XE WAVE BIOGAS
Bài viết 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%.
I. GIỚI THIỆU
Nghiên cứu công nghệ sử dụng biogas làm nhiên liệu cho xe gắn máy có ý nghĩa rất thiết thực trong tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường ở nước ta. Công nghệ này bao gồm việc nén biogas vào bình chịu áp lực và cung cấp biogas nén cho động cơ lắp trên xe gắn máy.
Biogas ở nông thôn nước ta hiện nay được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau. Hiệu quả sinh khí cũng như chất lượng khí biogas phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu đầu vào. Hình 1 giới thiệu kết quả nghiên cứu sản xuất biogas từ 5 nguồn nguyên liệu: bèo tây, hèm bia, phân gà, phân heo và phân bò. Các thành phần chính trong biogas là CH4 và CO2. Trong điều kiện môi trường bình thường thì hàm lượng thể tích trung bình của CH4 trong biogas lớn hơn 50% đối với các loại nguyên liệu nghiên cứu. Phân heo cho thành phần CH4 cao hơn các chất khác.
Để nâng cao nhiệt trị biogas chúng ta cần lọc CO2 bằng các chất hóa học như CaO, NaOH. Sử dụng hóa chất thích hợp chúng ta có thể loại bỏ gần như hoàn toàn CO2, nâng cao đáng kể chất lượng biogas [8]. Mặt khác, trong các chất còn lại có mặt trong biogas thì H2S là tạp chất nguy hại nhất cần được loại trừ trước khi sử dụng biogas làm nhiên liệu trong mọi tình huống. H2S cũng có thể loại trừ đồng thời với việc lọc CO2 bằng các hóa chất nêu trên. Trong thực tế, chúng ta có thể sử dụng các chất rẻ tiền hơn để lọc H2S như phoi sắt, Diatomit, Bentonit… Hình 2 giới thiệu hiệu quả lọc H2S bằng các loại vật liệu khác nhau: phoi sắt đã oxy hóa, Diatomit, Bentonit. Cột lọc thí nghiệm được làm bằng một ống nhựa PVC hình trụ tròn có đường kính d = 60mm, chiều cao cột lọc là h = 1200mm. Khi nạp đầy cột lọc thì khối lượng các vật liệu lọc là 1100g đối với phoi sắt, 1360g đối với Diatomit, 2880g đối với Bentonit. Lưu lượng khí biogas đi qua lọc là 4,5l/ph.
Từ kết quả nghiên cứu trên đây, chúng ta thấy trong điều kiện hầm biogas sử dụng phân heo bình thường, sau khi lọc H2S bằng phoi sắt hay Bentonit, hàm lượng thể tích CH4 có thể dao động từ 60 đến 80% khi không sử dụng các giải pháp lọc CO2.
Biogas sau khi lọc các tạp chất được nén vào các bình chứa ở áp suất 50 bars và được cung cấp cho xe gắn máy qua bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu GATEC18 [10] (hình 3). Kết quả thực nghiệm cho thấy, với biogas có thành phần CH4 trên 70% theo thể tích, công suất của xe hầu như giảm rất ít so với khi chạy bằng xăng. Khi chuyển sang chạy bằng biogas, góc đánh lửa sớm cần được chỉnh theo hướng tăng để đảm bảo công suất tối ưu.
Trong công trình này chúng tôi sẽ giới thiệu một số kết quả nghiên cứu mô hình hóa và thực nghiệm tính năng của động cơ xe gắn máy 110cc kiểu WAVE khi chạy bằng biogas để định hướng kỹ thuật việc chuyển đổi nhiên liệu xăng/biogas nén cho xe gắn máy.
II. LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY HÒA TRỘN TRƯỚC HỖN HỢP BIOGAS-KHÔNG KHÍ
Trong quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước, nhiên liệu và chất oxy hóa được giả định hòa trộn đồng đều ở kích cỡ phân tử trước khi đánh lửa. Quá trình cháy bắt đầu tại vị trí đánh lửa và lan dần ra khu vực hỗn hợp chưa cháy. Mô hình hóa quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước khó hơn nhiều so với quá trình cháy của hỗn hợp không hòa trộn trước. Lý do là quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước diễn ra trong màng lửa mỏng di động và chịu ảnh hưởng bởi quá trình rối. Đối với dòng chảy dưới âm, tốc độ lan tràn màn lửa tổng quát được xác định đồng thời bởi tốc độ màng lửa chảy tầng và mức độ rối. Tốc độ màng lửa chảy tầng được xác định bởi tốc độ khuếch tán của phần tử và nhiệt ở thượng nguồn dòng chảy vào các chất tham gia phản ứng và cháy. Để xác định được tốc độ màng lửa chảy tầng chúng ta phải biết cấu trúc bên trong màng lửa cũng như chi tiết động hóa học và quá trình khuếch tán phân tử.
Sự chảy rối làm tăng diện tích bề mặt màng lửa, do đó làm tăng tốc độ tiêu thụ hỗn hợp. Xoáy rối lớn làm nhăn nheo bề mặt màng lửa, trong khi đó xoáy rối nhỏ, nếu nhỏ hơn bề dày màng lửa chảy tầng, có thể thâm nhập vào màng lửa và làm thay đổi cấu trúc bên trong.
Đối với nhiều hệ thống cháy hòa trộn trước trong công nghiệp, quá trình cháy diễn ra trong màng lửa mỏng. Khi màng lửa di chuyển, phản ứng cháy diễn ra biến các chất tham gia phản ứng chưa cháy thành các sản phẩm cháy. Vì vậy đối với quá trình cháy hòa trộn trước, có thể xem không gian buồng cháy được chia thành 2 khu vực bởi màng lửa: khu vực chứa hỗn hợp khí chưa cháy và khu vực chứa hỗn hợp sản phẩm cháy.
Tốc độ cháy chảy tầng là thông số cơ bản sử dụng trong mô hình tính toán. Tốc đọ này phụ thuộc vào thành phần biogas và độ đậm đặc của hỗn hợp được giới thiệu trên hình 4.
III. KẾT QUẢ MÔ HÌNH HÓA
Quá trình cháy biogas trong động cơ được mô phỏng dựa trên nền phần mềm động lực học chất lỏng FLUENT. Các thông số kết cấu và vận hành của động cơ được đưa vào chương trình tính thông qua option dynamic mesh. Tính chất nhiệt động học của môi chất công tác được thiết lập trong bảng PrePDF tích hợp trong phần mềm FLUENT. Quá trình cháy rối trong buồng cháy được mô phỏng bằng mô hình rối k-e, mô hình cháy hòa trộn trước cục bộ (Partial Premixed) với tốc độ màng lửa chảy tầng (Laminar Flame Speed) được xác định theo thực nghiệm ứng với nhiên liệu chứa hai thành phần chính CH4 và CO2 trình bày trên đây.
Trong tính toán mô phỏng chúng tôi sử dụng nhiên liệu bigas có thành phần thể tích 80% methane và 20% carbonic. Việc thiết lập mô hình tính toán quá trình sinh công (nén-cháy-dãn nở) của động cơ và chia lưới không gian xi lanh và buồng cháy 3D được thực hiện tương tự như [9].
Các hình 5, 6, 7 giới thiệu biến thiên nồng độ khối lượng trung bình của CH4, O2 và CO2 trong xi lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy với tốc độ 3000 vòng/phút. Tính toán được thực hiện với thành phần hỗn hợp f=0,12 tương ứng với giá trị của hệ số tương đương f=1,39. Thành phần khối lượng ban đầu của CH4, O2 và CO2 trong xy lanh lần lượt là 7,12%, 20,50% và 4,88%. Kết quả tính toán cho thấy tốc độ tiêu thụ CH4, O2 trong giai đoạn cháy chính hầu như ít bị ảnh hưởng bởi góc đánh lửa sớm. Thực tế tốc độ tiêu thụ nhiên liệu và chất oxy hóa phụ thuộc vào tốc độ cháy chảy tầng. Tốc độ cháy chảy tầng là hàm số của T và P thay đổi bé vào cuối quá trình nén. Do hỗn hợp đậm nên cuối quá trình cháy trong khí thải còn chứa khoảng 1,3% nồng độ khối lượng CH4 còn O2 hầu như đã được sử dụng hoàn toàn. Sự khác biệt về tốc độ tiêu thụ CH4 và O2 khi thay đổi góc đánh lửa sớm diễn ra ở cuối quá trình cháy. Điều này thể hiện trên đồ thị biến thiên nồng độ trung bình CO2 theo góc quay trục khuỷu (hình 7). Tuy nhiên sự khác biệt này không làm ảnh hưởng đáng kể đến nồng độ CO2 cực đại đạt được cuối quá trình cháy, khoảng 15,9%.
Vị trí góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rõ rệt đến biến thiên áp suất chỉ thị và nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong buồng cháy. Khi tăng góc đánh lửa sớm, áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại tăng theo và vị trí đạt các giá trị cực đại này càng dịch về vị trí điểm chết trên (hình 8 và hình 9). Tuy nhiên công chỉ thị của động cơ không tăng tỉ lệ với áp suất hay nhiệt độ cực đại. Hình 10 và hình 12 giới thiệu ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đồ thị công chỉ thị của động cơ khi chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút và 6000 vòng/phút. Khi điểm cực đại của áp suất dịch về điểm chết trên, phần công âm do quá trình nén tăng vượt quá độ tăng phần công dương của quá trình dãn nở do đó công chỉ thị của động cơ bị giảm.
Hình 11 và hình 13 giới thiệu biến thiên công chỉ thị của động cơ theo góc đánh lửa sớm. Két quả này cho thấy ứng với mỗi chế độ tốc độ động cơ ta có một vị trí góc đánh lửa sớm tối ưu ở đó công chỉ thị của động cơ đạt giá trị cực đại. Góc đánh lửa sớm tối ưu đối với động cơ xe WAVE 110cc khi chạy bằng biogas biến thiên từ 20 độ đến 36 độ khi tốc độ động cơ biến thiên từ 3000 vòng/phút đến 9000 vòng/phút (hình 14).
Hình 15 cho thấy tốc độ tiêu thụ CH4 thay đổi đáng kể khi thay đổi tốc độ động cơ ở một góc đánh lửa sớm cho trước. Đường biểu diễn càng dốc tương ứng với tốc độ cháy càng cao khi tốc độ động cơ càng bé.
Sự khác biệt tốc độ cháy khi thay đổi tốc độ động cơ ở một góc đánh lửa sớm cho trước thể hiện rõ trên đồ thị biến thiên áp suất và nhiệt độ trung bình trong buồng cháy theo góc quay trục khuỷu (hình 16 và hình 17). Ở góc đánh lửa sớm 30 độ, áp suất cực đại của động cơ giảm từ 6MPa xuống 4,5MPa khi tốc độ động cơ tăng từ 3000 vòng/phút lên 9000 vòng/phút, tương ứng với nhiệt độ cực đại giảm từ 2490K xuống 2300K. Do đó để đạt được công suất cực đại tốc độ động cơ thay đổi ta phải thay đổi góc đánh lửa sớm.
Khi động cơ chạy bằng xăng, góc đánh lửa sớm tối ưu thay đổi từ 10 độ đến 30 độ. Khi chuyển sang chạy bằng biogas, kết quả tính toán trên đây cho thấy góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ lớn hơn từ 6 đến 10 độ ứng với các chế độ tốc độ khác nhau của động cơ. Do đó khi chuyển đổi động cơ xe gắn máy sang chạy bằng biogas, chúng ta phải dịch vị trí đánh lửa về phía sớm hơn.
Hình 18 so sánh đường đặc tính ngoài của động cơ xe gắn máy kiểu WAVE 110cc khi chạy bằng xăng và chạy bằng biogas chứa 80% thể tích methane với f=1,39 và góc đánh lửa sớm tối ưu thay đổi theo hình 14. Chúng ta thấy ở chế độ tốc độ thấp, sự khác biệt giữa công suất khi xe chạy bằng biogas và chạy bằng xăng không đáng kể. Ở chế độ tốc độ cao công suất cực đại của động cơ khi chạy bằng biogas ở các chế độ tốc độ khác nhau thấp hơn công suất tương ứng khi chạy bằng xăng khoảng 20%.
Chính vì vậy, khi xe chạy ở chế độ tải bình thường và ở mức tốc độ trung bình, người sử dụng không có cảm tưởng công suất động cơ bị giảm khi chuyển sang chạy bằng biogas.
IV. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Thực nghiệm được tiến hành tại các hầm biogas của 3 trang trại chăn nuôi khu vực Đà Nẵng tại các Xã Hòa Sơn, Hòa Phú và Hòa Ninh. Thành phần biogas của các trang trại này cho ở bảng 2. Chúng ta thấy chất lượng biogas sản xuất từ chất thải chăn nuôi có thành phần khác nhau không đáng kể.
Trước khi nén vào bình, biogas đi qua hệ thống lọc để khử H2S và làm giảm CO2.
Như đã giới thiệu trong [3], H2S có thể được xử lý bằng oxit sắt. Hiệu quả khử H2S bằng oxit sắt có thể đạt đến 98%. Nồng độ H2S sau xử lý có thể rút xuống còn khoảng 100ppm, đảm bảo chất lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong. Sau thời gian làm việc khoảng 6 tháng, lọc H2S cần được tái sinh bằng cách lấy hết phoi sắt ra khỏi cột lọc, đốt để giải hấp rồi bỏ lại vào vị trí cũ cùng với lượng oxit sắt bổ sung.
Khí CO2 trong biogas có thể được khử bằng nhiều vật liệu khác nhau. Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát hiệu quả và tính ổn định của hệ thống khử CO2 bằng vôi nung dạng cục, vôi nung dạng bột, diatomit dạng cục, diatomit dạng bột, sút và phối hợp các loại vật liệu này. Kết quả cho thấy nếu sử dụng các loại vật liệu này một cách riêng rẽ thì hiệu quả xử lý cao nhất có thể đạt được 80%. Nếu kết hợp vôi bột và sút, hiệu quả xử lý CO2 có thể đạt đến 99%. Đặc biệt giải pháp này cho hiệu quả lọc ổn định ở khoảng 50-60%.
Sau khi xem xét các ưu nhược điểm của từng vật liệu lọc khác nhau, chúng tôi chọn phương án xử lý khí biogas bằng phoi sắt và hỗn hợp vôi nung bột-xút. Thành phần chính của biogas sau khi qua hệ thống xử lý được giới thiệu trên bảng 3.
Quá trình nén biogas thử nghiệm được tiến hành theo 3 trường hợp (hình 19): nén trực tiếp, biogas không qua hệ thống lọc (1), sử dụng cột lọc oxit sắt và vôi nung cục (2), sử dụng cột lọc oxit sắt và hỗn hợp vôi nung bột-xút (3). Biogas chứa trong bình khí nén được đốt thử bằng bếp ga mini. Khi van bếp ga mở cực đại, thời gian đốt ứng với các trường hợp lọc khác nhau được giới thiệu ở bảng 3.
Do biogas có thành phần CH4 hơi thấp nên động cơ khó khởi động và khó giữ ổn định ở chế độ không tải khi chạy trực tiếp bằng biogas. Để giải quyết khó khăn này chúng tôi cho động cơ chạy bằng xăng ở chế động không tải và khi khởi động. Bộ chế hòa khí của động cơ được cải tạo bằng cách lắp thêm một vít đầu côn dưới đáy buồng phao để bịt kín ziclơ chính khi chạy bằng biogas (hình 23). Như vậy khi chạy bằng biogas chỉ có hệ thống xăng không tải hoạt động. Khi bướm ga mở lớn, độ chân không phía sau bướm ga giảm, xăng không phun ra vòi phun không tải, chỉ có hệ thống cung cấp biogas làm việc. Nhờ phối hợp cung cấp nhiên liệu xăng và biogas, động cơ có thể làm việc ổn định ở tất cả các chế độ công tác, đặc biệt là trong giai đoạn chuyển tiếp từ không tải sang có tải.
Khi muốn sử dụng lại nhiên liệu xăng, chúng ta chỉ cần nới vít khóa ziclơ chính. Hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng hoạt động bình thường như trước khi cải tạo.
Lắp đặt hệ thống cung cấp biogas nén cho xe gắn máy Honda Wave athử nghiệm được giới thiệu trên hình 24.
Khí Biogas sau khi qua lọc H2S bằng oxit sắt và lọc CO2 bằng hỗn hợp vôi nung bột và xút được nén vào bình chứa 30 lít ở áp suất 6 bar. Theo tính toán ở hình 1 thì năng lượng biogas chứa trong bình tương đương với khoảng 1/10 lít xăng. Kết quả thực nghiệm cho thấy xe chạy được 5,5km với tốc độ dao động từ 30 đến 50km/h thì hết biogas trong bình chứa. Kết quả này phù hợp với tính toán lý thuyết. Khó khăn duy nhất liên quan đến việc áp dụng rộng rãi biogas nén trên xe gắn máy là giải quyết khâu lưu trữ nhiên liệu. Vì vậy vấn đề tìm kiếm vật liệu chế tạo bình phù hợp và vật liệu hấp thụ methane để giảm áp suất lưu trữ nhiên liệu trong bình chứa có ý nghĩa quan trọng trong hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của đề tài.
V. KẾT LUẬN
· Ở chế độ tốc độ động cơ cho trước, góc đánh lửa sớm có một giá trị tối ưu. Giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu này của động cơ khi chạy bằng biogas lớn hơn khi chạy bằng xăng khoảng từ 6 đến 10 độ.
· 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.
· Khi động cơ chạy với nhiên liệu biogas chứa 80% thể tích methane, 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% ở khu vực tốc độ cao.
· Có thể dự báo tính năng quá trình cháy, xác định các thông số vận hành tối ưu của động cơ bằng phương pháp mô phỏng, giảm bớt chi phí thực nghiệm khi chuyển đổi nhiên liệu xe gắn máy từ xăng sang biogas.
· Khả năng sử dụng biogas nén trên xe gắn máy và các phương tiên vận chuyển là hiện thực. Xe gắn máy có thể hoạt động độc lập 100km khi sử dụng bình 20 lít chứa biogas nén đến áp suất 120 bar.
TÀI LIỆU THAM KHẢO1. Cracknell (2010): High pressure laminar burning velocity measurements and modelling of methane and n-butane. Combustion Theory and Modelling, 14:4, 519-540
2. M. Elia, M. Ulinski, M. Metghalchi: Laminar Burning Velocity of Methane-Air-Diluent Mixtures. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power JANUARY 2001, Vol. 123, pp 190-196
3. B. Galmiche, F. Halter, F. Foucher, P. Dagaut: Effects of Dilution on Laminar Burning Velocity of Premixed Methane/Air Flames. Energy Fuels 2011, 25, 948-954
4. R. Stone, A. Clarke, B Beckwith: Correlations for the Laminar-Burning Velocity of Methane/Diluent/Air Mixtures Obtained in Free-Fall Experiments. Combustion and Flame 114:546–555 (1998)
5. Rallis, C. J., and Garforth, A. M., Prog. Energy Combust. Sci. 6:303-329 (1980).
6. Hill, P. G., and Hung, J., Combust. Sci. and Tech. 60:7-30 (1980).
7. Iijima, T., and Takeno, T., Combustion and Flame 65:35-43 (1986).
8. Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trương Lê Bích Trâm: 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. Japan-Vietnam Core University Program, Osaka, Japan, 26-28 November 2008
9. 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
10. 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, 2007
