ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG HỖN HỢP BIOGAS-SYNGAS-HYDROGEN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID

Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú, Nguyễn Văn Đông, Bùi Văn Hùng, Phùng Minh Tùng 50 ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG HỖN HỢP BIOGAS-SYNGAS-HYDROGEN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID EQUIVALENCE RATIO ADJUSTMENT FOR ENGINE FUELED WITH BIOGAS-SYNGAS-HYDROGEN IN HYBRID RENEWABLE ENERGY SYSTEM Bùi Văn Ga1, Bùi Thị Minh Tú1, Nguyễn Văn Đông1, Bùi Văn Hùng2, Phùng Minh Tùng2* Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng *Tác giả liên hệ: pmtung@ute.udn.vn (Nhận bài: 23/12/2021; Chấp nhận đăng: 15/02/2022) Tóm tắt - Tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí cung cấp cho động làm việc hệ thống lượng tái tạo hybrid phải linh hoạt để giữ cho hệ số tương đương hỗn hợp nằm vùng tối ưu Khi cố định thành phần biogas thay đổi thành phần syngas hay hydrogen tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí thay đổi, cố định thành phần syngas hay hydrogen thay đổi thành phần biogas tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí thay đổi đáng kể Khi tăng thành phần hydrogen hỗn hợp nhiên liệu chất lượng trình cháy cải thiện Động đánh lửa cưỡng truyền thống chuyển thành động sử dụng nhiên liệu khí có thành phần nhiên liệu thay đổi hệ thống phun nhiên liệu đơn giản, sử dụng vi điều khiển Arduino, cảm biến Hall servo motor Mối quan hệ độ mở bướm ga thời gian phun động tĩnh xác định đường đặc tính điều tốc cài đặt vào vi điều khiển để tự động điều chỉnh độ mở bướm ga theo tải cản Abstract - The fuel/ air ratio supplied to the engine operating in a hybrid renewable energy system must be flexibly adjusted to keep the equivalence ratio of the air-fuel mixture within the optimum range The fuel/ air ratio is slightly changed with the variation of syngas or hydrogen composition in the mixture with a given biogas composition, but it is changed significantly with biogas composition in the fuel mixture with fixed syngas and hydrogen compositions The combustion process is improved with the increase in hydrogen component in the fuel mixture Traditional spark ignition engines can be converted into stationary engines fueled with variable compositions fuel mixture by a simple fuel injection system using an Arduino microcontroller, aHall sensor, and a servo motor The relationship between throttle opening and fuel injection duration for stationary engines can be determined based on the governor characteristic curve This relationship was installed in the microcontroller to automatically adjust the throttle opening according to the load resistance Từ khóa - Nhiên liệu tái tạo; hệ thống lượng lai; Hydrogen; Biogas; Syngas Key words - Renewable fuels; Hybrid energy system; Hydrogen; Biogas; Syngas Giới thiệu Để dảm bảo mức tăng nhiệt độ bầu khí trung bình 2°C ngưỡng 1,5°C so với thời kỳ tiền công nghiệp [1] theo thỏa thuận Paris 2015 lượng phát thải CO2 hàng năm tồn cầu phải giảm xuống mức âm ròng vào kỷ [2, 3] Mức độ gia tăng nhiệt độ bầu khí tỷ lệ thuận với lượng khí thải CO2 tích lũy Vì vậy, xây dựng chiến lược để đạt mục tiêu mức phát thải ròng ngày trở bách quốc gia khắp giới [2, 4, 5, 6] Trọng tâm chiến lược chuyển đổi nhanh chóng sâu rộng hệ thống lượng, bao gồm giảm mạnh việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, cải thiện hiệu sử dụng lượng, điện khí hóa rộng rãi lĩnh vực sử dụng lượng đầu cuối khống chế mức phát thải carbon [7, 8, 9] Sự chuyển đổi hệ thống lượng phải hài hòa với mục tiêu phát triển bền vững [10, 11] tiềm lực kinh tế để thay sở hạ tầng lượng hóa thạch có [12] 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 [13] 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 trị then chốt chiến lược Net Zero Hình Cơ cấu nguồn lượng đến năm 2050 [14] Mặc dù, dân số giới gia tăng Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA) dự báo tổng cung cấp lượng giảm xuống 550 exajoules (EJ) vào năm 2030, thấp 7% so với năm 2020 (Hình 1) [14] Năm 2020, dầu mỏ cung cấp 30% tổng nguồn cung lượng, than đá cung cấp 26% khí thiên nhiên cung cấp 23% Vào năm 2050, lượng tái tạo cung cấp 2/3 lượng sử dụng Cơ The University of Danang - University of Science and Technology (Bui Van Ga, Bui Thi Minh Tu, Nguyen Van Dong) The University of Danang - University of Technology and Education (Bui Van Hung, Phung Minh Tung) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 4, 2022 cấu lượng tồn cầu từ đến 2050 Hình Năng lượng hạt nhân năm 2050 tăng lên gần gấp đơi so với năm 2020 Năng lượng hóa thạch giảm từ 80% xuống 20% vào năm 2050 Điều có nghĩa cịn lượng đáng kể nhiên liệu hóa thạch sử dụng sau năm 2050 sản xuất hàng hóa vận tải đường dài Sự phát thải CO2 chúng bù trừ hoạt động phát thải CO2 âm 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 [15, 16, 17, 18, 19] Hình trình bày hệ thống lượng tái tạo hybrid phối hợp lượng mặt trời lượng sinh khối 51 bổ sung hydrogen vào biogas Hệ số tương đương tối ưu hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen thấp hệ số tương đương chạy biogas hoàn toàn nên mức độ phát thải chất ô nhiễm CO, HC giảm so với động chạy biogas Tuy nhiên, tăng hàm lượng hydrogen phát thải NOx tăng tăng nhiệt độ cháy [20] Cùng chế độ vận hành hàm lượng hydrogen hỗn hợp nhiên liệu, thành phần biogas thay đổi qui luật cung cấp nhiên liệu cần điều chỉnh [22, 23, 24] Do đó, động chạy hỗn hợp biogas-syngashydrogen với thành phần thay đổi phạm vi rộng hệ thống lượng tái tạo hybrid, việc cung cấp nhiên liệu cần điều chỉnh để đảm bảo hệ số tương đương nằm giới hạn tối ưu Việc điều chỉnh linh hoạt trình cung cấp nhiên liệu khó thực chế hịa khí thơng thường Trong cơng trình nhóm tác giả trình bày hệ thống điều chỉnh thời gian phun vi điều khiển để cải tạo động tĩnh đánh lửa cưỡng truyền thống thành động sử dụng phù hợp hệ thống lượng tái tạo hybrid Nghiên cứu mô 2.1 Biến thiên tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí theo thành phần hỗn hợp Thành phần biogas, syngas hỗn hợp nhiên liệu F1, F2, F3 sử dụng mơ trình bày Bảng Bảng Thành phần nhiên liệu Nhiên liệu Hình Sơ đồ hệ thống lượng tái tạo hybrid lượng mặt trời - lượng sinh khối Nguyên lý làm việc hệ thống lượng tái tạo hybrid sau: Các chất thải rắn khó phân hủy sinh hoạt sản xuất nông thôn chế biến thành viên nén nhiên liệu RDF Từ đó, RDF chuyển thành khí tổng hợp syngas qua lị khí hóa Các chất thải hữu dễ phân hủy sử dụng để sản xuất biogas Khi công suất điện mặt trời cao công 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 cơng suất hệ thống điện mặt trời cụm máy phát điện động chạy nhiên liệu khí hoạt động để cung cấp lượng Do tính ngẫu nhiên nguyên liệu sản xuất nhiên liệu khí nên thành phần hỗn hợp khí biogas-syngas-hydrogen thay đổi Vì vậy, hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động sử dụng nhiên liệu khí phải điều chỉnh linh hoạt để nâng cao hiệu trình cháy giảm phát thải nhiễm Trong cơng trình [20, 21, 22], nhóm tác giả nhấn mạnh chất lượng trình cháy cải thiện đáng kể CH4 0,7 0,1 Thành phần (mol/mol) H2 CO CO2 N2 0 0,3 0,12 0,25 0,2 0,33 0 Biogas Syngas Hydrogen F1 0,450 0,136 0,075 0,240 0,099 (60% Biogas + 30% Syngas + 10% Hydrogen) F2 0,570 0,112 0,025 0,260 0,033 (80% Biogas + 10% Syngas + 10% Hydrogen) F3 0,430 0,312 0,025 0,200 0,033 (60% Biogas + 10% Syngas + 30% Hydrogen) Nhiệt trị thấp nhiên liệu: CH4 (33,906 MJ/m3), H2 (10,246 MJ/m3) CO (12,035 MJ/m3) Trên có sở thành phần hỗn hợp nhiên liệu tính tốn tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí theo hệ số tương đương biến thiên lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình động Hình 3a giới thiệu biến thiên tỉ lệ nhiên liệu/ không khí điều kiện áp suất nhiệt độ để đảm bảo hệ số tương đương =1 cố định hàm lượng syngas hỗn hợp 0,3 mol/mol Để đốt cháy hồn tồn mol CH4 cần mol oxygen, để đốt cháy hồn tồn mol hydrogen cần 0,5 mol oxygen nên tăng hàm lượng hydrogen hỗn hợp lượng khơng khí cung cấp vào giảm xuống dẫn đến tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí tăng Hình 3b giới thiệu biến thiên tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí theo hàm lượng hydrogen hàm lượng biogas hỗn hợp cố định 0,3 mol/mol Chúng ta thấy, để đảm bảo hệ số Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú, Nguyễn Văn Đông, Bùi Văn Hùng, Phùng Minh Tùng 52 tương đương =1, tăng hàm lượng hydrogen (hay giảm hàm lượng syngas) tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí giảm nhẹ Điều thành phần nhiên liệu chủ yếu syngas CO H2 Để đốt cháy hoàn toàn mol chất cần 0,5 mol oxygen Sự thay đổi tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí trường hợp thay đổi thành phần CH4 syngas gây Hình 3c giới thiệu biến thiên tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí theo thành phần syngas cố định hàm lượng hydrogen 0,1 mol/mol hỗn hợp nhiên liệu Cũng trường hợp Hình 3a, cần 0,5 mol oxygen để đốt cháy hoàn toàn mol CO hay H2 nên tăng thành phần syngas lượng khơng khí cung cấp vào động phải giảm để đảm bảo cho hệ số tương đương không đổi =1 a) 2.2 Mô ảnh hưởng hệ số tương đương Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng động Honda GX200 để tính tốn mơ Động có đường kinh xi lanh 68mm, hành trình piston 45mm, tỉ số nén 8,5 Động phát công suất cực đại 4,8kW tốc độ 3600 v/ph chạy xăng Hiệu trình cháy phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp, giới hạn cháy tốc độ lan tràn lửa Về mặt lý thuyết, hỗn hợp nghèo phát thải nhiễm thấp động khơng phát cơng suất cực đại Hỗn hợp giàu tăng cơng suất động mức độ phát thải ô nhiễm tăng Hỗn hợp giàu hay nghèo có nguy xảy cháy khơng hồn tồn làm giảm hiệu suất sử dụng nhiên liệu tăng phát thải nhiễm Vì vậy, phương án tốt tổ chức trình cháy cho hỗn hợp cháy với hệ số tương đương thấp đảm bảo đạt công suất tối đa Điều phụ thuộc vào giới hạn cháy tốc độ cháy hỗn hợp khó thực biogas đơn Hình 4a giới thiệu ảnh hưởng hệ số tương đương đến đồ thị công động chạy nhiên liệu F2, =1, tốc độ 2000 v/ph Chúng ta thấy, diện tích đồ thị công đạt lớn  lớn Tương ứng với giá trị hệ số tương đương, nhiệt độ cực đại nhiệt độ khí thải đạt giá trị cao (Hình 4b) a) b) b) c) Hình Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp đến đồ thị công (a) nhiệt độ cháy (b) (nhiên liệu F2, =1) Hình Biến thiên tỉ lệ nhiên liệu/khơng khí để đảm bảo =1 thay đổi thành phần nhiên liệu hỗn hợp biogas-syngashydrogen: a) cố định thành phần syngas; b) cố định thành phần biogas; c) cố định thành phần hydrogen Kết cho thấy, hỗn hợp nhiên liệu biogas-syngas-hydrogen, thành phần biogas cố định thời gian phun thay đổi nhẹ, thay đổi thành phần biogas thời gian phun thay đổi mạnh để đảm bảo hệ số tương đương hỗn hợp không thay đổi Khi hệ số tương đương lớn phát thải nhiễm tăng mạnh Hình 5a cho thấy động chạy hỗn hợp nhiên liệu F2, phát thải CO tăng gần 10 lần  tăng từ 0,98 lên 1,12 Điều trình cháy diễn khơng hồn tồn hỗn hợp giàu Cũng phạm vi biến thiên hệ số tương đương, nồng độ NOx tăng lần Tuy nhiên,  nằm khoảng 0,98-1,2 phát thải NOx không biến động nhiều nhiệt độ cháy thay đổi phạm vi ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 4, 2022 53 a) a) b) b) Hình Ảnh hưởng hệ số tương đương đến phát thải CO (a) NOx (b) Các Hình 6a, Hình 6b Hình 6c biểu diễn ảnh hưởng hệ số tương đương đến tính công tác mức độ phát thải ô nhiễm động chạy hỗn hợp nhiên liệu F1, F2 F3 Chúng ta thấy, điều kiện cung cấp nhiên liệu đó, thay đổi hệ số tương đương nhiệt độ khí thải thay đổi, cơng thị chu trình cơng suất có ích động thay đổi phạm vi hẹp, áp suất cực đại động biến thiên đáng kể, mức độ phát thải chất nhiễm thay đổi phạm vi rộng Hỗn hợp giàu bất lợi việc kiểm sốt nhiễm Lợi ích việc phối hợp sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác giúp cho trình cháy đạt hiệu cao với hỗn hợp nghèo Do hỗn hợp nhiên liệu biogas-syngas-hydrogen thể khí nên nạp vào động chúng chiếm thể tích kể đường nạp, dẫn đến giảm lượng khơng khí nạp vào xi lanh Năng lượng nhiên liệu mang vào động tương ứng với lượng khơng khí tối đa nạp vào động để đảm bảo cháy hồn tồn Hình 7a Hình 7b cho thấy, cố định thành phần syngas hay thành phần hydrogen lượng nhiên liệu mang vào xi lanh giảm giảm thành phần biogas Như giải thích trên, H2 CO cần khơng khí CH4 để cháy hồn tồn chúng chốn chỗ q trình nạp nhiều Mặt khác, nhiệt trị thể tích hydrogen CO nhỏ CH4 Những điều làm giảm lượng chu trình giảm thành phần biogas Hình 7c cho thấy, hàm lượng biogas cố định, tăng hàm lượng hydrogen (giảm thành phần syngas) lượng chu trình tăng Điều syngas chứa nhiều khí trơ (CO2, N2) nên thay syngas biogas lượng chu trình tăng c) Hình Ảnh hưởng hệ số tương đương đến tính cơng tác mức độ phát thải ô nhiễm động chạy tốc độ 2000 v/ph với nhiên liệu Mặc dù, lượng chu trình tăng hàm lượng hydrogen giảm diện hydrogen hỗn hợp làm tăng tốc độ cháy, nâng cao chất lượng q trình cháy giúp cho cơng thị chu trình động cải thiện Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú, Nguyễn Văn Đông, Bùi Văn Hùng, Phùng Minh Tùng 54 a) a) b) b) Hình Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt áp suất xi lanh động chạy tốc độ 2100 v/ph (a) 3600 v/ph (b) c) Hình Biến thiên lượng chu trình động theo thành phần nhiên liệu: (a) cố định thành phần syngas 0,3 mol/mol, (b) cố định thành phần hydrogen 0,1 mol/mol (c) cố định thành phần biogas 0,3mol/mol Hình 8a Hình 8b giới thiệu biến thiên áp suất tốc độ tỏa nhiệt động chạy hỗn hợp nhiên liệu F2 F3 tốc độ 2100 v/ph 3600 v/ph Kết cho thấy tăng hàm lượng hydrogen hỗn hợp tốc độ tỏa nhiệt tăng đỉnh cực đại tiến gần ĐCT Điều dẫn đến tăng áp suất cực đại động Cùng chế độ cung cấp nhiên liệu, tốc độ động tăng đỉnh đường cong tỏa nhiệt dịch xa ĐCT khiến cho áp suất cực đại giảm Sự gia tăng cơng thị chu trình theo hàm lượng hydrogen chất lượng trình cháy cải thiện, tốc độ cháy tăng làm tăng hiệu sử dụng nhiệt Nghiên cứu thực nghiệm 3.1 Nguyên lý điều chỉnh hệ số tương đương Trên động tĩnh đánh lửa cưỡng truyền thống, tạo hỗn hợp thực thơng qua chế hịa khí Mối quan hệ lượng khơng khí lượng nhiên liệu khống chế qui luật khí động học Bernouilli Điều có nghĩa hệ số tương đương hỗn hợp ứng với chế độ công tác động xác lập với loại nhiên liệu cho trước, không thay đổi thay đổi thành phần nhiên liệu Như giải thích phần giới thiệu, nhiên liệu cung cấp cho động hệ thống nhiên liệu hybrid lượng mặt trời-sinh khối có thành phần thay đổi thường xun Vì vậy, hệ thống điều chỉnh thành phần nhiên liệu phải linh hoạt để đảm bảo hiệu trình cháy Cũng hệ thống đánh lửa, hệ thống cung cấp nhiên liệu động cần chuyển đổi sang hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử Việc cải tạo cần thực cách đơn giản có tính vạn cao để áp dụng nhiều chủng loại động Trên động thực, thời gian thực trình nạpnén dài thời gian thực trình giãn nở-thải áp suất nén tăng, làm chậm lại tốc độ quay trục khuỷu Trên mơ hình thí nghiệm, chênh lệch thời gian thực cách bố trí nam châm lệch góc độ so với đường đối xứng tâm Nhờ lập trình vi điều khiển để vịi phun nhận tín hiệu phun kỳ nạp Đối với loại nhiên liệu cho trước, để đảm bảo cho hệ số tương đương dao động phạm vi cho phép, lượng nhiên liệu phun vào động tỉ lệ với lưu lượng khơng khí Lưu lượng khơng khí thể qua độ mở bướm ga ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 4, 2022 Lưu lượng chịu ảnh hưởng tốc độ động Khi thành phần, tính chất nhiên liệu thay đổi lượng nhiên liệu chu trình thay đổi để đảm bảo hệ số tương đương cho trước trình bày Hình 3a, b, c Trên động phun nhiên liệu điều khiển điện tử, việc kiểm sốt q trình phun thực nhờ thông tin nhận từ nhiều cảm biến cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến áp suất khí nạp, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến lambda Khi cải tạo động truyền thống thành động phun nhiên liệu điều khiển điện tử, hệ thống phải đơn giản hóa để đảm bảo tính khả thi Trong thí nghiệm nhóm tác giả sử dụng cảm biến: Cảm biến Hall để xác định vị trí ĐCT cảm biến kiểu biến trở để xác định vị trí bướm ga Thơng tin analogue biến trở đưa vào vi điều khiển thông qua hàm MAP Thời gian mở vịi phun xem hàm số theo độ mở bướm ga = k.f() Trong đó,  độ mở bướm ga, động tĩnh thường xuyên hoạt động chế độ tốc độ không đổi Khi nhiên liệu thay đổi, điều chỉnh lượng phun thông qua số k Trên động thực hàm số = k.f() xác định xây dựng đường đặc tính điều tốc động với giả định hiệu trình cháy cao hỗn hợp có thành phần cháy hồn tồn lý thuyết Trong điều kiện đó, với độ mở bướm ga tốc độ động cho trước, ta điều chỉnh thời gian phun để momen động đo cao Trên sở xác lập mối quan hệ độ mở bướm ga thời gian mở vòi phun 3.2 Nguyên lý điều tốc Khác với động lắp phương tiện vận chuyển, động tĩnh hoạt động chế độ tốc độ định mức nên cần có hệ thống điều tốc Khi cải tạo động tĩnh truyền thống thành động tĩnh phun nhiên liệu điều khiển điện tử điều tốc khí thay servo motor Độ đóng mở bướm ga, tức chế độ tải động cơ, điều chỉnh để đảm bảo tải động cân với tải cản tốc độ định mức Khi vị trí bướm ga thay đổi thời gian phun nhiên liệu thay đổi theo phương trình = k.f() 55 ứng với chu trình động Cảm biến từ kiểu Hall cố định giá đỡ Mỗi nam châm quay qua cảm biến phát xung Bướm ga động điều khiển servo motor biến trở kép Một biến trở xác định vị trí bướm ga, biến trở cịn lại cung cấp thơng tin độ mở bướm ga để điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu Vịi phun LPG tơ sử dụng thí nghiệm Vịi phun điều khiển chương trình cài đặt vi điều khiển Arduino Để tránh nhiễu hệ thống điều khiển servo motor hoạt động, thí nghiệm sử dụng hai board mạch Arduino riêng biệt Hình Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm thay đổi góc đánh lửa sớm động tĩnh a) Khi tốc độ động cao tốc độ định mức, servo motor đóng nhỏ bướm ga góc , thời gian phun nhiên liệu giảm lượng tp tương ứng tốc độ động trở giá trị định mức Ngược lại, tốc độ động thấp giá trị định mức servo motor mở thêm bướm ga góc , thời gian phun nhiên liệu tăng lên lượng tương ứng để đưa tốc độ động giá trị định mức Trên nguyên tắc đó, viết chương trình cài đặt vào vi điều khiển để tự động điều chỉnh vị trí bướm ga, đảm bảo cho tốc độ động giữ ổn định 3.3 Thiết lập mơ hình thực nghiệm Trên sở nguyên lý cung cấp nhiên liệu điều tốc động tĩnh điều khiển điện tử đây, mơ hình vật lý xây dựng để thử nghiệm trước áp dụng động (Hình 9) Mơ hình gồm động điện chiều có tốc độ điều chỉnh thơng qua vi điều khiển Động quay đĩa trịn có gắn hai nam châm vĩnh cửu Hai nam châm bố trí lệch góc 5 so với đường đối xứng tâm để mô lệch pha kỳ nạp-nén nổ-thải động kỳ Một vịng quay đĩa tương b) Hình 10 Ảnh chụp mơ hình thí nghiệm điều chỉnh góc đánh lửa sớm (a) hộp điều khiển, hộp công suất (b) 56 Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú, Nguyễn Văn Đông, Bùi Văn Hùng, Phùng Minh Tùng Hình 10a ảnh chụp thực tế mơ hình thí nghiệm Hình 10b ảnh chụp hộp điều khiển hệ thống phun nhiên liệu linh hoạt Hộp điều khiển gồm board mạch Arduino Mega để điều khiển vòi phun board mạch Arduino Uno để điều khiển servo motor, biến trở kép để điều khiển bướm ga cung cấp thông tin độ mở bướm ga, hình LCD để thị thơng số đèn led báo hiệu tình trạng hoạt động hệ thống Trong trình hoạt động, servo motor bị ảnh hưởng lớn nhiễu hệ thống đánh lửa hệ thống phun nhiên liệu gây Khi servo motor bị nhiễu, dao động ngẫu nhiên làm sai lệch cấu điều khiển bướm ga Trong trường hợp bị nhiễu mạnh, vi điều khiển bị treo làm cho động bị tắt máy Trong nghiên cứu này, servo motor điều khiển board mạch Arduino riêng Vi điều khiển cung cấp vị trí xác bướm ga để tính tốn lượng phun Hộp điều khiển cung cấp tín hiệu xung cảm biến ĐCT để xác định tốc độ động nhằm thực trình điều tốc a) b) a) c) b) d) c) Hình 11 Tín hiệu điều khiển vòi phun chưa xử lý nhiễu (a, b) tín hiệu cảm biến Hall, tín hiệu đánh lửa tín hiệu phun xử lý nhiễu (c) Hình 12 a, b, c, d giới thiệu tín hiệu Hall, tín hiệu đánh lửa tín hiệu điều khiển vịi phun chương trình điều tốc thực tải cản tăng Như trình bày trên, để đảm bảo cho hệ thống hoạt động tin cậy, cần xử lý nhiễu Hình 11a, b giới thiệu tín hiệu phun chưa xử lý nhiễu Khi có nhiễu, vịi phun bị rung, kim phun khơng đóng kín lên đế van Mặt khác, nhiễu làm cho vịi phun khơng ngắt điện dứt khốt làm cho cuộn dây bị nóng Hình 11c trình bày tín hiệu cảm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 4, 2022 biến Hall, tín hiệu đánh lửa tín hiệu vòi phun sau xử lý nhiễu triệt để Chúng ta thấy ngắt xung điện, cuộn dây điều khiển vòi phun phát sinh xung cảm ứng ngược chiều với xung điều khiển Xung phun xuất kỳ nạp xung đánh lửa xuất cuối kỳ nén, động thực tế Độ rộng xung phun thời điểm đánh lửa điều chỉnh linh hoạt theo chế độ công tác động thành phần nhiên liệu Hình 12a, b, c, d giới thiệu tín hiệu Hall, tín hiệu đánh lửa tín hiệu điều khiển vịi phun chương trình điều tốc thực tải cản tăng Chúng ta thấy, tăng tải cản, tốc độ động giảm, servo motor mở rộng bướm ga, thời gian phun tăng lên lượng tương ứng để đảm bảo mô men động phát cân với mô men cản, giữ cho tốc độ động dao động giới hạn cho phép Trong cơng trình nghiên cứu nhóm tác giả trình bày kết ứng dụng mơ hình vật lý động thực Kết luận Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau đây: - Để đảm bảo hệ số tương đương động không thay đổi ứng với chế độ công tác động cho trước thời gian phun nhiên liệu phải thay đổi linh hoạt theo thành phần nhiên liệu Đối với động chạy hỗn hợp biogas-syngas-hydrogen, cố định thành phần biogas thay đổi thành phần syngas, hydrogen tỉ lệ nhiên liệu/khơng khí thay đổi cố định thành phần syngas hay hydrogen thay đổi thành phần biogas tỉ lệ nhiên liệu/ khơng khí thay đổi đáng kể - Khi tăng thành phần hydrogen hỗn hợp nhiên liệu lượng lý thuyết cung cấp cho chu trình động giảm chất lượng trình cháy cải thiện làm tăng cơng thị chu trình giảm phát thải CO, HC - Động đánh lửa cưỡng truyền thống chuyển thành động sử dụng nhiên liệu khí có thành phần nhiên liệu thay đổi hệ thống phun nhiên liệu đơn giản, sử dụng vi điều khiển Arduino, cảm biến Hall servo motor - Mối quan hệ độ mở bướm ga thời gian phun động tĩnh xác định đơn giản đường đặc tính điều tốc động tĩnh Mối quan hệ cài đặt vào vi điều khiển để tự động điều chỉnh độ mở bướm ga theo tải cản Lời cảm ơn: Cơng trình thực nhờ tài trợ Quỹ NAFOSTED thông qua đề tài "Mô-đun sản xuất điện hịa lưới cơng suất nhỏ từ chất thải sinh hoạt sản xuất nông thôn", Mã số: NCUD.02-2019.22 [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] UNFCCC, Adoption of the Paris Agreement, 2015 [2] Rogelj J et al, “Zero emission targets as long-term global goals for climate protection”, Environ Res Lett 10, 105007, 2015 [3] Rogelj, J et al, “In Special Report on the impacts of global warming [24] 57 of 1.5°C”, Intergovernmental Panel on Climate Change, 2018 Rogelj J., Geden O., Cowie A & Reisinger A., “Net-zero emissions targets are vague: three ways to fix”, Nature 591, 2021, pp 365-368 IEA, Clean Energy Innovation (Paris, France), 2020 Peker E., In The Wall Street Journal (Brussels), 2019 Marcucci A., Kypreos S., Panos E., “The road to achieving the longterm Paris targets: energy transition and the role of direct air capture”, Climatic Change 144, 2017, pp 181-193 Fuss S et al., “Betting on negative emissions”, Nat Clim Change 4, 2014, pp 850-853 Sachs J D., Schmidt-Traub G., Williams J., Pathways to zero emissions, Nat Geosci 9, 799-801, 2016 McCollum D L et al., “Energy investment needs for fulfilling the Paris Agreement and achieving the Sustainable Development Goals”, Nat Energy 3, 2018, pp 589-599 Fay M et al., Decarbonizing Development: three steps to a ZeroCarbon Future, World Bank Group, Washington, DC, 2015 Tong D et al., “Committed emissions from existing energy infrastructure jeopardize 1.5°C climate target”, Nature 572, 2019, pp 373-377 https://vietnamnews.vn/environment/1071075/viet-nam-strives-toachieve-net-zero-by-2050-with-international-support-pm.html IEA, Net Zero by 2050: “A roadmap for the global energy system”, International Energy Agency Website: www.iea.org, 2021 Shaopeng Guo, Qibin Liu, Jie Sun, Hongguang Jin., “A review on the utilization of hybrid renewable energy”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 91 https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.105, 2018, pp 1121–1147 Ifegwu Eziyi, Anjaneyulu Krothapalli, “Sustainable Rural Development: Solar/Biomass Hybrid Renewable Energy System” Energy Procedia 57, doi: 10.1016/j.egypro.2014.10.141, 2014, pp 1492-1501 Katharina Bär, Stefanie Wagender, Felix Solka, Abdessamad Saidi, Prof Wilfried Zörner, “Flexibility Potential of Photovoltaic Power Plant and Biogas Plant Hybrid Systems in the Distribution Grid”, Chemical Engineering & Technology https://doi.org/10.1002/ ceat.202000025, 2020, pp 1-12 Y.S Mohammed, M.W Mustafa, N Bashir, “Hybrid renewable energy systems for off-grid electric power: Review of substantial issues”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 35 http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2014.04.022, 2014, pp 527–539 Krishna KS, Kumar KS., A review on hybrid renewable energy systems, Renew Sustain Energy Rev; 52:907-16, 2015 Bui Van Ga, Bui Thi Minh Tu, Nguyen Van Dong, Bui Van Hung, “Analysis of combustion and NOx formation in a SI engine fueled with HHO enriched biogas”, Environmental Engineering and Management Journal, Vol 19, No 5, http://www.eemj.icpm.tuiasi.ro/pdfs/accepted/58_383_Ga_19.pdf, 2020, pp 317-327 Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Tiến, Bùi Thị Minh Tú, Đặng Văn Nghĩa, Tơn Nguyễn Thành Sang, “Tính kỹ thuật phát thải ô nhiễm động phun biogas-HHO đường nạp”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, Vol 18, No 1, 2020, pp 43-48 Van Ga Bui, Van Nam Tran, Anh Tuan Hoang, Thi Minh Tu Bui & Anh Vu Vo, “A simulation study on a port-injection SI engine fueled with hydroxyenriched biogas”, Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, https://doi.org/10.1080/15567036.2020.1804487, 2020 Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Đức Hồng, Phạm Văn Quang, “Thiết lập giản đồ cung cấp nhiên liệu cho động biogas-xăng”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, Vol 17, No 9, 2019, pp 33-39 Trần Văn Nam, Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Bùi Thị Minh Tú, “Cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen cho động đánh lửa cưỡng kéo máy phát điện hệ thống lượng tái tạo hybrid”, Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc lần thứ 21, Quy Nhơn 19-21/7/2018, 2018, pp 448-458