Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật Ô tô, máy kéo: Nghiên cứu ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc của động cơ dùng 100% biogas

Mục tiêu chính của đề tài là khảo sát ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đặc tính công suất và khí thải của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức trong điều kiện nghèo nhiên liệu.. Chandra và đồ

TỔNG QUAN

Giới thiệu

Nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch là nguồn năng lượng chính cung cấp cho quá trình phát triển của nhân loại [1] Trong năm 2006, việc đốt cháy các nguồn năng lượng có nguồn gốc hóa thạch đóng góp hơn 85% tổng số nguồn năng lượng của thế giới Với sự phát triển của các nền kinh tế lớn, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ, nhu cầu về năng lượng có nguồn gốc hóa thạch ngày càng tăng cao Theo dự đoán của tổ chức năng lượng thế giới, tính từ năm 2006 đến 2030, nhu cầu năng lượng thế giới sẽ tăng khoảng 44% Trong đó, nhu cầu từ các nước đang phát triển tăng 73%, các nước phát triển tăng 15% [2] Mặc dù đóng góp to lớn vào sự phát triển của nhân loại, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch này hiện đang gây ra các vấn đề rất lớn về kinh tế, xã hội, tự nhiên, môi trường

Việc đốt nhiên liệu hóa thạch giải phóng một lượng lớn chất ô nhiễm vào môi trường, gây hại nghiêm trọng đến các hệ sinh thái, góp phần gây biến đổi khí hậu và là một trong những nguyên nhân chính gây ra các thảm họa thiên nhiên trong những năm gần đây (3, 4).

Ngoài ra, nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch là các loại nhiên liệu không tái sinh, việc sử dụng cạn kiệt nguồn nhiên liệu này cũng dẫn đến các vấn đề rất lớn về kinh tế, chính trị trong việc đảm bảo sự phát triển bền vững của các quốc gia Vấn đề đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm ô nhiễm môi trường đang là các thách thức hàng đầu cho các quốc gia, các chuyên gia nghiên cứu trong ngành năng lượng, ngành nhiên liệu, và ngành động cơ

Hình 1.1 Phát thải CO2 trên thế giới đến năm 2030 [4]

Hình 1.2 Tiêu thụ của các loại nhiên liệu trên thế giới 1980 – 2030 [4]

2 Rất nhiều các biện pháp, giải pháp đã được đề xuất, triển khai ứng dụng Trong đó, có các nghiên cứu và phát triển các loại năng lượng mới, năng lượng tái tạo (new/renewable energy) thay thế nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch Trong đó, các nghiên cứu về việc ứng dụng nhiên liệu mới/ nhiên liệu thay thế như nhiên liệu dầu sinh học (biodiesel), nhiên liệu cồn (ethanol/methanol, bioethanol), nhiên liệu khí sinh học (biogas), khí thiên nhiên (NG), khí hóa lỏng (LPG) là một trong những hướng nghiên cứu nổi bật trong việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới bổ sung và thay thế từng phần nhiên liệu xăng và diesel truyền thống trên động cơ đốt trong

Khí sinh học (biogas) là nguồn nhiên liệu tái sinh hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho con người và môi trường Việc tận dụng khí biogas không làm tăng thêm lượng CO 2 vào khí quyển, làm giảm hiện tượng nóng dần của trái đất [5] Bên cạnh đó, biogas nếu được lọc nhằm làm giảm hàm lượng H 2 S sẽ làm tăng khả năng vận hành và tăng tuổi thọ của động cơ Thành phần chủ yếu của biogas là khí CH 4 và CO 2 , còn lại là H 2 S, hơi nước (H2O) và các chất khí khác Nguyên liệu sinh biogas chủ yếu là chất thải từ quá trình chăn nuôi (trang trại nuôi heo, bò), bã mì (nhà máy sản xuất tinh bột mì), chất thải từ quá trình chế biến và sản xuất thủy hải sản, rác sinh hoạt hữu cơ (bãi rác thành phố) Với hàm lượng mê-tan cao – nhiệt trị trung bình 37,71 kJ/m 3 (%CH4 = 60%) [6] – biogas có thể được đốt cháy trong các đầu đốt gas để sinh nhiệt, hoặc dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong để làm nguồn động lực Biogas có thể được sử dụng ở dạng trực tiếp (biogas thô), hay được sơ chế (giảm H2S và CO2, tăng cường hàm lượng CH4), hoặc tinh chế (loại bỏ gần hết H2S và CO2, hàm lượng CH4 đạt trên 95%)

Việc khai thác và sử dụng hiệu quả biogas sẽ đem lại những lợi ích sau:

 Giảm ô nhiễm môi trường bởi chất thải được thu gom và xử lý triệt để

 Sinh ra năng lượng để phục vụ sản xuất và đời sống, góp phần giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch truyền thống

 Khí CH4 bị đốt cháy sẽ sinh ra CO2, giảm phát thải CO và HC so với nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là giảm hiệu ứng nhà kính do CH4 gây ra (gấp 22-25 lần so với khí CO2)

 Sử dụng năng lượng từ biogas không gây phát thải thêm CO 2 vào khí quyển vì CO2 sẽ lại được hấp thụ bởi thực vật, và tích lũy dưới dạng mô của động – thực vật (tạo thành vòng tuần hoàn CO 2 )

3 Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về công nghệ chuyển đổi động cơ xăng (SI), động cơ diesel (CI) sang động cơ biogas dùng lưỡng nhiên liệu (xăng/biogas hay diesel/biogas) hay động cơ chạy 100% biogas Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu (xăng/biogas hay diesel/biogas) sẽ đảm bảo công suất của động cơ không giảm so với công suất động cơ trước khi chuyển đổi, không phụ thuộc vào nguồn cung cấp biogas, đặc biệt đối với khu vực có nguồn biogas không ổn định Nghiên cứu của Seung Hyun Yoon khi so sánh đặc tính công suất và khí thải của động cơ CI khi sử dụng nhiên liệu khác nhau: diesel, biodiesel, biogas/diesel, biogas/biodiesel cho thấy hiệu suất nhiệt của động cơ dùng lưỡng nhiên liệu biogas/diesel, biogas/biodiesel thấp hơn khi sử dụng nhiên liệu diesel và biodiesel Kết quả nghiên cứu cũng đưa ra thành phần HC và CO của động cơ dùng lưỡng nhiên liệu cao hơn so với khi sử dụng một nhiên liệu diesel và biodiesel [7]

Nghiên cứu của R Chandra và đồng nghiệp khi chuyển đổi động cơ diesel, công suất 5,9kW thành động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau: khí thiên nhiên (CNG), biogas tinh (biogas đã tinh lọc) và biogas thô (biogas chưa tinh lọc) Thử nghiệm tiến hành với tỉ số nén 12,65 của động cơ sau chuyển đổi, góc đánh lửa lần lượt thay đổi 30 o , 35 o và 40 o CA BTDC Công suất động cơ sau chuyển đổi so với động cơ sử dụng nhiên liệu diesel ban đầu lần lượt giảm 31,8%, 35,6% và 46,3%, tương ứng khi động cơ sử dụng CNG, biogas tinh và biogas thô Bên cạnh đó, kết quả cũng chỉ ra công suất động cơ sau chuyển đổi đạt giá trị cực đại tại góc đánh lửa sớm 35 o CA BTDC cho tất cả các loại nhiên liệu thử nghiệm [8] Trong nghiên cứu của Daniel Favrat về khả năng ứng dụng buồng đốt phụ trên động cơ biogas nhằm cải thiện hiệu suất nhiệt và khí thải đạt tiêu chuẩn của Thụy Sĩ Nghiên cứu được ứng dụng trên động cơ tăng áp 06 xy-lanh, công suất 150kW Buồng đốt phụ chiếm 3% thể tích xy-lanh, được tính toán và thiết kế bằng phần mềm KIVA 3V Thử nghiệm được tiến hành tại tốc độ 1500 vòng/phút, 100% tải, hệ số dư lượng không khí 1,57, góc đánh lửa sớm 8 o CA BTDC, tỉ số nén 13,3 Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt của động cơ đạt 37,7% và các thành phần khí thải NOx, CO vẫn thỏa mãn tiêu chuẩn của Thụy Sĩ [9] Trong các thông số vận hành của động cơ, tỉ số nén và góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động, công suất và khí thải của động cơ, việc tăng tỉ số nén sẽ làm tăng hiệu suất nhiệt của động cơ Neyeloff và Cunkel nghiên cứu tỉ số nén giới hạn của của động cơ khí khoảng

= 15:1 [10] Porpatham và đồng nghiệp khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ số nén đến đặc tính của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ CI Thử nghiệm tiến hành với tốc độ động cơ 1500 vòng/phút, độ mở bướm ga được khảo sát tại 25% và 100%, hệ số tương đương thay đổi từ vùng giàu đến nghèo nhiên liệu để khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ số nén Kết quả cho thấy, khi tỉ số nén tăng từ 9,3:1 đến 15:1, công suất động cơ tăng khoảng 10% từ 4,4kW lên 4,8kW và hiệu suất nhiệt tương ứng tăng từ 23% lên 26,8% [11] Bên cạnh đó, khi tỉ số nén của động cơ tăng, thành phần khí thải NOx và HC tăng, đồng thời phải giảm góc đánh lửa sớm khi tỉ số nén tăng [11],[12] Trước đó vào năm 2007, Porpatham cùng các cộng sự đã có nghiên cứu quan trọng về sự ảnh hưởng của hàm lượng CO 2 trong biogas đến đặc tính công suất và khí thải của động cơ dùng 100% biogas Thử nghiệm được thực hiện với hàm lượng CO2 trong biogas thay đổi lần lượt là 41%, 30% và 20%, tại số vòng quay không đổi 1500 vòng/phút, độ mở bướm ga lần lượt 25% và 100%, hệ tương đương  thay đổi từ giàu đến nghèo Kết quả cho thấy thành phần CO2 trong biogas có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình cháy và sự hình thành khí thải Khi hàm lượng CO 2 giảm sẽ làm tăng lượng methane và ôxi trong hòa khí, dẫn đến quá trình cháy được cải thiện và tăng hiệu suất nhiệt của động cơ Đồng thời, nghiên cứu cũng cho thấy rằng khi động cơ hoạt động trong vùng cháy nghèo sẽ làm tăng hiệu suất nhiệt do thành phần CO2 trong hòa khí giảm, cải thiện quá trình cháy [13]

Thái Lan tiên phong trong chuyển đổi động cơ chạy bằng khí; tỷ số nén giảm từ 16:1 xuống 8:1 mang lại hiệu suất nhiệt 28,6% Ấn Độ có tiềm năng lớn về sản xuất biogas, đủ khả năng thay thế 76% lượng CNG cung cấp Ấn Độ có hơn 3,5 triệu hộ gia đình sử dụng hầm biogas để ứng dụng vào sinh hoạt và phát điện Trung Quốc với nền nông nghiệp phát triển sở hữu nguồn nguyên liệu dồi dào cho sản xuất biogas.

5 xuất biogas Hiện nay, tại các vùng nông thôn khí biogas chủ yếu được sử dụng trong các sinh hoạt hằng ngày như đun nấu, thắp sáng, sưởi ấm Đến cuối năm 2010, Trung Quốc có khoảng 40 triệu hộ gia đình có sử dụng các hầm biogas Bên cạnh đó, có khoảng 4700 nhà máy sản xuất biogas từ chất thải của động thực vật với sản lượng 20.000 m 3 mỗi ngày và khoảng 1600 nhà máy sản xuất biogas từ rác thải công nghiệp với sản lượng 500.000 m 3 mỗi ngày [17] Với sự hỗ trợ từ chính phủ, Trung Quốc sẽ là một trong những quốc gia có tiềm năng ứng dụng biogas lớn nhất trên thế giới Ở nước ta hiện nay, đặc biệt tại khu vực nông thôn, biogas đang được sử dụng phổ biến trong sinh hoạt hằng ngày như đun nấu, thắp sáng và chạy máy phát điện Khảo sát thực tế tại các tỉnh Bình Dương, Đồng Nai, Tây Ninh, Tiền Giang và An Giang cho thấy các trang trại nuôi heo có số lượng heo trên 2000 con, các nhà máy chế biến tinh bột mì (sắn) hay các nhà máy chế biến cá da trơn có công suất trên 40 tấn/ngày đều có nhu cầu về máy phát điện dùng khí biogas công suất trên 30kW để phục vụ cho việc sản xuất và vận hành hệ thống xử lý nước thải Do đó, việc nghiên cứu thiết kế và phát triển các động cơ máy phát điện sử dụng nhiên liệu khí khí sinh học cỡ lớn nhằm sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu khí sinh học sinh ra là rất cần thiết Đại học Đà Nẵng là nơi đi tiên phong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng biogas trên động cơ đốt trong Năm 2007, Bùi Văn Ga và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng biogas trên máy phát điện công suất nhỏ [18], [19] Đề tài chỉ dừng lại trong việc đánh giá khả năng ứng dụng của biogas trên động cơ đốt trong, đề tài vẫn chưa đưa ra các kết quả mang tính chất định lượng về công suất và khí thải của động cơ Hiện nay, động cơ sử dụng khí sinh học tại Việt Nam thường được chuyển đổi từ động cơ xăng dẫn đến hiệu suất động cơ rất thấp và giới hạn về công suất sử dụng ( 1), ôxi trong không khí không đủ cung cấp cho quá trình cháy lý tưởng của nhiên liệu dẫn đến thành phần HC và CO tăng lên đáng kể Ngược lại, trong vùng nghèo nhiên liệu ( < 1), quá trình cháy của nhiên liệu diễn ra trong điều kiện dư ôxi, điều đó làm HC tăng do quá trình cháy kém và mất lửa xảy ra Trong khi đó, thành phần NOx hình thành trong điều kiện nhiệt độ cao, thành phần NOx đạt giá trị cực đại tại  0,95 do nhiệt độ quá trình cháy cao và quá trình cháy diễn ra trong điều kiện dư ôxi

Hình 2.3 Sự thay đổi các thành phần khí thải theo hệ số tương đương trong động cơ SI [23]

Khí thải trong động cơ đánh lửa cưỡng bức bao gồm: o HC (unburned hydrocarbons) o CO (carbon monoxide) o NOx (oxides of nitrogen)

 Cơ chế hình thành HC

Thành phần hydrocarbon (HC) hình thành trong động cơ là kết quả của quá trình đốt cháy không hoàn toàn Các nguyên nhân chính dẫn đến sự phát sinh HC trong động cơ bao gồm: tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu không khí quá giàu, nhiệt độ cháy thấp, thời gian cháy ngắn và bề mặt bức xạ nhiệt cao.

14 o Trong quá trình nén và quá trình cháy của động cơ, dưới tác dụng của áp suất cao, hỗn hợp không khí và nhiên liệu bị đẩy vào các khe hở giữa xu-páp và bệ đỡ xu- páp, khe hở giữa piston và séc-măng Do đó, lượng hòa khí không cháy thoát ra ngoài trong kỳ thải của động cơ o Lượng HC chủ yếu sinh ra do sự ảnh hưởng của tỉ lệ hòa khí (giàu hay nghèo) Tại khu vực có tỉ lệ hòa khí đậm, không đủ ôxi để đốt cháy hết toàn bộ lượng nhiên liệu Cuối cùng làm tăng HC trong khí thải của động cơ o Một lượng HC theo khí thải của động cơ ra ngoài trong lúc hai xu-páp nạp và thải đồng thời mở ra (valve overlap timing)

Hình 2.4 Các nguồn hình thành khí thải trong động cơ SI [24]

 Cơ chế hình thành CO

Lý thuyết hệ thống đánh lửa

Trong động cơ 04 kỳ đánh lửa cưỡng bức, hòa khí sau khi được đưa vào buồng cháy của động cơ sẽ bị piston nén lại Tại một thời điểm thích hợp cuối kỳ nén, hệ thống đánh lửa sẽ cung cấp tia lửa điện cao thế để đốt cháy hòa khí và sinh công cho động cơ Để tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của bu-gi, quá trình đánh lửa được chia thành 03 giai đoạn: quá trình tăng trưởng của dòng sơ cấp hay còn gọi là quá trình tích lũy năng lượng, quá trình ngắt dòng sơ cấp và quá trình xuất hiện tia lửa điện ở hai điện cực bu-gi

 Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp

Hình 2.6 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa Khi transistor công suất T dẫn, trong mạch sơ cấp sẽ có dòng điện il từ cực dương của ắc-quy đến Rf →L1→T→cực âm của ắc-quy Dòng điện il tăng từ từ do sức điện động tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp L1 chống

16 lại sự tăng lên của dòng điện il Trong giai đoạn này, mạch thứ cấp của hệ thống đánh lửa gần như không ảnh hưởng đến quá trình tăng trưởng của dòng điện sơ cấp Hiệu điện thế và cường độ dòng điện xuất hiện ở mạch thứ cấp không đáng kể nên xem như mạch thứ cấp hở

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa [24]

Trong đó: o Rf : điện trở phụ o R1 : điện trở của cuộn sơ cấp o L1, L2 : độ tự cảm của cuộn sơ cấp và thứ cấp của bô-bin o T : transistor công suất được điều khiển nhờ tín hiệu từ cảm biến

Cường độ dòng điện sơ cấp Ing tại thời điểm đánh lửa khi transistor công suất ngắt: d 1

Với: o t d = d x T = (d x 120)/(n x Z): thời gian transistor công suất dẫn bão hòa o T : chu kỳ đánh lửa (s) o n : số vòng quay trục khuỷu của động cơ (vòng/phút) o Z : số xy-lanh động cơ o d : thời gian tích lũy năng lượng tương đối

17 Hình 2.7 trình bày sự tăng trưởng của dòng sơ cấp Với bô-bin đời cũ (đường 1) vớ độ tự cảm lớn, tốc độ tăng trưởng dòng sơ cấp chậm hơn so với các loại bô-bin sau này (đường 2) Đồ thị cho thấy, độ tự cảm L1 của cuộn sơ cấp càng lớn thì tốc độ tăng của il càng giảm

Hình 2.7 Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp il [25]

 Quá trình ngắt dòng sơ cấp

Khi ngắt transistor công suất, dòng điện sơ cấp và từ thông giảm đột ngột, tạo ra hiệu điện thế thứ cấp vào khoảng 15kV ÷ 40kV trên cuộn thứ cấp của bô-bin Giá trị hiệu điện thế thứ cấp phụ thuộc vào thông số mạch sơ cấp và thứ cấp Để tính hiệu điện thế thứ cấp cực đại, người ta sử dụng sơ đồ tương đương như Hình 2.8.

Hình 2.8 Sơ đồ tương đương của hệ thống đánh lửa [25]

Bỏ qua hiệu điện thế trên ắc-quy vì nó rất nhỏ so với suất điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp lúc transistor công suất ngắt Xét trong trường hợp không tả, nghĩa là dây cao áp được tách ra khỏi bu-gi Tại thời điểm transistor công suất ngắt, năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn sơ cấp của bô-bin được chuyển thành năng lượng điện trường chứa trên tụ điện C 1 và C 2

18 và một phần bị mất mát Để xác định hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m, lập phương trình cân bằng năng lượng lúc transistor công suất ngắt:

Trong đó: o C1 : điện dung của tụ điện mắc song song với vít lửa hoặc transistor công suất o C2 : điện dung ký sinh trên mạch thứ cấp o U 1m , U 2m : hiệu điện thế trên mạch sơ cấp và thứ cấp lúc transistor công suất ngắt o A : năng lượng mất mát do dòng rò, dòng fu-cô trong lõi thép của bô-bin o K bb = W 2 /W 1 : hệ số biến áp của bô-bin o W1, W2: số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp

Từ phương trình (2.3) được: dt

 = 0,7 ÷ 0,8: hệ số tính đến sự mất mát trong mạch dao động

Hình 2.9 Quy luật biến đổi dòng điện sơ cấp i l và hiệu điện thế thứ cấp U 2m [25]

19 Quy luật biến đổi dòng sơ cấp và hiệu điện thế thứ cấp được thể hiện trong hình 2.9

Khi transistor công suất ngắt, cuộn dây sơ cấp sẽ sinh ra một suất điện động khoảng 100V ÷

 Quá trình phóng điện tại điện cực bu-gi

Khi điện áp thứ cấp U2m đạt đến giá trị Uđl, tia lửa điện cao thế sẽ xuất hiện giữa 2 điện cực bu-gi Bằng thực nghiệm, chứng minh được rằng tia lửa điện ở điện cực bu-gi bao gồm hai thành phần: thành phần điện dung và thành phần điện cảm

Thành phần điện dung của tia lửa điện do năng lượng tích lũy trên mạch thức cấp, được quy ước bởi điện dung ký sinh C2 Tia lửa điện dung được đặc trưng bởi sự sụt áp và tăng dòng đột ngột, dòng có thể đạt vào chục Ampere (hình 2.10)

Mặc dù năng lượng không lớn lắm (

C ×U 2 ) nhưng công suất phát ra bởi thành phần điện dung của tia lửa nhờ thời gian rất ngắn (1s) nên có thể đạt hàng chục đến hàng trăm kW

Tia lửa điện dung có màu xanh sáng kèm theo tiếng nổ lách tách đặc trưng Dao động với tần số cao (10 6 ÷ 10 7 Hz) và dòng lớn, tia lửa điện dung gây nhiễu vô tuyến và mài mòn điện cực bu-gi

Hình 2.10 Quy luật biến đổi hiệu điện thế thứ cấp U2m và cường độ dòng điện thứ cấp i2 khi transistor công suất ngắt [25] a: Thời gian tia lửa điện dung b: Thời gian tia lửa điện cảm

20 Do tia lửa điện xuất hiện trước khi hiệu điện thế thứ cấp đạt giá trị U2m nên năng lượng tỉa lửa điện dung chỉ là phần nhỏ của năng lượng phòng qua điện cực bu-gi Phần năng lượng còn lại sẽ hình thành tia lửa điện cảm Dòng điện qua bu-gi lúc này chỉ khoảng 20 ÷ 40mA

Hiệu điện thế giữa hai điện cực bu-gi giảm nhanh đến giá trị 400V ÷ 500V Thời gian kéo dài của tia lửa điện cảm kéo dài gấp 100 đến 1000 lần thời gian tia lửa điện dung, thời gian này phụ thuộc vào loại bu-gi, khe hở bu-gi và chế độ làm việc của động cơ Thời gian tia lửa điện cảm thường khoảng 1 đến 1,5ms Tia lửa điện cảm có màu vàng tím, còn được gọi là đuôi lửa

Các hệ thống đánh lửa trên động cơ hiện nay phải đáp ứng được các yêu cầu sau [23]:

Chuyển đổi động cơ biogas

Trong quá trình chuyển đổi động cơ truyền thống sang động cơ chạy toàn bộ bằng biogas hoặc chạy nhiên liệu hỗn hợp (biogas/diesel, biogas/biodiesel, ), nhiều công nghệ đã được ứng dụng Đối với động cơ xăng và động cơ diesel, công nghệ chuyển đổi bao gồm việc điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu, điều khiển đánh lửa và xả khí Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, việc chuyển đổi đòi hỏi phải thay đổi hệ thống khởi động, cung cấp nhiên liệu và xả khí, đồng thời sử dụng hệ thống phun kép để phun cả biogas và nhiên liệu lỏng vào buồng đốt.

100% biogas Động cơ dùng lƣỡng nhiên liệu

Hình 2.15 Các phương án động cơ dùng biogas chuyển đổi cải tạo từ động cơ truyền thống

Hình 2.15 mô tả tóm tắt các công nghệ chuyển đổi cải tạo động cơ thông thường thành động cơ dùng biogas Theo đó, 04 vấn đề quan trọng cần cân nhắc khi sử dụng động cơ dùng biogas làm nguồn động lực cho máy phát điện bao gồm:

 Kết hợp biogas với nhiên liệu gốc của động cơ: động cơ ít bị suy giảm công suất, dễ khởi động, đảm bảo khả năng làm việc ổn định và liên tục trong các trường hợp nguồn biogas bị ngắt hay không chất lượng nguồn biogas ổn định

Tuy nhiên, hiệu quả khai thác nguồn biogas thấp, khó kiểm soát vấn đề phát thải ô nhiễm Giải pháp này chỉ phù hợp với nguồn biogas nhỏ, hay chất lượng nguồn biogas không ổn định

 Dùng 100% biogas: mức độ phức tạp của công nghệ cải tạo tùy thuộc vào nguồn gốc động cơ chuyển đổi, yêu cầu cao về tính ổn định của nguồn biogas Tuy nhiên, giải pháp này cho phép đạt hiệu quả khai thác nguồn biogas lớn, phù hợp với yêu cầu khai thác điện năng từ biogas

Bên cạnh đó, tỉ lệ hòa khí (tỉ lệ hỗn hợp không khí – biogas) của động phải được điều chỉnh thay đổi linh hoạt phù hợp với điều kiện và chế độ làm việc của động

27 cơ – khởi động, làm nóng, cầm chừng, tải nhỏ, tải lớn, toàn tải, tăng tốc, giảm tốc Các kiểu bộ cung cấp biogas với cơ cấu cơ khí tự động điều chỉnh tỉ lệ hòa khí thường được sử dụng trong thời điểm hiện nay; mặc dù có giá thành thấp, nhưng tỉ lệ hòa khí khó thay đổi linh hoạt, không đáp ứng tốt cho mọi điều kiện và chế độ làm việc, khó kiểm soát được tỉ lệ hỗn hợp thực tế động cơ đang sử dụng

Kết luận: Động cơ sử dụng 100% biogas giúp giảm phát thải ô nhiễm, cho phép nâng cao công suất khai thác nguồn biogas, phù hợp với yêu cầu khai thác điện năng công suất lớn từ biogas Ngoài ra, bộ cung cấp biogas phải cho phép kiểm soát và thay đổi được linh hoạt tỉ lệ hòa khí (giới hạn công nghệ trong nước hiện nay)

 Cháy nén: chỉ áp dụng cho động cơ dùng biogas kết hợp với diesel, dễ xảy ra hiện tượng kích nổ làm giảm công suất và tuổi thọ của động cơ, gây phát thải muội than, khó điều chỉnh góc phun dầu sớm

 Đánh lửa cưỡng bức: động cơ làm việc êm dịu, không gây phát thải muội than, cho phép khả năng điều chỉnh góc đánh lửa sớm dễ dàng

Thông thường, cần phải giảm góc đánh lửa sớm để bù vào tốc độ cháy chậm của hỗn hợp không khí – biogas Bên cạnh đó, góc đánh lửa sớm phải được điều chỉnh thay đổi linh hoạt phù hợp với điều kiện và chế độ làm việc, để động cơ đạt hiệu quả cao Do góc đánh lửa sớm ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ và khả năng gây kích nổ hay cháy ngược, vì vậy, điều chỉnh linh hoạt góc đánh lửa sớm không chỉ giúp phát huy tối đa công suất động cơ mà còn giúp điều khiển ổn định tốc độ động cơ ở 1.500 vòng/phút (ổn định tần số điện áp phát ra ở 50Hz) – nhất là khi tải điện thay đổi đột ngột Tuy nhiên, hầu hết động cơ dùng biogas hiện nay đều sử dụng hệ thống đánh lửa có sẵn dùng cho nhiên liệu xăng, LPG hay CNG, khó can thiệp và điều chỉnh cho phù hợp Vì vậy, công nghệ động cơ

28 dùng biogas trong nước hiện chỉ mới đáp ứng được cho máy phát điện công suất thấp, yêu cầu chất lượng điện áp phát ra không cao

Kết luận: Động cơ dùng biogas đánh lửa cưỡng bức ưu điểm hơn so với kiểu cháy nén

Góc đánh lửa sớm phải được thay đổi linh hoạt theo điều kiện và chế độ làm việc của động cơ, kết hợp điều khiển ổn định tốc độ làm viêc của động cơ để ổn định tần số điện áp phát ra

(Giới hạn công nghệ trong nước hiện nay)

 Tỉ số nén thấp: hiệu suất nhiệt của động cơ thấp, công suất động cơ bị sút giảm nhiều vì nhiệt trị và tốc độ cháy của hỗn hợp không khí – biogas thấp (phụ thuộc nhiều vào tỉ lệ CH 4 trong nguồn biogas) Đây là giải pháp công nghệ áp dụng trong nước hiện nay

Tỉ số nén cao giúp tăng hiệu suất nhiệt của động cơ và tốc độ cháy của hỗn hợp không khí - biogas Tuy nhiên, tỉ số nén bị giới hạn bởi khả năng kích nổ của hỗn hợp này Động cơ đánh lửa cưỡng bức đặc biệt yêu cầu hệ thống đánh lửa đặc biệt để có thể đánh lửa được trong điều kiện tỉ số nén cao.

Kết luận: Động cơ dùng biogas với tỉ số nén cao có hiệu năng khai thác và sử dụng lớn, nhưng đòi hỏi hệ thống đánh lửa trong điều kiện tỉ số nén cao, đòi hỏi khả năng điều chỉnh linh hoạt tỉ lệ hòa khí và góc đánh lửa sớm để tránh hiện tượng kích nổ (Giới hạn công nghệ trong nước hiện nay)

2.4.4 Điều khiển ổn định tốc độ động cơ Động cơ dùng biogas làm nguồn động lực cho máy phát điện hiện nay thường dùng cơ cấu kiểu ly tâm để tự động điều chỉnh lượng hỗn hợp không khí – biogas sử dụng, làm thay đổi công suất động cơ, giúp giữ ổn định tốc độ làm việc – ổn định tần số điện áp phát ra Mặc dù, công suất động cơ còn phụ thuộc trực tiếp vào tỉ lệ hòa khí và góc đánh lửa sớm, nhưng cơ cấu ly tâm, cơ cấu điều chỉnh tỉ

THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ

Quá trình chuyển đổi

Động cơ được chuyển đổi từ động cơ diesel nhãn hiệu Kunming Yunnei, sử dụng động cơ 4 xilanh thẳng hàng, buồng cháy thống nhất, dung tích là 3.760cc và tỷ số nén là 17:1, được làm mát bằng nước Bảng 3.1 trình bày các thông số kỹ thuật của động cơ trước khi được chuyển đổi Các kim phun dầu của động cơ được thay bằng các bugi sau khi đã được gia công và lắp ống lót thích hợp Bơm cao áp của động cơ được tháo ra và thay bằng cụm cảm biến đo vị trí góc quay trục cam để phục vụ mục đích điều khiển góc đánh lửa sớm và xác định tốc độ của động cơ Tỷ số nén của động cơ vẫn được giữ nguyên ở mức 17:1 để phục vụ cho mục đích nghiên cứu khả năng ứng dụng biogas ở tỷ số nén cao, xác định tỷ lệ A/F và góc đánh lửa sớm, đảm bảo động cơ hoạt động với công suất tối đa, tránh kích nổ, cháy ngược và mất lửa.

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Kunming Yunnei 4102QB

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Đường kính x hành trình piston D x S mm x mm 102 x 115

Thể tích công tác V h lít 3,76

Tỉ số nén  - 17 Áp suất cuối kỳ nén P n bar 54,5

Công suất/số vòng quay N emax /n e kW/vòng/phút 70/3100 Moment cực đại/số vòng quay M emax /n e Nm/ vòng/phút 245/1800

Suất tiêu hao nhiên liệu g e g/kW.h  238

Kiểu xylanh Bốn xylanh thẳng hàng

Kiểu làm mát Bằng nước

32 Hình 3.1 trình bày sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ chuyển đổi Lưu lượng không khí nạp được xác định nhờ bộ đo lưu lượng thể tích kiểu ống venturi (3) và được điều chỉnh nhờ cụm điều khiển van chân không (2) Tác dụng của cụm điều khiển (2) dùng để điều chỉnh độ chân không trong đường ống nạp, hỗ trợ điều khiển tăng lượng biogas cung cấp trong quá trình khởi động và khi áp suất biogas của nguồn cung cấp bị giảm Bộ đo lưu lượng biogas kiểu ống venturi (7) và cụm van điều khiển (6) dùng để xác định và điều chỉnh lưu lượng biogas cung cấp theo tỉ lệ hòa khí A/F mong muốn Các giá trị lưu lượng thể tích không khí nạp, lưu lượng biogas sẽ được hiệu chỉnh theo nhiệt độ nhờ có các cảm biến nhiệt độ kiểu NTC (9), (10) Không khí và biogas được hòa trộn nhờ bộ trộn kiểu venturi (4) Cụm điều khiển van bướm ga (5) dùng điều chỉnh lượng hòa khí nạp vào động cơ, đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều khiển ổn định tốc độ động cơ khi sử dụng cho máy phát điện Hệ thống sử dụng 02 ECU để thu nhận, giám sát và điều khiển các thông số vận hành của động cơ ECU1 (11) và ECU2 (12) giao tiếp với nhau qua chuẩn SPI (Serial Peripheral Interface bus) Dữ liệu và thông số điều khiển của toàn hệ thống được đưa về máy tính điều khiển qua cổng giao tiếp RS-232 Bảng 3.2 trình bày các thông số của động cơ trước và sau khi chuyển đổi

1 Lọc gió 2 Cụm điều khiển van chân không 3 Bộ đo lưu lượng gió

4 Bộ trộn (kiểu venturi) 5 Cụm điều khiển van bướm ga 6 Cụm điều khiển van biogas 7 Bộ đo lưu lượng biogas 8 Van bi

9 Cảm biến nhiệt độ biogas

10 Cảm biến nhiệt độ khí nạp 11 ECU1

12 ECU2 13 Mạch đánh lửa 14 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 15 Động cơ

16 Bu-gi 17 Cảm biến vị trí trục cam 18 Cảm biến nhiệt độ khí thải

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của động cơ chuyển đổi

Bảng 3.2 Đặc điểm động cơ trước và sau khi chuyển đổi

Hệ thống nhiên liệu Động cơ nguyên thủy Động cơ chuyển đổi

Nhiên liệu Diesel Hoàn toàn biogas

Phương pháp cung cấp Phun trực tiếp Hỗn hợp hòa trộn trước

Phương pháp đốt cháy Tự cháy Đốt cháy cưỡng bức

Góc cháy sớm 11 0 BTDC Theo chương trình

Kiểu nạp khí Không tăng áp Không tăng áp Điều tốc Cơ khí (ly tâm) Điện tử

Kiểu đánh lửa - CDI-DC

Các hệ thống chính của mô động cơ chuyển đổi

Động cơ chuyển đổi được dùng cho máy phát điện bao gồm các cụm chính:

 Hệ thống cung cấp biogas điều khiển điện tử

 Hệ thống đánh lửa trực tiếp điều khiển trực tiếp kiểu CDI-DC

 Hệ thống giám sát điện tử

 Hệ thống giao tiếp người dùng

3.2.1 Hệ thống cung cấp biogas điều khiển điện tử

Nhiệm vụ và chức năng:

 Hệ thống cung cấp biogas điều khiển điện tử có nhiệm vụ cung cấp một lượng biogas tương ứng với lượng không khí hút vào, hòa trộn đồng đều, tạo thành hỗn hợp cháy được

 Hệ thống này phải có khả năng tự động điều chỉnh ổn định tỉ lệ hòa khí A/F theo các giá trị mong muốn, giúp động cơ vận hành tốt ở các chế độ làm việc khác nhau (khởi động, nửa tải, toàn tải, tăng/giảm tải đột ngột…), cũng như sự thay đổi hàm lượng khí

34 CH4 trong nguồn biogas, hỗ trợ ổn định tốc độ động cơ khi tải điện nhỏ (do tính phi tuyến của góc mở bướm ga), hỗ trợ giảm tổn thất nạp của động cơ ở chế độ nửa tải để tăng hiệu suất làm việc, góp phần chống kích nổ và cháy ngược Đây là một hệ thống chức năng quan trọng, đòi hỏi phải được điều khiển linh hoạt với vi xử lý/vi điều khiển

Hệ thống cung cấp biogas bao gồm các thành phần chính, bao gồm: bộ đo lưu lượng không khí nạp, bộ đo lưu lượng biogas cung cấp, bộ trộn kiểu Venturi, các cụm van điều khiển, mạch điều khiển trung tâm (ECU1, ECU2) và các cảm biến nhiệt độ (cảm biến nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ biogas).

3.2.1.1 Bộ đo lưu lượng không khí nạp

 Chức năng: Bộ đo lưu lượng không khí nạp có nhiệm vụ cung cấp thông tin về lưu lượng không khí nạp vào động cơ Thông tin về nhiệt độ không khí nạp được đưa về

ECU1 Trên cơ sở đó, ECU1 sẽ tính toán và điều khiển mở hoặc đóng van cung cấp biogas, đảm bảo tạo ra tỉ lệ hòa khí phù hợp theo các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ

 Nguyên lý đo: Bộ đo hoạt động dựa trên kỹ thuật đo lưu lượng dạng chênh lệch áp suất (kiểu venturi) sử dụng các cảm biến MAP thông dụng trên ôtô, đảm bảo độ bền, độ chính xác và ổn định theo nhiệt độ làm việc Khi dòng khí qua ống venturi sẽ tạo độ sụt áp suất Theo phương trình Bernoulli, từ độ chênh lệch áp suất sẽ tính toán ra lưu lượng thể tích của dòng khí nạp Nhiệt độ không khí nạp xác định thông qua cảm biến nhiệt độ kiểu NTC sử dụng trên động cơ ô tô, cung cấp thông tin để hiệu chỉnh kết quả đo lưu lượng theo nhiệt độ

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý đo của bộ đo lưu lượng không khí nạp

Hình 3.3 Mô hình mặt cắt 3D của bộ trộn biogas kết hợp bộ đo lưu lượng không khí nạp

Hình 3.4 Đặc tuyến làm việc của bộ đo lưu lượng không khí nạp

Hỗn hợp không khí/biogas P 2

P 1 Đến ECU MAP-Manifold absolute pressure sensor

36 Đường cong xấp xỉ của bộ đo lưu lượng không khí nạp được thể hiện qua phương trình sau:

3.2.1.2 Bộ đo lưu lượng biogas cung cấp

 Chức năng: Bộ đo lưu lượng biogas có nhiệm vụ xác định lưu lượng biogas thực tế cung cấp cho động cơ Thông tin về lưu lượng và nhiệt độ biogas được đưa về ECU1

Trên cơ sở đó, ECU1 tính toán và điều khiển van biogas đóng hoặc mở, đảm bảo cung cấp đủ lượng biogas cho động cơ trong mọi điều kiện hoạt động khác nhau

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo lưu lượng biogas tương tự như đồng hồ đo lưu lượng không khí nạp, dựa trên nguyên tắc đo chênh lệch áp suất theo dạng Venturi Thiết bị sử dụng cảm biến áp suất tuyệt đối (MAP) để đo áp suất và hiệu chỉnh lưu lượng theo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt độ kiểu NTC.

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý đo của bộ đo lưu lượng biogas

MAP3, MAP4: cảm biến áp suất tuyệt đối trong đường ống biogas 1

Hình 3.6 Mô hình mặt cắt 3D của bộ đo lưu lượng biogas cung cấp

Đường cong xấp xỉ của bộ đo lưu lượng biogas được mô tả bằng phương trình: y = 2,35x + 3,67 Phương trình này thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa lưu lượng biogas (x) và điện áp ra (y) của bộ đo lưu lượng Sự tuyến tính này cho phép hiệu chuẩn dễ dàng và chính xác, đảm bảo độ tin cậy cao của các phép đo lưu lượng biogas.

Cả hai bộ đo lưu lượng không khí nạp và bộ đo lưu lượng biogas cung cấp đều được tính toán và mô phỏng bằng phần mềm CFD Fluent để xác định kích thước đường vào, họng thắt, góc vào và góc ra của bộ đo nhằm đảm bảo độ chính xác, độ nhạy và giảm tổn thất trong quá trình đo Cuối cùng các bộ đo được cân chuẩn với bộ đo khí thải kiểu dây nhiệt của ABB và kiểm tra độ chính xác trong điều kiện làm việc với dòng khí ổn định và dòng khí dao động

38 (khi động cơ làm việc)

3.2.1.3 Bộ trộn kiểu ống venturi

 Chức năng: Bộ trộn có chức năng tạo hỗn hợp hòa khí đồng nhất cung cấp cho động cơ, đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt trong mọi điều kiện khác nhau, đặc biệt là khi có sự thay đổi tải đột ngột

Hòa khí đến động cơ

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý thiết kế bộ trộn venturi

 Trình tự thiết kế và tính toán bộ trộn venturi: o Bước 1: Xác định lưu lượng nạp của động cơ Vi (m 3 /s) h i vol

 n : số vòng quay động cơ (vòng/phút)

 Vh : dung tích động cơ (lít)

 a = 2 áp dụng cho động cơ 4 kỳ; a = 1 áp dụng cho động cơ 2 kỳ o Bước 2: Xác định tiết diện lưu thông của bộ trộn venturi Ai (m 2 )

 di: đường kính bộ trộn venturi (m) (thông thường chọn bằng đường kính họng nạp động cơ) o Bước 3: Xác định vận tốc trung bình của dòng khí khi đi vào động cơ ci (m/s) i i i c =V

A (3.5) o Bước 4: Xác định tiết diện lưu thông tại vị trí co hẹp của bộ trôn venturi Av (m 2 )

Theo lý thuyết, tại vị trí cổ họng của ống Venturi, vận tốc luồng khí có thể đạt đến tối đa 150 m/s Điều kiện này đảm bảo luồng khí vẫn nằm trong điều kiện biên không nén được, tức là các phân tử khí không bị va chạm với nhau Trong thực tế, vùng co hẹp thường được thiết kế với vận tốc luồng khí nằm trong khoảng từ 100 đến 150 m/s để đảm bảo tính ổn định và an toàn của hệ thống.

Từ phương trình (3.6), xác định đường kính tại vị trí co hẹp dv (m) v i i i i v v

  (3.7) o Bước 5: Xác định lượng biogas tiêu thụ fc (m 3 /h) c mech eng u,act

 Pmech: công suất động cơ (kW)

 eng = 0,25 cho động cơ có dung tích ≤ 1 lít ; eng = 0,3 cho động cơ có dung tích

 H u,act : nhiệt trị thấp của biogas (thay đổi tùy theo thành phần CH 4 và CO 2 , sẽ được đề cập trong bài toán khác) (kJ/m 3 )

40 o Bước 6: Xác định vận tốc của biogas cg (m/s) g 2 v biogas c = 2× Δp +c ρ (3.9)

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Sơ đồ bố trí và các thiết bị thử nghiệm

1 Lọc gió 2 Cụm điều khiển van chân không 3 Bộ đo lưu lượng gió 4 Bộ trộn (kiểu venturi) 5 Cụm điều khiển van bướm ga 6 Cụm điều khiển van biogas 7 Bộ đo lưu lượng biogas 8 Van bi

9 Cảm biến nhiệt độ biogas 10 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp

11 ECU1 12 ECU2 13 Mạch đánh lửa 14 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 15 Động cơ

16 Bu-gi 17 Cảm biến vị trí trục cam 18 cảm biến nhiệt độ khí thải 19 Máy phát điện 3 pha 20 Mạch khuếch đại 21 Cảm biến đo lực (Loadcell)

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý bố trí chung thử nghiệm

Hình 4.2 Bố trí thử nghiệm thực tế

48 Hình 4.1 trình bày sơ đồ bố trí chung của hệ thống thử nghiệm Động cơ chuyển đổi được kết nối với đầu máy phát điện 55kVA, 03 pha 4 dây, 220/380V  50Hz bằng trục các- đăng Lưu lượng không khí nạp và lưu lượng biogas cung cấp cho động cơ lần lượt được xác định thông qua bộ đo lưu lượng thể tích (3), (16) kiểu ống venturi Các giá trị lưu lượng thể tích đo được sẽ được hiệu chỉnh theo nhiệt độ nhờ các cảm biến nhiệt kiểu NTC Hệ thống sử dụng 02 ECU điều khiển Trong đó, ECU1 (11) thu nhận các tín hiệu về lưu lượng không khí nạp, lưu lượng biogas cung cấp, vị trí của các van điều khiển để từ đó tính toán và điều chỉnh tỉ lệ A/F theo giá trị mong muốn Bên cạnh đó, tín hiệu đánh lửa từ cảm biến vị trí trục cam được đưa về ECU1 nhằm điều khiển đồng bộ giữa góc đánh lửa sớm và độ mở van bướm ga khi động cơ thay đổi tải đột ngột Cảm biến đo lực (21) được gắn trên vỏ của máy phát điện để xác định công suất của động cơ Mạch khuếch đại (20) có tác dụng khuếch đại tín hiệu từ cảm biến đo lực và sau đó tín hiệu được đưa về ECU2 (12) Nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ lưu lượng biogas, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí xả của động cơ được giám sát bằng các cảm biến nhiệt độ kiển NTC Khí thải từ động cơ được xác định bằng máy đo và phân tích khí thải HESBON HG-520 Thiết bị phân tích khí thải được cân chuẩn định kỳ để đảm bảo khả năng đo ổn định và chính xác.

Điều kiện thử nghiệm và quy trình thử nghiệm

 Điều kiện thử nghiệm: o Tốc độ động cơ: n = 1500 vòng/phút o Các nghiên cứu về động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức cho thấy để nâng cao hiệu suất nhiệt, động cơ biogas nên làm việc ở chế độ nghèo nhiên liệu ( < 1) [13],[27] Trong quá trình thử nghiệm chọn  = 0,73 o Tải điện 15kW và 17kW

 Quy trình thử nghiệm: Động cơ được giữ ổn định tại tốc độ tại 1500 vòng/phút, tương ứng với tần số 50Hz của máy phát điện Với hệ số tương đương  = 0,73, tương ứng với từng mức tải điện 15kW và 17kW, góc đánh lửa sớm được điều chỉnh từ 5 o CA BTDC đến 25 o CA BTDC

49 Trước khi tiến hành thu thập dữ liệu, động cơ được chạy hâm nóng đến khi nhiệt độ nước ổn định khoảng 60 o C Kết quả của thử nghiệm được lập lại 03 lần để đảm bảo độ ổn định của kết quả đo.

Kết quả và thảo luận

Hình 4.3 minh họa rõ ràng tác động của góc đánh lửa sớm đến hiệu suất nhiệt và mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở tải điện 15kW Theo đó, hiệu suất nhiệt đạt tối đa ở mức 21,64% khi góc đánh lửa được đặt ở mức tối ưu 10° CA BTDC Ngược lại, ở góc đánh lửa này, mức tiêu hao nhiên liệu đạt mức thấp nhất là 16,64.

Hiệu suất nhiệt của động cơ bị ảnh hưởng bởi góc đánh lửa Đánh lửa quá sớm (10 o CA BTDC) làm giảm hiệu suất từ 21,64% xuống 20,46% (25 o CA BTDC) vì hòa khí cháy sinh công khi piston di chuyển đến điểm chết trên, giảm công suất có ích Ngược lại, đánh lửa quá trễ cũng làm giảm hiệu suất vì quá trình cháy diễn ra khi piston di chuyển xuống điểm chết dưới.

Hình 4.3 Hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao nhiên liệu thay đổi theo góc đánh lửa sớm

4.3.1.2 Thành phần khí thải và nhiệt độ khí thải

 Thành phần Carbon monoxic (CO) và Hydrocarbon (HC)

Hình 4.4 trình bày sự hình thành của CO và HC theo góc đánh lửa sớm Thành phần CO và HC sinh ra chủ yếu trong vùng giàu nhiên liệu ( > 1) do kết quả của quá trình cháy không hoàn toàn Kết quả cho thấy, thành phần CO và HC không thay đổi nhiều theo góc đánh lửa sớm

Hình 4.4 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến thành phần CO và HC

 Thành phần Nitrogen Oxides (NOx)

Nhiệt độ và áp suất cao tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NOx Góc đánh lửa sớm càng tăng, nhiệt độ và áp suất trong xi lanh càng lớn Do đó, sản sinh NOx tăng theo góc đánh lửa sớm Cụ thể, khi tăng góc đánh lửa sớm từ 5 o CA BTDC đến 25 o CA BTDC, NOx tăng từ 994 ppm lên 4991 ppm.

Hình 4.5 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến thành phần NOx

Hình 4.6 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến nhiệt độ khí thải

Hình 4.6 cho thấy sự ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến nhiệt độ khí thải Khi góc đánh lửa sớm thay đổi từ 5 o CA BTDC đến 25 o CA BTDC, nhiệt độ khí thải giảm từ 484 o C đến

444 o C Kết quả có thể được giải thích do khi góc đánh lửa càng dời về gần ĐCT thì quá trình cháy của hòa khí trong buồng đốt sẽ diễn ra trong thời gian càng ngắn , phần còn lại của hòa khí cháy sẽ cháy bên ngoài buồng đốt dẫn đến nhiệt độ khí thải tăng cao Các kết quả nghiên cứu trên hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu về động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức [13], [27]

4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của tải 4.3.2.1 Hiệu suất nhiệt động cơ

Hình 4.7 trình bày quan hệ giữa hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao nhiên liệu và góc đánh lửa sớm của động cơ Khi tải động cơ tăng từ từ 15kW đến 17kW, hiệu suất nhiệt cực đại của động cơ tăng từ 21,64% (tại 10 o CA BTDC) lên 22,51% (tại 15 o CA BTDC), tương ứng với suất tiêu hao năng lượng lần lượt là 16,64 MJ/kWh và 15,99 MJ/kWh Điều đó có thể giải thích do khi tải động cơ tăng, lượng hòa khí vào càng nhiều Điều đó làm lượng CO 2 vào buồng cháy càng nhiều làm giảm tốc độ cháy, nhiệt độ cháy Vì vậy, khi tăng tải của động cơ cần phải tăng góc đánh lửa sớm của động cơ để đảm bảo vận tốc cháy của động cơ Điều này ngược lại so với động cơ xăng, khi tải động cơ càng tăng, góc đánh lửa sớm phải giảm do

52 lượng hòa khí vào trong buồng đốt động cơ càng tăng, chính điều đó làm thời gian của quá trình cháy diễn ra càng ngắn, do vậy cần phải giảm góc đánh lửa sớm để đảm bảo cho quá trình cháy tốt nhất

Hình 4.7 Quan hệ giữa hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao nhiên liệu và góc góc đánh lửa sớm

Hình 4.8 Quan hệ giữa lưu lượng không khí nạp, lưu lượng biogas theo góc đánh lửa sớm

Kết quả cũng cho thấy rằng, khi tải động cơ càng tăng làm hiệu suất nhiệt của động cơ tăng Nguyên nhân chính là do khi tải động cơ càng tăng, bướm ga phải mở rộng để lượng hòa khí vào động cơ càng tăng như hình 4.8, chính điều đó làm giảm sự tổn thất trên đường nạp (pumping loss) của động cơ

 Thành phần Carbon monoxic (CO) và Hydrocarbon (HC)

Hình 4.9 trình bày sự ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến thành phần CO và HC

Thành phần CO trong khí thải của động cơ phụ thuộc chủ yếu vào tỉ lệ hòa khí Do đó, góc đánh lửa sớm không ảnh hưởng đến sự hình thành khí CO Tương tự, thành phần HC trong khí thải cũng rất nhỏ và gần như không thay đổi theo góc đánh lửa sớm

Hình 4.9 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến thành phần CO và HC

 Thành phần Nitrogen Oxides (NOx)

Hình 4.10 trình bày ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến sự hình thành NOx Khi tăng góc đánh lửa sớm, thành phần NOx trong khí thải động cơ sinh ra càng nhiều, nguyên nhân là do nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy tăng cao khi tăng góc đánh lửa sớm Kết quả cho thấy, tại các góc đánh lửa sớm khác nhau, thành phần NOx tại mức tải 17kW thấp hơn so với thành phần NOx tại mức tải 15kW Tại 25 o CA BTDC, NOx đạt giá trị cực đại 3819 ppm tại 17kW tải điện, thấp hơn 30,7% so với 4991 ppm tại 15kW tải điện Nguyên nhân chính làm thành phần NOx giảm khi tải động cơ tăng do thành phần CO2 vào buồng đốt càng tăng khi hòa khí vào động cơ càng nhiều Chính sự hiện diện của CO2 làm giảm nhiệt độ của quá trình cháy, dẫn đến làm giảm thành phần NOx trong khí thải

Thành phần CO2 của biogas trong quá trình hình thành hỗn hợp hòa khí cũng tương tự như khi sử dụng phương pháp hồi lưu khí xả (EGR) trong động cơ Phương pháp EGR sử dụng một phần khí thải hồi lưu về đường nạp của động cơ Mục tiêu của việc sử dụng EGR là nhằm làm giảm lượng NOx, giảm tổn thất trên đường ống nạp, tăng hiệu suất nhiệt của động cơ Khí thải bao gồm các thành phần khí không cháy được như: CO2, N2, hơi nước,… khi được hồi lưu trở về đường nạp động cơ sẽ làm giảm lượng O2 nạp vào động cơ Bên cạnh đó, lượng khí thải khi được hồi lưu về sẽ làm tăng nhiệt dung riêng của hòa khí, dẫn đến làm giảm nhiệt độ cao nhất của quá trình cháy [28] Chính vì các nguyên nhân nêu trên sẽ làm giảm sự hình thành của NOx

Hình 4.10 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến

Hình 4.11 Sự thay đổi của nhiệt độ khí thải theo góc đánh lửa sớm

Biểu đồ 4.11 cho thấy nhiệt độ khí thải động cơ tăng khi giảm góc đánh lửa sớm (dời gần điểm chết trên) Nguyên nhân là do góc đánh lửa sớm càng gần điểm chết trên, quá trình cháy trong buồng đốt càng ngắn, lượng hỗn hợp nhiên liệu còn lại cháy bên ngoài buồng đốt, dẫn đến tăng nhiệt độ khí thải Vì vậy, có thể tận dụng nguồn nhiệt này thông qua bộ trao đổi nhiệt để phục vụ sinh hoạt hằng ngày, qua đó tăng hiệu suất sử dụng nhiệt của động cơ biogas.