CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG BIOGAS TRONG SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG Ở NÔNG THÔN
Technology for Biogas Application in Production and Living in Rural Area
Bùi Văn Ga, Nguyễn Đình Lâm, Nguyễn Thị Thanh Xuân, Hồ Tấn Quyền
Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu phát triển công nghệ ứng dụng biogas để phát điện, kéo máy công tác và vận chuyển cơ giới phục vụ sản xuất và đời sống ở nông thôn. Công nghệ được hoàn thiện dựa trên nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa, thực nghiệm và kết quả ứng dụng trên 100 động cơ thực tế. Hai phương thức cung cấp biogas đã được nghiên cứu: cấp biogas tại chỗ và cung cấp biogas nén. Nhiều phương án cải tạo động cơ truyền thống sang động cơ chạy bằng biogas đã được nghiên cứu thử nghiệm. Động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel thuận tiện trong việc sử dụng nhiên liệu thay thế nhưng động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức có lợi hơn về mặt kinh tế.
Kết quả nghiên cứu cho thấy khi chuyển đổi động cơ diesel sang chạy bằng biogas ta có thể giữ công suất định mức của động cơ như trước khi cải tạo. Động cơ xăng tĩnh tại khi chuyển sang chạy bằng biogas, công suất có thể giảm đến 20%. Nhiên liệu biogas nghèo không phù hợp với động cơ chạy ở tốc độ quá 2500 vòng/phút. Động cơ tiêu thụ 1m3 biogas để sản xuất 1kWh điện, tiết kiệm được 0,4 lít dầu diesel và góp phần làm giảm phát thải 1kg CO2 vào bầu khí quyển.
Abstract
This paper presentsresults of research on developing biogas application technology for power generation, for producing mechanical energy for working machine and for transport in rural areas. Technology was completed based on theoretical research, modeling, and experimental results on 100 engines application. Two modes of biogas supply have been studied: on-site biogas and compressed biogas. Different solutions of conversion of traditional engine into biogas engine were studied. Dual fuel biogas-diesel engine is convenience for using alternative fuel but biogas spark ignition engine is more beneficial economically.
The resultsshow that dual fuel biogas-diesel engine converted from diesel engine can produce equivalent maximum power as original diesel engine. But biogas engine converted from stationary gasoline engine produces about 20% power lower. Poor biogas fuel is not suitable for the engine running at speeds over than 2500 rpm. Biogas engine consumes about 1m3 biogas to produce 1kWh electricity, saving 0.4 liters of diesel and contribute to reducing 1 kg of CO2 emissions into the atmosphere.
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ VẬN HÀNH TỐI ƯU CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC
Determination of Optimal Structural and Operational Parameters of Biogas Spark Ignition Engine
Trần Văn Nam, Bùi Văn Ga, Lê Xuân Thạch, Phạm Đình Long
Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số vận hành động cơ và thành phần nhiên liệu đến tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được cải tạo từ động cơ diesel ZH1115. Khi cải tạo sang chạy bằng biogas, tỉ số nén động cơ được giảm xuống còn 14, 12 và 10. Quá trình cháy của động cơ được mô phỏng bằng phần mềm FLUENT. Thực nghiệm được tiến hành với băng thử công suất kiểu thủy lực FROUDE. Nguồn biogas được điều chỉnh để có thành phần CH4 khác nhau.
Kết quả mô phỏng phù hợp với thực nghiệm. Tỉ số nén của động cơ tối ưu khi chạy bằng biogas là e=12. Công suất động cơ khi chạy bằng biogas với tỉ số nén này ở tốc độ định mức 2200 vòng/phút tương đương với công suất động cơ nguyên thủy khi chạy bằng diesel. Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ khi chạy bằng biogas thay đổi trong phạm vi từ 34° đến 42°. Trong vùng tốc độ định mức, công suất động cơ tăng trung bình khoảng 15% khi thành phần CH4 trong biogas tăng từ 60% lên 87%.
Abstract
This paperpresents the results of theoretical and experimental study of effects of engine operating parameters and fuel composition to performance of spark ignition engine converted from diesel ZH1115 engine. When converting to biogas engine, engine compression ratio is reduced to 14, 12 and 10. Combustion process in engine is simulated by FLUENT software. The experiment was conducted with a hydraulic dynamometer Froude. Biogas fuel is adjusted to different CH4 composition.
The simulation resultsfitted well with experiment data. Optimal compression ratio of engine running with biogas is e=12.With this compression ratio, power of biogas engine can reach to maximum power of diesel engine at speed of 2200 rpm. Optimum advanced ignition angle of the engine when running with biogas is varied from 34°to 42°before TDC. Within nominal speed region, engine power increases an average of 15% when CH4 component in biogas increased from 60% to 87%.
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ SỐ NÉN VÀ THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU BIOGAS ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ
Study of Effect of Compression Ratio and Biogas Composition to Combustion Process in Internal Combustion Engine
Trần Thanh Hải Tùng, Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ
Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt
Kết cấu động cơ truyền thống được giữ nguyên khi cải tạo sang chạy bằng biogas để nó có thể chạy lại bằng xăng, dầu khi cần thiết như trước khi cải tạo. Trong trường hợp này vấn đề kích nổ cần được xử lý. Bài báo nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến quá trình cháy nhiên liệu biogas có chứa thành phần CO2 khác nhau. Kết quả cho thấy tỉ số nén ảnh hưởng mạnh đến áp suất cuối quá trình cháy nhưng ít ảnh hưởng đến nhiệt độ của hỗn hợp và đường cong tỏa nhiệt. Ứng với động cơ có tỉ số nén 12, nhiệt độ và áp suất cuối quá trình cháy giảm tương ứng 473K và 2 MPa khi nồng độ mol CO2 trong nhiên liệu tăng từ 20% lên 40%.
Abstract
Structure of traditionalengines is conserved while they are converted to biogas engines so that they can reuse petroleum as fuel when needed as before the conversion. In this case the detonation problem should be treated. The present paper simulate the effects of compression ratio of the engines to combustion of biogas fuel containing different CH4 concentration. The results show that the compression ratio strongly influence on the pressure at the end of combustion but it presents a little effect on final combustion temperature and on heat release curves. With a given compression ratio of 12, the temperature and pressure at the end of combustion in engine decrease respectively 473K and 2 MPa when the mol concentration of CO2 in the fuel increases from 20% to 40%.
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIOGAS NÉN
Simulation of Combustion of Engine Fueled by Compressed Biogas
Trần Văn Nam, Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông
Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt
Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu quá trình cháy của động cơ xe gắn máy 110cc sử dụng biogas nén có thành phần thể tích CH4 dao động từ 60% đến 80% chứa trong bình ở áp suất 50 bars. Quá trình cháy biogas trong động cơ được mô phỏng dựa trên nền phần mềm động lực học chất lỏng FLUENT với mô hình rối k-e và mô hình cháy hòa trộn trước cục bộ trong đó tốc độ màng lửa chảy tầng được xác định theo thành phần khác nhau của nhiên liệu chứa CH4 và CO2.
Kết quả cho thấy đồ khi động cơ chạy với nhiên liệu biogas chứa 80% thể tích methane, góc đánh lửa sớm tối ưu dao động từ 20 độ đến 36 độ khi tốc độ động cơ thay đổi từ 3000 vòng/phút đến 9000 vòng/phút và công suất cực đại của động cơ ở các chế độ tốc độ khác nhau thấp hơn công suất tương ứng khi chạy bằng xăng khoảng 20%.
Abstract
The present paper presents some results of studying of combustion in combustion chamber of spark ignition engine fueled with biogas with 60% to 80% CH4 mol fraction contained in cylinders at 50 bars pressure.
The simulation of biogas combustion in engine is based on fluid dynamic software FLUENT with turbulence model k-e and partial premixed combustion model in which laminar flame speed is determined by different concentrations of fuel contained CH4 and CO2.
The results show that when the engine fueled with 80% volume fraction of methane biogas, the optimal advanced ignition angle is in range of 20 to 36 degrees when engine speed varies from 3000rpm to 9000rpm and maximal powers at different engine speeds are lower than that of gasoline case about 20%.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP BIOGAS-DIESEL
Experimental Study of Performance of a Biogas-Diesel Dual Fuel Engine
Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến, Nguyễn Việt Hải
Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt
Thực nghiệm được tiến hành trên hiện trường với động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel được cải tạo từ động cơ diesel Vikyno EV2400 và băng thử công suất FROUDE. Thành phần CH4 trong biogas thay đổi từ 65% đến 91%.
Kết quả nghiên cứu cho thấy ở chế độ 1400 vòng/phút, công suất cực đại của động cơ nhiên liệu kép bắt đầu vượt công suất cực đại của động cơ diesel khi thành phần CH4 trong biogas lớn hơn 85%. Khi tốc độ động cơ tăng, động cơ nhiên liệu kép có công suất vượt động cơ diesel ứng với biogas nghèo hơn. Khi tốc độ động cơ lớn hơn 1800 vòng/phút, công suất động cơ nhiên liệu kép lớn hơn công suất động cơ diesel ứng với thành phần CH4 trong biogas khoảng 50%-60%. Kết quả này cho thấy, ở chế độ tốc độ định mức của động cơ nhiên liệu kép, chúng ta có thể sử dụng biogas nghèo, không cần lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi cải tạo.
Động cơ nhiên liệu kép chạy bằng biogas khi làm việc trên đường đặc tính cục bộ thì hiệu quả kinh tế thấp. Thực nghiệm cho thấy khi độ mở bướm ga 100% thì suất tiêu hao nhiên liệu diesel của động cơ nhiên liệu kép thay đổi từ 12,5% (ở vùng tốc độ thấp) lên đến 15,5% (ở vùng tốc độ cao), còn khi độ mở bướm ga là 70% thì tỷ lệ này thay đổi từ 15% đến 19%.
Abstract
The experimentwas carried out on-site with biogas-diesel dual engine converted from Vikyno EV2400 diesel engine and Froude dynamometer. CH4 concentration in biogas is adjusted from 65% to 91%.
The resultsshow that at speed of 1400 rpm, maximum power of biogas-diesel dual fuel engine becomes higher than that of diesel engine while CH4 component in biogas greater than 85%. When engine speed increases, dual fuel engine’s maximum power exceeds diesel’s one with poorer biogas. When engine speed is greater than 1800 rpm, maximum power of biogas-diesel dual fuel engine is higher than diesel engine’s one with CH4 concentration in biogas about 50% -60%. This result shows that at nominal regime, we can use poor biogas without CO2 filter to obtainthe equivalent maximum power of dual fuel engine as diesel engine.
The efficiency of dualfuel engine is reduced when it runs on low load regimes. Experimental results show that at 100% throttle opening, diesel consumption rate of dual fuel engine varies from 12.5% (at low speed) up to 15.5% (at high speed ), while the throttle opening is 70%, this rate ranged from 15% to 19%.
CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG BIOGAS TRONG SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG Ở NÔNG THÔN
Technology for Biogas Application in Production and Living in Rural Area
Bùi Văn Ga, Nguyễn Đình Lâm, Nguyễn Thị Thanh Xuân, Hồ Tấn Quyền
Tóm tắt
Đại học Đà Nẵng
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu phát triển công nghệ ứng dụng biogas để phát điện, kéo máy công tác và vận chuyển cơ giới phục vụ sản xuất và đời sống ở nông thôn. Công nghệ được hoàn thiện dựa trên nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa, thực nghiệm và kết quả ứng dụng trên 100 động cơ thực tế. Hai phương thức cung cấp biogas đã được nghiên cứu: cấp biogas tại chỗ và cung cấp biogas nén. Nhiều phương án cải tạo động cơ truyền thống sang động cơ chạy bằng biogas đã được nghiên cứu thử nghiệm. Động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel thuận tiện trong việc sử dụng nhiên liệu thay thế nhưng động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức có lợi hơn về mặt kinh tế.
Kết quả nghiên cứu cho thấy khi chuyển đổi động cơ diesel sang chạy bằng biogas ta có thể giữ công suất định mức của động cơ như trước khi cải tạo. Động cơ xăng tĩnh tại khi chuyển sang chạy bằng biogas, công suất có thể giảm đến 20%. Nhiên liệu biogas nghèo không phù hợp với động cơ chạy ở tốc độ quá 2500 vòng/phút. Động cơ tiêu thụ 1m3 biogas để sản xuất 1kWh điện, tiết kiệm được 0,4 lít dầu diesel và góp phần làm giảm phát thải 1kg CO2 vào bầu khí quyển.
Abstract
This paper presentsresults of research on developing biogas application technology for power generation, for producing mechanical energy for working machine and for transport in rural areas. Technology was completed based on theoretical research, modeling, and experimental results on 100 engines application. Two modes of biogas supply have been studied: on-site biogas and compressed biogas. Different solutions of conversion of traditional engine into biogas engine were studied. Dual fuel biogas-diesel engine is convenience for using alternative fuel but biogas spark ignition engine is more beneficial economically.
The resultsshow that dual fuel biogas-diesel engine converted from diesel engine can produce equivalent maximum power as original diesel engine. But biogas engine converted from stationary gasoline engine produces about 20% power lower. Poor biogas fuel is not suitable for the engine running at speeds over than 2500 rpm. Biogas engine consumes about 1m3 biogas to produce 1kWh electricity, saving 0.4 liters of diesel and contribute to reducing 1 kg of CO2 emissions into the atmosphere.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ TOYOTA 3Y CHẠY BẰNG BIOGAS
Experimental Study of Performance of Toyota 3Y Engine Fueled with Biogas
Dương Việt Dũng, Bùi Văn Ga, Nhan Hồng Quang, Lê Minh Tiến
Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt
Bài báo trình bày kết quả đo công suất động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được cải tạo từ động cơ ô tô Toyota 3Y. Thực nghiệm được tiến hành trên hiện trường, tại nơi sản xuất biogas với băng thử thủy lực FROUDE. Kết quả cho thấy khi chuyển động cơ xăng của phương tiện vận tải thành động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas thì tốc độ cực đại của động cơ giảm. Mức độ giảm tốc độ cực đại này càng cao đối với biogas có thành thành CH4 càng thấp. Công suất động cơ biogas tại vị trí tốc độ định mức sau khi cải tạo giảm khoảng từ 20% (đối với biogas giàu) đến 30% (đối với biogas nghèo) so với khi chạy bằng xăng tại vị trí tốc độ tương ứng.
Khi thành phần CH4 trong biogas tăng từ 60% lên 78% thì công suất cực đại động cơ tăng 8%. Nếu sử dụng bộ chế hòa khí đơn giản để cung cấp biogas cho động cơ thì công suất động cơ có thể giảm đến 30% so với khi sử dụng bộ cung cấp nhiên liệu GATEC 21 có điều chỉnh lưu lượng biogas. Tăng góc đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ là cần thiết để cải thiện tính năng công tác của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức.
Abstract
The paper presents results of experimental study of performance of biogas spark ignition engine converted from Toyota 3Y automobile engine. The experiment was conducted on-site at biogas production plant with Froude hydraulic dynamometer. The results show that the maximum speed of the engine decreases when conversion a gasoline vehicle engine into stationary engine running on biogas. This maximum speed reduction is higher with lower CH4 concentration in biogas fuel. Biogas engine power at nominal speed position after conversion is reduced from 20% (for rich biogas) to 30% (for poor biogas) in comparison to gasoline power at the corresponding speed.
As CH4 concentration in biogas increases from 60% to 78%, the maximum engine power increases by 8%. If supplying biogas to engine by simple carburetor, its power can be reduced to 30% in comparison with the case of using GATEC 21 biogas supplying kit with biogas flow adjustment. Increasing of advanced ignition angle according to engine speed is needed to improve the performance of biogas spark ignition engine.
