GATEC
GATEC là Nhóm Giảng dạy-Nghiên cứu (TRT) của Trường Đại học Bách Khoa-Đại học Đà Nẵng được thành lập từ năm 1995, gồm các thành viên thuộc Khoa Cơ khí Giao thông, Khoa Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Môi trường, Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ Môi trường, Trung tâm nghiên cứu ứng dụng năng lượng thay thế.
Lĩnh vực hoạt động của GATEC
1. Nghiên cứu cơ bản các vấn đề liên quan đến thủy khí động lực học và quá trình cháy, sự hình thành và khuếch tán các chất ô nhiễm trong không khí;
2. Nghiên cứu cơ bản các vấn đề cháy rối trong buồng cháy các thiết bị sinh nhiệt và động cơ đốt trong;
3. Nghiên cứu phát triển công nghệ sử dụng nhiên liệu khí trên động cơ đốt trong và các thiết bị sinh nhiệt;
4. Công nghệ lọc biogas đạt tiêu chuẩn nhiên liệu cho động cơ đốt trong;
5. Công nghệ nén biogas làm nhiên liệu trên thiết bị vận chuyển;
6. Công nghệ chuyển đổi động cơ tĩnh tại, động cơ lắp trên các phương tiện vận chuyển cơ giới truyền thống sang chạy bằng nhiên liệu khí: LPG, CNG, Biogas.
Những sản phẩm tiêu biểu của GATEC
1. Xe gắn máy chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (2000);
2. Động cơ cỡ nhỏ chạy bằng biogas (2005);
3. Động cơ nhiên liệu liệu kép biogas-diesel (2009);
4. Động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel (2011);
5. Bộ phụ kiện vạn năng chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel GATEC-20 (2012);
6. Bộ phụ kiện vạn năng chuyển đổi động cơ xăng thành động cơ biogas GATEC-21 (2012);
7. Xe gắn máy, ô tô, máy kéo chạy bằng biogas nén (2012).
Địa chỉ liên hệ
GATEC
Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Năng lượng thay thế
Khu D, Trường Đại học Bách Khoa-Đại học Đà Nẵng
54 Nguyễn Lương Bằng
Đà Nẵng
| Liên hệ | Điện thoại | |
| Trần Thanh Hải Tùng | 0913 459 649 | haitungdng@gmail.com |
| Lê Minh Tiến | 0985 007 456 | lmtien@ac.udn.vn |
| Võ Anh Vũ | 0932 533 059 | anhvudynamic@gmail.com |
| Nguyễn Thị Thanh Xuân | 0982 144 369 | nttxuan@dut.udn.vn |
| Phạm Đình Long | 0916 878 712 | long_bkdn@yahoo.com |
| Huỳnh Đông Tấn | 0905 687 472 | hdtan@dongcobiogas.com |
Website: www.dongcobiogas.com
Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Năng lượng thay thế
ĐỘNG CƠ BIOGAS-BIOGAS ENGINES
Trang tin điện tử này 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.
This website 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.
1. Giới thiệu
Sự khai thác tài nguyên tăng cường kèm theo phát thải các chất độc hại vào môi trường làm mất cân bằng sinh thái vốn có trong tự nhiên. Điều này đã và đang gây ra những hệ lụy nghiêm trọng đối với cuộc sống của con người. Nhiều diễn đàn quốc tế, nhiều cuộc họp thượng đỉnh đã diễn ra khắp nơi trên thế giới để nêu lên một thông điệp: hãy bảo vệ môi trường trước khi đã quá muộn.
Nghị định thư Kyoto là văn bản quốc tế đầu tiên xác nhận hoạt động của con người là nguyên nhân làm cho bầu khí quyển ấm dần lên. Nguyên nhân đã thấy rõ nhưng cách khắc phục không hề dễ dàng. Hội nghị Thượng đỉnh Copenhagen COP15 mới đây tại Đan Mạch đã thất bại trong nỗ lực tìm kiếm một thỏa hiệp quốc tế mạnh mẽ khác thay thế cho Nghị định thư Kyoto sắp hết hạn vào năm 2012.
Loài người không thể từ bỏ nền văn minh dựa trên dầu mỏ vì vậy việc sử dụng hết lượng nhiên liệu hóa thạch trong lòng đất là điều tất yếu sẽ xảy ra và lượng carbon chôn vùi trong lòng đất từ khi hành tinh này hình thành sẽ được giải phóng ra bầu khí quyển. Khi tất cả các nguồn nhiên liệu hóa thạch đã sử dụng hết thì cân bằng carbon được thiết lập ở trạng thái cao. Tính toán diễn biến nồng độ CO2 trong khí quyển theo các kịch bản khác nhau cho thấy nồng độ này đạt cân bằng ổn định khoảng 500ppmV trong trường hợp ngay từ bây giờ chúng ta không làm gia tăng thêm CO2 và đạt giá trị cân bằng cực đoan khoảng 1100ppmV nếu tiếp tục phát thải như hiện nay (hình 1). Nếu nồng độ CO2 tăng lên gấp đôi sẽ làm gia tăng nhiệt độ trung bình của mặt đất lên 2,8°C. Điều này có thể gây ra sự bùng nổ khí hậu, gây hậu quả khôn lường đối với cuộc sống trên hành tinh [1].
Theo thống kê của các cơ quan dự báo năng lượng có uy tín thế giới thì với tốc độ khai thác như hiện nay, dầu mỏ sẽ cạn kiệt vào giữa thế kỷ này, khí thiên nhiên còn khai thác được đến cuối thế kỷ và than đá sẽ hết trong thế kỷ 22. Riêng dầu mỏ khu vực Châu Á-Thái Bình Dương còn khai thác được không quá 10 năm (hình 2). Vì vậy giá dầu thô gia tăng thất thường trong những năm tới là điều chắc chắn sẽ xảy ra, gây tác động bất lợi cho nền kinh tế phụ thuộc mạnh vào dầu mỏ. Việc chuyển dịch dần sang sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống thay thế cho dầu mỏ ngay từ bây giờ chắc chắn sẽ giúp chúng ta giảm bớt sự bị động về nguồn cung cấp năng lượng cho tương lai.
Khi nhiên liệu hóa thạch trong lòng đất đã được sử dụng hết thì cũng đồng nghĩa với khối lượng carbon chôn vùi trong lòng đất từ khi nó hình thành đến nay được giải phóng ra bầu khí quyển. Nếu loài người không tìm ra được giải pháp “nhốt” lại lượng carbon này vào lòng đất một cách nhân tạo mà để quá trình diễn ra một cách tự nhiên thì phải cần khoảng thời gian tương đương tuổi quả đất! Nếu giải pháp “nhốt” carbon vào lòng đất không được phát minh sớm thì loài người sẽ chứng kiến thảm họa của sự bùng nổ khí hậu.
Một khía cạnh khác cũng cần được xem xét là khi nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt thì loài người sẽ sử dụng nguồn năng lượng nào để thay thế. Năng lượng hạt nhân từ lâu được xem là cứu cánh nhưng những thảm họa hạt nhân ở Chernobyl năm 1986 và Fukushima năm 2011 đã làm cho người ta đặt lại vấn đề. Nước Đức đã tuyên bố từ bỏ hoàn toàn năng lượng hạt nhân vào năm 2022, nước Nhật cũng đang xem xét đóng cửa các nhà máy hạt nhân từ sau thảm họa kép động đất-sóng thần-hạt nhân… chỉ còn nguồn năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời là có thể đảm bảo duy trì nền văn minh nhân loại cho đến khi hệ Mặt trời biến mất!
Sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia và của cả hành tinh phụ thuộc vào ý thức bảo vệ môi trường của mỗi một người dân. Vì vậy việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế và phát triển công nghệ sử dụng có hiệu quả các nguồn năng lượng này đã và đang là mối quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia trên thế giới. Các nguồn năng lượng này phụ thuộc vào vị trí địa lý, tiềm năng năng lượng tái tạo của mỗi quốc gia. Điều này tạo nên thế mạnh riêng, do đó, sự phát triển công nghệ sử dụng năng lượng thay thế đặc thù trước hết dựa vào năng lực khoa học công nghệ của từng nước.
Việt Nam là một nước mạnh về nông nghiệp và có gần 80% dân số sống ở vùng nông thôn. Chất thải trong sản xuất nông nghiệp và chăn nuôi là nguồn nguyên liệu rất tốt để sản xuất biogas. Trong những năm gần đây, phong trào xây hầm biogas ở nông thôn đã phát triển mạnh mẽ nhờ sự hỗ trợ của nhà nước cũng như của dự án Khí sinh học Việt Nam-Hà Lan. Tuy nhiên nguồn biogas chủ yếu hiện nay mới chỉ dừng lại ở việc đun nấu và sinh nhiệt. Nhiều nơi đã thải bỏ biogas thừa ra khí quyển vì sản lượng nhiên liệu sinh ra thừa so với nhu cầu đun nấu [2].
Việc tận dụng nguồn biogas để phát điện cục bộ hướng tới tập trung nguyên liệu để sản xuất biogas qui mô lớn cung cấp cho các nhà máy điện hay làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông vận tải là hướng phát triển nhiên liệu thay thế có thế mạnh và phù hợp với nước ta.
2. Công nghệ lọc biogas
Biogas là năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời nên việc sử dụng năng lượng này không làm tăng nồng độ CO2 trong khí quyển (hình 3). Sản lượng biogas sinh ra cao nhất từ các chất béo, thứ đến là thực vật và cuối cùng là các chất thải chăn nuôi gia súc, gia cầm (hình 4). Chất lượng biogas, tức hàm lượng CH4 trong biogas, phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, thường chiếm từ 50-70% thể tích biogas. CO2 là thành phần tạp chất chiếm hàm lượng lớn nhất. Sự có mặt của tạp chất này làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Siloxane là tạp chất gây bám muội trong buồng cháy ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. H2S là tạp chất gây hại chính có mặt trong biogas vì nó gây ăn mòn các cho tiết kim loại và gây ô nhiễm môi trường.
Việc lọc tạp chất trong biogas phụ thuộc vào thiết bị sử dụng (hình 5). Ảnh hưởng của CO2 đến việc giảm công suất quá trình cháy trong động cơ không lớn. Trong một số trường hợp vận hành động cơ với tỷ số nén cao, sự hiện diện của CO2 trong hỗn hợp cháy làm giảm tốc độ cháy, hạn chế hiện tượng kích nổ. Vì vậy trong những trường hợp sử dụng biogas tại nơi sản xuất, chúng ta không cần phải lọc bỏ CO2. Tương tự, siloxane không gây ăn mòn hóa học các chi tiết động cơ, chúng chỉ gây bám muội silice lên thành buồng cháy, các chi tiết trao đổi nhiệt và bộ phận xử lý khí thải xúc tác. Vì vậy việc lọc bỏ siloxane cũng không cần thiết đối với động cơ đốt trong không sử dụng bộ xúc tác. Việc bám muội trên thành buồng cháy có thể xử lý bằng cách tăng cường bảo trì động cơ. Điều này cho phép chúng ta giảm được chi phí vận hành hệ thống cung cấp biogas cho động cơ. Tuy nhiên trong trường hợp nén biogas để làm nhiên liệu cho phương tiện vận chuyển cơ giới việc lọc bỏ CO2 là cần thiết để tăng nhiệt trị nhiên liệu.
Trong số những tạp chất có mặt trong biogas thì H2S là chất có hại nhất. Nó là tạp chất chứa lưu huỳnh, nguy hiểm đối với sức khỏe con người, gây ăn mòn các chi tiết kim loại, gây ô nhiễm môi trường (mưa acide). Có nhiều phương pháp lọc bỏ H2S tùy thuộc theo yêu cầu về hàm lượng tối đa cho phép của nó còn lại trong nhiên liệu. Đối với nhiên liệu biogas sử dụng cho động cơ tĩnh tại, hàm lượng H2S cho phép tối đa là 1000ppm. Điều này cho phép chúng ta sử dụng những phương pháp hấp phụ rẻ tiền thay vì phải sử dụng các phương pháp hấp thụ bằng hóa chất đắt tiền. Kinh nghiệm thực tiễn cho thấy đối với những trạm cung cấp biogas cho động cơ cỡ nhỏ, chúng ta có thể sử dụng lọc H2S bằng phương pháp hấp phụ trên vật liệu chứa sắt. Vật liệu này có thể là quặng sắt, đất chứa sắt như bentonite, đá ong… hay phoi tiện sắt. Đối với các vật liệu lọc hấp phụ thông thường thì hiệu quả lọc H2S của bentonite cao nhất (hình 6). Trong điều kiện hoạt động tốt, hàm lượng H2S trong biogas ra khỏi lọc có thể được duy trì ở mức dưới 100ppm. Vật liệu lọc có thể được tái sinh bằng phương pháp đơn giản là phơi ngoài khí trời. Đối với trạm cung cấp biogas cho động cơ công suất lớn thì lọc xúc tác sinh học tỏ ra hiệu quả và có tính kinh tế cao hơn. Đối với trạm cung cấp biogas nén, cần kết hợp giải pháp lọc hấp phụ và hấp thụ để lọc triệt để H2S trước khi nén vào bình chứa.
Sau khi qua lọc tổ hợp hấp phụ-hấp thụ, hàm lượng H2S giảm xuống dưới 10ppm và hàm lượng CH4 tăng lên đến trên 95%. Với thành phần này chúng ta có thể nén biogas vào bình chứa để làm nhiên liệu cho phương tiện vận chuyển cơ giới [3]. Việc nén thử nghiệm bằng máy nén khí thiên nhiên vào bình chứa khí thiên nhiên sử dụng cho ô tô (hình 7) đã khẳng định tính hiện thực của công nghệ sử dụng biogas trên ô tô, máy kéo.
3. Nghiên cứu mô hình hóa
Quá trình cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ và quá trình cháy của nhiên liệu này trong buồng cháy trước tiên được nghiên cứu bằng phương pháp mô hình hóa để giảm bớt chi phí nghiên cứu thực nghiệm. Mô hình hóa được thực hiện trên nền phần mềm động học thủy khí FLUENT. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình cháy biogas đã được xem xét như thành phần CO2, nhiệt độ và áp suất trước khi cháy, tỉ số nén động cơ, góc đánh lửa sớm, lượng nhiên liệu diesel phun mồi…
Nghiên cứu cơ bản quá trình cháy nhiên liệu kép trước hết được thực hiện trong buồng cháy đẳng áp với giả định hỗn hợp nạp vào buồng cháy gồm biogas và không khí có thành phần khác nhau và được đánh lửa bằng ngọn lửa diesel (hình 8). Sau đó, mô hình tính toán được tiến hành trong buồng cháy chỏm cầu (hình 9), buồng cháy hình cầu đánh lửa tại tâm (hình 10), buồng chát kiểu omega của động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel (hình 11) [5], [7], [8].
Kết quả mô phỏng cho phép chúng ta dự báo được biến thiên nhiệt độ, áp suất, nồng độ các chất sinh ra trong quá trình cháy theo thời gian hay theo góc quay trục khuỷu.
Trên cơ sở kết quả dự báo này cho phép chúng ta định hướng được công tác nghiên cứu thực nghiệm để trên cơ sở đó thiết kế công nghệ phù hợp để chuyển đổi động cơ truyền thống sang chạy bằng biogas.
Kết quả nghiên cứu mô hình hóa cho thấy khi tỉ số nén của động cơ cao thì tốc độ cháy giảm (hình 12) nhưng áp suất cháy tăng (hình 13). Hàm lượng CO2 càng cao thì tốc độ cháy càng thấp (hình 14) và nhiệt độ cháy cũng thấp (hình 15).
Do tốc độ cháy thay đổi theo thành phần nhiên liệu biogas nên ứng với mỗi loại nhiên liệu, chúng ta phải chọn trước góc đánh lửa sớm phù hợp. Mặt khác, góc đánh lửa sớm cũng thay đổi theo tốc độ động cơ. Đối với động cơ tĩnh tại hoạt động ở chế độ định mức chúng ta chỉ cần cố định một vị trí góc đánh lửa sớm. Tuy nhiên đối với phương tiện vận chuyển, việc thay đổi góc đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ cải thiện đáng kể tính năng công tác của động cơ.
Hình 16 giới thiệu đồ thị công của động cơ biogas chạy ở tốc độ cực đoan 6000 vòng/phút ứng với các góc đánh lửa sớm khác nhau. Hình 17 cho thấy có một vị trí góc đánh lửa sớm tối ưu mà ở đó công chỉ thị chu trình đạt giá trị cực đại.
4. Nghiên cứu thực nghiệm
Về mặt nguyên lý, động cơ xăng có thể chuyển thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-xăng (có thể chạy được hoàn toàn bằng biogas hay hoàn toàn bằng xăng). Động cơ diesel có thể chuyển thành động cơ nhiên liệu kép lưỡng nhiên liệu biogas-diesel (động cơ có thể chạy hoàn toàn bằng diesel hay chạy bằng biogas đánh lửa bằng tia phun mồi diesel) hoặc cải tạo thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas. Đối với trường hợp máy phát điện dự phòng, tận dụng nguồn biogas để phát điện và khi hết biogas có thể chuyển sang chạy bằng nhiên liệu truyền thống thì giải pháp lưỡng nhiên liệu biogas-xăng, biogas-diesel là phù hợp. Đối với trường hợp nguồn cung cấp biogas dồi dào, việc cải tạo động cơ diesel thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy hoàn toàn bằng biogas là tối ưu nhất [4]. Trong trường hợp này chúng ta có thể tận dụng được kết cấu có sẵn của động cơ diesel để chuyển thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy hoàn toàn bằng biogas có công suất định mức ở tốc độ thấp, chọn được tỉ số nén tối ưu, không cần lượng diesel phun mồi để đánh lửa.
Phương pháp nhiên liệu kép sử dụng một lượng phun diesel tối thiểu để làm ngọn lửa mồi đánh lửa động cơ. Trong vận hành lượng phun tối thiểu cần thiết để đánh lửa chỉ chiếm khoảng dưới 10% lượng phun khi động cơ chạy bằng diesel ở chế độ định mức. Tuy nhiên để vòi phun không quá nóng trong quá trình hoạt động bằng biogas, lượng phun tối thiểu cần được duy trì ở mức khoảng từ 15% đến 20% lượng phun diesel ở chế độ định mức. Trong trường hợp động cơ công suất bé, lượng lượng diesel tối thiểu này không lớn, tuy nhiên ở động cơ công suất lớn, lượng diesel phun mồi này cần được quan tâm khi xét đến tính kinh tế của động cơ biogas.
Thí nghiệm tính năng động cơ biogas được thực hiện trên băng thử công suất với bệ máy di động lắp trên xe tải nhỏ (hình 18). Nhờ đó chúng ta có thể di chuyển hệ thống đo đến các địa điểm sản xuất biogas khác nhau trên hiện trường để làm thí nghiệm. Thiết bị đo lực động cơ là phanh thủy lực FROUDE được cải tiến với các cảm biến điện tử và được điều khiển bởi máy tính nhờ phần mềm LABVIEW.
Thí nghiệm được tiến hành trên 3 động cơ tiêu biểu: động cơ đánh lửa cưỡng được cải tạo từ động cơ diesel, động cơ nhiên liệu kép được cải tạo từ động cơ diesel và động cơ biogas được cải tạo từ động cơ xăng ô tô.
Kết quả thí nghiệm cho thấy thành phần CH4 trong biogas ảnh hưởng rõ rệt đến công suất động cơ ở vùng tốc độ cao. Ở vùng tốc độ thấp, ảnh hưởng này không đáng kể (hình 19). Điều này khẳng định kết quả nghiên cứu mô hình hóa (hình 14). Đối với biogas nghèo, tốc độ cháy giảm nên ở vùng tốc độ cao, thành phần nhiên liệu ảnh hưởng mạnh đến công suất động cơ.
Tỉ số nén tối ưu đối với động c
ơ chạy bằng biogas là e=12 (hình 20). Trong trường hợp tỉ số nén động cơ cao, để tránh xảy ra kích nổ cần duy trì một hàm lượng CO2 nhất định trong nhiên liệu. Đối với biogas chứa 60% CH4 và 40% CO2, động cơ có thể hoạt động với tỷ số nén e=17 mà không xảy ra kích nổ.
Do tốc độ cháy của hỗn hợp biogas-không khí chịu ảnh hưởng đồng thời bởi thành phần nhiên liệu và tốc độ động cơ. Thực nghiệm cho thấy trong vùng tốc độ định mức của động cơ diesel tĩnh tại, góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ dao động từ 30°(đối với tốc độ thấp và biogas giàu) đến 40°(đối với tốc độ cao và biogas nghèo). Hình 21 giới thiệu ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công suất động cơ đối với các chế độ tốc độ khác nhau khi nhiên liệu chứa 60% CH4. Động cơ bắt đầu làm việc không ổn định khi tốc độ vượt 2500 vòng/phút.
Khi chuyển động cơ diesel sang chạy bằng biogas thông thường bằng phương pháp đánh lửa cưỡng bức hay nhiên liệu kép chúng ta có thể duy trì công suất như trước khi cải tạo. Đối với động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel, khi chạy bằng biogas dù cơ cấu điều khiển bơm cao áp chạm vào chốt hạn chế lượng phun tối thiểu nhưng do hiện tượng tiết lưu, lượng nhiên liệu diesel phun vào động cơ tăng theo động độ. Hình 22 cho thấy khi động cơ nhiên liệu kép làm việc với tốc độ càng cao và tải càng thấp thì tính kinh tế của động cơ càng giảm do tăng tương đối lượng nhiên liệu diesel cung cấp cho động cơ so với trước khi cải tạo.
Khi chuyển động cơ tĩnh tại chạy bằng xăng sang chạy bằng biogas, công suất động cơ có thể giảm đến 20%. Nếu chọn góc đánh lửa sớm phù hợp, mức giảm công suất thấp hơn nhưng không thể duy trì được mức công suất động cơ như khi chạy hoàn toàn bằng xăng. Đối với động cơ xăng nguyên thủy lắp trên phương tiện vận chuyển cơ giới thì khi chuyển thành động cơ tĩnh tại do giới hạn tốc độ định mức khi làm việc bằng biogas, công suất động cơ có thể giảm đến 40%.
Sử dụng bộ cung cấp biogas cho động cơ theo nguyên lý của bộ chế hòa khí đơn giản không phù hợp vì khi tải càng cao thì hỗn hợp càng đậm là giảm tính kinh tế và công suất động cơ. Tại mỗi vị trí tốc độ hoạt động cho trước, nếu điều chỉnh thành phần hỗn hợp bằng cách thay đổi độ mở của van cung cấp biogas thì công suất động cơ có thể tăng 30% so với khi sử dụng bộ chế hòa khí đơn giản (hình 23). Do đó cơ cấu điều tốc động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức cần tác động đồng thời lên độ mở bướm ga cung cấp hỗn hợp và van làm đậm cung cấp biogas.
5. Thiết kế bộ tạo hỗn hợp
Từ kết quả nghiên cứu mô hình hóa quá trình cháy và thực nghiệm trên động cơ biogas chúng ta có thể tính toán thiết kế bộ cung cấp hỗn hợp biogas-không khí cho các kiểu động cơ khác nhau.
Hình 24 giới thiệu kết quả tính toán trường tốc độ dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel. Hình 25 là kết quả tính toán trường tốc độ dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức [6]. Trường tốc độ dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp động cơ sử dụng biogas nén được giới thiệu trên hình 26.
Kết quả tính toán lý thuyết cho phép chúng ta xác định được kích thước bộ tạo hỗn hợp tương ứng với các loại động cơ biogas khác nhau. Điều này tạo điều kiện triển khai áp dụng công nghệ trên chủng loại động cơ đa dạng và có phạm vi công suất rộng phổ biến hiện nay ở nước ta.
Để đáp ứng được yêu cầu đa dạng của người sử dụng, chúng tôi đã nghiên cứu phát triển công nghệ GATEC và chế tạo các bộ phụ kiện để chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng biogas với nhiều phương án khác nhau: (1) bộ phụ kiện chuyển đổi động cơ xăng tĩnh tại thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-xăng; (2) bộ phụ kiện chuyển đổi động cơ xăng không có bộ điều tốc thành động cơ tĩnh tại lưỡng nhiên liệu biogas-xăng; (3) bộ phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ nhiên liệu kép chạy bằng biogas; (4) bộ phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức; (5) bộ phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel; (6) bộ phụ kiện chuyển đổi ô tô, xe gắn máy chạy xăng sang chạy bằng biogas nén; (7) bộ phụ kiện chuyển đổi máy kéo chạy bằng diesel thành máy kéo lưỡng nhiên liệu biogas-diesel. Các bộ phụ kiện GATEC này có tính vạn năng, có thể lắp đặt trên các động cơ có dải công suất thay đổi rộng, có độ tin cậy cao, có thể lắp đặt dễ dàng phù hợp với thực tế sử dụng ở nông thôn nước ta.
Hình 27 giới thiệu ảnh chụp bộ phụ kiện GATEC 20 để cải tạo động cơ diesel thành động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel. Bộ phụ kiện này cũng được dùng để cải tạo động cơ xăng trên thiết bị vận chuyển thành động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas. Hình 28 giới thiệu ảnh chụp bộ phụ kiện GATEC 21 dùng để chuyển đổi động cơ xăng tĩnh tại thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức.
6. Ứng dụng trong thực tế
Trong mọi trường hợp sử dụng, động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức có tính kinh tế tốt nhất vì không cần dùng nhiên liệu lỏng. Nói cách khác, việc chuyển đổi động cơ xăng thành động cơ biogas có nhiều thuận lợi hơn. Tuy nhiên do biogas có tốc độ cháy thấp nên những động cơ xăng có tốc độ cao không phù hợp cho việc cải tạo này. Do đó đối với những động cơ công suất lớn, việc chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức là phù hợp hơn.
Hình 29 giới thiệu động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel. Bộ điều tốc nguyên thủy của động cơ này đã được cải tạo thành bộ điều tốc điều khiển van biogas nên động cơ không chạy được hoàn toàn bằng diesel [11]. Hình 30 giới thiệu động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel. Trong trường hợp này động cơ được lắp thêm bộ phụ kiện GATEC 20 để điều tốc nhiên liệu biogas. Bộ điều tốc nguyên thủy của động cơ vẫn giữ nguyên nên nó có thể chạy lại bằng diesel khi cần thiết. Hình 31 giới thiệu động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ diesel nhiều xi lanh. Trong trường hợp này tỉ số nén của động cơ được giảm xuống đến giá trị e=12, hệ thống bơm cao áp-vòi phun được thay thế bằng hệ thống đánh lửa và bộ phụ kiện GATEC 20. Hình 32 giới thiệu động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được cải tạo từ động cơ xăng tĩnh tại. Trong trường hợp này động cơ được lắp thêm bộ phụ kiện GATEC 21 và điều chỉnh góc đánh lửa về phía sớm hơn so với khi chạy bằng xăng [12]. Động cơ này có thể sử dụng lại xăng khi cần thiết.
Các phương tiện chạy xăng có thể chuyển thành phương tiện chạy bằng biogas nén bằng cách sử dụng các bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu tương tự như phương tiện sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng LPG [9], [10]. Hình 33 giới thiệu ô tô tải nhẹ chạy bằng biogas nén được cải tạo từ ô tô xăng. Cải tạo máy kéo diesel thành máy kéo lưỡng nhiên liệu biogas-diesel chạy bằng biogas nén được thực hiện tương tự như trường hợp cải tạo động cơ diesel tĩnh tại thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel (hình 34). Trong trường hợp này không cần bộ điều tốc phụ. Thay đổi công suất động cơ được thực hiện bằng cách điều chỉnh độ mở của van cung cấp biogas do người điều khiển máy kéo thực hiện. Độ mở cực đại của van cung cấp biogas nén cần được giới hạn sao cho công suất định mức của động cơ khi chạy bằng biogas theo phương pháp nhiên liệu kép xấp xỉ công suất của động cơ khi chạy hoàn toàn bằng diesel.
Khi hệ thống lọc H2S đảm bảo, động cơ được vận hành, bảo trì đúng qui trình kỹ thuật, tuổi thọ động cơ tĩnh tại khi chạy bằng biogas có thể giảm 15% so với khi chạy bằng nhiên liệu truyền thống. Thời gian giữa hai lần thay dầu nhờn và giữa hai lần bảo trì giảm 20% so với khi chạy bằng xăng, dầu. Tuy nhiên khi sử dụng 1m3 biogas chúng ta có thể sản suất được 1kWh điện, tiết kiệm được 0,4 lít xăng dầu và hạn chế phát thải 1kg CO2 vào bầu khí quyển. Hiệu quả kinh tế và môi trường khi sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là rất rõ rệt.
7. Kết luận
- Biogas là nguồn nhiên liệu tái tạo rất dồi dào ở nước ta. Công nghệ GATEC cho phép sử dụng nguồn nhiên liệu này để phát điện, kéo máy công tác và vận chuyển cơ giới. Với 1 m3 biogas chúng ta có thể sản xuất được 1kWh điện, tiết kiệm được 0,4 lít xăng dầu và hạn chế phát thải 1kg CO2 vào bầu khí quyển.
- Khi chuyển động cơ diesel sang chạy bằng biogas, chúng ta có thể duy trì được công suất định mức như trước khi cải tạo. Động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel có mức độ tiết kiệm nhiên liejeu diesel tăng khi chạy ở tải cao và tốc độ thấp.
- Khi chuyển động cơ xăng tĩnh tại thành động cơ biogas, công suất động cơ có thể giảm 20%. Khi chuyển động cơ xăng ô tô thành động cơ biogas, công suất tối đa của động cơ có thể giảm đến 40% do tốc độ định mức của động cơ giảm.
- Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ biogas nằm trong khoảng từ 30°đến 40°. Tỉ số nén tối ưu của động cơ biogas đạm lửa cưỡng bức khoảng e=12.
Tài liệu tham khảo1. http://www.globalwarmingart.com/wiki/Image:Global_Warming_Predictions_Map_jpg2. 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. Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Phan Đình Minh, Đặng Thị Hồng Tuyển: Nghiên cứu quá trình nén Biogas làm nhiên liệu cho phương tiện vận chuyển cơ giới. Hội nghị Cơ học Thủy Khí toàn quốc, Qui Nhơn, 22-24/7/2010, pp. 175-184
4. Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch: So sánh hiệu quả kinh tế của các giải pháp cải tạo động cơ chạy bằng xăng dầu sang chạy bằng biogas. Hội nghị Cơ học Thủy Khí toàn quốc, Qui Nhơn, 22-24/7/2010, pp.185-192
5. Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến: Mô phỏng quá trình cháy dual fuel biogas-diesel. Tạp Chí Giao Thông Vận Tải, số 4/2011, pp. 32-34
6. Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xuân Thạch:Mô phỏng dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức bằng phần mềm Fluent. Tạp chí Khoa học và Công nghệ các Trường Đại học Kỹ thuật số 80-2011, pp. 134-138
7. Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Văn Đông: Mô phỏng ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu biogas. Tạp chí Cơ Khí Việt Nam, số đặc biệt 01, 10-2011, pp. 4-9
8. 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
9. Bùi Văn Ga:Bằng độc quyền sáng chế số 6643 “Hệ thống ba van chức năng cung cấp nhiên liệu khí cho xe gắn máy LPG/xăng”. Cục Sở hữu trí tuệ, 09-10-2007
10. Bùi Văn Ga:Bằng độc quyền sáng chế số 8187 “Hệ thống không tải-làm đậm của động cơ ô tô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG”. Cục Sở hữu trí tuệ, 18-01-2010
11. Bùi Văn Ga:Bằng độc quyền sáng chế số 9433 “Bộ điều tốc cho động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas được cải tạo từ động cơ diesel”. Cục Sở hữu trí tuệ, 11-07-2011
12. Bùi Văn Ga:Bằng độc quyền sáng chế số 9562 “Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu biogas-xăng”. Cục Sở hữu trí tuệ, 16-08-2011
