cơ chạy bằng nhiên liệu biogas
2.1.1. Chuyển đổi động cơ xăng
Việc chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bức truyền thống sang sử dụng nhiên liệu biogas tương đối dễ vì nĩ đã được thiết kế để hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí và đốt cháy bằng tia lửa điện. Chuyển đổi cơ bản là thay thế bộ chế hịa khí bằng bộ tạo hỗn hợp nhiên liệu biogas. Điều khiển cơng suất và tốc độ động cơ được thực hiện bằng cách thay đổi lượng hỗn hợp cung cấp, nghĩa là điều chỉnh vị trí của bướm ga như trong trường hợp động cơ xăng.
Hệ thống đánh lửa về nguyên tắc được giữ nguyên nhưng phải tăng gĩc đánh lửa sớm (khoảng 5-10 độ gĩc quay trục khuỷu) để phù hợp với tốc độ cháy biogas thấp hơn xăng. Cũng vì lý do này, tốc độ động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức nên giới hạn ở khoảng 3000v/ph. Việc điều chỉnh thời điểm đánh lửa tương đối đơn giản vì hệ thống đánh lửa cho phép thay đổi thời điểm đánh lửa trong phạm vi rộng.
Tăng tỉ số nén động cơ là biện pháp để làm tăng hiệu suất cũng như cơng suất động cơ. Tuy nhiên sau khi thay đổi tỉ số nén, động cơ khơng thể sử dụng lại được với xăng.
Thơng thường do nhu cầu cần sử dụng lại động cơ chạy lại với xăng khi nguồn biogas hết hay gặp sự cố, cĩ thể chuyển đổi động cơ xăng theo hướng lưỡng nhiên liệu xăng/biogas. Khi đĩ bắt buộc phải giữ nguyên bộ chế hịa khí xăng, lắp thêm bộ tạo hỗn hợp biogas trên đường nạp (thường bố trí ngay phía trước bộ chế hịa khí).
2.1.2. Chuyển đổi động cơ diesel
Động cơ diesel cĩ thể chuyển sang chạy bằng biogas theo 2 cách: động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel hoặc động cơ đánh lửa cưỡng bức.
- Động cơ nhiên liệu kép: Việc chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel được thực hiện bằng cách bổ sung bộ chế hịa khí để cung cấp nhiên liệu biogas và cơ cấu chỉnh lượng phun diesel tối thiểu để đánh lửa mồi và cơ cấu chỉnh gĩc phun sớm. Động cơ nhiên liệu kép thường sử dụng 10-20% nhiên liệu diesel để đánh lửa mồi. Biogas cĩ thể thay thế đến 80% nhiên liệu diesel.
- Chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas: Trong trường hợp này cần giảm tỉ số nén động cơ xuống cịn khoảng =11-12. Hệ thống phun được thay thế bằng hệ thống đánh lửa và hệ thống cung cấp diesel được thay thế bằng hệ thống cung cấp biogas qua bộ chế hịa khí.
2.1.3. Phân tích ưu nhược điểm của các phương án
Động cơ biogas được chuyển đổi từ động cơ xăng phát cơng suất thấp hơn khi chạy bằng xăng. Lý do là nhiên liệu khí chiếm một thể tích trong bộ tạo hỗn hợp lớn hơn là nhiên liệu lỏng. Mặt khác nhiệt trị thể tích của nhiên liệu lỏng lớn hơn nhiên liệu khí và nĩ làm lạnh hỗn hợp khi bốc hơi nên làm tăng lượng khơng khí nạp vào động cơ.
Đối với động cơ chạy bằng biogas, do nhiên liệu cĩ chứa CO2, lượng hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí nạp vào động cơ càng giảm đi. Do động cơ đánh lửa cưỡng bức
luơn giữ hệ số dư lượng khơng khí λ=1 ± 0,1 và hệ thống nạp của động cơ đã được thiết kế để hoạt động với xăng nên tổng năng lượng của hỗn hợp biogas-khơng khí nạp vào động cơ nhỏ hơn so với khi chạy bằng xăng. Do sự sụt giảm năng lượng nhiên liệu cĩ thể mang vào, cơng suất của động cơ cũng giảm với tỉ lệ tương tự. Mức độ giảm cơng suất phụ thuộc vào nhiệt trị thể tích của nhiên liệu khí, ví dụ biogas chứa 70% CH4 cĩ nhiệt trị thể tích cao hơn biogas chỉ chứa 50% CH4. Khi
động cơ chạy với biogas nghèo chứa 60% CH4, nhiệt trị thể tích của nhiên liệu QHV = 25.000 kJ/m³ thì mức độ tụt giảm cơng suất động cơ khoảng 20% so với khi chạy bằng xăng [44].
Jewell (1986) cho rằng khi chạy bằng biogas chứa 60% methane, cơng suất động cơ giảm từ 15-20%. Tương tự, khi chuyển động cơ chạy bằng khí thiên nhiên sang chạy bằng biogas, cơng suất giảm khoảng 5-20% so với khi chạy bằng khí thiên nhiên (Clark 1985) [7].
Khi động cơ nhiên liệu kép làm việc ở tốc độ thấp, hiệu suất của nĩ tương đương với hiệu suất động cơ diesel. Ở tốc độ cao, hiệu suất động cơ giảm. Do tốc độ màng lửa biogas thấp nên gĩc đánh lửa sớm của động cơ nhiên liệu kép cần phải được nâng lên từ φs=19 lên φs=23 trước ĐCT (tương ứng với việc tăng gĩc phun sớm). Persson (1981) kết luận gĩc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ nhiên liệu kép là 24 trước ĐCT [49]. Tương tự như động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/xăng, để động cơ cĩ thể hoạt động bình thường với nhiên liệu diesel, khơng cho phép cải tạo làm tăng gĩc đánh lửa sớm (tăng gĩc phun sớm) trong trường hợp này.
Khi lượng diesel của ngọn lửa pilot cao, động cơ cĩ thể bị kích nổ làm tăng áp suất và nhiệt độ động cơ. Khi động cơ nhiên liệu kép làm việc với hỗn hợp methane- khơng khí nghèo, thành phần các chất ơ nhiễm trong khí thải giảm.
Một điểm lưu ý khác là do lắp thêm bộ tạo hỗn hợp biogas trên đường nạp, nên sẽ làm suy giảm đáng kể hệ số nạp của động cơ diesel, dẫn đến suy giảm cơng suất khi hoạt động hồn tồn với dầu diesel.
Do biogas cĩ chứa một tỉ lệ nhất định CO2 nên hỗn hợp biogas-khơng khí cĩ tốc độ cháy khá chậm nhưng lại cĩ khả năng chống kích nổ rất tốt. Vì vậy, tốc độ làm
việc thấp, tỉ số nén cao và kết cấu bền vững của động cơ diesel là ưu điểm chính khi chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas nghèo. Do đĩ, nếu khơng cĩ nhu cầu sử dụng lại động cơ diesel khi khơng dùng biogas thì phương án chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức là một ưu tiên lựa chọn hàng đầu.