Thông số vận hành tối ưu động cơ biogas-hydrogen
trong hệ thống năng lượng tái tạo lai
Hệ thống năng lượng tái tạo lai (HRES) là một giải pháp thích hợp để khắc phục nhược điểm của hệ thống năng lượng tái tạo sử dụng một nguồn duy nhất. Trong HRES năng lượng mặt trời-biogas, máy phát điện chạy bằng động cơ nhiên liệu khí cung cấp năng lượng bổ sung để bù đắp cho công suất gián đoạn của pin mặt trời. Do đó, chế độ công tác của động cơ thay đổi ngẫu nhiên theo điều kiện cung cấp nhiên liệu và tải. Điều khiển thông minh của động cơ chạy bằng khí sinh học-hydro là cần thiết để cải thiện hiệu quả năng lượng tổng thể của HRES. Bài báo tập trung nghiên cứu các thông số điều khiển tối ưu của động cơ trong điều kiện vận hành đó. Kết quả cho thấy sự hài hòa giữa hiệu suất nhiệt và lượng khí thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng khí sinh học-hydro có thể đạt được khi pha 20% hydrogen vào khí sinh học. Khi chạy bằng khí sinh học, tỉ lệ tương đương tối ưu thay đổi từ 1,05 đến 1,01 khi thành phần CH4 trong khí sinh học tăng từ 60% đến 80%. Khi pha 20% hydrogen vào khí sinh học, tỉ lệ tương đương tối ưu xấp xỉ 1, bất chấp sự thay đổi của nồng độ CH4. Ở tốc độ động cơ và hàm lượng hydrogen cho trước, góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 2°CA khi tăng 10% CH4 trong khí sinh học; ở tốc độ động cơ và hàm lượng khí sinh học cho trước, góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 3°CA khi tăng 10% hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu. Góc đánh lửa tối ưu phụ thuộc rất ít vào chế độ phụ tải. Trong điều kiện vận hành tối ưu, khi bổ sung 20% hàm lượng hydrogen vào khí sinh học, công chỉ thị chu trình của động cơ tăng 6% và phát thải CO và HC giảm 5-10 lần, nhưng phát thải NOx tăng khoảng 10-15% so với khi động cơ chạy bằng khí sinh học.
Optimal Operating Parameters of SI Engine Fueled with Biogas-Hydrogen
in Hybrid Renewable Energy System
Hybrid renewable energy system (HRES) is an appropriate solution to overcome the drawback of the single source renewable energy system. In solar-biogas HRES, the generator powered by the gas engine supplies supplemental energy to compensate for the intermittent power of the PV panel. Therefore, the engine operates under random regime of fuel supply and load conditions. The smart control of the biogas-hydrogen engine is needed to improve the overall energy efficiency of the HRES. The paper focuses on studying the optimal control parameters of the engine in such operating conditions. The results show that the compromise between thermal efficiency and pollutant emissions of the biogas-hydrogen engine can be obtained by adding 20% hydrogen into biogas. In neat biogas fueling mode, the optimal equivalence ratio changes from 1.05 to 1.01 as the CH4 composition in biogas increases from 60% to 80%. By adding 20% hydrogen into biogas, the optimal equivalence ratio practically reaches the stoichiometric value, despite the variation of CH4 concentration. At a given engine speed and hydrogen content, the optimal advanced ignition angle decreased by 2°CA with an increase of 10% CH4 in biogas; at a given engine speed and biogas, the optimal advanced ignition angle decreased by 3°CA when increasing 10% hydrogen content in the fuel mixture. The optimal ignition angle is independent of the load regime. Under optimal operating conditions, as compared to neat biogas fueling mode, the addition of 20% hydrogen content into biogas yields in average, an increase in indicated engine cycle work by 6% and a decrease in CO and HC emissions by 5-10 times, but an increase in NOx emission by about 10-15%.
Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến các đặc trưng của quá trình cháy
Ảnh hưởng của thành phần biogas đến các đặc trưng của quá trình cháy
Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen đến tính năng quá trình cháy
Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến các đặc trưng quá trình cháy
Biến thiên nhiệt dộ cháy và nồng độ NOx theo góc đánh lửa sớm
Kết luận
- Ứng với một chế độ vận hành của động cơ cho trước, khi hàm lượng CH4 trong biogas tăng từ 60% lên 80% thì hệ số tương đương tối ưu giảm từ 1.06 xuống 1.04, công chỉ thị chu trình của động cơ tăng 6% và mức độ phát thải CO, HC, NOx giảm trung bình khoảng 20%.
- Hệ số tương đương tối ưu giảm khi tăng hàm lượng H2 pha vào biogas. Khi pha 40% hydrogen vào biogas thì hệ số tương đương tối ưu đạt giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết, công chỉ thị chu trình tăng 13%, mức độ phát thải các chất ô nhiễm CO, HC giảm 10 lần và phát thải NOx giảm 2 lần.
- Hiệu quả công tác của động cơ biogas được cải thiện tối đa khi pha 15% hydrogen vào biogas. Quá ngưỡng này, tính năng của động cơ hầu như không thay đổi khi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas.
- Với chế độ tốc độ động cơ cho trước, góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 2 CA khi tăng 10% CH4 trong biogas và giảm 3CA khi tăng 10% hydrogen trong hỗn hợp với biogas khi hàm lượng hydrogen pha vào biogas nhỏ hơn 20%. Khi hàm lượng hydrogen vượt quá 20%, góc đánh lửa sớm tối ưu hầu như không thay đổi theo hàm lượng H2.
- Khi pha hydrogen vào biogas tính năng động cơ được cải thiện không phải do năng lượng nó mang vào buồng cháy mà do sự gia tăng tốc độ cháy và mở rộng giới hạn cháy giúp cho quá trình cháy tối ưu diễn ra gần giá trị f=1 hơn khi động cơ chạy bằng biogas.
- Trong điều kiện vận hành tối ưu, khi pha 20% hydrogen vào biogas thì công chỉ thị tăng trung bình 6%, phát thải CO và HC giảm trung bình từ 5-10 lần, phát thải NOx tăng khoảng 10-15%.
