Đang tải... (xem toàn văn)
ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 17 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU LINH HOẠT SYNGAS BIOGAS HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC SIMU.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 17 MƠ PHỎNG Q TRÌNH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU LINH HOẠT SYNGASBIOGAS-HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC SIMULATION OF SYNGAS-BIOGAS-HYDROGEN FLEXIBLE FUEL SUPPLY FOR A STATIONARY SI ENGINE Bùi Văn Ga1, Nguyễn Văn Đông2*, Cao Xuân Tuấn3, Võ Anh Vũ1 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Giao thơng Vận tải thành phố Hồ Chí Minh Đại học Đà Nẵng *Tác giả liên hệ: dongnv@ut.edu.vn (Nhận bài: 08/7/2022; Chấp nhận đăng: 05/9/2022) Tóm tắt - Trong hệ thống lượng tái tạo hybrid lượng mặt trời-sinh khối, việc cung cấp nhiên liệu cho động đánh lửa cưỡng cần điều chỉnh cách linh hoạt để thích nghi với thành phần syngas-biogas-hydrogen thay đổi phạm vi rộng Tạo hỗn hợp chế hịa khí truyền thống khơng phù hợp chênh lệch lớn tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu syngas so với biogas hay hydrogen Sử dụng công nghệ phun nhiên liệu đường nạp với vịi phun có đường kính lỗ phun lớn phù hợp với syngas khơng phù hợp với biogas hay hydrogen; Sử dụng vòi phun đường kính lỗ phun nhỏ ngược lại Phối hợp sử dụng vịi phun có đường kính lỗ phun 4mm 6mm phù hợp với động Honda GX200 chuyển sang sử dụng nhiên liệu syngas-biogas-hydrogen Khi tăng thành phần biogas hay hydrogen góc mở vịi phun 6mm giảm cịn góc mở vịi phun 4mm trì giá trị cực đại 130TK đến 70% biogas hay 50% hydrogen sau giảm Áp suất phun hợp lý bar Abstract - In the solar-biomass hybrid renewable energy system, the fuel supply for the spark ignition engine needed to be flexibly controlled because of the large variation of syngas-biogashydrogen compositions Mixture preparation with a traditional carburetor is unsuitable due to the large difference in the air/fuel ratio of syngas compared to biogas or hydrogen The technology of fuel injection on the intake manifold with a large nozzle diameter is suitable for syngas but not appropriate for biogas or hydrogen; However, it is contrary with using a small nozzle diameter The combination of using nozzles with 4mm and 6mm nozzle diameters is appropriate for Honda GX200 engine fueling with a syngas-biogas-hydrogen blend When increasing the biogas or hydrogen composition, the injection duration of a 6mm-diameter injector decreases, while that of a 4mm-diameter injector maintains the maximum value of 130CA to 70% biogas or 50% hydrogen, then decreases The reasonable injection pressure is bar Từ khóa - Hệ thống lượng tái tạo hybrid; Biogas; Syngas; Hydrogen; Động gas Key words - Hybrid renewable energy system; Biogas; Syngas; Hydrogen; Gaseous SI engine Giới thiệu Tại Hội nghị Thượng đỉnh biến đổi khí hậu COP26 diễn Glasgow đây, Việt Nam cam kết thực chế theo Thỏa thuận Paris, để đạt mức phát thải ròng (Net Zero) vào năm 2050 [1] Đến có 74 quốc gia vùng lãnh thổ cam kết thực lộ trình Net Zero tương tự Có khoảng 10 quốc gia cam kết thực lộ trình Net Zero trước ngưỡng thời gian Sử dụng lượng tái tạo đóng vai trò then chốt chiến lược Net Zero Để đạt mục tiêu phát thải ròng 0, nước cần dừng triển khai dự án than mới, đưa lộ trình tiến tới loại bỏ dự án điện than thay vào phát triển dự án điện tái tạo Việt Nam nước thuộc vùng nhiệt đới, tiềm điện mặt trời, điện gió sinh khối dồi Tuy nhiên, nhược điểm lượng tái tạo nói chung khơng ổn định, cơng suất nguồn phát lượng thay đổi theo thời gian ngành hay thay đổi ngẫu nhiên theo điều kiện khí hậu, thời tiết Vì vậy, để đảm bảo tính ổn định hệ thống lượng, cần phối hợp sử dụng nhiều nguồn lượng tái tạo khác nhau, gọi hệ thống lượng tái tạo hybrid HRES [2-7] Hình trình bày hệ thống lượng tái tạo hybrid phối hợp lượng mặt trời lượng sinh khối Nguyên lý làm việc hệ thống lượng tái tạo hybrid solar-biomass (năng lượng mặt trời-sinh khối) sau: Các chất thải rắn khó phân hủy sinh hoạt sản xuất nông thôn chế biến thành viên nén nhiên liệu RDF 63 PV panel Biogas Digester Hydrogen Electrolyser Inverter Biogas-Hydrogen Engine Electric Consumer Biomass khó phân hủy Lị khí hóa Pin mặt trời Inverter Tiêu thụ điện Biomass dễ phân hủy Hầm biogas Điện phân hydrogen Động gas Hình Sơ đồ hệ thống lượng tái tạo hybrid lượng mặt trời - lượng sinh khố Từ đó, RDF chuyển thành khí tổng hợp syngas qua lị khí hóa [8] Các chất thải hữu dễ phân hủy sử dụng để sản xuất biogas Khi công suất điện mặt trời The University of Danang - University of Science and Technology (Bui Van Ga, Vo Anh Vu) Ho Chi Minh City University of Transport (Nguyen Van Dong) The University of Danang (Cao Xuan Tuan) 74 18 cao cơng suất phụ tải phần cơng suất dư sử dụng để sản xuất hydrogen qua hệ thống điện phân Syngas, biogas hydrogen lưu trữ chung túi chứa nhiên liệu khí Khi cơng suất tải u cầu lớn công suất hệ thống điện mặt trời cụm máy phát điện động chạy nhiên liệu khí hoạt động để cung cấp lượng [7] Do tính ngẫu nhiên nguyên liệu sản xuất nhiên liệu khí nên thành phần hỗn hợp khí biogassyngas-hydrogen thay đổi Vì hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động sử dụng nhiên liệu khí phải điều chỉnh linh hoạt để nâng cao hiệu q trình cháy giảm phát thải nhiễm [9-10] Tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu (A/F) syngas thấp nhiều so với loại nhiên liệu truyền thống thách thức kỹ thuật lớn hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động A/F thấp dẫn đến thời gian phun kéo dài khiến cho nhiên liệu cung cấp cho chu trình khơng hút hoàn toàn vào xi lanh vào cuối kỳ nạp Điều khiến cho hệ số tương đương động đạt giá trị stoichiometric (thành phần hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết), đặc biệt động chạy tốc độ cao Sự tích lũy nhiên liệu đường nạp chu kỳ trước làm kiểm soát hệ số tương đương hỗn hợp chu kỳ gây tượng nổ ngược Do đó, nhiên liệu có tỉ lệ A/F thấp thiết bị hịa trộn ngồi khả tạo hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí đồng phải đảm bảo tất nhiên liệu cung cấp cho chu trình phải hút vào xi lanh cuối trình nạp Trong hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogas-hydro thành phần hydrogen nhạy cảm đến trình tạo hỗn hợp trình cháy Những vấn đề liên quan đến hydrogen cần quan tâm cháy sớm, nổ ngược, tốc độ tăng áp suất cao [11-12] gia tăng nồng độ NOx… Nhiều nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động đánh lửa cưỡng sử dụng nhiên liệu có chứa hydrogen cơng bố [13-14] Hangwei Ji Shuofeng Wang [15] bổ sung thêm vòi phun hydrogen đường nạp để cải thiện hiệu suất động xăng SI Điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun để giảm lượng H2 cịn sót đường nạp hạn chế tượng cháy ngược động phun trước cửa nạp [16-18] Đối với động đánh lửa cưỡng bức, phun trực tiếp hydrogen vào buồng cháy giúp cải thiện hiệu suất động giảm phát thải ô nhiễm [19] Bên cạnh bổ sung hydrogen vào hỗn hợp nhiên liệu khí nghèo, nhiều tác giả nghiên cứu bổ sung HHO (hỗn hợp 2/3 hydrogen 1/3 oxygen) vào nhiên liệu khí nghèo để cải thiện trình cháy Cũng hydrogen, HHO dễ bén lửa nên tượng nổ ngược đường nạp cần quan tâm Bui cộng nghiên cứu phát triển tạo hỗn hợp đặc biệt để xử lý vấn đề [20] Nghiên cứu mô phun nhiên liệu biogas-HHO trình bày [21-22] Kết nghiên cứu cho phép thiết lập giản đồ phun biogas-HHO phù hợp [23-24] Các giải pháp áp dụng thí điểm để cung cấp biogas làm giàu HHO động tĩnh [25-27] Áp suất phun yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc chuẩn bị hỗn hợp Các loại vịi phun nhiên liệu khí có mặt thị trường làm việc với áp suất phun thay đổi phạm vi rộng Các vòi phun nhiên liệu khí thay Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đơng, Cao Xuân Tuấn, Võ Anh Vũ LPG, CNG động phun trước cửa nạp thơng thường có áp suất phun cực đại bar, áp suất phun làm việc từ 1-3 bar [28] Khi tăng áp suất phun nhiên liệu nồng độ NOx tăng [29] Trong đó, động CNG đánh lửa cưỡng (SI) hai kỳ cỡ nhỏ áp suất phun nhiên liệu phù hợp nhỏ 0,5bar [30] Trong hệ thống lượng tái tạo hybrid lượng mặt trời-sinh khối, động cung cấp nhiên liệu có thành phần thay đổi rộng Động chạy hồn tồn loại nhiên liệu thành phần, chạy hỗn hợp nhiên liệu thành phần hay nhiên liệu thành phần Tỉ số A/F syngas khác biệt với loại nhiên liệu lại nên thách thức kỹ thuật lớn hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động hệ thống lượng tái tạo hybid lượng mặt trời-sinh khối Trong cơng trình này, nhóm tác giả trình bày kết nghiên cứu mơ hệ thống cung cấp phun nhiên liệu syngas-biogas-hydrogen đường nạp để cải tạo động đánh lửa cưỡng tĩnh truyền thống thành động sử dụng nhiên liệu khí tái tạo linh hoạt Nghiên cứu mô 2.1 Động nhiên liệu Nghiên cứu tiến hành động Honda GX200 có đường kính xi lanh 68mm, hành trình piston 45mm, tỉ số nén 8,5 Động nguyên thủy chạy xăng, cấp nhiên liệu chế hịa khí, đạt cơng suất 4,8 kW tốc độ 3600 v/ph Biogas, syngas hydrogen có đặc trưng trình bày Bảng Bảng Các thông số đặc trưng nhiên liệu Nhiên liệu Thành phần (mol/mol) M mkk/mnl Vkk/Vnl (g/mol) (g/g) (l/l) CH4 H2 CO CO2 N2 Biogas 0,7 0 0,3 24,40 Syngas 0,05 0,18 0,20 0,12 0,45 24,64 Hydrogen 0 Nhiệt tri thấp 33,906 10,24 12,03 (MJ/m3) 7,98 1,64 34,78 6,71 1,39 2,4 - Các hỗn hợp nhiên liệu sử dụng tính tốn có thành phần biogas, syngas hydrogen cho Bảng Bảng Thành phần hỗn hợp nhiên liệu Hỗn hợp Blend5 Blend6 Blend7 Blend8 Blend9 Blend10 Blend11 Blend12 Blend13 Blend14 Blend15 Biogas (%) 0 0 10 20 30 40 50 70 Syngas (%) 90 80 70 60 50 90 80 70 60 50 30 Hydrogen (%) 10 20 30 40 50 0 0 0 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 2.2 Thiết lập mơ hình Tính tốn mơ thực nhờ phần mềm Ansys Fluent 2021R1 Không gian tính tốn gồm buồng cháy, xi lanh đường nạp Thể tích xi lanh thay đổi theo góc quay trục khuỷu Khi trình nạp kết thúc đường nạp tách rời khỏi xi lanh để giảm thời gian tính tốn Hệ phương trình đối lưu - khuếch tán kép kín nhờ mơ hình rối k- Các thơng số nhiệt động học hỗn hợp tính tốn qua mơ hình Partially Premixed Mỗi thay đổi nhiên liệu, tính tốn lại bảng pdf thơng số nhiệt động học Nhờ điều kiện biên tính tốn đơn giản hóa Ở đầu vào đường nạp có khơng khí nên thành phần hỗn hợp f (fraction volumic) Ở đầu vào vịi phun có nhiên liệu nên f=1 Hệ số tương đương cục hỗn hợp tính qua thành phần nhiên liệu, oxygen hay tính qua f Quá trình thiết lập mơ hình cụ thể trình bày [9, 31] Để nghiên cứu ảnh hưởng phương án cung cấp nhiên liệu khác đến hình thành hỗn hợp, mơ thực với nhiều vịi phun có đường kính khác Hình giới thiệu vị trí vịi phun chia lưới khơng gian tính tốn Do qn tính vịi phun, thời gian phun nhỏ giá trị giới hạn, vịi phun khơng mở Vp3 Vp4 Vp1 Vp5 19 kính lỗ phun 9mm với áp suất phun 0,5 bar Động chạy tốc độ 3000 v/ph Nhiên liệu Khi bắt đầu phun nhiên liệu 10TK kết thúc phun 160TK, áp suất đường nạp tăng cục đẩy lượng khơng khí khỏi ống nạp nên lưu lượng khơng khí nạp âm (Hình 3b) Như sau đó, lưu lượng khơng khí tăng độ chân khơng xi lanh tạo piston xuống Trong điều kiện phun này, hệ số tương đương hỗn hợp syngaskhông khí kỳ nén đạt 0.91 nhiên lượng lớn nhiên liệu cịn sót lại đường nạp q trình nạp kết thúc Sự tích lũy lượng nhiên liệu sót đường nạp gây khó khăn kiểm sốt hệ số tương đương chu trình Trong điều kiện áp suất phun pp đường kính vịi phun dp, phun biogas góc phun p cần 38TK để đạt hệ số tương đương =1 (Hình 3b) cuối trình nạp, toàn nhiên liệu phun hút hết vào xi lanh Sự khác biệt lớn tỉ lệ A/F syngas biogas dẫn đến chênh lệch thời gian phun điều kiện hình thành hỗn hợp xi lanh động Hình 3a Hình 3b cho thấy syngas hay biogas vào xi lanh thời điểm (khoảng 30TK) đường cong hệ số tương đương trường hợp biogas tăng mạnh lên giá trị cực đại =2 giảm dần xuống giá trị ổn định Trong đó, đường cong hệ số tương đương syngas tăng chậm đạt giá trị ổn định A/F thấp GX200_Syngas_dp9_pp05_150CA 0.024 Vp6 1.2 0.018 0.9 Vp2 Qkk Q_air Qnl Q_dp9 f 0.6 Q (kg/s) 0.012 0.006 0.3 Hình Chia lưới khơng gian tính tốn vị trí vịi phun Bảng Điều kiện biên Khơng khí 310 300 -0.3 (b) 2.4 Qkk Q_air Qnl Q_dp9 f 0.03 1.8 0.02 1.2 0.01 0.6 0 (a) 60 -0.01 120 180 (TK) 240 300 -0.6 (c) Hình So sánh trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí phun syngas biogas qua vịi phun Vp1 có đường kính lỗ phun 9mm, áp suất phun 0,5 bar, tốc độ động 3000 v/ph (a: đường đồng mức nồng độ nhiên liệu; b: Syngas, p=150TK; c: Biogas, p=38TK) HC(%) 0.036 1.2 0.03 0.024 0.8 Qkk Q_air Qnl Q_dinj9 f 0.018 0.012 0.6 0.4 0.006 0.2 0 Kết bình luận 3.1 Ảnh hưởng đường kính lỗ phun áp suất phun Hình 3a giới thiệu đường đồng mức nồng độ nhiên liệu mặt cắt dọc đối xứng xi lanh đường nạp động cung cấp syngas qua vịi phun Vp1 có đường 240 Mặt khác, việc làm kín vịi phun nhiên liệu khí khó nhiều so với nhiên liệu lỏng Vì đường kính lỗ phun lớn áp suất phun phải giảm để tránh tượng rị khí kim phun đến kim phun Thời gian phun cực đại chu trình phụ thuộc vào tốc độ động khả hút toàn nhiên liệu phun vào xi lanh Đối với loại nhiên liệu có tỉ lệ A/F bé thách thức Theo tính chất nhiên liệu cho Bảng A/F syngas khác biệt so với biogas hay hydrogen Vì động chạy nhiên liệu linh hoạt syngas-biogas-hydrogen sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu carburetor hay phun nhiên liệu truyền thống Phần sau trình bày kết mơ hình thành hỗn hợp phun hỗn hợp nhiên liệu khí đề xuất phương án phù hợp cho động sử dụng nhiên liệu linh hoạt syngas-biogas-hydrogen 120 180 (TK) 0.04 Q (kg/s) Nhiên liệu 320 0,5; 60 GX200_Biogas_dp9_pp05_38CA Q (kg/s) Thông số Nhiệt độ, K Áp suất dư, bar 0 -0.006 -0.006 -0.012 60 120 180 (TK) 240 300 -0.2 -0.4 Hình Đường đồng mức nồng độ nhiên liệu trước thời điểm đánh lửa =330TK (a) biến lưu lượng khơng khí, nhiên liệu, hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu phun syngas qua vòi phun 9mm, pp=1 bar p=105TK, n=3000 v/ph Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Cao Xuân Tuấn, Võ Anh Vũ 20 Để giảm thời gian phun, ta tăng áp suất phun nhiên liệu Hình giới thiệu kết mơ q trình tạo hỗn hợp syngas áp suất phun tăng bar với vịi phun có đường kính 9mm góc phun 105TK Kết cho thấy hệ số tương đương hỗn hợp buồng cháy đạt giá trị =1 cuối q trình nạp cịn sót lượng nhiên liệu đáng kể chưa hút vào xi lanh Rõ ràng sử dụng phương án để phun biogas thời gian phun ngắn, điều chỉnh xác lượng phun khu vực tải nhỏ Mặt khác, trình bày đây, việc tăng áp suất phun với đường kính vịi phun lớn đặt nhiều thách thức kỹ thuật làm kín vịi phun nhiên liệu khí Vì việc sử dụng vịi phun đường kính lớn khơng phù hợp với động sử dụng nhiên liệu linh hoạt syngas-biogas-hydrogen Trong trường hợp nhiên liệu có tỉ lệ A/F lớn, để mở rộng thời gian phun, sử dụng vịi phun đường kính lỗ phun nhỏ Hình 5a giới thiệu đường đồng mức nồng độ nhiên liệu vị trí góc quay trục khuỷu 20, 180 330TK phun hydrogen qua vịi phun có đường kính lỗ phun 4mm góc phun 83TK Với thời gian phun cuối q trình nạp nhiên liệu hút hồn toàn vào buồng cháy hệ số tương đương hỗn hợp đạt giá trị =1 (Hình 5d) Tuy nhiên, điều kiện phun này, hệ số tương đương đạt 0,12 syngas (Hình 5b) 0,6 biogas (Hình 5c) Hình Phun hydrogen qua vịi phun dp=4mm, pp=1bar, n=3000 v/ph Cùng đường kính vịi phun dp=4mm áp suất phun pp=1 bar, tăng thời gian phun lên đến 130CA hệ số ương đương đạt stoichiometric biogas đạt 0,2 syngas tăng lên 1,7 hydrogen (Hình 6) Mặt khác thời gian phun tăng lên 130CA kết thúc trình nạp, phận nhiên liệu không hút hết vào xi lanh tất nhiên liệu nghiên cứu Như vậy, sử dụng vịi phun có đường kính bé dp=4mm hệ thống phun phù hợp với nhiên liệu hydrogen không phù hợp với biogas hay syngas 1.2 48 2.4 20 40 16 0.2 16 0.8 32 HC f 0.1 HC f 0.6 O2 12 0.4 0.05 0.2 0 0 0 60 120 180 (TK) 240 300 60 120 180 (TK) 240 300 1.6 24 O2 HC f 16 1.2 0.15 O2 O2, HC (%) 24 0.25 O2, HC (%) O2, HC (%) 0.3 20 Để cung cấp hỗn hợp nhiên liệu trường hợp tỉ số A/F nhiên liệu thành phần thay đổi phạm vi rộng nhóm tác giả đề xuất sử dụng vịi phun: Vịi phun Vp3 có đường kính lỗ phun 4mm vịi phun Vp4 có đường kính lỗ phun 6mm (Hình 7) Góc phun vịi phun Vp3 130TK cịn góc phun vịi phun Vp4 115TK Với điều kiện phun này, cuối trình nén, hệ số tương đương buồng cháy thay đổi phạm vi 0,98 đến 1,02 (Hình 7) Cuối trình nạp nồng độ HC cịn sót lại đường nạp quanh vòi phun khoảng 6%, nhỏ so với nồng độ HC buồng cháy khoảng 25% Vì thế, trường hợp động chạy hoàn toàn syngas, hệ thống hai vịi phun có đường kính 6mm 4mm chấp nhận Trong kỳ nén, khu vực nồng độ nhiên liệu cao tập trung đầu xi lanh phía đối diện với cửa nạp Tuy nhiên, thời điểm 330TK, nhiên liệu gần phân bố đồng buồng cháy Hydrogen 24 12 Hình Đường đồng mức nhiên liệu, hệ số tương đương tốc độ cung cấp nhiên liệu syngas qua vòi phun Vp3 (p=130TK) Vp4 (p=115TK), áp suất phun bar, n=3000 v/ph Biogas Syngas Như vậy, sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu vòi phun có đường kính lỗ phun dp=9mm hay dp=4mm không phù hợp động sử dụng nhiên liệu linh hoạt syngas-biogas-hydrogen Để đảm bảo hệ số tương đương buồng cháy đạt =1 sử dụng vịi phun đường kính lớn syngas vịi phun đường kính bé hydrogen Tuy nhiên, hai trường hợp này, cuối trình nạp lượng nhiên liệu chưa hút hết vào buồng cháy Điều mặt, gây trở ngại cho việu điều chỉnh thành phần hỗn hợp cho chu kỳ mặt khác, gây tượng nổ ngược, đặc biệt nhiên liệu có chứa thành phần hydrogen Trong phần nhóm tác giả trình bày phương án xử lý vấn đề kỹ thuật 3.2 Vòi phun kép 0.8 0.4 0 60 120 180 (TK) 240 300 Hình So sánh trình tạo hỗn hợp syngas, biogas, hydrogen qua vịi phun dp=4mm, pp=1bar, p=130TK, n=3000 v/ph Hình Đường đồng mức nhiên liệu, hệ số tương đương tốc độ cung cấp nhiên liệu biogas qua vòi phun Vp3 ( p=65TK) Vp4 (p=26TK), áp suất phun bar, n=3000 v/ph ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 Hình Đường đồng mức nhiên liệu, hệ số tương đương tốc độ cung cấp nhiên liệu biogas qua vòi phun Vp3 (p=130TK), áp suất phun bar, n=3000 v/ph Trong trường hợp cung cấp biogas ta thực phương án Phương án thứ nhất, cấp biogas qua hai vòi phun đường kính 4mm 6mm (Hình 8) Phương án thứ hai, cấp biogas qua vịi phun đường kính 4mm (Hình 9) So sánh phân bố đường đồng mức nồng độ nhiên liệu hệ số tương đương trường hợp cung cấp biogas Hình Hình cho thấy, phun vịi phun kỳ nén, nồng độ nhiên liệu cao tập trung khu vực đỉnh xi lanh cuối kỳ nén nồng độ nhiên liệu cao tập trung đỉnh piston Khi phun biogas qua vịi phun nồng độ nhiên liệu xi lanh tương đối đồng kỳ nén cuối kỳ nén khu vực nhiên liệu cao tập trung đỉnh buồng cháy, phía đối diện với cửa xú-páp nạp Sự khác biệt động lượng tia phun tạo khác biệt trường tốc độ hai trường hợp Khi sử dụng vịi phun phân bố hệ số tương đương buồng cháy có tính đối xứng qua trục xi lanh giúp cho trình cháy diễn đồng trường hợp phân bố lệch sử dụng vòi phun Mặt khác, phun biogas qua vịi phun đường kính 4mm với thời gian phun 130TK cuối trình nạp lượng nhiên liệu chưa hút vào xi lanh Trong đó, sử dụng phương án vịi phun tồn nhiên liệu khỏi vịi phun hút vào buồng cháy Do đó, phương án cung cấp biogas qua hai vòi phun hợp lý 21 ổn định =1 Khi sử dụng vịi phun lượng nhiên liệu vào xi lanh tăng từ từ, xi lanh tăng dần đến giá trị ổn định Hình 11a so sánh biến biên lưu lượng khơng khí, nhiên liệu phun syngas, biogas hỗn hợp 30% biogas70% syngas (Blend12), 70% biogas-30% syngas (Blend15) qua vòi phun Vp3 Vp4 để đạt hệ số tương đương =1 vào cuối trình nén (Hình 11b) Chúng ta thấy, tăng hàm lượng biogas thời gian phun giảm Lưu lượng khơng khí trường hợp phun syngas thấp dao động mạnh trường hợp phun hỗn hợp syngas-biogas Điều syngas chiếm thể tích đáng kể đường nạp, làm giảm hệ số nạp động Hình 11b cho thấy thành phần HC xi lanh giảm dần tăng hàm lượng biogas hỗn hợp với syngas Điều tỉ lệ A/F biogas lớn giá trị tương ứng syngas Hình 11 Biến thiên lưu lượng khơng khí, lưu lượng nhiên liệu (a) biến thiên nồng độ HC, O2, hệ số tương đương (b) theo góc quay trục phun syngas, biogas hỗn hợp syngas-biogasGX200_Nap_Syngas-Hydrogen với thành phần khác 2.5 1.5 Syngas-Hydrogen Hình 10 Biến thiên lưu lượng khơng khí, lưu lượng nhiên liệu hệ số tương đương xi lanh phun biogas qua vòi phun qua vòi phun, áp suất phun bar, n=3000 v/ph Hình 10 biểu diễn biến thiên lưu lượng khơng khí, lưu lượng nhiên liệu qua vòi phun hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu Ta thấy, sử dụng vịi phun với góc phun p=65TK (Vp3) p=26TK (Vp4) áp suất phun bar hệ số tương đương buồng cháy đạt =1 vào cuối q trình nén Trong trường hợp dùng vịi phun Vp3 hệ số tương đương =1 đạt góc phun p=130TK Khi phun vịi phun lưu lượng nhiên liệu ban đầu lớn làm cho hệ số tương đương xi lanh tăng mạnh lên đến =3, sau giảm dần trở giá trị 0.5 Syngas Blend6 Blend65 Blend7 Blend8 Blend 0 60 120 180 (TK) 240 300 Hình 12 Biến thiên hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu phun hỗn hợp syngas-hydrogen với thành phần khác với góc phun Vp3, Vp4 thay đổi để =1 Hình 12 cho thấy, tăng hàm lượng hydrogen hỗn hợp với syngas đỉnh đường cong hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu tăng sau giảm mạnh để đạt giá trị ổn định Dạng đường cong khác đáng kể Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Cao Xuân Tuấn, Võ Anh Vũ 22 so với trường hợp phun syngas Hỗn hợp cháy syngaskhơng khí hịa trộn phun nên thành phần hỗn hợp xi lanh không thay đổi nhiều theo góc quay trục khuỷu Góc mở vòi phun Vp3 giữ ổn định giá trị 130TK đến thành phần hydrogen hỗn hợp với syngas đạt 50% Trong đó, góc mở vịi phun Vp4 giảm từ 115TK xuống 26TK tăng hàm lượng hydrogen tp_Syngas-Hydro_4-6_M tp_Syngas-Bio_4-6_M 140 140 120 120 Syngas-Biogas Vp3 Góc phun (TK) Góc phun (TK) 100 Vp4 80 60 40 20 100 Syngas-Hydrogen Vp3 80 Vp4 60 40 20 0 20 40 60 Biogas (%) 80 100 20 40 60 Hydrogen (%) 80 100 (a) (b) Hình 13 Biến thiên góc phun vịi phun Vp3 Vp4 theo hàm lượng biogas (a) theo hàm lượng hydrogen (b) hỗn hợp với syngas để đảm bảo =1 cuối kỳ nén (n=3000 v/ph, áp suất phun pp=1 bar) Hình 13a giới thiệu biến thiên góc mở vịi phun Vp3 Vp4 theo hàm lượng biogas hỗn hợp syngas-biogas để đảm bảo =1 vào cuối kỳ nén Ta thấy góc mở vịi phun Vp3 giữ ổn định 130TK đến hàm lượng biogas hỗn hợp đạt 70% Sau đó, góc mở vịi phun Vp3 giảm xuống đến 65TK ứng với 100% biogas Góc mở vịi phun Vp4 giảm từ 115TK (ứng với 100% syngas) xuống 26TK (ứng với 70% biogas) sau giữ ổn định giá trị đến 100% biogas Tương tự trên, Hình 13b giới thiệu góc mở vịi phun theo hàm lượng hỗn hợp syngas-hydrogen Để đảm bảo =1 vào cuối kỳ nén, góc mở vịi phun Vp3 giữ ổn định 130TK đến hàm lượng hydrogen hỗn hợp đạt 50%, sau giảm đến 60TK động chạy hồn tồn hydrogen Góc mở vịi phun Vp4 giảm từ 115TK (ứng với 100% syngas) xuống 26TK (ứng với 50% hydrogen) sau giữ ổn định giá trị đến 100% biogas Nhờ phối hợp thời gian mở vòi phun nằm giới hạn cực tiểu (p = 26TK) cực đại (p= 130TK), mặt đảm bảo cho nhiên liệu hút hết vào buồng cháy mặt khác, thời gian phun cực tiểu đủ lớn để hệ thống điều khiển khống chế lượng phun xác động chạy chế độ tải thấp Kết luận Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: - Động làm việc hệ thống lượng tái tạo hybrid lượng mặt trời-sinh khối cung cấp nhiên liệu syngas-biogas-hydrogen có thành phần thay đổi phạm vi rộng nên hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cần điều chỉnh linh hoạt - So với biogas hydrogen, syngas có tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu thấp nên giải pháp cấp nhiên liệu truyền thống kiểu chế hịa khí hay hệ thống phun nhiên liệu đường nạp sử dụng vòi phun cho xi lanh động khó cấp đủ nhiên liệu chu trình để đảm bảo =1 dễ gây tượng nổ ngược đường nạp - Sử dụng vòi phun có đường kính lỗ phun lớn phù hợp với syngas không phù hợp với biogas, hydrogen; sử dụng vịi phun đường kính lỗ phun nhỏ ngược lại Đối với động Honda GX200 chuyển sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt syngas-biogas-hydrogen phối hợp sử dụng vịi phun có đường kính lỗ phun 4mm 6mm phù hợp - Góc mở vòi phun phụ thuộc vào thành phần biogas hay hydrogen có mặt hỗn hợp với syngas Khi tăng thành phần góc mở vịi phun có đường kính lỗ phun 6mm giảm cịn góc mở vịi phun có đường kính lỗ phun 4mm trì giá trị cực đại 130TK đến 70% biogas hay 50% hydrogen, sau giảm Áp suất phun hợp lý bar Lời cảm ơn: Cơng trình thực nhờ hỗ trợ Bộ Giáo dục Đào tạo thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Mô đun điện-rác thông qua RDF sản xuất từ chất thải rắn nông thôn”, mã số: B2021-DNA-03 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), “IPCC Special Report on Global Warming of 1.5ºC”, 2018, [Online] Available: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/11/pr_181008_P48_s pm_en.pdf, accessed 7/2022 [2] BeyhanAkarsu, MustafaSerdar Genỗ Optimization of electricity and hydrogen production with hybrid renewable energy systems” Fuel, Volume 324, Part A, 2022, 124465 https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124465 [3] Rogelj J., Geden O., Cowie A & Reisinger A “Net-zero emissions targets are vague: three ways to fix” Nature 591, 2021, 365-368 https://www.nature.com/articles/d41586-021-00662-3 [4] Yousefi H, Ghodusinejad MH, Kasaeian A., “Multi-objective optimal component sizing of a hybrid ICE + PV/T driven CCHP microgrid” Appl Therm Eng, 2017, https://doi org/10.1016/j.applthermaleng.2017.05.017 [5] Shaopeng Guo, Qibin Liu, Jie Sun, Hongguang Jin., “A review on the utilization of hybrid renewable energy” Renewable and Sustainable Energy Reviews 91, 2018 1121–1147 https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.105 [6] Van Ga Bui, Trung Hung Vo, Thi Minh Tu Bui, Le Bich Tram Truong, and Thanh Xuan Nguyen Thi, “Characteristics of BiogasHydrogen Engines in a Hybrid Renewable Energy System” International Energy Journal, Volume 21, Issue 4, December 2021, pp.467-480 [7] Van Ga Bui, Thi Minh Tu Bui, Hwai Chyuan Ong, Sandro Nižetić, Van Hung Bui, Thi Thanh Xuan Nguyen, A.E Atabani, Libor Štěpanec, Le Hoang Phu Pham, Anh Tuan Hoang, “Optimizing operation parameters of a spark-ignition engine fueled with biogashydrogen blend integrated into biomass-solar hybrid renewable energy system” Energy, Available online 18 April 2022, 124052 https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124052 [8] Lanyu Li, Xiaonan Wang “Design and operation of hybrid renewable energy systems: current status and future perspectives” Current Opinion in Chemical Engineering, Volume 31, March 2021, 100669 https://doi.org/10.1016/j.coche.2021.100669 [9] Mohammad HosseinJahangir, RaminCheraghi “Economic and environmental assessment of solar-wind-biomass hybrid renewable energy system supplying rural settlement load” Sustainable Energy Technologies and Assessments, Volume 42, December 2020, 100895 https://doi.org/10.1016/j.seta.2020.100895 [10] RamanKumar, Harpreet KaurChanni “A PV-Biomass off-grid hybrid renewable energy system (HRES) for rural electrification: Design, optimization and techno-economic-environmental analysis” Journal of Cleaner Production, Volume 349, 15 May 2022, 131347 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131347 [11] Harpreet Kaur, Surbhi Gupta, Arvind Dhingra “Analysis of hybrid ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] solar biomass power plant for generation of electric power” Materials today, Volume 48, Part 5, 2022, Pages 1134-1140 https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.08.080 SonjaKallio, MonicaSiroux “Hybrid renewable energy systems based on micro-cogeneration” Energy Reports, Volume 8, Supplement 1, April 2022, Pages 762-769 https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.11.158 Akash Kumar, Shukla K Sudhakar, Prashant Baredar “Renewable energy resources in South Asian countries: Challenges, policy and recommendations” Resource-Efficient Technologies, Volume 3, Issue 3, September 2017, Pages 342-346 https://doi.org/10.1016/j.reffit.2016.12.003 World Economic Forum, “Visualizing the world’s biggest rice producers”, 2022, [Online] Available: https://www.weforum.org/agenda/2022/03/visualizing-the-world-sbiggest-rice-producers/, accessed 7/2022 Shahbaz M, Al-Ansari T, Aslam M, Khan Z, Inayat A, Athar M, Naqvi SR, Ahmed MA, McKay G “A state of the art review on biomass processing and conversion technologies to produce hydrogen and its recovery via membrane separation” Int J Hydrogen Energy, 2020;45(30):15166–95 https://doi.org/ 10.1016/j.ijhydene.2020.04.009 Singh S, Singh M, Kaushik SC, “Feasibility study of an islanded microgrid in a rural area consisting of PV, wind, biomass and battery energy storage system” Energy Convers Manage, 2016, 128:178190 http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2016.09.046 Rakibul Hassan, Barun K Das, Mahmudul Hasan “Integrated offgrid hybrid renewable energy system optimization based on economic, environmental, and social indicators for sustainable development” Energy Volume 250, July 2022, 123823 https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.123823 Willian Cézar Nadaleti, Grzegorz Przybyla “Emissions and performance of a spark-ignition gas engine generator operating with [19] [20] [21] [22] [23] [24] 23 hydrogen-rich syngas, methane and biogas blends for application in southern Brazilian rice industries” Energy, Volume 154, July 2018, Pages 38-51 https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.04.046 J Arroyo, F Moreno, M Muñoz, C Monné, N Bernal “Combustion behavior of a spark ignition engine fueled with synthetic gases derived from biogas” Fuel, Volume 117, Part A, 30 January 2014, Pages 5058 https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.09.055 C.Y Acevedo-Arenas, A Correcher, C Sánchez-Díaz, E Ariza, D Alfonso-Solar, C Vargas-Salgado, J.F Petit-Suárez “MPC for optimal dispatch of an AC-linked hybrid PV/wind/biomass/H2 system incorporating demand response” Energy Convers Manag, 186 (2019), pp 241-257, 10.1016/j.enconman.2019.02.044 XiangKan, DezhiZhou, WenmingYang, XiaoqiangZhai, ChiHwaWang “An investigation on utilization of biogas and syngas produced from biomass waste in premixed spark ignition engine” Applied Energy, Volume 212, 15 February 2018, Pages 210-222 https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.12.037 Willian Cézar Nadaleti, Grzegorz Przybyla “SI engine assessment using biogas, natural gas and syngas with different content of hydrogen for application in Brazilian rice industries: Efficiency and pollutant emissions” International Journal of Hydrogen Energy, Volume 43, Issue 21, 24 May 2018, Pages 10141-10154 https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.04.073 Carlos Vargas-Salgado, Jesús Águila-León, David Alfonso-Solar, Anders Malmquist, “Simulations and experimental study to compare the behavior of a genset running on gasoline or syngas for small scale power generation” Energy, Volume 244, Part A, April 2022, 122633 https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122633 V.G Bui, V.N Tran, V.D Nguyen, Q.T Nguyen, T.T Huynh, “Octane number stratified mixture preparation by gasoline–ethanol dual injection in SI engines” International Journal of Environmental Science and Technology 16(7), 2018, pp 3021-3034, https://doi.org/10.1007/s13762-018-1942-1 ... thống cung cấp phun nhiên liệu syngas- biogas- hydrogen đường nạp để cải tạo động đánh lửa cưỡng tĩnh truyền thống thành động sử dụng nhiên liệu khí tái tạo linh hoạt Nghiên cứu mô 2.1 Động nhiên liệu. .. điện động chạy nhiên liệu khí hoạt động để cung cấp lượng [7] Do tính ngẫu nhiên nguyên liệu sản xuất nhiên liệu khí nên thành phần hỗn hợp khí biogassyngas -hydrogen thay đổi Vì hệ thống cung cấp. .. với biogas hay hydrogen Vì động chạy nhiên liệu linh hoạt syngas- biogas- hydrogen sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu carburetor hay phun nhiên liệu truyền thống Phần sau trình bày kết mơ