hệ số tương đương tổng quát =1. Kết quả cho
thấy khu vực có nồng độ nhiên liệu cao luôn ở sát thành
xi lanh; tốc độ động cơ càng cao thì hỗn hợp vùng gần xú
páp nạp càng nhạt; mức chênh lệch giữa nồng độ CH4 cực
đại và cực tiểu trên mặt cắt ngang càng rộng khi tốc độ
động cơ càng cao. Mức chênh lệch này là 1,1%, 2% và
4% lần lượt tương ứng với tốc độ động cơ 1000, 2000 và
3000 vòng/phút. Điều này có thể lý giải khi tốc độ động
cơ thấp, thời gian dành cho quá trình nạp kéo dài nên
không khí và nhiên liệu có nhiều thời gian để khuếch tán,
cải thiện độ đồng đều của hỗn hợp. Tuy nhiên khi đánh
giá quá trình cháy cần xét ảnh hưởng đồng thời của mức
độ đồng đều hỗn hợp và tốc độ cháy rối khi thay đổi tốc
độ động cơ [31].
3.3. Phân bố nhiệt độ và NOx cục bộ trong buồng cháy
Trên cơ sở phân bố thành phần hỗn hợp, chúng ta có
thể tính toán dự báo sự phân bố nhiệt độ và nồng độ NOx
cục bộ trong buồng cháy dựa vào mối quan hệ đã được thiết
lập ở các Bảng 1 và Bảng 2. Hình 6 so sánh biến thiên của
, T và NOx trên mặt cắt ngang y=0 ứng với trong trường
hợp động cơ chạy bằng biogas M80C20 được làm giàu bởi
10% hydrogen và trong trường hợp biogas M80C20 được
làm giàu bởi 30% H2 và động cơ chạy ở tốc độ 3000
vòng/phút, cung cấp nhiên liệu bằng cách phun dual. Hệ số
tương đương hỗn hợp tổng quát là =1. Kết quả cho thấy
biên dạng các đường đồng mức , T, NOx không thay đổi
nhiều khi thay đổi thành phần hydrogen trong hỗn hợp
nhiên liệu. Thành phần hỗn hợp trên mặt cắt ngang không
đồng đều, hệ số tương đương thay đổi từ 0,7 ở khu vực
gần xú páp nạp đến 1,2 ở khu vực gần xú páp thải. Nhiệt
độ cháy của hỗn hợp lớn nhất nằm vùng từ 1 đến 1,1.
Trong khi đó vùng có nồng độ NOx cao nhất nằm trong
khoảng biến thiên từ 0,85 đến 0,95. Kết quả cho thấy
vùng nhiệt độ cao có dạng chữ V rộng và dịch về phía xú
páp thải còn vùng NOx cao có dạng chữ V hẹp và dịch về
phía xú páp nạp.
Khi biogas M80C20 được làm giàu bởi 30% hydrogen
thì nhiệt độ cháy tăng, đạt cực đại 2625K so với 2400K khi
động cơ chạy bằng biogas M80C20 được làm giàu bởi 10%
hydrogen. Nồng độ cực đại của NOx trên mặt cắt ngang
cũng tăng từ 1200ppm lên 2500ppm khi thành phần
hydrogen làm giàu biogas tăng từ 10% lên 30%.
Hình 7 giới thiệu biến thiên của , T, NOx trên mặt cắt
ngang y=0 tại thời điểm đánh lửa trong hai trường hợp
phun blend biogas M80C20 được làm giàu 10% và 30%
hydrogen với hệ số tương đương =1, động cơ chạy ở tốc
độ 1000 vòng/phút. Chúng ta thấy biến thiên của nằm
trong phạm vi hẹp, trong khoảng từ 0,9 đến 1,15
(M80C20/H10) và trong khoảng 0,9 đến 1,1
(M80C20/H30). Vùng có hỗn hợp đậm nằm gần xú páp thải
và xú páp nạp. Khu vực trục xi lanh có hệ số tương đương
xấp xỉ 1. Kết quả này cho thấy hỗn hợp đồng đều hơn
trong trường hợp động cơ chạy ở tốc độ động cơ thấp và
phun blend.
16
Hình 6. Phân bố hệ số tương đương , nhiệt độ và nồng độ NOx
trên mặt cắt ngang y=0 khi tốc độ động cơ n=3000 vòng/phút
(Biogas M80C20, phun dual, =1, thời điểm bắt đầu phun 30⁰CA)
Sự phân bố nhiệt độ đồng dạng với sự phân bố hệ số tương
đương. Nhiệt độ đạt giá trị cực đại theo phương x ở khu vực
gần xú páp thải và xú páp nạp. Trong khí đó nồng độ NOx đạt
cực đại ở khu vực gần thành xi lanh theo phương z.
Kết quả của Hình 6 và Hình 7 cho thấy khi nhiên liệu
được hòa trộn trước khi phun (phun blend) thì hỗn hợp
đồng đều hơn. Sự chênh lệch hệ số tương đương trong
buồng cháy xảy ra do hỗn hợp nhiên liệu không đủ thời
gian khuếch tán trong không khí. Khi phun nhiên liệu riêng
rẽ thì sự chênh lệch hệ số tương đương do sự khuếch tán
của hydrogen vào biogas và của biogas, hydrogen vào
không khí nên độ đồng đều của hỗn hợp bị giảm. Khi giảm
tốc độ động cơ, các chất khí có thêm thời gian để khuếch
tán nên độ đồng đều được cải thiện.
Khi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas thì nồng
độ NOx tăng ở mọi chế độ vận hành của động cơ dù phun
blend hay phun dual.
Hình 7. Phân bố hệ số tương đương , nhiệt độ và nồng độ NOx
trên mặt cắt ngang y=0 khi tốc độ động cơ n=1000 vòng/phút
(Biogas M80C20, phun blend, =1, thời điểm bắt đầu phun 30⁰CA)
4. Kết luận
Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra
được những kết luận sau:
- Với cùng một thời điểm bắt đầu phun và thành phần
nhiên liệu biogas-hydrogen thì nồng độ các chất trong
hỗn hợp nhiên liệu và hệ số tương đương đạt giá trị ổn
định trong kỳ nạp sớm hơn khi phun dual so với khi
phun blend.
- Trong cùng điều kiện nhiên liệu và chế độ vận hành của
động cơ, phun hỗn hợp biogas-hydrogen được hòa trộn
Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông
trước thì thành phần hỗn hợp cuối quá trình nén đồng
đều hơn phun nhiên liệu riêng rẽ.
- Cùng phương thức cung cấp nhiên liệu, thành phần hỗn
hợp nhiên liệu thì mức chênh lệch giữa nồng độ CH4
cực đại và cực tiểu trên mặt cắt ngang càng rộng khi tốc
độ động cơ càng cao. Mức chênh lệch này là 1,1%, 2%
và 4% lần lượt tương ứng với tốc độ động cơ 1000,
2000 và 3000 vòng/phút
- Khi tăng hàm lượng hydrogen làm giàu nhiên liệu
biogas thì nhiệt độ cực đại quá trình cháy và nồng độ
NOx đều tăng.
- Khi phun blend thì nhiệt độ cực đại nằm gần thành xi
lanh theo phương x còn nồng độ NOx cực đại nằm gần
thành xi lanh theo phương z. Khi phun dual thì vùng
nhiệt độ cực đại hướng về xú páp thải còn vùng NOx
cực đại hướng về xú páp nạp
Lời cảm ơn: Các tác giả chân thành cám ơn Bộ Giáo
dục và Đào tạo đã tài trợ việc thực hiện công trình này
thông qua Chương trình nghiên cứu Khoa học và Công
nghệ cấp Bộ CTB2018-DNA.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Truong Le Bich Tram: Engines fueled
by biogas: A contribution to energy saving and climate change
mitigation. The 6th Seminar on Environment Science and
Technology Issues Related to Climate Change Mitigation. JapanVietnam Core University Program, Osaka, Japan, 26-28 November
2008.
[2] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan: Utilization
of biogas engines in rural area: A contribution to climate change
mitigation. Colloque International RUNSUD 2010, pp. 19-31,
Universite Nice-Sophia Antipolis, France, 23-25 Mars 2010.
[3] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Le Minh Tien, Bui Thi Minh Tu:
Combustion Analysis of Biogas Premixed Charge Diesel Dual
Fuelled Engine. International Journal of Engineering Research &
Technology (IJERT), Vol. 3 Issue 11, November-2014, pp. 188-194.
[4] B.V.Ga, N.V.Hai, B.T.M.Tu, B.V.Hung: Utilization of Poor Biogas
as Fuel for Hybrid Biogas-Diesel Dual Fuel Stationary Engine.
International Journal of Renewable Energy Research, Vol. 5, No. 4,
pp.
1007-1015,
2015.
http://www.ijrer.org/ijrer/index.php/ijrer/article/view/2584/pdf_84
[5] Ga Bui Van, Tung Tran Thanh Hai and Dong Nguyen Van:
Simulation and experimental studies of perfomance of 110cc
motorcycle engine running on biogas. The 4" AUN/SEED-Net
Regional Conference in Mechanical and Aerospace Technology.
HoChiMinh City, January 10-11, 2012, pp. 182-190.
[6] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung, Le Minh Tien,
Le Xuan Thach: Study of Performance of Biogas Spark Ignition
Engine Converted from Diesel Engine. The International Conference
on Green Technology and Sustainable Development. Hochiminh
City, Vietnam, September 29-30, 2012.
[7] Sahoo BB., Sahoo N., Saha UK.: Effect of engine parameters and
type of gaseous fuel on the performance of dual-fuel gas diesel
engines-A critical review. Renewable and Sustainable Energy
Reviews 13 (2009), pp. 1151-1184.
[8] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung: A Simulation of
Effects of Compression Ratios on the Combustion in Engines Fueled
with Biogas with Variable CO2 Concentrations. Journal of
Engineering Research and Application www.ijera.com Vol. 3, Issue
5,
Sep-Oct
2013,
pp.516-523;
https://pdfs.semanticscholar.org/fdb4/84a34a91f2491e0a39d3b5e0
a7175ded7c63.pdf
[9] Bui Van Ga, Tran Van Nam: Appropriate structural parameters of
biogas SI engine converted from diesel engine. IET Renewable
Power Generation, Volume: 9, Issue: 3, (2015), pp. 255-261, DOI:
10.1049/iet-rpg.2013.0329
nguon tai.lieu . vn
12
PHỎNG ĐOÁN SỰ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ NOX TRONG BUỒNG CHÁY
ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CHẠY BẰNG BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU
BỞI HYDROGEN
TEMPERATURE AND NOX DISTRIBUTION PREDICTION IN COMBUSTION CHAMBER
OF SI ENGINE FUELED WITH BIOGAS ENRICHED HYDROGEN
Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; buivanga@ac.udn.vn
Tóm tắt - Bài báo phân tích phân bố nhiệt độ cháy và NOx dựa trên
mô phỏng phân bố thành phần hỗn hợp khi phun nhiên liệu hòa
trộn trước và khi phun riêng rẽ trên động cơ đánh lửa cưỡng bức
chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen. Kết quả cho thấy,
với cùng thành phần nhiên liệu và chế độ vận hành của động cơ,
phun hỗn hợp biogas-hydrogen thì thành phần hỗn hợp cuối quá
trình nén đồng đều hơn phun nhiên liệu riêng rẽ. Cùng phương
thức cung cấp và thành phần nhiên liệu thì mức chênh lệch nồng
độ nhiên liệu trên mặt cắt ngang càng rộng khi tốc độ động cơ càng
cao. Khi tăng hàm lượng hydrogen thì nhiệt độ cực đại của quá
trình cháy và nồng độ NOx đều tăng. Khi phun hỗn hợp nhiên liệu
hòa trộn trước thì nhiệt độ cực đại nằm gần thành xi lanh theo
phương x còn nồng độ NOx cực đại nằm gần thành xi lanh theo
phương z. Khi phun riêng rẽ thì vùng nhiệt độ cực đại hướng về xú
páp thải còn vùng NOx cực đại hướng về xú páp nạp.
Abstract - Prediction of temperature and NOx distribution in
combustion chamber of SI engine fueled with biogas enriched
hydrogen based on simulation of mixture formation via blend
injection and dual injection is presented in this paper. The results
show that under the same fuel composition and operation
conditions, mixture at the end of compression process is more
homogenous in case of biogas-hydrogen blend injection compared
to dual injection. With the same injection strategy, the difference
between maximum fuel concentration and minimum fuel
concentration in the cross section is larger at increasing engine
speed. Combustion temperature and NOx concentration increase
with increasing hydrogen concentration in the fuel mixture.
Maximum temperature is found in zones close to the cylinder wall
in x direction while maximum NOx concentration is found in zones
close to cylinder wall in z direction with blend injection. As dual
injection, maximum temperature is close to exhaust valve and
maximum NOx concentration is close to inlet valve.
Từ khóa - nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydrogen; NOx; phun nhiên
liệu.
Key words - renewable energy; Biogas; Hydrogen; NOx; fuel
Injection.
1. Giới thiệu
Sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã làm gia tăng hàm lượng
chất khí gây hiệu ứng nhà kính CO2 trong bầu khí quyển,
gây biến đổi khí hậu, làm mực nước biển dâng cao, đe dọa
đến cuộc sống trên hành tinh. Để đảm bảo sự phát triển bền
vững, các nhà khoa học từ lâu đã nghiên cứu phát triển
công nghệ ứng dụng các loại nhiên liệu tái tạo có nguồn
gốc từ bức xạ mặt trời [1], [2]. Đây là nguồn năng lượng
dồi dào và bất tận trong thang đo thời gian của Thái dương
hệ. Nguồn năng lượng này phân bố đều khắp trên hành tinh,
không phụ thuộc nhiều vào vị trí địa lý như nguồn năng
lượng hóa thạch.
Theo cảnh báo của các nhà khoa học thì nếu nhiệt độ
bầu khí quyển tăng vượt 2⁰C so với nhiệt độ trung bình
trong giai đoạn 1850-1950 thì sẽ xảy ra hiện tượng
“househot”, khi đó nhiệt độ khí quyển đạt giá trị cao nhất
trong hơn 1,5 triệu năm qua và con người không còn khả
năng điều chỉnh lại hệ thống khí hậu. Để nhân loại không
phải đối mặt với hiện tượng khí hậu cực đoan này, tại Hội
nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu thế giới COP21 năm
2015 tại Paris, đa số các quốc gia đã thống nhất cam kết
cùng hành động để từ 2020 trở đi, mức phát thải CO2 trên
phạm vi toàn cầu giảm dần, đảm bảo nhiệt độ bầu khí quyển
cuối thế kỷ 21 không vượt quá ngưỡng cực đoan 2⁰C so
với thời kỳ tiền công nghiệp.
Trong các nguồn phát thải CO2 thì động cơ đốt trong là
thủ phạm chính. Vì thế, để đạt được mục tiêu COP21, thì
trong vòng 3 thập niên tới, nhiên liệu thay thế/ tái tạo sử
dụng trên động cơ đốt trong phải chiếm ít nhất 60% tổng
năng lượng sử dụng so với mức 10% hiện nay. Đây là một
thách thức rất lớn đối với các nhà khoa học trong lĩnh vực
động cơ đốt trong và phương tiện vận chuyển cơ giới.
Ở các nước vùng nhiệt đới, sản xuất nông nghiệp thì
biogas và điện mặt trời là nguồn năng lượng dồi dào.
Biogas từ lâu đã được dùng để đun nấu, thắp sáng. Với mức
độ dồi dào của biogas, việc sử dụng nó làm nguồn nhiên
liệu này trên động cơ đốt trong để kéo máy công tác tĩnh
tại hay lắp trên phương tiện vận chuyển cơ giới là giải pháp
rất hữu hiệu để tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ô
nhiễm môi trường [3], [4]. Biogas có thể sử dụng làm nhiên
liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức hay động cơ dual fuel
[5], [6].
Bên cạnh biogas, điện mặt trời đang được phát triển
nhanh chóng trong những năm gần đây do chi phí đầu tư
giảm. Người ta ước tính với tốc độ phát triển của công
nghệ hiện nay, giá thành điện mặt trời cứ sau 10 năm sẽ
giảm đi một nửa. Kỷ nguyên năng lượng tái tạo đã chính
thức ra đời sớm hơn dự kiến của các nhà khoa học trong
thế kỷ trước. Một số dự báo lạc quan cho rằng, có thể đến
¾ các nước trên thế giới sử dụng hoàn toàn năng lượng
tái tạo trước năm 2050. Khi nguồn điện mặt trời dồi dào
thì việc sản xuất hydrogen bằng điện phân nước để làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong là giải pháp mang tính
bền vững.
Biogas có chỉ số octane lớn, khoảng 130, nên nó có khả
năng chống kích nổ tốt. Vì thế, nó có thể dùng trên động
cơ có tỉ số nén cao để cải thiện hiệu suất nhiệt [7], [8], [9].
Tuy nhiên, biogas có chứa CO2, một tạp chất làm giảm tốc
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, Quyển 1
thải ô nhiễm nhờ những đặc tính ưu việt của nó như giới
hạn cháy mở rộng, tốc độ cháy cao, hệ số khuếch tán lớn,
nhiệt độ đoạn nhiệt cao [29]. Những công trình nghiên cứu
về động cơ chạy bằng biogas-hydrogen đã công bố đến nay
dường như mới chỉ đề cập đến những kết quả tổng quát ở
đầu ra, chưa có những nghiên cứu tường tận hiện tượng
diễn ra trong buồng cháy động cơ.
Quá trình cung cấp nhiên liệu ảnh hưởng đến sự phân
bố nồng độ các chất trong buồng cháy vì thế ảnh hưởng đến
chất lượng quá trình cháy và mức độ phát thải ô nhiễm.
Việc nghiên cứu bằng thực nghiệm để đo đạc diễn biến tức
thời bên trong buồng cháy rất khó có thể thực hiện được.
Vì thế nghiên cứu mô phỏng sẽ giúp chúng ta khắc phục
được hạn chế này.
Trong công trình này chúng tôi nghiên cứu mô phỏng
sự phân bố nồng độ các thành phần nhiên liệu trong buồng
cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được
làm giàu bởi hydrogen để trên cơ sở đó phỏng đoán phân
bố nhiệt độ và nồng độ NOx. Hai phương án phun nhiên
liệu được nghiên cứu so sánh: phun hỗn hợp nhiên liệu đã
được hòa trộn trước (blend) và phun nhiên liệu riêng rẽ
(dual). Công nghệ phun nhiên liệu khí cho phép điều chỉnh
thành phần hỗn hợp nhiên liệu theo chế độ công tác của
động cơ chính xác hơn phương pháp cung cấp nhiên liệu
qua họng venturi truyền thống [30].
Trong nghiên cứu này, nhiên liệu sử dụng được ký hiệu
MaCb/Hc, trong đó MaCb là biogas chứa a% CH4 và b%
CO2 tính theo thể tích, Hc là c% thể tích H2 trong hỗn hợp
với CH4. Ví dụ nhiên liệu M80C20/H30 là biogas chứa
80% CH4, 20% CO2 được làm giàu bởi 30% H2.
2. Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp
Vòi phun 1: d=3mm
Vòi phun 2: d=5mm
S=64mm
độ lan tràn màn lửa và giảm nhiệt trị nhiên liệu, ảnh hưởng
đến tính năng của động cơ [10]. Trong khi đó hydrogen là
nhiên liệu có tốc độ cháy cao. Tốc độ lan tràn màn lửa của
hydrogen đạt 230 cm/s, lớn gần gấp 6 lần tốc độ lan tràn
màn lửa của methan CH4 (42 cm/s) nên khi phối hợp với
biogas nó sẽ giúp cải thiện chất lượng quá trình cháy của
động cơ [11].
Kết quả nghiên cứu của Ilbas et al. [12] cho thấy khi
tăng thành phần hydrogen trong hỗn hợp với methan thì
tốc độ lan tràn màn lửa tăng và giới hạn cháy mở rộng.
Điều này cho phép rút ngắn thời gian từ lúc đánh lửa đến
khi áp suất đạt cực đại khiến áp suất cực đại gần điểm
chết trên hơn dẫn đến gia tăng tốc độ tỏa nhiệt. Chung et
al. [13] nghiên cứu hiệu quả quá trình cháy của hỗn hợp
hydrogen/biogas trong động cơ đánh lửa cưỡng bức bằng
mô phỏng và thấy rằng, khi tăng hàm lượng hydrogen
trong hỗn hợp nhiên liệu thì áp suất cực đại và tốc độ tỏa
nhiệt cực đại đều tăng. Porpatham et al. [14] cũng nhận
được kết quả tương tự khi nghiên cứu động cơ cưỡng bức
chạy bằng biogas được làm giàu bởi 5%, 10% và 15%
hydrogen ở các hệ số tương đương khác nhau. Silvana Di
Iorio et al. [15] nghiên cứu quá trình cháy của hydrogenmethane trong động cơ đánh lửa cưỡng bức cỡ nhỏ bằng
phương pháp quay phim kỹ thuật số tốc độ cao và thấy
rằng áp suất cực đại tăng, tiến gần đến ĐCT, thời gian
cháy giảm khi tăng hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp
nhiên liệu.
Về mức độ phát thải ô nhiễm, động cơ chạy bằng
biogas có mức độ phát thải ô nhiễm thấp [16]. Động cơ
chạy bằng hydrogen có mức độ phát thải ô nhiễm nói
chung còn thấp hơn động cơ sử dụng nhiên liệu truyền
thống hay nhiên liệu thay thế [17]. Khi pha hydrogen vào
biogas thì mức độ phát thải NOx phụ thuộc vào hàm lượng
hydrogen. Với hàm lượng hydrogen vừa phải thì NOx
giảm nhưng khi hàm lượng hydrogen cao thì NO x lại tăng
do tăng nhiệt độ cháy [18], [19]. Mức độ phát thải NOx có
mối quan hệ chặt chẽ với áp suất cực đại trong xi lanh, áp
suất cực đại càng cao, mức độ phát thải NOx càng lớn
[20]. Khi động cơ làm việc với =1, với hàm lượng
hydrogen vừa phải thì tính năng kinh tế, kỹ thuật và mức
độ phát thải ô nhiễm của động cơ được cải thiện. Tuy
nhiên khi hàm lượng hydrogen tăng vượt quá 10% thì
lượng nhiệt truyền cho nước làm mát tăng làm giảm hiệu
suất nhiệt đồng thời phát thải NOx tăng [21]. Khi động cơ
làm việc với hỗn hợp nghèo, do hydrogen cho phép mở
rộng giới hạn cháy nên cả tính năng kinh tế kỹ thuật lẫn
mức độ phát thải NOx đều được cải thiện khi tăng hàm
lượng hydrogen [22], [23], [24]. Sự hiện diện của
hydrogen trong hỗn hợp với biogas không những làm
giảm phát thải ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức
mà nó còn góp phần làm giảm phát thải bồ hóng trong khí
thải động cơ dual fuel biogas-diesel [25], [26]. Wang et
al. [27] đề xuất hàm lượng thể tích hydrogen trong hỗn
hợp với methane khoảng 20% là tối ưu cả về hiệu suất
nhiệt và mức độ phát thải ô nhiễm. Góc đánh lửa sớm ảnh
hưởng đáng kể đến chất lượng làm việc của động cơ
biogas được làm giàu bằng hydrogen [28].
Nói một cách tổng quát, hydrogen có thể xem là một
chất pha trộn vào biogas để cải thiện hiệu suất và giảm phát
13
D=88mm
Hình 1. Chia lưới không gian tính toán
Hình 1 giới thiệu xi lanh, buồng cháy và đường nạp
động cơ Honda GX390. Trên đường nạp được lắp bổ sung
2 vòi phun để cung cấp nhiên liệu khí. Vòi phun thứ nhất
có đường kính lỗ phun 3mm và vòi phun thứ hai có đường
kính lỗ phun 5mm. Động cơ Honda GX390 có đường kính
xi lanh D=88mm, hành trình piston S=64mm, tỉ số nén
8,2. Công suất định mức của động cơ là 6,4kW ở tốc độ
3000 vòng/phút khi chạy bằng xăng.
Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông
14
nồng độ nhiên liệu trong xi lanh thấp. Kết quá trên cho thấy
tại vị trí góc quay trục khuỷu 60⁰CA (độ góc quay trục
khuỷu), nồng độ cực đại của CH4 trong xi lanh đạt khoảng
15% với n=1000 vòng/phút, trong khi đó nồng độ này chỉ
đạt khoảng 5% với n=3000 vòng/phút. Do chỉ sử dụng 1
vòi phun nên khi phun blend, thời gian phun kéo dài hơn
phun dual. Khi n=1000 vòng phút, quá trình phun kết thúc
trước 60⁰CA. Nồng độ CH4 trong xi lanh tại một thời điểm
góc quay trục khuỷu cho trước ứng với phun dual cao hơn
phun blend.
Hình 2. Biến thiên tốc độ và nồng độ CH4 khi phun dual và
phun blend, tốc độ động cơ 1000 vòng/phút và 3000 vòng/phút ở
vị trí góc quay trục khuỷu 60⁰CA (Biogas M80C20 được làm
giàu bởi 30% hydrogen, thời điểm bắt đầu phun 30⁰CA)
Hình 3a giới thiệu biến thiên nồng độ CH4, H2, O2 và
hệ số tương đương trong xi lanh động cơ khi phun blend
ở chế độ tốc độ động cơ 1000 vòng/phút. Đầu kỳ nạp, khi
bắt đầu phun nồng độ nhiên liệu tăng nhanh làm tăng hệ số
tương đương . Khi kết thúc phun, lượng nhiên liệu cung
cấp vào xi lanh cố định trong khi lượng không khí nạp tiếp
tục tăng lên đến khi bắt đầu kỳ nén nên nồng độ nhiên liệu
giảm cùng với giảm hệ số tương đương . Hệ số tương
đương trung bình trong lanh không thay đổi sau khi xú
páp nạp đóng.
20
O2, CH4, H2 (%)
16
12
8
1.6
CH4
H2
4
0
0
60
1.2
24
1.2
1
16
12
O2
0.8
0.6
CH4
0.4 4
(⁰CA)
20
0.8 8
0
120 180 240 300 360
a)
3. Kết quả và bình luận
3.1. Tạo hỗn hợp trong kỳ nạp
Hình 2 giới thiệu trường tốc độ và trường nồng độ CH4
trên mặt cắt đối xứng chứa trục xi lanh và trục đường nạp
trong trường hợp phun hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen
hòa trộn trước (blend) và phun riêng rẽ (dual) ở hai chế độ
tốc độ động cơ n=1000 vòng/phút và n=3000 vòng/phút.
Biogas chứa 80% CH4 được làm giàu bởi 30% hydrogen
tính theo thể tích trong hỗn hợp với CH4.
Khi tăng tốc độ động cơ thì thời gian phun tính theo góc
quay trục khuỷu kéo dài. Tốc độ phun nhiên liệu không
thay đổi nhưng tốc độ không khí trên đường nạp tăng khi
tăng tốc độ động cơ. Khi tốc độ dòng khí trên đường nạp
tăng thì nhiên liệu bị hút mạnh vào xi lanh nhưng do lượng
nhiên liệu phun trong cùng một góc quay trục khuỷu bé nên
2
O2
O2, CH4, H2 (%)
Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu khí và tạo hỗn hợp
trong động cơ được thực hiện nhờ phần mềm FLUENT với
mô hình chảy rối k-. Hệ phương trình đối lưu - khuếch tán
được sử dụng liên quan đến hỗn hợp khí gồm các chất N2,
O2, CH4, H2 và CO2. Điều kiện biên gồm: (1) áp suất, nhiệt
độ, thành phần các chất ở đầu vào đường nạp không khí,
(2) áp suất, nhiệt độ, thành phần nhiên liệu đầu vào vòi
phun 1, (3) áp suất, nhiệt độ, thành phần nhiên liệu đầu vào
vòi phun 2. Thời gian đóng, mở các vòi phun được thiết lập
trong event của lưới động với màng ngăn giả định ở trạng
thái wall (đóng) và interior (mở).
Khi phun hỗn hợn nhiên liệu biogas-hydrogen hòa trộn
trước (blend) thì chỉ sử dụng vòi phun 2. Khi phun nhiên
liệu riêng rẽ (dual) thì hydrogen được phun qua vòi phun 1
còn biogas được phun qua vòi phun 2.
Quá trình cháy không được tính toán trực tiếp trên
động cơ này. Mối quan hệ giữa nhiệt độ cháy, thành phần
NOx theo hệ số tương đương ứng với biogas được làm
giàu bởi hydrogen với các tỉ lệ khác nhau được nghiên
cứu riêng rẽ trong buồng cháy đẳng tích hình cầu. Bảng 1
và Bảng 2 giới thiệu biến thiên nhiệt độ cháy và nồng độ
NOx theo ứng với biogas M80C20 được làm giàu bởi
H2 lần lượt với tỉ lệ 10% và 30%. Trên cơ sở kết quả
nghiên cứu cơ bản này, nhóm tác giả xác lập được mối
quan hệ giữa nhiệt độ cháy T, nồng độ NOx theo ứng
với các điều kiện nhiên liệu cung cấp khác nhau. Các mối
quan hệ này được cài đặt vào phần mềm FLUENT để tính
toán dự báo nhiệt độ cháy và nồng độ NOx tại thời điểm
bắt đầu đánh lửa.
0.2
H2
0
0
60
0.4
0
120 180 240 300 360
(⁰CA)
b)
Hình 3. Biến thiên nồng độ CH4, H2, O2 và hệ số tương đương
khi phun blend với n=1000 vòng/phút (a) và khi phun dual với
n=3000 vòng/phút (b)
Hình 3b giới thiệu kết quả tương tự trong trường hợp
phun dual ở tốc độ động cơ 3000 vòng/phút. Do H 2 chiếm
tỉ lệ thấp và không chứa tạp chất nên thời gian phun rút
ngắn. Trong khi đó, biogas chứa tạp chất CO2 và thành
phần CH4 trong hỗn hợp với H2 cao hơn nên thời gian
phun kéo dài. Biến thiên nồng độ các chất cũng như
trung bình trong kỳ nạp khi phun dual khác rất nhiều so
với phun blend nhưng cuối quá trình nạp, các đại lượng
này đạt giá trị ổn định như trường hợp phun blend với tốc
độ động cơ 1000 vòng/phút. Điều này cho thấy, khi phun
dual, nồng độ các chất đạt ổn định sớm hơn nhiều so với
phun blend.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, Quyển 1
3.2. Tạo hỗn hợp trong kỳ nén
Sự hòa trộn nhiên liệu và không khí trong xi lanh chịu
ảnh hưởng bởi tốc độ vận động của hỗn hợp khi piston vận
chuyển. Hình 4 giới thiệu trường tốc độ và trường nồng độ
CH4 của hỗn hợp khí trong xi lanh theo phương x và theo
phương z trong quá trình nén. Kết quả cho thấy khi piston
đi lên, hỗn hợp có xu hướng bị đẩy về phía xú páp nạp theo
phương x. Trong khi đó theo phương z, trường tốc độ có
khuynh hướng tạo thành hai vùng xoáy, ở đó hỗn hợp bị
đẩy lên ở tâm xi lanh với tốc độ cao và bị đẩy xuống khi
vực gần thành xi lanh. Khu vực trung tâm có vận tốc dòng
khí lớn nên nhiên liệu và không khí hòa trộn đồng đều.
Ngược lại khu vực sát thành xi lanh và thành buồng cháy,
do tốc độ dòng khí bé nên sự khuếch tán của nhiên liệu bị
hạn chế làm ảnh hưởng đến độ đồng đều của hỗn hợp. Gần
cuối quá trình nén, nhiên liệu phân bố tương đối đồng đều
hơn theo phương x so với phương z.
Hình 4. Biến thiên trường tốc độ và trường nồng độ CH4
trên mặt cắt dọc theo phương x và theo phương z trong quá
trình nén (nhiên liệu M80C20/H30, n=2000 vòng/phút,
phun blend, =1)
Hình 5. Biến thiên đường đồng mức nồng độ CH4 trong
quá trình nén ứng với tốc độ động cơ 1000, 2000 và 3000
vòng/phút (Biogas M80C20, được làm giàu 30% H 2,
phun blend)
15
Hình 5 biểu diễn các đường đồng mức nồng độ CH4
trên mặt cắt ngang tại y=0 ứng với tốc độ động cơ 1000,
2000 và 3000 vòng/phút. Biogas M80C20 được làm giàu
30% H2 phun vào đường nạp động cơ theo phương án
blend. Hệ số tương đương tổng quát =1. Kết quả cho
thấy khu vực có nồng độ nhiên liệu cao luôn ở sát thành
xi lanh; tốc độ động cơ càng cao thì hỗn hợp vùng gần xú
páp nạp càng nhạt; mức chênh lệch giữa nồng độ CH4 cực
đại và cực tiểu trên mặt cắt ngang càng rộng khi tốc độ
động cơ càng cao. Mức chênh lệch này là 1,1%, 2% và
4% lần lượt tương ứng với tốc độ động cơ 1000, 2000 và
3000 vòng/phút. Điều này có thể lý giải khi tốc độ động
cơ thấp, thời gian dành cho quá trình nạp kéo dài nên
không khí và nhiên liệu có nhiều thời gian để khuếch tán,
cải thiện độ đồng đều của hỗn hợp. Tuy nhiên khi đánh
giá quá trình cháy cần xét ảnh hưởng đồng thời của mức
độ đồng đều hỗn hợp và tốc độ cháy rối khi thay đổi tốc
độ động cơ [31].
3.3. Phân bố nhiệt độ và NOx cục bộ trong buồng cháy
Trên cơ sở phân bố thành phần hỗn hợp, chúng ta có
thể tính toán dự báo sự phân bố nhiệt độ và nồng độ NOx
cục bộ trong buồng cháy dựa vào mối quan hệ đã được thiết
lập ở các Bảng 1 và Bảng 2. Hình 6 so sánh biến thiên của
, T và NOx trên mặt cắt ngang y=0 ứng với trong trường
hợp động cơ chạy bằng biogas M80C20 được làm giàu bởi
10% hydrogen và trong trường hợp biogas M80C20 được
làm giàu bởi 30% H2 và động cơ chạy ở tốc độ 3000
vòng/phút, cung cấp nhiên liệu bằng cách phun dual. Hệ số
tương đương hỗn hợp tổng quát là =1. Kết quả cho thấy
biên dạng các đường đồng mức , T, NOx không thay đổi
nhiều khi thay đổi thành phần hydrogen trong hỗn hợp
nhiên liệu. Thành phần hỗn hợp trên mặt cắt ngang không
đồng đều, hệ số tương đương thay đổi từ 0,7 ở khu vực
gần xú páp nạp đến 1,2 ở khu vực gần xú páp thải. Nhiệt
độ cháy của hỗn hợp lớn nhất nằm vùng từ 1 đến 1,1.
Trong khi đó vùng có nồng độ NOx cao nhất nằm trong
khoảng biến thiên từ 0,85 đến 0,95. Kết quả cho thấy
vùng nhiệt độ cao có dạng chữ V rộng và dịch về phía xú
páp thải còn vùng NOx cao có dạng chữ V hẹp và dịch về
phía xú páp nạp.
Khi biogas M80C20 được làm giàu bởi 30% hydrogen
thì nhiệt độ cháy tăng, đạt cực đại 2625K so với 2400K khi
động cơ chạy bằng biogas M80C20 được làm giàu bởi 10%
hydrogen. Nồng độ cực đại của NOx trên mặt cắt ngang
cũng tăng từ 1200ppm lên 2500ppm khi thành phần
hydrogen làm giàu biogas tăng từ 10% lên 30%.
Hình 7 giới thiệu biến thiên của , T, NOx trên mặt cắt
ngang y=0 tại thời điểm đánh lửa trong hai trường hợp
phun blend biogas M80C20 được làm giàu 10% và 30%
hydrogen với hệ số tương đương =1, động cơ chạy ở tốc
độ 1000 vòng/phút. Chúng ta thấy biến thiên của nằm
trong phạm vi hẹp, trong khoảng từ 0,9 đến 1,15
(M80C20/H10) và trong khoảng 0,9 đến 1,1
(M80C20/H30). Vùng có hỗn hợp đậm nằm gần xú páp thải
và xú páp nạp. Khu vực trục xi lanh có hệ số tương đương
xấp xỉ 1. Kết quả này cho thấy hỗn hợp đồng đều hơn
trong trường hợp động cơ chạy ở tốc độ động cơ thấp và
phun blend.
16
Hình 6. Phân bố hệ số tương đương , nhiệt độ và nồng độ NOx
trên mặt cắt ngang y=0 khi tốc độ động cơ n=3000 vòng/phút
(Biogas M80C20, phun dual, =1, thời điểm bắt đầu phun 30⁰CA)
Sự phân bố nhiệt độ đồng dạng với sự phân bố hệ số tương
đương. Nhiệt độ đạt giá trị cực đại theo phương x ở khu vực
gần xú páp thải và xú páp nạp. Trong khí đó nồng độ NOx đạt
cực đại ở khu vực gần thành xi lanh theo phương z.
Kết quả của Hình 6 và Hình 7 cho thấy khi nhiên liệu
được hòa trộn trước khi phun (phun blend) thì hỗn hợp
đồng đều hơn. Sự chênh lệch hệ số tương đương trong
buồng cháy xảy ra do hỗn hợp nhiên liệu không đủ thời
gian khuếch tán trong không khí. Khi phun nhiên liệu riêng
rẽ thì sự chênh lệch hệ số tương đương do sự khuếch tán
của hydrogen vào biogas và của biogas, hydrogen vào
không khí nên độ đồng đều của hỗn hợp bị giảm. Khi giảm
tốc độ động cơ, các chất khí có thêm thời gian để khuếch
tán nên độ đồng đều được cải thiện.
Khi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas thì nồng
độ NOx tăng ở mọi chế độ vận hành của động cơ dù phun
blend hay phun dual.
Hình 7. Phân bố hệ số tương đương , nhiệt độ và nồng độ NOx
trên mặt cắt ngang y=0 khi tốc độ động cơ n=1000 vòng/phút
(Biogas M80C20, phun blend, =1, thời điểm bắt đầu phun 30⁰CA)
4. Kết luận
Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra
được những kết luận sau:
- Với cùng một thời điểm bắt đầu phun và thành phần
nhiên liệu biogas-hydrogen thì nồng độ các chất trong
hỗn hợp nhiên liệu và hệ số tương đương đạt giá trị ổn
định trong kỳ nạp sớm hơn khi phun dual so với khi
phun blend.
- Trong cùng điều kiện nhiên liệu và chế độ vận hành của
động cơ, phun hỗn hợp biogas-hydrogen được hòa trộn
Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông
trước thì thành phần hỗn hợp cuối quá trình nén đồng
đều hơn phun nhiên liệu riêng rẽ.
- Cùng phương thức cung cấp nhiên liệu, thành phần hỗn
hợp nhiên liệu thì mức chênh lệch giữa nồng độ CH4
cực đại và cực tiểu trên mặt cắt ngang càng rộng khi tốc
độ động cơ càng cao. Mức chênh lệch này là 1,1%, 2%
và 4% lần lượt tương ứng với tốc độ động cơ 1000,
2000 và 3000 vòng/phút
- Khi tăng hàm lượng hydrogen làm giàu nhiên liệu
biogas thì nhiệt độ cực đại quá trình cháy và nồng độ
NOx đều tăng.
- Khi phun blend thì nhiệt độ cực đại nằm gần thành xi
lanh theo phương x còn nồng độ NOx cực đại nằm gần
thành xi lanh theo phương z. Khi phun dual thì vùng
nhiệt độ cực đại hướng về xú páp thải còn vùng NOx
cực đại hướng về xú páp nạp
Lời cảm ơn: Các tác giả chân thành cám ơn Bộ Giáo
dục và Đào tạo đã tài trợ việc thực hiện công trình này
thông qua Chương trình nghiên cứu Khoa học và Công
nghệ cấp Bộ CTB2018-DNA.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Truong Le Bich Tram: Engines fueled
by biogas: A contribution to energy saving and climate change
mitigation. The 6th Seminar on Environment Science and
Technology Issues Related to Climate Change Mitigation. JapanVietnam Core University Program, Osaka, Japan, 26-28 November
2008.
[2] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan: Utilization
of biogas engines in rural area: A contribution to climate change
mitigation. Colloque International RUNSUD 2010, pp. 19-31,
Universite Nice-Sophia Antipolis, France, 23-25 Mars 2010.
[3] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Le Minh Tien, Bui Thi Minh Tu:
Combustion Analysis of Biogas Premixed Charge Diesel Dual
Fuelled Engine. International Journal of Engineering Research &
Technology (IJERT), Vol. 3 Issue 11, November-2014, pp. 188-194.
[4] B.V.Ga, N.V.Hai, B.T.M.Tu, B.V.Hung: Utilization of Poor Biogas
as Fuel for Hybrid Biogas-Diesel Dual Fuel Stationary Engine.
International Journal of Renewable Energy Research, Vol. 5, No. 4,
pp.
1007-1015,
2015.
http://www.ijrer.org/ijrer/index.php/ijrer/article/view/2584/pdf_84
[5] Ga Bui Van, Tung Tran Thanh Hai and Dong Nguyen Van:
Simulation and experimental studies of perfomance of 110cc
motorcycle engine running on biogas. The 4" AUN/SEED-Net
Regional Conference in Mechanical and Aerospace Technology.
HoChiMinh City, January 10-11, 2012, pp. 182-190.
[6] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung, Le Minh Tien,
Le Xuan Thach: Study of Performance of Biogas Spark Ignition
Engine Converted from Diesel Engine. The International Conference
on Green Technology and Sustainable Development. Hochiminh
City, Vietnam, September 29-30, 2012.
[7] Sahoo BB., Sahoo N., Saha UK.: Effect of engine parameters and
type of gaseous fuel on the performance of dual-fuel gas diesel
engines-A critical review. Renewable and Sustainable Energy
Reviews 13 (2009), pp. 1151-1184.
[8] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung: A Simulation of
Effects of Compression Ratios on the Combustion in Engines Fueled
with Biogas with Variable CO2 Concentrations. Journal of
Engineering Research and Application www.ijera.com Vol. 3, Issue
5,
Sep-Oct
2013,
pp.516-523;
https://pdfs.semanticscholar.org/fdb4/84a34a91f2491e0a39d3b5e0
a7175ded7c63.pdf
[9] Bui Van Ga, Tran Van Nam: Appropriate structural parameters of
biogas SI engine converted from diesel engine. IET Renewable
Power Generation, Volume: 9, Issue: 3, (2015), pp. 255-261, DOI:
10.1049/iet-rpg.2013.0329