Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas diesel trên cơ sở động cơ diesel một xy lanh tĩnh tại

Lê Minh Tiến
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Đà Nẵng - Năm 2013
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU
BIOGAS/DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ
MỘT XI LANH TĨNH TẠI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Lê Minh Tiến
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Đà Nẵng - Năm 2013
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
Mã số: 62 52 34 01
Người hướng dẫn khoa học I: PGS.TS. Trần Văn Nam
Người hướng dẫn khoa học II: GS.TSKH. Bùi Văn Ga
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU
BIOGAS/DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ
MỘT XI LANH TĨNH TẠI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
- 3 -

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả


Lê Minh Tiến















- 4 -

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN - 3 -
MỤC LỤC - 4 -
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - 8 -
1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH: - 8 -
2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP: - 8 -
3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT: - 9 -

DANH MỤC CÁC BẢNG - 10 -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - 11 -
MỞ ĐẦU 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2
3. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 2
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 3
6. CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN 3
7. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN 4
Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 5
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG 5
1.1.1. Nhiên liệu hóa thạch và sự bùng nổ khí hậu 5
1.1.2. Nhiên liệu thay thế có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời 9
1.2. NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 10
1.2.1. Tính chất biogas 10
1.2.2. Yêu cầu chất lượng biogas để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 12
1.2.3. Công nghệ lọc tạp chất trong biogas tại Việt Nam [4] 14
1.2.4. Chỉ số mêtan của biogas 16
1.3. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 16
1.3.1. Nghiên cứu và ứng dụng biogas trên thế giới 16
1.3.2. Nghiên cứu và ứng dụng biogas tại Việt Nam 21
1.4. NHU CẦU ĐỘNG CƠ BIOGAS CỠ NHỎ TẠI VIỆT NAM 25
1.4.1. Nhu cầu công suất kéo máy phát điện và máy công tác 25
- 5 -

1.4.2. Đặc điểm của công nghệ hai nhiên liệu biogas/diesel Gatec-20 27
1.4.3. Lựa chọn động cơ nghiên cứu phát triển phù hợp 28
1.5. KẾT LUẬN 29
Chương 2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH

ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL 31
2.1. CÁC GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI 31
2.1.1. Giải pháp động cơ đánh lửa cưỡng bức 31
2.1.2. Giải pháp động cơ nhiên liệu kép 32
2.2. TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIOGAS 33
2.2.1. Động cơ sử dụng biogas đánh lửa cưỡng bức 33
2.2.2. Động cơ nhiên liệu kép 37
2.3. CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU
BIOGAS/DIESEL 38
2.3.1. Phạm vi sử dụng của động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel 38
2.3.2. Yêu cầu thiết kế chuyển đổi 38
2.3.3. Xác định phương án nghiên cứu tính toán thiết kế 39
2.4. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 45
2.4.1. Thông số động cơ 45
2.4.2. Kích thước 46
2.4.3. Đặc tính động cơ 47
2.5. KẾT LUẬN 47
Chương 3 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KÉP
BIOGAS/DIESEL 49
3.1. LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KHÍ 49
3.1.1. Lý thuyết cháy của hỗn hợp không hòa trộn trước 50
3.1.2. Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước 58
3.1.3. Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ 64
3.2. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY 70
3.2.1. Thiết lập mô hình tính toán trong Ansys® Fluent 70
3.2.2. Đánh giá quá trình cháy nhiên liệu kép 73
3.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến tính năng động cơ hai
nhiên liệu biogas/diesel 75
3.3. KẾT LUẬN 87
Chương 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL

- 6 -

VIKYNO EV2600-NB-BIO TRÊN CƠ SỞ MẪU ĐỘNG CƠ VIKYNO EV2600-NB
89
4.1. THIẾT KẾ BỘ TẠO HỖN HỢP 89
4.1.1. Tính toán thành phần hỗn hợp qua bộ tạo hỗn hợp 89
4.1.2. Tính toán các thông số của bộ tạo hỗn hợp 90
4.1.3. Thiết kế bộ tạo hỗn hợp 93
4.1.4. Tính toán mô phỏng bằng phần mềm Ansys® Fluent 93
4.1.5. Các thông số chọn và kết quả tính toán điều kiện biên 95
4.1.6. Kết quả tính toán: Trường áp suất, thành phần CH
4
, O
2
, vector tốc độ 98
4.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS 108
4.2.1. Đặc điểm 108
4.2.2. Xác định phương án lắp đặt bộ điều tốc biogas lên cơ cấu chuyển động
quay sẵn có trên động cơ 108
4.2.3. Định vị cơ cấu điều tốc lên trục cân bằng trên 109
4.2.4. Đo xác định kích thước nắp máy 111
4.2.5. Thiết kế nắp máy và các cơ cấu điều khiển 112
4.2.6. Tính toán bộ điều tốc biogas 113
4.2.7. Chế tạo lắp đặt nắp máy, càng điều khiển và cơ cấu điều tốc 119
4.3. KẾT LUẬN 121
Chương 5 THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ 122
5.1. THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ 122
5.1.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 122
5.1.2. Các phương án lắp đặt động cơ biogas lên băng thử công suất 123
5.1.3. Vít hạn chế lượng phun tối thiểu 124

5.1.4. Các thiết bị phục vụ thực nghiệm chính 125
5.1.5. Bảng thông số thiết bị 127
5.1.6. Các bước tiến hành thực nghiệm 128
5.1.7. Đo đạc tính năng của động cơ tại nguồn khí 128
5.2. SO SÁNH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 132
5.2.1. Phạm vi so sánh 132
5.2.2. So sánh ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp 133
5.2.3. So sánh ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến đường đặc tính ngoài
động cơ 135
- 7 -

5.3. KẾT LUẬN 137
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 139
1. KẾT LUẬN 140
2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 143
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 144
TÀI LIỆU THAM KHẢO 145

- 8 -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH:
- V
h

[m
3
]
Dung tích xi lanh
- V
c

[m
3
]
Thể tích buồng cháy
- S
[m]
Hành trình piston
- D

[m]
Đường kính xi lanh
- n
[vòng/phút]
Số vòng quay
- d
b

[m]
Đường kính buồng hỗn hợp
- d
h

[m]
Đường kính họng
- a
n


Hệ số dao động của dòng chảy
- v
tb

[m]
Tốc độ trung bình của dòng khí
- l
b

[m]
Chiều dài buồng hỗn hợp

-

p
h

[Pa]
Độ chân không tại họng
- i

Số xi lanh
- W
i

[J]
Công chỉ thị
- f

Hệ số thành phần hỗn hợp
- f
fuel


Thành phần nhiên liệu trong hỗn hợp
- f
sec


Thành phần nhiên liệu thứ cấp trong hỗn hợp
- f
ox

Thành phần chất oxy hóa trong hỗn hợp
- p
sec


Giá trị tương đối của thành phần hỗn hợp thứ cấp
- S
m


Đại lượng nguồn chỉ do truyền chất từ các hạt nhiên
liệu lỏng hay các hạt phản ứng vào pha khí
- S
user


Đại lượng nguồn do người sử dụng định nghĩa

2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP:
-

:
[độ]
Góc quay trục khủy
-

s
:

[độ]
Góc đánh lửa sớm (góc phun diesel mồi)
-



Tỉ số nén
- 9 -

-



Số kỳ
-

h


Hệ số lưu lượng của họng
-

biogas

[kg/m
3
]
Khối lượng riêng của biogas
-


air

[kg/m
3
]
Khối lượng riêng của không khí
- λ

Hệ số dư lượng không khí
-



Hệ số tương đương
-

v


Hệ số nạp

3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
- C
Carbon
- ĐCT:
Điểm chết trên
- SVEAM:
CÔNG TY TNHH MTV ĐỘNG CƠ VÀ MÁY NÔNG
NGHIỆP MIỀN NAM
- TBN

Chỉ số kiềm tổng (Total Base Number)
- MN
Chỉ số mêtan (Methane Number)












- 10 -

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần trung bình các thành phần của biogas [74] 11
Bảng 1.2: Sản lượng CH
4
theo lý thuyết [74] 12
Bảng 1.3: Sản lượng CH
4
với nguồn nguyên liệu khác nhau [74] 12
Bảng 1.4: Thời gian sử dụng động cơ biogas theo số lượng lợn và công suất động cơ
25
Bảng 2.1: Thông số động cơ Vikyno EV2600-NB 46
Bảng 2.2: Kích thước và thông số cơ bản của động cơ Vikyno EV2600-NB 47
Bảng 3.1: Giá trị của các hệ số của phương trình (3.42) 67

Bảng 3.2: Giá trị các hệ số của phương trình (3.44) 68
Bảng 3.3: Tương quan giữa f và ϕ (biogas chứa 60% thể tích CH
4
) 77
Bảng 4.1: Hệ số dao động của dòng chảy 91
Bảng 4.2: Các thống số chọn và kết quả tính toán khối lượng hỗn hợp giả định 95
Bảng 4.3: Kết quả tính toán áp suất chân không trung bình theo tốc độ động cơ 96
Bảng 4.4: Bảng thông số chọn và kết quả tính lượng phun mồi 96
Bảng 4.5: Lượng không khí cần để đốt kiệt lượng diesel mồi theo tốc độ động cơ . 96
Bảng 4.6: Thông số chọn để tính công suất động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel dựa
trên khả năng cung cấp của bộ hòa trộn 96
Bảng 4.7: Thông số nhiên liệu biogas với các thành phần khác nhau 97
Bảng 4.8: Quan hệ góc mở và % độ mở bướm ga 97
Bảng 4.9: Vị trí bướm ga để ϕ=1 khi n=1000 vòng/phút 105
Bảng 4.10: Vị trí bướm ga để ϕ=1 khi n=2200 vòng/phút 105
Bảng 4.11: Các thông số đo được của bộ điều tốc biogas. 114
Bảng 4.12: Chiều dài càng bướm ga theo từng loại nhiên liệu 116
Bảng 4.13: Tốc độ làm việc của động cơ theo biến dạng ban đầu của lò xo điều tốc.
116
Bảng 5.1: Thông số các thiết bị thí nghiệm 127
Bảng 5.2: Bảng nội dung thực nghiệm 128




- 11 -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Con người khai thác nhiên liệu hóa thạch 5
Hình 1.2: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và nồng độ CO

2
trong 1000 năm gần đây 6
Hình 1.3: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và nồng độ CO
2
trong 100 năm gần đây 6
Hình 1.4: Biến thiên nhiệt độ trung bình thực tế trên mặt đất a: Mô hình có xem xét
yếu tố do hoạt động của con người b: Mô hình không xem xét yếu tố do hoạt động
của con người 6
Hình 1.5: Dòng nước luân chuyển trong đại dương 7
Hình 1.6: Sự gia tăng mực nước biển theo các kịch bản khác nhau và các yếu tố làm
tăng mực nước biển 7
Hình 1.7: Bản đồ ngập mặn do nước biển dâng ở Việt Nam 8
Hình 1.8: Nồng độ CO
2
trong bầu khí quyển theo các kịch bản phát thải khác nhau 8
Hình 1.9: Sơ đồ trung hòa Carbon của nhiên liệu biogas 11
Hình 1.10: Yêu cầu lọc biogas đối với các phương tiện sử dụng khác nhau 14
Hình 1.11: Các phương án lọc H
2
S 15
Hình 1.12: Hiệu quả lọc hấp phụ H
2
S bằng các vật liệu lọc khác nhau 15
Hình 1.13: Động cơ biogas kéo máy phát điện và xay xát 22
Hình 1.14: Giá thành và tiết kiệm khi sử dụng động cơ biogas [13]. 26
Hình 1.15: Bộ Gatec-20 27
Hình 1.16: Động cơ RV70 kéo máy phát 3KVA lắp bộ Gatec-20 27
Hình 2.1: Giới hạn cháy của hỗn hợp với thành phần CH
4
và CO

2
khác nhau [44] . 33
Hình 2.2: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến tính năng động cơ [67] 34
Hình 2.3: Ảnh hưởng của CO
2
đến nhiệt độ ngọn lửa [44] 34
Hình 2.4: Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến công suất, nhiên liệu: 100% mêtan
[56] 35
Hình 2.5: Góc đánh lửa sớm tối ưu [67] 35
Hình 2.6: Ảnh hưởng của thành phần mêtan trong biogas đến tính năng động cơ. Tỉ
số nén =15:1 36
Hình 2.7: Bộ tạo hỗn hợp kiểu Venturi 40
Hình 2.8: Nguyên lý cấp biogas và điều chỉnh lượng phun mồi 41
Hình 2.9: Chế độ làm việc của động cơ gắn điều tốc 44
Hình 2.10: Nguyên lý cấp biogas tự động bằng điều tốc ly tâm. 45
Hình 2.11: Kích thước cơ bản của động cơ Vikyno EV2600-NB 46
Hình 2.12: Các đặc tính động cơ Vikyno EV2600-NB cho bởi nhà sản xuất. 47
Hình 3.1: Quan hệ giữa f
fuel
, f
sec
và f
ox
51
- 12 -

Hình 3.2: Quan hệ giữa f
fuel
, f
sec

và p
sec
51
Hình 3.3: Biểu diễn đồ thị hàm mật độ xác suất p(f) 55
Hình 3.4: Ví dụ hàm pdf delta kép 57
Hình 3.5: Sự phụ thuộc logic của các đại lượng trung bình

vào , và mô
hình hóa học (hệ thống đoạn nhiệt, một thành phần hỗn hợp). 58
Hình 3.6: Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy CH
4
theo  ở nhiệt độ
400K [50] 66
Hình 3.7: Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy theo nhiệt độ ở =1 [50]
66
Hình 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH
4
/không
khí bị làm bẩn ở p=3,5atm và =1 [28] 68
Hình 3.9: Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH
4
/không
khí bị làm bẩn ở T=350K và =1 [28] 69
Hình 3.10: Kết quả thực nghiệm biến thiên tốc độ cháy chảy tầng theo tỉ lệ các chất
khí làm bẩn hỗn hợp khác nhau (Ngọn lửa CH
4
/không khí, p = 0.1 MPa, T = 393 K,
= 1) [36] 69
Hình 3.11: Ảnh hưởng của CO
2

đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH
4
/không
khí ở 1bar và 298K [69] 70
Hình 3.12: Kích thước chi tiết và hình dạng mô hình tính toán 71
Hình 3.13: Chia lưới 72
Hình 3.14: Biến thiên của trường nồng độ CH
4
, trường nhiệt độ và trường tốc độ hỗn
hợp trong buồng cháy (ứng với M6C4; n=1400 v/ph; 
s
=30 độ; f=0,14; Vf=2) 74
Hình 3.15: Biến thiên của trường nồng độ CH
4
, trường nhiệt độ và trường tốc độ hỗn
hợp trong buồng cháy (ứng với M8C2; n=1400 v/ph; 
s
=30 độ; f=0,088; Vf=2) 75
Hình 3.16: Áp suất chỉ thị ứng với 
s
: 20, 30, 40, 50 (độ);M7C3;n=2000 v/ph 75
Hình 3.17: Áp suất chỉ thị ứng với 
ps
: 20, 30, 40, 50 (độ); M7C3;n=2000 v/ph 76
Hình 3.18: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công chỉ thị/chu trình Wi(J)
(n=2200 v/ph, M7C3) 76
Hình 3.19: Biến thiên nồng độ O
2
(M6C4; n=2000 v/ph; 
s

=40 độ) 77
Hình 3.20: Biến thiên nồng độ CH
4
(M6C4; n=2000 v/ph; 
s
= 40 độ) 77
Hình 3.21: Biến thiên nhiệt độ trung bình môi chất (K) (n=2000 v/ph; 
s
=40 độ;
M6C4) 78
Hình 3.22: Áp suất chỉ thị theo dung tích xi lanh (M6C4; 
s
= 40 (độ); n=2000 v/ph)
78
Hình 3.23: Áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu (M6C4; 
s
= 40 (độ); n=2000
v/ph) 79
Hình 3.24: Công chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp (M6C4, n=2000 v/ph; 
s
= 40 độ) 79
i

f
2
'f
- 13 -

Hình 3.25: Diễn biến quá trình cháy tại vị trí  =339 độ 80
Hình 3.26: Diễn biến quá trình cháy tại vị trí  =357 độ 80

Hình 3.27: Áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu (M6C4;
s
= 30 độ; ϕ=1) 81
Hình 3.28: Áp suất chỉ thị của động cơ theo dung tích xi lanh ứng với M6C4;
s
= 30
(độ);ϕ=1 81
Hình 3.29: Wi=f(n); n=2000v/ph; 
s
==30 độ; ϕ=1; M6C4 82
Hình 3.30: Pi=f(n); n=2000v/ph; 
s
==30 độ; ϕ=1; M6C4 82
Hình 3.31: Diễn biến nồng độ CH
4
theo  n=800 v/ph; 
s
= 30 độ; ϕ=1 83
Hình 3.32: Diễn biến nồng độ CH
4
theo  n=1400 v/ph; 
s
= 30 độ; ϕ=1 83
Hình 3.33: Nhiệt độ trung bình môi chất theo ; n=800 v/ph; 
s
= 30 độ; ϕ=1 84
Hình 3.34: Nhiệt độ trung bình môi chất theo ; n=1400 v/ph; 
s
= 30 độ; ϕ=1 84
Hình 3.35: Áp suất chỉ thị chu trình theo  ứng với n=800 v/ph; 

s
= 30 độ; ϕ=1 85
Hình 3.36: Áp suất chỉ thị chu trình theo  ứng với n=1400 v/ph; 
s
= 30 độ; ϕ=1 . 85
Hình 3.37: Áp suất chỉ thị chu trình theo V
h
ứng với n=800 v/ph; 
s
= 30 độ; ϕ=1 . 85
Hình 3.38: Áp suất chỉ thị chu trình theo V
h
ứng với n=1400 v/ph; 
s
= 30 độ; ϕ=1 86
Hình 3.39: Biến thiên công chỉ thị theo tốc độ động cơ;
s
= 30 độ; ϕ=1 86
Hình 3.40: Biến thiên công suất chỉ thị theo tốc độ động cơ 
s
= 30 độ; ϕ=1 87
Hình 4.1: Bộ tạo hỗn hợp biogas không khí 93
Hình 4.2: Dòng chảy trong bộ tạo hỗn hợp sử dụng để mô phỏng. 94
Hình 4.3: Chia lưới dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp 94
Hình 4.4: Đặc tính lưu lượng theo độ mở bướm ga 97
Hình 4.5: Trường áp suất tĩnh (M6C4, bướm ga 87%) 98
Hình 4.6: Trường hàm lượng CH
4
(M6C4, bướm ga 87%) 98
Hình 4.7: Trường hàm lượng CO

2
(M6C4, bướm ga 87%) 98
Hình 4.8: Trường hàm lượng O
2
(M6C4, bướm ga 87%) 99
Hình 4.9: Trường tốc độ (M6C4, bướm ga 87%) 99
Hình 4.10: Biên thiên độ đậm đặc ϕ theo tốc độ động cơ n ứng với nhiên liệu biogas
chứa thành phần CH
4
khác nhau. 100
Hình 4.11: Biến thiên ϕ=f(n) ứng vớ M6C4, bướm ga ở vị trí 30 độ. 100
Hình 4.12: Thay đổi độ đậm đặc của hỗn hợp theo tốc độ động cơ (Bướm ga ở vị trí
50 độ, tiết diện lưu thông 19%) 101
Hình 4.13: Biến thiên ϕ=f(n) ứng với M7C3, bướm ga ở vị trí 30 độ 101
Hình 4.14: Thay đổi độ đậm đặc của hỗn hợp theo tốc độ động cơ ở các vị trí bướm
ga khác nhau của nhiên liệu M5C5 102
Hình 4.15: Thay đổi độ đậm đặc của hỗn hợp theo tốc độ động cơ ở các vị trí bướm
ga khác nhau của nhiên liệu M9C1 102
- 14 -

Hình 4.16: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo độ mở bướm ga của các nhiên liệu khác
nhau tại giá trị tốc độ n=1000 vòng/phút 103
Hình 4.17: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo tốc độ động cơ của các nhiên liệu khác nhau
xuất phát từ giá trị ban đầu ϕ=1 tại n=1000 vòng/phút 103
Hình 4.18: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo độ mở bướm ga của các nhiên liệu khác
nhau tại giá trị tốc độ n=2200 vòng/phút 104
Hình 4.19: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo tốc độ động cơ của các nhiên liệu khác nhau
với giá trị ϕ=1 tại n = 2200 vòng/phút 105
Hình 4.20: Đặc tính ngoài động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel dựa trên khả năng
cung cấp của bộ bộ hòa trộn 106

Hình 4.21: Đặc tính cục bộ ứng với nhiên liệu M6C4 (ϕ=1, bướm ga mở 87%) 107
Hình 4.22: Đặc tính cục bộ ứng với nhiên liệu M8C2 (ϕ=1, bướm ga mở 56%) 107
Hình 4.23: Sơ đồ dẫn động của các bánh răng. Bánh răng 1,2: 24 răng; Bánh răng 3,4:
45 răng; Bánh răng 5: 48 răng. 108
Hình 4.24: Bộ con đội quả văng 109
Hình 4.25: Khoan lỗ dẫn hướng chốt điều tốc trên trục cân bằng trên 109
Hình 4.26: Đế gắn bộ con đội quả văng lên trục cân bằng trên. 110
Hình 4.27: Gắn bộ con đội quả văng lên chân đế. 110
Hình 4.28:Vị trí cơ cấu điều tốc diesel và biogas bên trong động cơ. 111
Hình 4.29: Đo kích kích thước của nắp máy 111
Hình 4.30: Kết quả đo kích thước nắp máy 112
Hình 4.31: Nắp máy mới có gắn các càng điều tốc. 112
Hình 4.32: Các vị trí điều khiển trên nắp máy mới: 113
Hình 4.33: Sơ đồ tính toán điều tốc điều chỉnh van tiết lưu biogas dạng bướm. 113
Hình 4.34: Đặc tính cân bằng điều tốc 117
Hình 4.35: Công suất động cơ theo độ mở bướm ga ở các tốc độ khác nhau (M6C4)
118
Hình 4.36: Hàn khung và các mặt xung quanh 119
Hình 4.37: Phay mặt lắp ghép với thân động cơ 119
Hình 4.38: Phay mặt lắp ghép bơm cao áp 119
Hình 4.39: Gắn các cơ cấu điều khiển của hai bộ điều tốc 120
Hình 4.40: Lắp đặt nắp máy lên động cơ 120
Hình 4.41: Cụm động cơ đã được chuyển đổi lắp đặt hoàn chỉnh 120
Hình 5.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 122
Hình 5.2: Thiết kế bệ máy di động lắp băng thử và động cơ. 123
Hình 5.3: Cụm động cơ-băng thử lắp đặt cố định trên nền bê tông. 124
Hình 5.4: Cụm động cơ-băng thử lắp đặt trên xe tải để có thể di động. 124
- 15 -

Hình 5.5: Vít hạn chế lượng phun diesel tối thiểu. 125

Hình 5.6: Băng thử thủy lực FROUDE DPX3 và cảm biến lực, cảm biến tốc độ 125
Hình 5.7: Card NI-6009. 126
Hình 5.8: Bố trí các cảm biến và điều khiển 126
Hình 5.9: Hệ thống lọc H
2
S và CO
2
. 127
Hình 5.10: Gas Data GFM 435 127
Hình 5.11: Đo suất tiêu hao nhiên liệu diesel 129
Hình 5.12: So sánh đường đặc tính ngoài động cơ 129
Hình 5.13: So sánh đặc tính ngoài của động cơ diesel và động cơ nhiên liệu kép sử
dụng nhiên liệu biogas có thành phần CH
4
thay đổi ở các chế độ tốc độ khác nhau
130
Hình 5.14: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến đường đặc tính động cơ nhiên liệu
kép (Biogas chứa 65% CH
4
) 131
Hình 5.15: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến đường đặc tính động cơ nhiên liệu
kép (Biogas chứa 91% CH
4
) 131
Hình 5.16: Ảnh hưởng của thành phần CH
4
trong biogas đến suất tiêu hao nhiên liệu
diesel của động cơ nhiên liệu kép (100% bướm ga) 132
Hình 5.17: Thay đổi hệ số ϕ bằng thực nghiệm 133
Hình 5.18: So sánh công suất cực đại (n=2000v/ph, 

s
=30 độ, M7C3) 135
Hình 5.19: So sánh công suất mô phỏng và thực nghiệm (M8C2) 136
Hình 5.20: So sánh công suất mô phỏng và thực nghiệm (M7C3) 137
Hình 5.21: So sánh công suất mô phỏng và thực nghiệm (M6C4) 137







1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã gây ô nhiễm nặng nề bầu khí quyển.
CO
2
, sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch là chất khí gây hiệu ứng nhà kính, thủ
phạm chính làm tăng nhiệt độ mặt đất dẫn đến tình trạng biến đổi khí hậu và mực
nước biển dâng, đe dọa cuộc sống của nhân loại. Mặt khác nguồn nhiên liệu hóa thạch
trong lòng đất có giới hạn. Sự khai thác cường độ cao trong những thập niên gần đây
đã làm cho nguồn năng lượng này cạn kiệt nhanh chóng. Sự gia tăng giá dầu mỏ trong
thời gian gần đây đã phản ảnh thực trạng này. Khả năng tìm thấy nguồn dầu mỏ lớn
có thể khai thác thương mại như trong quá khứ hầu như không còn hy vọng.
Một câu hỏi đặt ra là khi nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt thì loài người sẽ sử dụng
nguồn năng lượng nào để thay thế. Năng lượng hạt nhân từ lâu được xem là cứu cánh
nhưng những thảm họa hạt nhân ở Chernobyl năm 1986 và Fukushima năm 2011 đã
làm cho người ta đặt lại vấn đề. Nước Đức đã tuyên bố từ bỏ hoàn toàn năng lượng

hạt nhân vào năm 2022, nước Nhật cũng đang xem xét đóng cửa các nhà máy hạt
nhân từ sau thảm họa kép động đất-sóng thần-hạt nhân… chỉ còn nguồn năng lượng
tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời là có thể đảm bảo duy trì nền văn minh
nhân loại cho đến khi hệ Mặt trời biến mất!
Biogas là nguồn năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời nên việc
sử dụng nó không làm tăng nồng độ CO
2
trong khí quyển. Biogas đã và đang được phát
triển mạnh từ các nước đang phát triển đến các nước phát triển. Trong lĩnh vực động cơ
đốt trong, hiện nay một số quốc gia trên thế giới đã sản xuất và thương mại hóa các động
cơ biogas chuyên dụng. Tuy nhiên, các động cơ này thường có giá thành cao hơn rất
nhiều so với động cơ sử dụng xăng dầu truyền thống. Bên cạnh đó, nhiên liệu biogas sử
dụng cho những động cơ này phải thỏa mãn một số điều kiện như thành phần nhiên liệu,
áp suất cung cấp… và chỉ chạy được bằng biogas, không chạy được bằng nhiên liệu lỏng.
2

Mặc khác, những động cơ biogas đơn giản, cỡ nhỏ thì làm việc không tin cậy
và không phù hợp với nguồn biogas đa dạng. Do những tồn tại trên đây nên động cơ
biogas cho đến nay chưa được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Để thỏa mãn nhu cầu đa dạng của việc ứng dụng biogas trên động cơ đốt trong,
giải pháp công nghệ chuyển đổi động cơ truyền thống sang sử dụng biogas cần thỏa
mãn các điều kiện sau: mang tính vạn năng cao; khi chuyển đổi động cơ sang chạy
bằng biogas, bản chất quá trình công tác và kết cấu của các hệ thống động cơ nguyên
thủy không thay đổi, nghĩa là khi không chạy bằng biogas, động cơ có thể sử dụng
lại xăng, dầu như trước khi chuyển đổi; các bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu cho
động cơ sang chạy bằng biogas phải có độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành, giá thành
thấp, phù hợp với điều kiện sử dụng ở vùng nông thôn, trang trại
Vì vậy việc nghiên cứu một cách cơ bản, thiết kế một động cơ sử dụng biogas để
chế tạo hoàn thiện cung cấp cho thị trường để người sử dụng có thể mua về và sử dụng
được ngay với chi phí hợp lý và độ tin cậy của thiết bị cao là nhu cầu cấp thiết. Do vậy

“Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel trên cơ
sở động cơ diesel một xi lanh tĩnh tại” là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi động cơ diesel nguyên thủy thành động cơ hai
nhiên liệu biogas-diesel mẫu, compact, có thể áp dụng được trong thực tiễn. Động cơ
này có thể chạy bằng biogas theo phương thức nhiên liệu kép, đánh lửa bằng tia phun
mồi diesel; hoặc chạy bằng diesel như thiết kế truyền thống. Công nghệ chuyển đổi
động cơ này có thể được áp dụng trên nhiều chủng loại động cơ khác để tạo ra sản
phẩm công nghiệp mới, góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường.
3. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
Đề tài tập trung nghiên cứu nâng cấp thiết kế động cơ diesel Vikyno
EV2600-NB thành động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel với các nội dung chính:
- Nghiên cứu quá trình cháy hai nhiên liệu biogas/diesel;
- Nghiên cứu chế tạo bộ tạo hỗn hợp biogas/không khí;
3

- Tính toán bộ điều tốc bổ sung để điều chỉnh bộ tạo hỗn hợp một cách tự động.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa và thực nghiệm để xác định
các thông số tối ưu của hệ thống thiết kế bổ sung.
 Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa: nghiên cứu dòng chảy rối của hỗn hợp
biogas-không khí qua bộ tạo hỗn hợp và trong buồng cháy động cơ để xác lập đường
đặc tính bộ tạo hỗn hợp; nghiên cứu mô hình hóa quá trình cháy hỗn hợp biogas-không
khí được đánh lửa bằng tia phun mồi để dự đoán tính năng kinh tế-kỹ thuật của động
cơ ứng với các chế độ vận hành và thành phần nhiên liệu khác nhau. Kết quả mô hình
hóa giúp ta giảm bớt chi phí thực nghiệm.
 Nghiên cứu thực nghiệm: Đo đạc các tính năng động cơ trên băng thử công
suất khi chạy bằng diesel và khi chạy bằng biogas đánh lửa bằng tia phun mồi; nghiên
cứu thực nghiệm đường đặc tính điều tốc biogas; so sánh kết quả cho bởi mô hình
hóa và thực nghiệm.

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa và thực nghiệm chúng
ta nghiên cứu nâng cấp thiết kế động cơ diesel Vikyno EV2600-NB thành động cơ
compact hai nhiên liệu biogas/diesel.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
5.1. Ý NGHĨA KHOA HỌC
Đề tài đã góp phần nghiên cứu chuyên sâu về động cơ hai nhiên liệu sử dụng
biogas/diesel tại Việt Nam.
5.2. Ý NGHĨA THỰC TIỄN
Đề tài đã góp phần tạo ra một sản phẩm thiết thực, đáp ứng kịp thời nhu cầu
của đời sống kinh tế xã hội.
6. CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN
 MỞ ĐẦU
 Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
 Chương 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL
4

THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL
 Chương 3: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KÉP
BIOGAS/DIESEL
 Chương 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU
BIOGAS/DIESEL VIKYNO EV2600-NB-BIO
 Chương 5: THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ
 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
7. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu
biogas/diesel. Động cơ có thể sử dụng lại diesel khi cần thiết. Phương án này
rất phù hợp đối với những nơi có nguồn cung cấp biogas hạn chế;
- Mô hình hóa bộ tạo hỗn hợp cho động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel. Kết quả mô
hình cho thấy mức độ thay đổi của độ đậm đặc hỗn hợp theo tốc độ động cơ hay
theo thành phần biogas rất bé, không ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ;

- Khẳng định khả năng tính toán mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu kép
biogas/diesel dựa trên nền phần mềm động lực học lưu chất FLUENT với mô
hình rối k-ε tiêu chuẩn, mô hình cháy Partially Premixed, mô hình tia phun
mồi có thể chọn gần đúng theo dạng hình trụ với năng lượng đánh lửa bằng
năng lượng do tia phun diesel cung cấp.
- Công suất động cơ nhiên liệu kép có thể lớn hơn công suất của động cơ này
khi chạy hoàn toàn bằng diesel. Do đó ở chế độ tốc độ định mức của động cơ
nhiên liệu kép, có thể sử dụng biogas nghèo, không cần lọc CO
2
, mà vẫn đảm
bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi chuyển đổi;
- Góc phun sớm tăng khi hàm lượng CH
4
trong nhiên liệu giảm hay khi tốc độ
động cơ tăng. Đối với biogas giàu, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm
theo thành phần CH
4
trong nhiên liệu;
- Thiết kế chuyển đổi động cơ diesel VIKYNO EV2600-NB thành động cơ lưỡng
nhiên liệu biogas-diesel với bộ điều tốc biogas được lắp bên trong động cơ và
nắp máy được cải tạo phù hợp.
5

Chương 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG
1.1.1. Nhiên liệu hóa thạch và sự bùng nổ khí hậu
Sự gia tăng nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong môi trường là
nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ bầu
khí quyển gây ra hiện tượng ấm dần lên

toàn cầu. Không có ai còn nghi ngờ thủ
phạm chính là CO
2
, chất khí gây hiệu ứng
nhà kính từ sản phẩm cháy của nhiên liệu
hóa thạch [25], [38], [70]. Ngay từ khi
quả đất hình thành, bầu khí quyển có
chứa một hàm lượng C cố định. Sau hàng
tỷ năm biến đổi, một bộ phận C bị chôn
lấp trong lòng đất dưới dạng nhiên liệu
hóa thạch. Hàm lượng C trong bầu khí
quyển giảm xuống mức của thời kỳ tiền
công nghiệp. Khi loài người khai thác
nhiên liệu hóa thạch ra sử dụng thì C
được giải phóng lại bầu khí quyển dưới dạng CO
2
. Do CO
2
không quay lại vào lòng
đất được nên hàm lượng C trong bầu khí quyển gia tăng. Về mặt lý thuyết, nếu toàn
bộ nhiên liệu hóa thạch được khai thác ra sử dụng hết thì nồng độ C trong bầu khí
quyển sẽ đạt ở mức cao như khi quả đất được hình thành.
Thống kê nhiệt độ môi trường trong 1000 năm trở lại đây cho thấy nhiệt độ bầu
khí quyển gần như ổn định trong một thời gian dài trước thời kỳ công nghiệp bắt đầu
phát triển [38], [81]. Sau đó, nhiệt độ khí quyển tăng nhanh cùng với sự gia tăng nồng
độ CO
2
có mặt trong không khí. Hình 1.2 và Hình 1.3 cho thấy, trong 1000 năm nhiệt độ

Hình 1.1: Con người khai thác

nhiên liệu hóa thạch
6

khí quyển đã tăng 0,74 độ và nếu xét riêng 50 năm trở lại đây, nhiệt độ khí quyển đã tăng
0,65 độ. Với tốc độ tăng như hiện nay, cứ mỗi thế kỷ, bầu khí quyển sẽ nóng lên 2,5 độ.

Hình 1.2: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và
nồng độ CO
2
trong 1000 năm gần đây
Hình 1.3: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và
nồng độ CO
2
trong 100 năm gần đây
Các mô hình tính toán nhiệt độ bầu khí quyển (Hình 1.4) cho thấy trước năm
1945, biến thiên nhiệt độ khí quyển là do thay đổi bức xạ mặt trời. Từ năm 1945 trở
lại đây, sự thay đổi nhiệt độ bầu khí quyển là do hoạt động của con người. Nếu không
có những chất khí gây hiệu ứng nhà kính do hoạt động của con người thải ra môi
trường thì chúng ta đang ở thời kỳ nhiệt độ bầu khí quyển giảm [38], [70], [80].

Hình 1.4: Biến thiên nhiệt độ trung bình thực tế trên mặt đất
a: Mô hình có xem xét yếu tố do hoạt động của con người
b: Mô hình không xem xét yếu tố do hoạt động của con người
Khi nhiệt độ khí quyển tăng vượt quá một giá trị ngưỡng thì nó sẽ tiếp tục tăng
nhanh đến khi đạt giá trị cực đại. Hiện tượng này gọi là bùng nổ khí hậu. Do băng tuyết
trên mặt đất tan chảy khi nhiệt độ tăng cao, lượng khí CH
4
bị lớp băng này che phủ sẽ

Trung bình hằng năm
Trung bình 5 năm
Năm
Biến thiên nhiệt độ
(C)
a.
b.
7

được giải phóng vào bầu khí quyển. Hiệu ứng nhà kính của khí CH
4
gấp 23 lần khí
carbonic. Mặt khác,
khi băng ở các cực tan
chảy, mức chênh lệch
nhiệt độ nước biển
giữa vùng xích đạo và
các cực không còn
nhiều làm dòng đại
dương ngừng hoạt
động. Trao đổi chất
giữa bầu khí quyển và
đại dương bình thường hấp thụ một khối lượng lớn các chất khí gây hiệu ứng nhà kính
vào nước biển bị ngưng trệ. Do nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu
khí quyển tăng cao nên nhiệt độ môi trường tăng. Điều này lại làm cho băng tuyết tan
chảy nhanh hơn. Cứ thế, nhiệt độ khí quyển tăng nhanh chóng, đạt giá trị cực đại [61].

Các yếu tố làm tăng mực nước biển:
- Giãn nở nhiệt: 0,2÷0,4m/C
- Băng tuyết trên núi cao: 0,15÷0,37m

- Băng ở Greenland: 7,3m
- Băng ở phía Tây các cực: 5m
- Băng ở phía Đông các cực: 52m
Hình 1.6: Sự gia tăng mực nước biển theo các kịch bản khác nhau
và các yếu tố làm tăng mực nước biển
Nhiệt độ bầu khí quyển tăng sẽ làm mực nước biển dâng cao [51], [79]. Khi
nhiệt độ khí quyển tăng 1 độ, mực nước biển dâng lên 0,2÷0,4m. Khi toàn bộ băng
tuyết trên trái đất tan chảy hết, mực nước biển có thể dâng lên đến 65m. Tính toán
bằng mô hình theo các kịch bản phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính khác nhau
cho thấy vào cuối thể kỷ 21, mực nước biển có thể dâng lên từ 20÷60cm. Đến năm
3000, khả năng mực nước biển dâng lên 2÷6m là rất cao.



Năm
Gia tă
ng mực nước biển
(cm)


Hình 1.5: Dòng nước luân chuyển trong đại dương
8

Việt Nam là một trong năm quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến
đổi khí hậu. Khi mực nước
biển dâng lên 1m, một bộ
phận đồng bằng sông
Hồng và châu thổ sông
Cửu Long bị ngập; Khi
mực nước biển dâng lên

2m, phần lớn vùng đất này
bị ngập nước và khi mực
nước biển dâng lên 3m thì
hầu như toàn bộ vùng
đồng bằng sông Hồng và vùng châu thổ Sông Cửu Long, kể cả Thành phố Hồ Chí
Minh, nằm dưới mặt nước biển [2].
Ngoài ra, nhiệt độ bầu khí quyển gia tăng cũng làm mở rộng vùng sa mạc, đất
đai trở nên cằn cỗi, ảnh hưởng đến canh tác lương thực.

Hình 1.8: Nồng độ CO
2
trong bầu khí quyển theo các kịch bản phát thải khác nhau
Nếu ngay từ bây giờ mà chúng ta cắt giảm phát thải CO
2
mà cho đến năm
2050, mức độ phát thải bằng năm 1990 thì nồng độ CO
2
trong bầu không khí sẽ giữ
ổn định khoảng 500ppm. Nếu chúng ta tiếp tục phát thải như hiện nay đến khi toàn
bộ nhiên liệu hóa thạch trong lòng đất được khai thác ra sử dụng hết thì nồng độ CO
2

trong bầu khí quyển sẽ đạt ổn định ở mức 1100ppm. Khi đó hiện tượng bùng nổ khí
hậu sẽ diễn ra, đe dọa cuộc sống của mọi sinh vật trên trái đất [38], [70].

Hình 1.7: Bản đồ ngập mặn do nước biển dâng ở Việt Nam
9

Nhiều hội nghị thượng đỉnh về môi trường và biến đổi khí hậu trong những năm
gần đây như Hội nghị Copenhagen năm 2011, hội nghị Rio năm 2012 đã cố gắng tìm

kiếm một cam kết quốc tế về cắt giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính thay
thế cho Nghị định thư Kyoto hết hiệu lực vào cuối năm 2012 nhưng tất cả đều thất bại.
Các quốc gia phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu đều không cam kết cắt
giảm, lý do là vì điều này sẽ làm chậm mức tăng trưởng kinh tế của họ [37].
1.1.2. Nhiên liệu thay thế có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời
Việc nghiên cứu về năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời đã
được tiến hành từ những năm 1870, khi bắt đầu có những mối quan tâm về sự cạn
kiệt của than đá dẫn đến các thí nghiệm về năng lượng mặt trời [29]. Tầm quan trọng
của năng lượng mặt trời đã được công nhận trong một bài báo khoa học Mỹ 1911:
“Trong một tương lai xa, khi nhiên liệu tự nhiên cạn kiệt, năng lượng mặt trời sẽ là
nguồn năng lượng duy nhất đảm bảo sự tồn tại của nhân loại” [42]. Năng lượng tái
tạo ngày càng khẳng định được vị thế và tầm quan trọng so với các nguồn năng lượng
truyền thống như than đá, khí đốt, dầu mỏ và hạt nhân. Thuyết về đỉnh dầu đã được
xuất bản vào năm 1956 [40]. Trong những năm 1970, các nhà môi trường thúc đẩy
sự phát triển của năng lượng tái tạo cho cả hai mục đích là đối phó với sự cạn kiệt
dầu mỏ và đồng thời cũng giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ. Các trang trại pin năng
lượng mặt trời đã được xây dựng với chi phí rất đắt đỏ [73]. Theo số liệu của Tổ chức
Hợp tác và phát triển kinh tế (OECD), sự phân bổ năng lượng tái tạo trong tổng năng
lượng của các nước trong khối tăng từ 4,8% năm 1971 đến 7,6% năm 2010. Các nước
ngoài OECD có tỉ lệ sử dụng năng lượng tái tạo cao hơn là 13,1% năm 2010 [57].
Mỗi một quốc gia đều định hướng và lựa chọn cho mình xu hướng phát triển
năng lượng tái tạo riêng, dựa trên những điều kiện về chính sách, kinh tế, môi trường
và xã hội. Dưới đây là những xu hướng chính tại nhiều quốc gia trên thế giới:
Năng lượng gió: Xu hướng này bao gồm việc mở rộng qui mô phát triển năng
lượng gió ngoài khơi, mạng lưới tua-bin và các dự án mới về năng lượng gió tại nhiều
vùng địa lý đa dạng khắp thế giới [63].
10

Năng lượng sinh khối: Các nhà máy điện sinh khối đã có mặt tại hơn 50 quốc
gia trên thế giới, cung cấp ngày càng nhiều nguồn điện năng cho con người. Thị

trường biogas lớn nhất là châu Âu, trong đó Đức chiếm 60% tổng năng lượng biogas
tiệu thụ năm 2010. Với nhiên liệu sinh học lỏng, Bắc Mỹ là khu vực tiêu thụ ethanol
cao nhất năm 2011, theo sau là Mỹ La Tinh. Châu Âu tiêu thụ diesel sinh học là cao
nhất [24], [85].
Điện mặt trời: Ngành công nghiệp điện mặt trời đã ứng phó với sự tụt giá và
điều kiện thay đổi của thị trường bằng cách củng cố, mở rộng qui mô và chuyển
hướng sang việc phát triển các dự án. Trong những năm gần đây, các tấm pin màng
mỏng đã tăng nhanh về thị phần, đạt khoảng 25%. Số lượng các nhà máy pin mặt trời,
còn gọi là các nhà máy “vạn năng” có công suất 200kW và lớn hơn, hiện chiếm tới
25% tổng công suất điện mặt trời [22].
Năng lượng địa nhiệt: Các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng địa nhiệt
đã xuất hiện tại 21 quốc gia, và nhiều nhà máy mới vẫn tiếp tục được đưa vào hoạt
động hàng năm [20], [83].
Công nghệ tập trung nhiệt năng mặt trời (CSP): CSP đang nổi lên như một
nguồn năng lượng mới quan trọng trong suốt giai đoạn từ 2006 đến 2010 sau quá
trình phát triển trì trệ từ hai thập kỉ trước. Đầu năm 2010, 0.7 GW của CSP đã đi vào
hoạt động, tất cả đều được thực hiện tại Tây Nam Hoa Kì và Tây Ban Nha, cùng với
các hoạt động xây dựng và qui hoạch đang diễn ra tại nhiều quốc gia khác [82].
Trong các nguồn năng lượng thay thế, biogas là nguồn năng lượng tái sinh
tiềm năng và có nguồn gốc từ mặt trời. Việc sử dụng năng lượng này không làm tăng
nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển.
1.2. NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.2.1. Tính chất biogas
Biogas là sản phẩm khí sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu
cơ. Thành phần chủ yếu của biogas là khí mêtan (CH
4
) và khí cacbonic (CO
2
). Chất
thải hữu cơ từ các nguồn khác nhau đều có thể sử dụng để sản xuất biogas. Thành