a- Bugi kiểu điện cực [54]; b- Bugi kiểu laser [28]
Koji Yamanaka, Yosuke Shiraga, và Shunsaku Nakai (2011) đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của bugi tích hợp buồng cháy phụ (PC plug) với các yếu tố như vị trí đánh lửa, thể tích buồng cháy phụ, đường kính các lỗ nối thơng buồng cháy phụ với buồng cháy chính đến q trình cháy để làm định hướng trong thiết kế loại bugi này. Bằng cách quan sát trực tiếp các bức ảnh chụp quá trình cháy cho thấy lượng khí sĩt cịn lại trong buồng cháy phụ ảnh hưởng mạnh đến quá trình cháy. Khi dịch chuyển điểm đánh lửa về phía trước thì mức độ ảnh hưởng này giảm đi đáng kể. Kết quả thử nghiệm trên động cơ một xi lanh tăng áp cĩ đường kính xi lanh là 140mm cho thấy việc dùng bugi tích hợp buồng cháy phụ giúp cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt trong khi vẫn giữ mức phát thải NOx tương đương so với khi sử dụng bugi thơng thường [65].
Frank C. Loccisano (2011) đã tiến hành nghiên cứu mơ phỏng và thực nghiệm quá trình cháy của động cơ Caterpillar G3516C sử dụng khí thiên nhiên đánh lửa cưỡng bức với các trường hợp: dùng bugi loại điện cực cĩ buồng cháy phụ, dùng bugi đánh lửa laser, dùng bugi đánh lửa laser cĩ sẵn buồng cháy phụ [53].
Hiện nay, tương tự như các động cơ đánh lưỡng cưỡng bức khác, các động cơ chạy khí thiên nhiên sử dụng các bugi truyền thống. Tuy nhiên, để gia tăng hiệu suất và giảm độ phát thải NOx, động cơ cần hoạt động ở những mức áp suất chỉ thị trung bình cao hơn và với hỗn hợp nghèo [53]. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, nhiệt độ màng lửa sẽ thấp hơn do vậy sẽ giảm được NOx [45]. Tuy vậy, khi đĩ động cơ dễ xảy ra hiện tượng bỏ lửa (misfire) và suy giảm cơng suất nếu quá trình đánh lửa khơng đảm bảo (chẳng hạn như khi hỗn hợp khơng khí nhiên liệu khơng đồng nhất) [54]. Vì vậy, vấn đề mấu chốt đảm bảo động cơ sử dụng nhiên liệu khí hoạt động tốt trong điều kiện hỗn hợp nghèo (và áp suất chỉ thị trung bình cao) là chất lượng hệ thống đánh lửa [21], [60]. Trong hệ thống đánh lửa dùng điện cực truyền thống, yêu cầu điện áp cung cấp giữa các điện cực tăng khi áp suất chỉ thị trung bình tăng [21]. Điện áp cao dẫn đến tăng khả năng ăn mịn các điện cực làm tăng khe hở giữa chúng. Nghiên cứu của Herdin cho thấy tuổi thọ của hệ thống đánh lửa giảm đi 50% nếu áp suất chỉ thị trung bình động cơ tăng từ 17 lên 24bar [14]. Rõ ràng, các hệ thống đánh lửa điện cực truyền thống khơng thích hợp với các thế hệ động cơ yêu cầu cĩ độ phát thải ơ nhiễm thấp và cĩ áp suất chỉ thị trung bình cao hiện nay [53].
Ngược lại, đánh lửa laser trở nên dễ dàng hơn khi áp suất trong xi lanh tăng [20], đảm bảo khả năng đánh lửa với hỗn hợp nhiên liệu khơng khí nghèo hơn so với khi động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa dùng điện cực thơng thường [39]. Đồng thời tránh được hiện tượng lửa yếu do rị điện và cĩ thể bố trí tâm lửa laser ở các vị trí tối ưu bên trong buồng cháy.
Trong khu vực Đơng Nam Á, Thái Lan là nước đi đầu trong việc chuyển đổi các động cơ tĩnh tại diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện dùng tại các trang trại chăn nuơi cĩ trữ lượng biogas dồi dào.
Nhĩm nghiên cứu ở đại học Chiang Mai - Thái Lan (2007) đã tiến hành chuyển đổi động cơ diesel tăng áp Hino K-13CTI 13dm3 thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện. Tỉ số nén động cơ được giảm từ =16 xuống =8. Khi hoạt động ở tốc độ 1.500v/ph, hiệu suất tối ưu của động cơ đạt 28,6% ứng với hệ số
dư lượng khơng khí =1,097, gĩc đánh lửa sớm 54o trước ĐCT, áp suất tăng áp là 56kPa. Cơng suất nhận được ở đầu ra máy phát điện là 134kW, độ phát thải CO và NOx tương ứng là 1.154ppm và 896ppm [55].
Như phần trên đã trình bày, các động cơ chuyên dùng biogas sản xuất ở nước ngồi rất đắt tiền. Những động cơ biogas đơn giản, cỡ nhỏ thì làm việc khơng tin cậy và khơng phù hợp với nguồn biogas đa dạng ở nước ta. Do những tồn tại trên đây nên động cơ biogas cho đến nay chưa được ứng dụng một cách rộng rãi trong thực tế tại Việt Nam.
Cơng nghệ GATEC của giáo sư Bùi Văn Ga tại Đại học Đà Nẵng đã khắc phục được các nhược điểm nêu trên của động cơ biogas cĩ mặt trên thị trường trong nước. Ngồi ra các bộ phụ kiện vạn năng của GATEC cịn cho phép chuyển đổi nhiên liệu biogas/nhiên liệu lỏng cho hầu hết các chủng loại động cơ đốt trong tĩnh tại hiện đang được sử dụng phổ biến (xăng, diesel, 1 xi lanh, nhiều xi lanh, tăng áp, khơng tăng áp,...), cĩ phạm vi thay đổi cơng suất rất rộng từ một vài kW đến hàng trăm kW [6],[8],[9],[10],[12].
Cơng nghệ GATEC chuyển đổi các động cơ truyền thống sang sử dụng biogas cĩ những đặc điểm sau:
- Mang tính vạn năng cao, cĩ thể áp dụng cho hầu hết các động cơ đang được sử dụng phổ biến với phạm vi thay đổi cơng suất rộng.
- Khi chuyển đổi động cơ sang chạy bằng biogas, động cơ vẫn cĩ thể sử dụng lại xăng, dầu diesel như trước khi chuyển đổi.
- Các bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu cho động cơ sang chạy bằng biogas cĩ độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện sử dụng ở vùng nơng thơn.
Tuy vậy, cơng nghệ chuyển đổi GATEC hiện nay cũng chỉ mới tập trung vào chuyển đổi động cơ xăng thành động cơ lưỡng nhiên liệu xăng/biogas và động cơ diesel thành động cơ nhiên liệu kép. Do đĩ, cần thiết phải tiến hành thêm các nghiên cứu thử nghiệm chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức.
1.5. Hiệu quả bảo vệ mơi trường do sử dụng biogas làm nhiên liệu
a.
b.