ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 3, 2019 KIỂM SỐT TỈ LỆ KHƠNG KHÍ/ NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CHẠY BẰNG BIOGAS NGHÈO PHA HHO AIR/FUEL RATIO CONTROL OF AN SI-ENGINE FUELED WITH POOR BIOGAS-HHO Bùi Văn Ga1, Võ Anh Vũ1, Bùi Thị Minh Tú1, Bùi Văn Hùng2, Trương Lê Bích Trâm3, Phạm Văn Quang4 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; buivanga@ac.udn.vn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Đơng Á Đà Nẵng Tóm tắt - Bài báo trình bày cơng nghệ kiểm sốt tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu động chạy biogas nghèo pha HHO thực nhờ hai van cấp ga kiểu hút chân không: van công suất cấp ga gián đoạn van làm đậm cấp ga liên tục Thời điểm tác động van điều chỉnh theo áp suất đường nạp Khi tốc độ động tăng, độ chân không họng nạp ga tăng thời điểm cực đại lùi phía cuối trình nạp Khi cấp ga gián đoạn, mức độ dao động áp suất họng nạp ga giảm tăng tốc độ động Trong điều kiện cung cấp gas, hệ số tương đương hỗn hợp tăng nhẹ bổ sung HHO Nếu khơng có van làm đậm độ mở bướm ga, hệ số tương đương hỗn hợp giảm mạnh tăng tốc độ động Van làm đậm làm tăng hiệu hoạt động động chạy biogas nghèo pha HHO nhờ điều chỉnh thành phần hỗn hợp hợp lý cải thiện độ đồng hỗn hợp cuối trình nén Abstract - The paper presents technology for controlling air-fuel ratio of engine fueled with HHO enriched poor biogas by two vacuum-type gas supplying valves: intermittent gas supplying power valve and continuous gas supplying enriched mixture valve The timings of the valves are adjusted according to pressure in intake manifold As engine speed increases, the vacuum at throttle increases and the time reaches to the peak value tends to the end of intake process As intermittent gas supplys, the amplitude of pressure fluctuation at the throttle decreases as engine speed increases Under the same gas supplying conditions, equivalence ratio increases slightly if HHO is injected Without enriched mixture valve, at the same throttle opening, equivalence ratio drastically decreases as engine speed increases The performance of engine fueled with HHO enriched poor biogas is improved with the help of enriched mixture valve due to appropriate adjustment of equivalence ratio and enhancing homogeneity of the mixture Từ khóa - Nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydroxyl HHO; động biogas; tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu Key words - Renewable fuels; Biogas; Hydroxyl HHO; Biogas engines; Air to Fuel Ratio Giới thiệu Nhiệm vụ việc kiểm sốt tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu trì hệ số tương đương hỗn hợp gần với giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết Với tỉ lệ này, hiệu trình đạt cao mức độ phát thải ô nhiễm thấp Trong thực tế, khó trì tỉ lệ động cơ, động thiết bị vận chuyển giới, thường xuyên thay đổi chế độ vận hành [1] Việc trì tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu cháy hồn tồn lý thuyết để đảm bảo cho hệ thống xử lý xúc tác đường xả hoạt động hữu hiệu nhằm xử lý triệt để chất ô nhiễm Các hệ thống kiểm sốt tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu phổ biến thường áp dụng nhiên liệu truyền thống, có nhiệt trị cao Đối với loại nhiên liệu khí tái tạo hay nhiên liệu khí thu hồi từ chế biến chất thải thường có chứa tạp chất nên nhiệt trị chúng nói chung thấp Kỹ thuật phổ biến cung cấp loại nhiên liệu khí vào động sử dụng họng venturi Để động làm việc ổn định, người ta phải trì hỗn hợp tương đối giàu, hệ số tương đương nằm khoảng 1,2 tới 1,3 [2] Van cung cấp nhiên liệu chân không kiểu màng thường dùng để cung cấp nhiên liệu khí [3] Với công nghệ này, phải chấp nhận hệ số tương đương hỗn hợp điều chỉnh dải rộng, không đảm bảo thành phần hỗn hợp tối ưu cho tất chế độ công tác động Để cải thiện đường đặc tính cung cấp nhiên liệu khí, van cung cấp nhiên liệu bổ sung có liên hệ khí với hệ thống điều khiển ga động đề xuất [4] Trên động ô tô hệ mới, tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu điều chỉnh nhờ hệ thống điều khiển điện tử với cảm biến oxygen lắp đường xả kỹ thuật đo tổng lượng khí nạp vào xi lanh [1] Ngoài ra, nhiều kỹ thuật áp dụng để kiểm soát tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu nằm giới hạn hẹp xung quanh tỉ lệ cháy hoàn toàn lý thuyết [5] Với phát triển hệ thống thông minh, ngày nhiều mơ hình kiểm sốt hệ số tương đương đề xuất kiểm sốt thích ứng (adaptive controllers) [6], kiểm soát dựa quan sát (observer based controllers) [7], hay mơ hình kiểm sốt dự báo (Model Predictive Controllers) [8-9] Việc sử dụng họng nạp điện tử xem giải pháp hữu kiểm sốt tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu [10] Đối với động tĩnh chạy nhiên liệu khí cải tạo từ loại động chạy xăng dầu truyền thống thì việc kiểm sốt thành phần hỗn hợp gặp nhiều khó khăn Một loại nhiên liệu khí tái tạo phổ biến nước ta biogas Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động đốt giải pháp hữu hiệu để tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch bảo vệ môi trường, đặc biệt khu vực nông thôn, nơi có nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất biogas [11] Ngồi mục đích sử dụng chỗ để chạy động tĩnh tại, biogas tinh luyện nén để chạy phương tiện giao thông giới [12] Biogas có chứa hàm lượng CO2 cao nên nhiệt trị thấp chất lượng trình cháy Để cải thiện chất lượng trình cháy, giải pháp bổ sung hydrogen để làm giàu nhiên liệu nhiều tác giả quan tâm [13-14] Khi cải tạo động chạy xăng dầu truyền thống sang chạy biogas nhiệm vụ quan trọng thiết kế, chế tạo tạo hỗn hợp đảm bảo cho động hoạt động hiệu chế độ khác Tính tốn mơ Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Hùng, Trương Lê Bích Trâm, Phạm Văn Quang để xác định kết cấu kích thước tạo hỗn hợp cơng bố [15-20] Trong cơng trình này, cung cấp nhiên liệu biogas van khí thực Kim van có liên hệ khí với cấu điều khiển tải hay điều tốc động Lưu lượng biogas cung cấp vào động phụ thuộc vào độ mở van Do khoảng dịch chuyển kim van hạn chế nên việc điều chỉnh xác lưu lượng biogas theo chế độ cơng tác động khó thực Điều có nghĩa là, sử dụng van khí phạm vi thay đổi hệ số tương đương nằm dải rộng động hoạt động Trong điều kiện động tĩnh cấp biogas nguồn, làm việc thường xuyên với tốc độ chế độ tải ổn định van cung cấp biogas kiểu khí áp dụng [21] Tuy nhiên, để tăng hiệu hoạt động động biogas sử dụng hiệu nhiên liệu tái tạo việc nghiên cứu tinh chỉnh trình cung cấp nhiên liệu cho động cần thiết Giải pháp cung cấp nhiên liệu LPG van chức [4] áp dụng hiệu động chạy nhiên liệu khí giàu Trong trường hợp cần thay đổi chút lượng nhiên liệu chế độ tải động thay đổi đáng kể Đối với nhiên liệu khí nghèo việc điều chỉnh phức tạp muốn tác động đến tải động lượng nhiên liệu cung cấp cần thay đổi lớn Việc thay đổi lượng nhiên liệu lớn thời gian ngắn, đặc biệt động chạy tốc độ cao thử thách hệ thống kiểm sốt tỉ lệ khơng khí-nhiên liệu Trong cơng trình này, nhóm tác giả đề xuất cơng nghệ kiểm sốt tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu thông qua phương thức cấp ga: cấp ga gián đoạn qua vịi phun cơng suất cấp ga liên tục thơng qua vịi phun làm đậm Đồng thời để cải thiện tốc độ cháy biogas nghèo, lượng nhỏ hydroxyl (HHO) bổ sung vào nhiên liệu Mô q trình cung cấp nhiên liệu khí Mơ trình cung cấp nhiên liệu biogas-HHO thực phần mềm FLUENT động Honda GX-390 Động có đường kính xi lanh 88mm, hành trình piston 64mm, tỉ số nén 8,2 Hệ thống nạp cải tạo để cung cấp biogas-HHO gồm họng venturi, vòi phun biogas với ống cấp HHO làm giàu nhiên liệu, vòi phun làm đậm, vịi phun khơng tải bướm ga (Hình 1) Đường kính đường nạp động 30mm đường kính họng venturi 15mm Trong phần sau đây, áp suất tĩnh tính trung bình mặt cắt S1, S2, S3 S4 cách mặt cắt vào đường nạp 5mm, 40mm, 47mm 113mm Các điểm P1, P2, P3, P4, P5 P6 cách thành đường ống nạp theo phương y 1mm vị trí thể Hình Trao đổi chất thể mơ hình species transport mơi trường khơng phản ứng hóa học Hiện tượng rối dịng chảy mơ mơ hình k- tiêu chuẩn Điều kiện biên gồm áp suất, nhiệt độ thành phần hỗn hợp khí vào đầu đường nạp khơng khí, đầu đường nạp biogas, đầu đường nạp HHO, đầu đường nạp làm đậm đầu đường nạp khơng tải Q trình tính tốn thực chế độ tồn tải với bướm ga vị trí mở hồn tồn Hình 2, giới thiệu đường đồng mức tốc độ áp suất đường nạp mặt cắt đối xứng qua trục xi lanh trục đường nạp vị trí góc quay trục khuỷu 90 hai trường hợp: tốc độ quay trục khuỷu động 1500 vịng/phút 3500 vịng/phút khơng cung cấp nhiên liệu Chúng ta thấy, tốc độ trung bình dịng khí họng cao vị trí đó, độ chân khơng đạt giá trị lớn Phân bố tốc độ áp suất đường nạp không khác biệt nhiều tốc độ động thay đổi Tuy nhiên, giá trị tốc độ độ chân không tăng mạnh tăng tốc độ động Hình Đường đồng mức tốc độ áp suất tốc độ quay trục khuỷu 1500 vòng/phút 3500 vịng/phút (khơng cung cấp nhiên liệu) Khi cung cấp biogas qua vịi phun cơng suất trường tốc độ thay đổi vùng có độ chân khơng lớn dịch chuyển phía hạ lưu so với họng venturi Độ chân khơng họng, nơi đặt vịi phun cơng suất giảm, tác động đến việc đóng mở van cung cấp biogas Nhiên liệu khí sau khỏi vịi phun khuếch tán vào dịng khí hút vào xi lanh Phân bố trường nồng độ CH tương tự phân bố trường tốc độ dòng khí nạp (Hình 3) Hình Trường tốc độ, trường áp suất trường nồng nộ nhiên liệu động chạy tốc độ 1500 vòng/phút 4000 vòng/phút Hình Sơ đồ tạo hỗn hợp động chạy biogas nghèo làm giàu HHO Trong trường hợp động chạy biogas làm giàu HHO hệ thống làm đậm hỗn hợp kích hoạt độ chân khơng họng vùng hạ lưu bướm ga ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 3, 2019 giảm ảnh hưởng áp suất nhiên liệu cung cấp vào đường nạp Mặt khác, vịi phun làm đậm bố trí vùng hạ lưu bướm ga nên nhiên liệu hút vào xi lanh sớm hơn, cải thiện độ đồng hỗn hợp tốc độ động tăng cao Trong tính tốn cơng trình này, biogas nghèo giả định chứa 60% CH4 40% CO2 theo thể tích Hydroxyl (HHO) chứa 34% O2 66% H2 theo thể tích Áp suất dư khơng khí nạp vào động 0Pa, áp suất biogas đầu vòi phun 1000Pa áp suất HHO đầu ống cung cấp 500Pa Kết bình luận 3.1 Biến thiên áp suất đường nạp không cung cấp nhiên liệu (TK) 30 60 90 120 150 180 0 độ chân không cực đại đạt khoảng 10.00Pa tốc độ động 1000 vòng/phút đạt 70.000Pa tốc độ độn 4000 vòng/phút Thời điểm đạt giá trị cực đại độ chân khơng dịch chuyển dần phía cuối trình nạp tốc độ động tăng Hình cho thấy, độ chân không mặt cắt ngang đạt cực đại vị trí góc quay trục khuỷu 80, 95, 115 120 tương ứng với tốc độ động 1000, 2000, 3000 4000 vòng/phút Sự dịch chuyển giải thích qn tính dịng khí Khi tốc độ động tăng qn tính dịng khí lớn dẫn đến độ chân không tiếp tục tăng sau tốc độ piston bắt đầu giảm 3.2 Biến thiên áp suất đường nạp cung cấp nhiên liệu (TK) 120 150 180 90 P1 -5000 -10000 -10000 p (Pa) -15000 S3 S4 -20000 -30000 -25000 -35000 -30000 P2 P6 P5 p (Pa) S2 -15000 -25000 60 S1 -5000 -20000 30 P3 P4 a b Hình Biến thiên áp suất tĩnh trung bình mặt cắt ngang (a) áp suất tĩnh điểm sát thành đường nạp (b) trục khuỷu động quay với tốc độ 2000 vịng/phút, khơng cấp ga Độ chân khơng đường nạp biến thiên theo tốc độ di chuyển dịng khí hút vào xi lanh dịch chuyển piston theo phương trình Bernoulli Khi piston đến ĐCT hay ĐCD tốc độ khơng tốc độ dịng khơng khí đường nạp khác qn tính Hình 4a giới thiệu biến thiên áp suất tĩnh trung bình mặt cắt ngang đường nạp Hình 4b giới thiệu áp suất tĩnh tên thành đường nạp điểm sát thành đường ống nạp Chúng ta thấy, áp suất trung bình mặt cắt ngang khơng khác biệt nhiều áp suất sát thành đường nạp điểm khảo sát Do tiết diện ống hẹp nên phân bố áp suất mặt cắt ngang đường đồng Áp suất chân không lớn mặt cắt điểm khu vực họng venturi phía hạ lưu (TK) 0 60 120 180 240 1000 v/ph 1500 v/ph -20000 -60000 p (Pa) -40000 2000 v/ph 2500 v/ph 3500 v/ph 3000 v/ph 4000 v/ph -80000 Hình Ảnh hưởng tốc độ quay trục khuỷu đến áp suất tĩnh trung bình mặt cắt ngang số Khi tốc độ động thay đổi tốc độ dịng khí đường nạp thay đổi Hình cho thấy, áp suất tĩnh thay đổi mạnh theo tốc độ động Tại mặt cắt ngang số 3, Hình Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) van cấp gas liên tục (b) Dựa biến thiên áp suất dịng khí đường nạp, thiết kế van chân khơng để cung cấp nhiên liệu khí cho động Trong cơng trình hai phương án cung cấp nhiên liệu khí kiểu hút chân khơng đề xuất: phương án cấp nhiên liệu gián đoạn (Hình 6a) cung cấp nhiên liệu liên tục (Hình 6b) Nguyên lý hoạt động chung van dựa vào cân lực hút chân không tác động lên màng van lực căng lò xo Trong trường hợp cấp ga gián đoạn, đường hút chân khơng đường cấp ga vào đường nạp Do đó, mở van cấp ga, độ chân không van giảm van đóng lại Sau đóng, cịn q trình nạp, độ chân khơng tăng trở lại van lại mở Việc đóng, mở van diễn theo chu kỳ Trong trường hợp cấp ga liên tục khoan cấp ga lập với khoan hút chân khơng Do áp suất ga khơng ảnh hưởng đến độ chân khơng nên van khơng đóng, mở theo chu kỳ trường hợp cấp ga gián đoạn Với đồ thị biến thiên áp suất đường nạp trình bày Hình Hình 5, việc lựa chọn đường kính màng van sức căng lị xo cho phép điều chỉnh thời điểm bắt đầu kết thúc trình cung cấp nhiên liệu Hình 7a Hình 7b so sánh biến thiên áp suất trung bình mặt cắt ngang khảo sát cấp ga liên tục Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Hùng, Trương Lê Bích Trâm, Phạm Văn Quang cấp ga gián đoạn tốc độ quay trục khuỷu động 2000 vòng/phút Khi cấp ga liên tục, đường cong áp suất biến thiên đặn không cấp ga Xung áp suất xuất thời điểm mở đóng van cấp ga Trong trường hợp cấp ga gián đoạn, áp suất dao động mạnh Giá trị độ chân không đỉnh xung lớn giá trị độ chân khơng trung bình mặt cắt tương ứng cấp ga liên tục Điều giải thích ảnh hưởng qn tính dịng khí 30 60 90 (TK) 120 150 180 30 60 (TK) 120 150 180 90 0 S1 S2 -5000 S1 S2 -10000 -10000 -15000 S4 p (Pa) -20000 p (Pa) -20000 S4 -25000 -30000 -30000 S3 S3 -35000 -40000 a b Hình Biến thiên áp suất trung bình mặt cắt ngang khảo sát cung cấp biogas liên tục (a) cấp biogas gián đoạn (b) 30 60 90 (TK) 120 150 180 0 S2 -5000 30 60 90 (TK) 120 150 180 S1 S2 -5000 S1 -10000 -10000 -15000 S4 -20000 -25000 -30000 S3 -35000 p (Pa) -20000 p (Pa) -15000 S4 -25000 S3 -30000 a b Hình Biến thiên áp suất trung bình mặt cắt ngang khảo sát cung cấp biogas-HHO liên tục (a) cấp ga gián đoạn (b) Với đường kính màng van cho trước, thời điểm đóng, mở van cấp ga, tức thời gian cấp ga, điều chỉnh thơng qua điều chỉnh sức căng lò xo để van hoạt động phạm vi độ chân khơng mong muốn Hình cho thấy với độ chân khơng cho trước khoảng góc quay trục khuỷu mở van (tính theo độ góc quay trục khuỷu, TK) tăng tăng tốc độ động Tuy nhiên lượng khí ga hút vào đường nạp nhiều hay phụ thuộc khoảng thời gian mở van (tính theo s) Khi tốc độ động cao khoảng thời gian tính theo s cho trước, trục khuỷu quay góc lớn tốc độ động thấp 3.3 Biến thiên hệ số tương đương hỗn hợp nhiên liệu xi lanh 2000 v/ph 3000 v/ph 0.8 1.6 2000 v/ph 1.2 3000 v/ph 4000 v/ph 0.6 0.8 0.4 0.4 (TK) 0 60 120 180 240 300 360 a (TK) 0 Do hệ số tương đương thay đổi mạnh theo tốc độ động điều kiện cung cấp nhiên liệu vị trí độ mở bướm ga điều chỉnh cho hỗn hợp tối ưu cho động chạy tốc độ thấp chạy tốc độ cao, hỗn hợp nghèo, động chạy Ngược lại chỉnh thành phần hỗn hợp tối ưu ứng với tốc độ cao chạy tốc độ thấp, hỗn hợp q giàu, ngồi giới hạn bốc cháy Vì vậy, để động làm việc điểm đường đặc tính (đặc tính ngồi đặc tính cục bộ) phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo tốc độ động cách bổ sung thêm nhiên liệu tốc độ động tăng Nguyên tắc giải pháp công nghệ dựa vào gia tăng độ chân không theo tốc độ động 1.2 2000 v/ph 60 120 180 240 300 360 b Hình Biến thiên hệ số tương đương hỗn hợp xi lanh động ứng với chế độ tốc độ khác động chạy biogas theo phương thức cấp ga gián đoạn (a) liên tục (b) 1.6 2000 v/ph 3000 v/ph 3000 v/ph 4000 v/ph 0.8 0.6 1.2 4000 v/ph 0.8 0.4 0.4 0.2 4000 v/ph 0.2 Hình 9a Hình 9b so sánh biến thiên hệ số tương đương hỗn hợp xi lanh theo góc quay trục khuỷu ứng với tốc độ động khác trường hợp động chạy biogas theo phương thức cấp ga liên tục cấp ga gián đoạn Hình 10a Hình 10b so sánh biến thiên tương tự động chạy biogas làm giàu HHO Trong điều kiện phương thức cấp ga, tốc độ động tăng hệ số tương đương giảm Như trình bày, tăng tốc độ động độ chân khơng tăng, khoảng góc quay trục khuỷu mở van cấp ga tăng không tương ứng với mức giảm thời gian mở van nên lượng nhiên liệu nạp vào động giảm Cùng điều kiện cấp gas, cấp liên tục hệ số tương đương hỗn hợp cao nhiều so với cấp gas gián đoạn Ở chế độ tốc độ 4000 vòng/phút, cấp gas gián đoạn hệ số tương đương =0,65 cấp gas liên tục =1,07 động chạy biogas (Hình 9a Hình 9b) Khi động chạy biogas làm giàu HHO điều kiện trên, giá trị hệ số tương đương tương ứng =0,79 =0,95 Kết cho thấy, động chạy biogas chế độ tốc độ động cho trước, mức độ chênh lệch phương thức cấp ga liên tục phương thức cấp ga gián đoạn cao động chạy biogas bổ sung HHO Ở tốc độ động 4000 vòng/phút mức chênh lệch 0,95/0,65 chạy biogas so với 0,97/ 0,79 chạy biogas làm giàu HHO (TK) (TK) 0 60 120 180 240 300 360 a 60 120 180 240 300 360 b Hình 10 Biến thiên hệ số tương đương hỗn hợp xi lanh động ứng với chế độ tốc độ khác động chạy biogas làm giàu HHO theo phương thức cấp ga gián đoạn (a) liên tục (b) 3.4 Giải pháp công nghệ cấp nhiên liệu khí cho động Để bù lượng ga thiếu hụt tốc độ động cơng trình đề xuất bổ sung thêm van làm đậm hỗn hợp Van làm đậm mở độ chân không họng vượt giá trị cho trước Giá trị tính tốn cho tốc độ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 3, 2019 thấp, van làm đậm trạng thái đóng Hình 11 giới thiệu biến thiên hệ số tương đương tác động van cung cấp biogas khác Van công suất cấp ga theo phương thức gián đoạn tác động áp suất chân khơng 15.000Pa cịn van làm đậm cấp ga theo phương thức liên tục, tác động áp suất chân không -60.000Pa động chạy tốc độ 3000 vòng/phút.Trong điều kiện này, động chạy tốc độ 1500 vịng/phút hệ số tương đương xấp xỉ Kết cho thấy khơng có van làm đậm hỗn hợp nghèo, hệ số tương đương hỗn hợp =0,69 Nhờ có van làm đậm bổ sung thêm nhiên liệu, hệ số tương đương hỗn hợp tổng quát nâng lên xấp xỉ 1,05 max vào cuối q trình nén 0,02 có hệ thống làm đậm so với 0,14 khơng có hệ thống làm đậm tổng hợp 0.8 công suất 0.6 làm đậm 0.4 0.2 (TK) 0 60 120 180 240 300 360 Hình 11 Biến thiên hệ số tương đương xi lanh động tác động van cấp ga thành phần (n=3000 vòng/phút) 1.2 Biogas-HHO Biogas Làm đậm 0.8 Không làm đậm 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 (TK) 0 60 120 a 180 240 300 (TK) 360 60 120 180 240 300 360 b Hình 12 Biến thiên hệ số tương đương động chạy tốc độ 1500 vòng/phút biogas biogas-HHO (a); biến thiên hệ số tương đương động chạy 4000 vịng/phút biogas-HHO khơng có van làm đậm có van làm đậm (b) Hình 12a giới thiệu biến thiên hệ số tương đương động chạy tốc độ 1500 vòng/phút với biogas với biogas làm giàu HHO Chúng ta thấy, điều kiện cung cấp biogas bổ sung HHO để làm giàu hỗn hợp hệ số tương đương tăng Trong trường hợp này, =0,98 không bổ sung HHO =1,04 bổ sung HHO Trong điều kiện cung cấp biogas-HHO tốc độ động tăng lên 4000 vịng/phút =0,81 so với =0,98 tốc độ động 1500 vịng/phút Trong trường hợp này, kích hoạt hệ thống làm đậm để bổ sung nhiên liệu tăng lên giá trị (Hình 12b) Kết cho thấy, hệ thống làm đậm đóng vai trò quan trọng điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo tốc độ động chạy nhiên liệu khí nói chung Đối với nhiên liệu khí biogas nghèo, việc bổ sung thêm HHO để cải thiện hiệu trình cháy việc bổ sung hệ thống làm đậm cần thiết để đảm bảo thành phần hỗn hợp nằm giới hạn cháy tốc độ động biến thiên Bên cạnh đó, có hệ thống làm đậm, độ đồng hỗn hợp cải thiện đáng kể so với khơng có hệ thống làm đậm (Hình 13) Mức độ chênh lệch min Hình 13 Phân bố hệ số tương đương xi lanh theo góc quay trục khuỷu (n=4000 vịng/phút, biogas) 3.5 Áp dụng cơng nghệ cung cấp nhiên liệu khí nghèo động kéo máy phát điện Nguyên lý cung cấp biogas nghèo làm giàu HHO nêu đăng ký độc quyền sáng chế theo đơn số 1-2019-00414 Cục Sở hữu trí tuệ Hệ thống cung cấp nhiên liệu chế tạo thành cụm van tích hợp gồm van cơng suất, van làm đậm van khơng tải (Hình 14a) Các đầu cụm van đấu nối vào tạo hỗn hợp lắp động (Hình 14b) Hệ thống lắp đặt đơn giản, vận hành dễ dàng, có độ tin cậy cao Mơ-đun van thiết kế cho động GX390 lắp đặt động có dải cơng suất nhỏ 10kW Hình 14c ảnh chụp thử tải động kéo máy phát điện 2,5kW chạy biogasHHO với cụm van tổ hợp Thử nghiệm tiến hành điều kiện bướm ga mở hoàn toàn, tải đầu máy phát điện cung cấp cho điện trở máy hàn điện để tạo tải đột ngột Dòng điện đầu máy phát không tăng tải đột ngột 12A Tốc độ động đo đồng hồ đo số vịng quay Hình 14 Cụm van cơng suất, làm đậm không tải (a), lắp đặt cụm van tạo hỗn hợp lên động (b) thử tải động kéo máy phát điện 2,5kW chạy biogas làm giàu HHO Kết thử nghiệm thực tế cho thấy: - Khi khơng có van làm đậm, động bị hẫng chạy tốc độ cao, tắt máy gia tốc đột ngột 6 Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Hùng, Trương Lê Bích Trâm, Phạm Văn Quang - Khi có làm đậm, động làm việc ổn định chế độ tốc độ; tăng tải đột ngột, tốc độ động giảm sâu động không tắt máy - Khi cung cấp bổ sung HHO, khả đáp ứng tải động tốt hơn, động khơng bị ì khu vực tải cao Kết luận Từ kết nghiên cứu rút kết luận sau: - Độ chân không cực đại đạt khu vực gần họng venturi phía hạ lưu Độ chân không họng venturi tăng mạnh theo tốc độ động Thời điểm độ chân không họng đạt cực đại dịch chuyển dần phía cuối q trình nạp tốc độ động tăng - Khi cấp ga gián đoạn mức độ dao động áp suất họng nạp giảm tăng tốc độ động Khi cấp ga liên tục biến thiên áp suất mặt cắt ngang không thay đổi nhiều cung cấp bổ sung HHO vào biogas Tuy nhiên, cấp ga gián đoạn mức độ dao động áp suất trường hợp bổ sung HHO vào biogas thấp đáng kể so với cấp biogas riêng rẽ - Trong điều kiện cung cấp biogas, hệ số tương đương hỗn hợp tăng bổ sung HHO để làm giàu hỗn hợp - Cùng độ mở bướm ga, hệ số tương đương hỗn hợp giảm mạnh tăng tốc độ động Cùng điều kiện cấp gas, cấp liên tục hệ số tương đương hỗn hợp cao nhiều so với cấp gas gián đoạn - Giải pháp cấp ga van chân không phổ biến không phù hợp với việc cung cấp biogas nghèo cho động Với giải pháp này, điều chỉnh hỗn hợp hợp lý tốc độ thấp tốc độ cao hỗn hợp loãng; điều chỉnh hỗn hợp hợp lý tốc độ cao tốc độ thấp hỗn hợp đậm - Hệ thống cấp nhiên liệu gồm van công suất cấp ga gián đoạn, van làm đậm cấp ga liên tục giúp điều chỉnh thành phần hỗn hợp phù hợp với chế độ công tác động đồng thời cải thiện độ đồng hỗn hợp, phù hợp động chạy nhiên liệu khí nghèo Lời cảm ơn: Các tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ Giáo dục Đào tạo hỗ trợ cơng trình nghiên cứu thơng qua Chương trình Khoa học - Cơng nghệ cấp Bộ “Nghiên cứu phát triển hệ thống lượng kết hợp (hybrid) biogas-năng lượng mặt trời phù hợp với khu vực nông thôn Việt Nam” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kumar, M & Shen, T., “Estimation and feedback control of air-fuel ratio for gasoline engines”, Control Theory and Technology, May 2015, Volume 13, Issue 2, pp 151–159, https://doi.org/10.1007/s11768-015-4148-9 [2] Danardono, D., Kim, KS., Lee, SY et al., “Optimization the design of venturi gas mixer for syngas engine using three-dimensional CFD modeling”, J Mech Sci Technol (2011) 25: 2285 https://doi.org/10.1007/s12206-011-0612-8 [3] GUIBET Jean-Claude: Carburants et moteurs Editions Technip, 1997 [4] Bằng độc quyền sáng chế số 6643 “Hệ thống ba van chức cung cấp nhiên liệu khí cho xe gắn máy LPG/xăng", Cục Sở hữu Trí tuệ, 09-10-2007 [5] Pengwei Li; Jing Wang; Wenyuan Cai, “Intelligent control for airfuel ratio of compressed natural gas engine”, 2013 Fourth International Conference on Intelligent Control and Information Processing (ICICIP) DOI: 10.1109/ICICIP.2013.6568160 [6] Turin, R and Geering H., “Model-Reference Adaptive A/F Ratio Control in an SI Engine Based onKalman-Filtering Techniques”, American Control Conference, 1995, pp 4082 – 4090 [7] Powell, J D., Fekete, N P., Chang C F., “Observer-Based Air-Fuel Ratio Control”, IEEE Control Systems Magazine, vol 18, issue 5, pp 72-83, Oct 1998 [8] Mianzo, L., Peng, H., Haskara I., “Transient Air-Fuel ratio H∞ Preview Control of a Drive-by-Wire Internal Combustion Engine”, American Control Conference, 2001, pp 2867 – 2871 [9] Muske, K R., Jones, C P J., “A Model-based SI Engine Air Fuel Ratio Controller”, American Control Conference, 2006, pp 3284 – 3289 [10] Chang, C F., Fekete N P., Powell J D., “Engine Air-Fuel Ratio Control Using an Event-Based Observer”, SAE Paper No 930766, 1993 [11] 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 [12] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh, Trương Lê Bích Trâm, “Nghiên cứu hệ thống cung cấp biogas nén cho xe gắn máy”, Tạp chí Giao Thơng Vận Tải, số 12/2009, pp 79-82, 2009 [13] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Bui Thi Minh Tu, Nguyen Quang Trung, “Numerical simulation studies on performance, soot and NOx emissions of dual-fuel engine fuelled with hydrogen enriched biogas mixtures”, IET Renewable Power Generation: Volume 12, Issue 10, (2018), pp 1111-1118, DOI: 10.1049/iet-rpg.2017.0559 [14] Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đơng, “Phỏng đốn phân bố nhiệt độ NOx buồng cháy động đánh lửa cưỡng chạy biogas làm giàu hydrogen”, Tạp chí Khoa học Công nghệ-Đại học Đà Nẵng, Vol 1, số 11(32), 2018 [15] Bui Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Hồng Ngun, “Tính tốn van cung cấp hỗn hợp biogas-khơng khí cho động tự cháy nén phần mềm FLUENT”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ-Đại học Đà Nẵng, số 4(39)/2010, pp 88-95 [16] Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, “Xây dựng đường đặc tính tạo hỗn hợp động đánh lửa cưỡng sử dụng biogas nén”, Tạp Chí Giao Thơng Vận Tải, số 11/2010, pp 35-37 [17] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xn Thạch, “Mơ dịng chảy qua tạo hỗn hợp động biogas đánh lửa cưỡng phần mềm Fluent”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Trường Đại học Kỹ thuật số 80-2011, pp 134-138 [18] Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Trần Văn Nam, Lê Xn Thạch, “Mơ dịng chảy qua cung cấp biogas cho động biogasxăng GATEC-21”, Hội nghị Cơ học Thủy Khí tồn quốc, Cửa Lị, 21-23/7/2011, pp.125-130 [19] Trần Thanh Hải Tùng, Bùi Văn Ga, Dương Việt Dũng, Nguyễn Hữu Hường, “Mơ dịng chảy cung cấp biogas cho động biogas-diesel GATEC-20”, Hội nghị Cơ học Thủy Khí tồn quốc, Cửa Lị, 21-23/7/2011, pp.661-668 [20] Bui Van Ga, Tran Van Nam, “Mixer Design for High Performance Biogas SI Engine Converted from A Diesel Engine”, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT, http://www.ijert.org), Vol Issue 1, January - 2014, pp 2743-2760 [21] Bằng độc quyền sáng chế số 9562 “Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động tĩnh chạy hai nhiên liệu biogas-xăng” Cục Sở hữu Trí tuệ,16-08-2011 (BBT nhận bài: 29/12/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 26/01/2019)