- COOAB Màng
c. Chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bức
3.2. Một số vấn đề lư uý khi sử dụng nhiên liệu biogas cho động cơ đốt trong 1 Khoảng thời gian đốt cháy của methane
3.2.1. Khoảng thời gian đốt cháy của methane
Tốc độ lan tràn màng lửa của methane thấp hơn so với xăng. Thời gian cháy trễ của methane cũng lớn hơn. Vì vậy, giống như khí thiên nhiên, việc sử dụng nhiên liệu biogas cho các động cơ đánh lửa cưỡng bức cũng địi hỏi thời điểm đánh lửa sớm hơn. Thời gian đốt cháy dài cho thấy việc gia tăng thời điểm đánh lửa sớm đơn thuần sẽ khơng đáp ứng được với sự chuyển đổi thơng thường, bởi vì nhiệt độ trong xilanh ở các thời điểm sớm hơn trong quá trình nén sẽ thấp hơn. Các nhiệt độ thấp hơn này sẽ làm giảm sự phát triển sớm của màng lửa. Thời gian cháy dài hơn cĩ nghĩa là mức độ giải phĩng nhiệt lượng thấp hơn dẫn đến cơng suất chỉ thị sẽ thấp hơn. Thời gian cháy trễ dài ở trường hợp đốt cháy khí thiên nhiên và biogas là kết quả của giai đoạn thu nhiệt ban đầu mạnh. Sự hiện diện của CO2 trong biogas cũng là nguyên nhân gĩp phần làm giảm tốc độ màng lửa và tăng thời gian cháy trễ. Thực nghiệm của Karim cho thấy khi thành phần của CO2 trong biogas tăng lên sẽ cĩ sự gia tăng đáng kể về độ dài của thời gian quá trình cháy, giai đoạn cháy trễ, và theo đĩ giảm tỷ lệ nhiên liệu
được đốt cháy. Các gĩc thời điểm đánh lửa sớm cho cơng suất cực đại vốn cĩ giá trị nhỏ nhất ở các tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết, nhưng đối với biogas thời điểm này cần phải gia tăng hơn khi thành phần CO2 tăng. Điểm cơng suất cực đại dịch chuyển về bên hỗn hợp nhiên liệu nghèo khi thành phần CO2 trong hỗn hợp tăng lên. Nhiệt độ khí thải được nhận thấy cao hơn cũng chứng tỏ khoảng thời gian cháy gia tăng.
Vì vậy giảm thời gian đốt cháy biogas là một thơng số quan trọng cho việc cải thiện hiệu suất và cơng suất động cơ.
Các giải pháp khắc phục được nghiên cứu như:
Tăng gĩc đánh lửa sớm sử dụng nhiều nến đánh lửa, tăng năng lượng đánh lửa, đánh lửa cải tiến bằng laser
Tăng cường xốy lốc trong buồng cháy ....
3.2.2. Hiệu suất
Biogas cũng như khí thiên nhiên cĩ đặc tính chống kích nổ tốt. Biogas với thành phần gồm 64% CH4, 35% CO2 cĩ RON là 136, vì vậy thuận lợi cho tăng tỷ số nén để tăng hiệu suất động cơ (cĩ tăng đến 13). Lựa chọn tỷ số nén cho động cơ dùng biogas cần dựa trên thành phần của biogas sử dụng. Các thực nghiệm cho thấy sự sụt giảm cơng suất động cơ liên quan đến thành phần CO2 trong biogas cĩ thể được hạn chế bởi biện pháp gia tăng tỷ số nén. Việc sử dụng nhiên liệu biogas chứa 38% CO2 làm giảm cơng suất động cơ 20% so với sử dụng nhiên liệu xăng, nhưng khi tăng tỷ số nén lên 13 thì cơng suất động cơ chỉ giảm 10%. Hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng nhiên liệu biogas ở tỷ số nén 13 cao hơn so với khi sử dụng nhiên liệu xăng ở cùng tỷ số nén đĩ. Tuy nhiên ơ nhiễm NOx cũng cao hơn khi sử dụng nhiên liệu khí ở tỷ số nén cao. Vùng tỷ lệ hỗn hợp hoạt động thích hợp ở các tỷ số nén cao được đề nghị cho nhiên liệu biogas với thành phần CO2 cao là vùng gần với tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết.
Sử dụng tỷ số nén cao là biện pháp quan trọng để đạt được tính năng hoạt động tốt ở động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên và biogas. Tuy nhiên điều này dẫn đến ơ nhiễm NOx cao hơn, các giới hạn được mở rộng đối với hoạt động cháy nghèo được nhận thấy ở động cơ hoạt động với nhiên liệu khí là yếu tố chủ yếu để giảm các phát sinh ơ nhiễm này. Từ đĩ cho thấy vấn đề mấu chốt là phải thiết lập sự cân bằng giữa độ phát sinh ơ nhiễm, cơng suất và hiệu suất động cơ.
3.2.3. Vấn đề giảm ơ nhiễm
sinh ơ nhiễm NOx cao. Sự giải phĩng nhiệt lượng nhanh hơn làm gia tăng nhanh nhiệt độ quá trình cháy dẫn đến gia tăng phát sinh ơ nhiễm NOx. Việc giảm ơ nhiễm từ các động cơ dùng nhiên liệu khí cĩ thể thực hiện với chế độ hoạt động ở tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết kết hợp với bộ xúc tác xử lý ơ nhiễm ba chức năng; sử dụng các hệ thống đốt cháy hỗn hợp nghèo; đánh lửa trễ; và hồi lưu khí thải.
So với biện pháp hồi lưu khí thải, việc sử dụng hệ thống đốt cháy hỗn hợp nghèo là biện pháp tốt hơn để đạt được sự thỏa mãn đồng thời giữa tính năng hoạt động và ơ nhiễm của động cơ. Một hệ thống đốt cháy hỗn hợp nghèo khơng chỉ làm giảm ơ nhiễm NOx mà cịn giảm suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Cĩ hai phương pháp để hình thành các hệ thống đốt cháy hỗn hợp nghèo:
+ Các hệ thống buồng cháy đốt cháy trước (Hình 2.2.12):
Hệ thống dựa trên ý tưởng phân lớp hỗn hợp, trong đĩ một phần nhỏ hỗn hợp được hình thành với tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu gần với tỷ lệ lý thuyết nhằm cho phép quá trình cháy bắt đầu được thuận lợi. Phần cịn lại của hỗn hợp nhiên liệu cĩ tỷ lệ rất nghèo để giới hạn nhiệt độ quá trình cháy từ đĩ làm hạn chế phát sinh NOx. Hỗn hợp nhiên liệu giàu chứa trong buồng cháy trước sẽ dễ dàng được đốt cháy và khuếch tán một nguồn năng lượng cao cho việc đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu nghèo ở buồng cháy chính. Tuy nhiên hệ thống này cĩ một số hạn chế như kết cấu phức tạp, lỗ thơng giữa buồng cháy trước và buồng cháy chính dễ bị ăn mịn; yêu cầu điều khiển phức tạp nhất là ở chế độ khởi động và việc chuyển đổi các chế độ tải; việc thiết kế hệ thống cho sự hoạt động thích hợp ở một phạm vi rộng các chế độ tốc độ và tải của động cơ cũng rất khĩ khăn.
+ Các hệ thống buồng cháy mở (Hình 2.2.13):
Các hệ thống này tương đối đơn giản hơn, chúng giảm thiểu các yêu cầu thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu khí. Kết cấu buồng cháy loại này thường ở dạng hốc lõm được bố trí ở đầu pittơng. Hốc lõm thẳng gĩc với trục xilanh để tạo xốy lốc và đặt trục của buồng cháy dọc theo trục của xupap thải, từ đĩ giảm thời gian truyền nhiệt từ xupap thải đến hỗn hợp khí chữa cháy (hạn chế nhiệt độ xupap thải tăng cao) và ngăn ngừa sự tự cháy. Hạn chế của hệ thống này là sự ổn định của quá trình cháy kém hơn, phát sinh ơ nhiễm CO cao hơn so với hệ thống buồng cháy trước.
Hình 2. 13Một dạng hệ thống buồng cháy trước