Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của động cơ Dual Fuel (Biogasdiesel)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VIỆT HẢI

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ
CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL (BIOGAS-DIESEL)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VIỆT HẢI

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ
CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL (BIOGAS-DIESEL)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ nhiệt
Mã ngành: 62.52.34.01
Tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học:
GS. TSKH. BÙI VĂN GA
PGS. TS. DƯƠNG VIỆT DŨNG

Đà Nẵng, Năm 2016

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Nguyễn Việt Hải


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ……………………………… ……………… ………… ………………1
Chương 1 TỔNG QUAN.........................................................................................5
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG HIỆN NAY ..............................5
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SẠCH .........................6
1.2.1. Sử dụng các loại nhiên liệu sinh học lỏng .....................................................6
1.2.2. Sử dụng năng lượng điện cho ô tô .................................................................7
1.2.3. Sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ................................................................8
1.2.4. Sử dụng khí thiên nhiên .................................................................................8
1.2.5. Sử dụng Pin nhiên liệu ...................................................................................9
1.2.6. Sử dụng động cơ đa nhiên liệu .......................................................................9
1.3. ĐẶC ĐIỂM KHÍ SINH HỌC BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG .....................................................................................................................10
1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS CHO

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .........................................................................................15
1.4.1. Nghiên cứu và ứng dụng biogas trên thế giới ..............................................15
1.4.2. Nghiên cứu và ứng dụng biogas ở Việt Nam ...............................................24
1.5. KẾT LUẬN ........................................................................................................30
Chương 2 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRÌNH HÌNH THÀNH
HỖN HỢP VÀ CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL (BIOGAS-DIESEL) ...31
2.1. LÝ THUYẾT PHÁT TRIỂN CỦA TIA PHUN DIESEL TRONG BUỒNG
CHÁY ĐỘNG CƠ DUAL FUEL (BIOGAS – DIESEL) .........................................31
2.1.1. Các phương trình mô tả sự chuyển động của hạt trong tia phun .................31
2.1.1.1. Cân bằng lực tác động lên hạt..................................................................31
2.1.1.2. Bổ sung đại lượng gia tốc ........................................................................33
2.1.1.3. Các lực trong khung tham chiếu quay .....................................................33


2.1.1.4. Lực Thermophoretic ................................................................................34
2.1.1.5. Lực Brown ...............................................................................................35
2.1.1.6. Lực nâng Saffman ....................................................................................35
2.1.2. Theo dõi sự chuyển động hỗn loạn của hạt trong môi trường chảy rối .......36
2.1.2.1. Tích phân các phương trình quỹ đạo .......................................................36
2.1.2.2. Phân bố kích thước hạt ............................................................................37
2.1.2.3. Theo dấu đám mây hạt .............................................................................38
2.1.3. Bay hơi của hạt.............................................................................................41
2.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TIA PHUN DIESEL TRONG HỖN HỢP BIOGASKHÔNG KHÍ ............................................................................................................41
2.3. NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT TRIỂN TIA PHUN DIESEL TRONG BUỒNG
CHÁY ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS CÓ THÀNH PHẦN CH4
KHÁC NHAU. ..........................................................................................................48
2.3.1. Thành phần hỗn hợp.....................................................................................48
2.3.2. Điều kiện tia phun diesel ..............................................................................48
2.3.3. Ảnh hưởng của áp suất buồng cháy .............................................................49
2.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ hỗn hợp đến sự phát triển của tia phun ................52

2.3.5. Ảnh hưởng của nhiên liệu biogas.................................................................55
2.3.6. Ảnh hưởng của lưu lượng phun ...................................................................57
2.4. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA HỖN HỢP BIOGAS-KHÔNG KHÍ
ĐÁNH LỬA BẰNG TIA PHUN MỒI DIESEL ......................................................60
2.4.1. Hệ số tương đương  và thành phần hỗn hợp f ............................................60
2.4.2. Biến thiên áp suất và nhiệt độ hỗn hợp trong buồng cháy ...........................64
2.4.3. Ảnh hưởng các yếu tố khác nhau đến hiệu quả của quá trình cháy .............67
2.5. KẾT LUẬN ........................................................................................................72
Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ......................................................73
3.1. TRANG THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU ...................................................................73
3.1.1. Động cơ thí nghiệm ......................................................................................73
3.1.2. Băng thử công suất động cơ APA 204 ........................................................75
3.1.3. Hệ thống đo áp suất buồng cháy động cơ đốt trong - indiset 620 ...............75
3.1.3.1. Cảm biến tốc độ 364 C-Angle Encoder Set ............................................77


3.1.3.2. Cảm biến áp suất GU12P.........................................................................79
3.1.3.3. Thiết bị ghi và kết xuất dữ liệu thực nghiệm Indiset 620 ........................83
3.1.4. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp và lưu lượng biogas cung cấp cho động cơ
dual fuel...................................................................................................................84
3.1.4.1. Hệ thống đo lưu lượng không khí nạp ABB ............................................84
3.1.4.2. Hệ thống đo lưu lượng biogas .................................................................85
3.2. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. ....................................................88
3.2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm và quy trình thử nghiệm động cơ trên băng thử ....88
3.2.1.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ............................................................................88
3.2.1.2. Quy trình thử nghiệm động cơ trên băng thử ..........................................89
3.2.2. Phân tích kết quả thực nghiệm .....................................................................92
3.2.2.1. Phân tích kết quả thực nghiệm khi xác định hệ số tương đương ..........92
3.2.2.2. Phân tích kết quả thực nghiệm quá trình cháy động cơ dual fuel............96
3.3. KẾT LUẬN ......................................................................................................110

Chương 4 SO SÁNH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ PHỎNG VÀ THỰC
NGHIỆM ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL ...................................111
4.1. SO SÁNH BIẾN THIÊN ÁP SUẤT CHỈ THỊ TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG
CƠ VÀ CÔNG CHỈ THỊ CHU TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL. .............111
4.2. SO SÁNH TÍNH NĂNG CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL CHO BỞI MÔ
PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ...............................................................................123
4.2.1. So sánh biến thiên công suất có ích của động cơ dual fuel theo hệ số tương
đương cho bởi mô phỏng và thực nghiệm ............................................................123
4.2.2. So sánh đường đặc tính ngoài của động cơ dual fuel cho bởi mô phỏng và
thực nghiệm...........................................................................................................126
4.3. KẾT LUẬN ......................................................................................................129
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI...................................130
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ....................................................136
TÀI LIỆU THAM KHAO


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH
Vh

[m3]

Dung tích xi lanh.

Db

[m]

Đường kính buồng hỗn hợp.

Wi

[J]

Công chỉ thị.

Pe

[kW]

Công suất của động cơ.

Pi

[kW]

Công suất có ích của động cơ.

Su

[cm/s]

Tốc độ cháy chảy tầng.

Su,o

[cm/s]

Tốc độ cháy chảy tầng ở điểm tham chiếu (1[atm] và
298[K]).

Phần trăm (theo thể tích) chất làm bẩn trong hỗn hợp.

D
Tu

[K]

Nhiệt độ khi chưa cháy.

T0

[K]

Nhiệt độ tham chiếu bằng 298[K].

p

[atm]

Áp suất của hỗn hợp.

p0

[atm]

Áp suất tham chiếu.

ff

Hệ số cháy rối.

r

Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một
đơn vị khối lượng nhiên liệu.

FD  u  u p 

Lực xé đối với một đơn vị khối lượng hạt.

u

[cm/s]

Tốc độ của pha lỏng.

up

[cm/s]

Tốc độ của hạt.

uy,p

[cm/s]

Tốc độ của lưu chất theo phương y trong hệ tọa độ
Descartes.

uy

[cm/s]

Tốc độ của hạt theo phương y trong hệ tọa độ Descartes.

ux,p

[cm/s]

Tốc độ của lưu chất theo phương x trong hệ tọa độ
Descartes.

ux

[cm/s]

Tốc độ của hạt theo phương x trong hệ tọa độ Descartes.

dp

[cm]

Đường kính hạt.

Re

Chuẩn số Reynolds.


CD

Hệ số xé.

a1, a2, và a3

Các hằng số được áp dụng đối với các hạt cầu phẳng
trên nhiều dải của Re.

s

[cm2]

Diện tích bề mặt hình cầu có cùng thể tích với hạt.

S

[cm2]

Diện tích bề mặt thật của hạt.

Cc

Hệ số hiệu chỉnh luật xé Stokes.

DT,p

Hệ số thermophoretic.

Kn

Chuẩn số Knudsen.

k

Hệ số dẫn nhiệt của lưu chất.

kp

Hệ số dẫn nhiệt của hạt.

mp

[g]

Khối lượng hạt.

T

[K]

Nhiệt độ cục bộ của lưu chất.

dij

Tenso biến dạng.

d

hằng số kích cỡ hạt.

n

Thông số phân bố kích thước hạt.

t

[s]

x% CH4 và y% CO2 theo thể tích.

MxCy
Q

Thời gian.

[kg/s]

Lượng phun nhiên liệu.

2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP
µ

Độ nhớt phân tử của chất lỏng.

ρ

Khối lượng riêng của chất lỏng.

ρp

Khối lượng riêng của hạt.



[độ]

Góc quay trục khủy.

s

[độ]

Góc phun sớm (góc phun Diesel mồi).



Tỉ số nén.

u

Khối lượng riêng của hỗn hợp chưa cháy.

λ

Quãng đường dịch chuyển tự do của phân tử.



Hệ số tương đương.

m

Hiệu suất cơ giới.


δij

Phương trình delta Kronecker.

ν

Hệ số nhớt động.

σ

Hằng số Stefan-Boltzmann.

τp

Thời gian relaxation của hạt.

3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ASME

American Society of Mechanical Engineer (Hội kĩ sư cơ khí
Hoa Kỳ).

C

Carbon.

CNG

Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén).

ĐCT:

Điểm chết trên.

DOE

Department of Energy (Cơ quan/Bộ năng lượng).

DME

Dimethyl ether (nhiên liệu lỏng sinh học).

EGR

Exhaust Gas Recirculation (Hệ thống tuần hoàn khí thải).

LPG

Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng).

MCFC

Molten carbonate fuel cells (Pin nhiên liệu carbonat nóng

MON

Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ).

PAFC

Phosphoric acid Fuel Cells (Pin nhiên liệu acid phosphoric).

PEM

Proton Exchange Membrane (Pin nhiêu liệu màng trao đổi

chảy).

bằng proton).
SVEAM:

CÔNG TY TNHH MTV ĐỘNG CƠ VÀ MÁY NÔNG
NGHIỆP MIỀN NAM.

SOFC

Solid Oxide Fuel Cell (Pin nhiên liệu Ôxít rắn).

TWC

Three-Way Catalyst (Bộ xúc tác ba chức năng).


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 1.1:

Thành phần các chất khí có trong biogas [12],[16],[25],[46]. ..............11

Bảng 1.2:

Sản lượng CH4 với nguồn nguyên liệu khác nhau [12], [16], [46] .......12

Bảng 1.3:

Công nghệ ứng dụng biogas và yêu cầu xử lý [16],[25],[46] ...............12

Bảng 1.4:

Các thông số đánh giá chất lượng biogas [16], [25], [72]. ...................13

Bảng 1.5:

Tiêu chuẩn biogas Thụy Điển SS 15 54 38 [16], [25], [45]. .................14

Bảng 1.6:

Những thông số chính của tiêu chuẩn Thụy Điển về biogas cho ôtô ....15

Bảng 1.7:

Giá trị của các hệ số của phương trình (1.1) .........................................21

Bảng 1.8:

Giá trị của các hệ số của phương trình (1.3) .........................................22

Bảng 2.1:

Thành phần hỗn hợp tính toán (tính theo % khối lượng) ......................48

Bảng 2.2:

Giá trị r ứng với biogas có thành phần CH4 khác nhau .........................60

Bảng 2.3:

Giá trị r của hỗn hợp biogas và 10% diesel ...........................................61

Bảng 2.4:

Giá trị f và  ứng với biogas M6C4 và M8C2 ......................................61

Bảng 2.5:

Giá trị f và  ứng với biogas M6C4; M8C2 và 10% diesel...................62

Bảng 3.1:

Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ EV2600-NB. .....................74

Bảng 3.2:

Thông số kỹ thuật của cảm biến tốc độ Encoder 364C [37] .................77

Bảng 3.3:

Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất GU12P [37] ...........................79

Bảng 3.4:

Hệ số lưu lượng Cd theo chỉ số Re ........................................................87

Bảng 3.5:

Đường kính lỗ cấp chính của nhiên liệu biogas ....................................94

Bảng 3.6:

Giá trị hiệu suất cơ giới của động cơ dual fuel theo tốc độ động cơ khi
chạy bằng biogas chứa 80% CH4 .......................................................107

Bảng 3.7:

Giá trị hiệu suất cơ giới của động cơ dual fuel theo tốc độ động cơ khi
chạy bằng biogas chứa 80% CH4 .......................................................107

Bảng 3.8:

Bảng giá trị hiệu suất cơ giới của động cơ dual fuel theo độ mở bướm
ga khi chạy bằng biogas chứa 60% CH4, 70% CH4 và 80% CH4 .......109


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang

Hình 1.1:

Minh họa về ô nhiễm môi trường [5],[26] ..............................................5

Hình 1.2:

Sơ đồ trung hòa carbon của nhiên liệu biogas [46] ...............................11

Hình 1.3:

Trạm cung cấp nhiên liệu biogas cho các phương tiện vận tải .............15

Hình 1.4:

Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong biogas đến tính năng động cơ
[75].........................................................................................................17

Hình 1.5:

Biến thiên công suất chỉ thị khi động cơ sử dụng hỗn hợp methanehydrogen theo độ đậm đặc của hỗn hợp (a); theo thành phần hydrogen
trong hỗn hợp nhiên liệu (b) tỉ số nén 8,5, góc đánh lửa sớm 200 và
nhiệt độ khí nạp 298K [71]....................................................................18

Hình 1.6:

Giới hạn cháy của hỗn hợp biogas-không khí .......................................19

Hình 1.7:

Góc đánh lửa sớm tối ưu theo độ đậm đặc nhiên liệu [76] ...................19

Hình 1.8:

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp
methane-không khí bị làm bẩn ở p=3,5[atm] va ϕ=1 [78] ....................22

Hình 1.9:

Kết quả thực nghiêm biến thiên tốc độ cháy chảy tầng theo tỷ lệ các
chất khí làm bẩn hỗn hợp khác nhau. ....................................................22

Hình 1.10: Ảnh hưởng của CO2 đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp methanekhông khí ở 1[bar] và 298[K] [80] ........................................................23
Hình 1.11: Bộ Gatec-20 ...........................................................................................29
Hình 1.12: Động cơ RV70 kéo máy phát 3KVA lắp bộ Gatec-20 ..........................29
Hình 2.1:

Kích thước buồng cháy mô phỏng ........................................................41

Hình 2.2:

Sự phát triển tia phun diesel trong buồng cháy mô phỏng với hỗn hợp
biogas-không khí (p=3[bar]) .................................................................42

Hình 2.3:

Đồ thị diễn biến sự phát triển tia phun diesel trong hỗn hợp biogaskhông khí (p=3[bar]) .............................................................................42

Hình 2.4:

Sự phát triển tia phun diesel trong buồng cháy mô phỏng với hỗn hợp

biogas-không khí (p=10[bar]) ...............................................................43


Hình 2.5:

Đồ thị diễn biến sự phát triển tia phun diesel trong môi trường hỗn hợp
biogas-không khí (p=10[bar]) ...............................................................44

Hình 2.6:

Biến thiên mật độ khối lượng hạt nhiên liệu diesel phun trong môi
trường không khí ở áp suất môi trường 3[bar] ......................................45

Hình 2.7:

Biến thiên mật độ khối lượng hạt nhiên liệu diesel theo thời gian
(0,015CH4, p=3[bar], Q=0,02[kg/s]) .....................................................45

Hình 2.8:

Biến thiên nồng độ diesel theo thời gian (0,015CH4, p=3[bar],
Q=0,02[kg/s]) ........................................................................................46

Hình 2.9:

Biến thiên nồng độ diesel theo thời gian khi phun diesel trong buồng
cháy chứa không khí và hỗn hợp biogas-không khí ở nhiệt độ 400[K],
p=3[bar] .................................................................................................47

Hình 2.10: Ảnh hưởng của áp suất buồng cháy đến biến thiên nồng độ hơi diesel

trong môi trường hỗn hợp biogas-không khí (0,015CH4, T=400[K],
Q=0,02[kg/s]) ........................................................................................47
Hình 2.11: Ảnh hưởng của áp suất buồng cháy đến sự phát triển của tia phun ứng
với M6C4, T=450[K], Q=0,01[kg/s] .....................................................49
Hình 2.12: Ảnh hưởng của áp suất buồng cháy đến sự phát triển của tia phun ứng
với M8C2, T=450[K], Q=0,01[kg/s] .....................................................50
Hình 2.13: Ảnh hưởng của áp suất buồng cháy đến sự phát triển của tia phun ứng
với M8C2, T=450[K], Q=0,005[kg/s] ...................................................50
Hình 2.14: Ảnh hưởng của áp suất buồng cháy đến sự phát triển của tia phun ứng
với M6C4, T=450[K], Q=0,005[kg/s] ...................................................51
Hình 2.15: Ảnh hưởng của áp suất trong buồng cháy đến biến thiên mật độ hạt
nhiên liệu diesel theo thời gian ứng với M6C4, T=450[K],
Q=0,01[kg/s]) ........................................................................................51
Hình 2.16: Ảnh hưởng của áp suất trong buồng cháy đến biến thiên mật độ hạt
nhiên liệu diesel theo thời gian ứng với M8C2, T=450[K],
Q=0,01[kg/s] ..........................................................................................52


Hình 2.17: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi chất trong buồng cháy đến biến thiên nồng
độ hơi nhiên liệu theo thời gian ứng với M6C4, p=3[bar],
Q=0,005[kg/s] ........................................................................................53
Hình 2.18: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi chất trong buồng cháy đến biến thiên nồng
độ hơi nhiên liệu theo thời gian ứng với M8C2, p=3[bar],
Q=0,005[kg/s] ........................................................................................53
Hình 2.19: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi chất trong buồng cháy đến biến thiên nồng
độ hơi nhiên liệu theo thời gian ứng với M6C4, p=3[bar], Q=0,01[kg/s]
...............................................................................................................54
Hình 2.20: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi chất trong buồng cháy đến biến thiên nồng
độ hơi nhiên liệu theo thời gian ứng với M8C2, p=3[bar], Q=0,01[kg/s]
...............................................................................................................54

Hình 2.21: Ảnh hưởng của nhiên liệu biogas đến nồng độ hơi diesel (p=3[bar],
Q=0,01[kg/s], T=300[K]) ......................................................................55
Hình 2.22: Ảnh hưởng của nhiên liệu biogas đến nồng độ hơi diesel (p=3[bar],
Q=0,01[kg/s], T=450[K]) ......................................................................55
Hình 2.23: Ảnh hưởng của nhiên liệu biogas đến nồng độ hơi diesel (p=3[bar],
Q=0,005[kg/s], T=450[K]) ....................................................................56
Hình 2.24: Ảnh hưởng của nhiên liệu biogas đến nồng độ hơi diesel (p=3[bar],
Q=0,005[kg/s], T=300[K]) ....................................................................56
Hình 2.25: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến biến thiên mật độ hạt nhiên liệu trong
buồng cháy (p=3[bar], T=450[K], Q=0,005[kg/s. .................................57
Hình 2.26: Ảnh hưởng của lưu lượng phun đến biến thiên nồng độ hơi nhiên liệu
diesel trong buồng cháy (M6C4, p=3[bar], T=300[K]) ........................58
Hình 2.27: Ảnh hưởng của lưu lượng phun đến biến thiên nồng độ hơi nhiên liệu
diesel trong buồng cháy (M8C2, p=3[bar], T=300[K]) ........................58
Hình 2.28: Ảnh hưởng của lưu lượng phun đến biến thiên nồng độ hơi nhiên liệu
diesel trong buồng cháy (M6C4, p=5[bar], T=450[K]) ........................59


Hình 2.29: Ảnh hưởng của lưu lượng phun đến biến thiên nồng độ hơi nhiên liệu
diesel trong buồng cháy ( M8C2, p=5[bar], T=450[K]) .......................59
Hình 2.30: Quan hệ giữa hệ số tương đương  và thành phần hỗn hợp f đối với
nhiên liệu biogas ....................................................................................61
Hình 2.31: Quan hệ giữa hệ số tương đương  và thành phần hỗn hợp f đối với
nhiên liệu biogas+10% diesel ................................................................62
Hình 2.32: Mô phỏng quá trình cháy của hỗn hợp biogas-không khí đánh lửa bằng
tia phun mồi diesel (a) và đánh lửa cưỡng bức bằng tia lửa điện (b) ....63
Hình 2.33: Biến thiên hệ số tương đương  theo thời gian (M6C4, p=3[bar],
T=750[K], Q=0,01[kg/s], tphun=4[ms]) ..................................................64
Hình 2.34: Biến thiên nồng độ CH4 trong buồng cháy (M8C2, T=750[K],
p=10[bar],Q=0,01[kg/s], tphun=4[ms]) ...................................................64

Hình 2.35: Biến thiên nồng độ CH4 trong buồng cháy (M6C4, T=750[K],
p=10[bar],Q=0,01[kg/s], tphun=4[ms]) ...................................................65
Hình 2.36: Biến thiên áp suất trong buồng cháy (M8C2, p=3[bar], T=750[K],
Q=0,01[kg/s], tphun=4[ms]) ....................................................................65
Hình 2.37: Biến thiên nhiệt độ hỗn hợp trong buồng cháy (M8C2, p=3[bar],
T=750[K], Q=0,01[kg/s], tphun=4[ms]) ..................................................66
Hình 2.38: Biến thiên áp suất trong buồng cháy (M6C4, p=3[bar], T=750[K],
Q=0,01[kg/s], tphun=4[ms]) ....................................................................66
Hình 2.39: Biến thiên nhiệt độ hỗn hợp trong buồng cháy (M6C4, P=3[bar],
T=750[K], Q=0,01[kg/s], tphun=4[ms])) .................................................67
Hình 2.40: So sánh biến thiên áp suất trong buồng cháy khi đánh lửa bằng tia phun
mồi diesel và khi đánh lửa bằng tia lửa điện (M6C4, T=750[K],
p=10[bar], f=0.03) .................................................................................67
Hình 2.41: So sánh biến thiên áp suất trong buồng cháy khi đánh lửa bằng tia phun
mồi diesel và khi đánh lửa bằng tia lửa điện (M8C2, T=750[K],
p=10[bar], f=0.03) .................................................................................68


Hình 2.42: Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp đến biến thiên áp suất trong buồng
cháy (M6C4, T=750[K], p=10[bar],Q=0,01[kg/s]) ...............................69
Hình 2.43: Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp đến biến thiên áp suất trong buồng
cháy (M8C2, T=750[K], p=10[bar],Q=0,01[kg/s]) ...............................69
Hình 2.44: Ảnh hưởng của nhiên liệu biogas đến biến thiên áp suất trong buồng
cháy (=0,5; p=10[bar], T=750[K], Q=0,01[kg/s]; tphun=4[ms]) ..........70
Hình 2.45: Ảnh hưởng của nhiên liệu biogas đến biến thiên áp suất trong buồng
cháy (=0,5; p=3[bar], T=750[K], Q=0,01[kg/s]; tphun=4[ms]) ............70
Hình 2.46: Ảnh hưởng của nhiên liệu biogas đến biến thiên áp suất trong buồng
cháy (=1,01; p=3[bar], T=750[K], Q=0,01[kg/s]; tphun=4[ms]) ..........71
Hình 2.47: Ảnh hưởng của nhiên liệu biogas đến biến thiên áp suất trong buồng
cháy (=1,01; p=10[bar], T=750[K], Q=0,01[kg/s]; tphun=4[ms]) ........71

Hình 3.1:

Động cơ thí nghiệm VIKYNO EV2600-NB .........................................74

Hình 3.2:

Đặc tính băng thử công suất APA [39] .................................................75

Hình 3.3:

Sơ đồ bố trí thí nghiệm quá trình cháy trong động cơ [34], [35], [36]..76

Hình 3.4:

Sơ đồ bố trí hệ thống thực nghiệm đo áp suất buồng cháy [34], [35],
[36].........................................................................................................76

Hình 3.5:

Lắp đặt cảm biến tốc độ lên động cơ thực nghiệm [37] ........................77

Hình 3.6:

Vị trí lắp đặt cảm biến Encoder 364C lên động cơ ...............................78

Hình 3.7:

Tín hiệu TDC trước (a) và sau (b) điều chỉnh .......................................79

Hình 3.8:

Cảm biến áp suất và phụ kiện GU12P [38] ...........................................79

Hình 3.9:

Nắp máy động cơ EV2600-NB .............................................................80

Hình 3.10: Kết cấu nắp máy động cơ EV2600-NB .................................................81
Hình 3.11: Vị trí khoan lắp đặt cảm biến áp suất trên động cơ thí nghiệm .............82
Hình 3.12: Cảm biến áp suất GU12P trên động cơ EV2600-NB ............................83
Hình 3.13: Giao diện chính của Indiwin. ................................................................83
Hình 3.14: Ống đo lưu lượng khí nạp DN-80 và mạch khuếch đại [33] .................84
Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp ống đo orifice [84] ...................85
Hình 3.16: Sơ đồ kết nối bộ đo lưu lượng trong phòng thí nghiệm ........................87


Hình 3.17: Cấu tạo ống đo orifice ...........................................................................88
Hình 3.18: Chương trình ghi nhận dữ liệu đo của bộ đo lưu lượng biogas .............88
Hình 3.19: Sơ đồ bố trí thí nghiệm động cơ dual fuel (biogas – diesel) trên băng
thử động cơ ............................................................................................89
Hình 3.20: Biến thiên hệ số tương đương  theo độ mở bướm ga khi động cơ chạy
ở tốc độ 2000[vòng/phút] ......................................................................93
Hình 3.21: Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong biogas đến mối quan hệ giữa hệ
số tương đương và độ mở bướm ga khi đường kính ống cung cấp
biogas thay đổi theo bảng 3.5 ứng với n=2000[vòng/phút]. .................94
Hình 3.22: Biến thiên của hệ số tương đương  theo độ mở bướm ga ứng với tốc
độ động cơ n=1800[vòng/phút] và n=2000[vòng/phút] của biogas có
chứa 60%CH4 ........................................................................................95
Hình 3.23: Biến thiên của hệ số tương đương  theo độ mở bướm ga ứng với tốc
độ động cơ n=1800[vòng/phút] và n=2000[vòng/phút] của biogas có

chứa 70%CH4 ........................................................................................95
Hình 3.24: Biến thiên của hệ số tương đương  theo độ mở bướm ga ứng với tốc
độ động cơ n=1800[vòng/phút] và n=2000[vòng/phút] của biogas có
chứa 80%CH4. .......................................................................................96
Hình 3.25: Áp suất trong xi lanh của động cơ ở tốc độ n=2000[vòng/phút] khi chạy
bằng diesel ứng với 100% lượng phun cực đại (diesel (1)), 50% lượng
phun cực đại (diesel (2)) và khi chạy bằng biogas chứa 60% CH4 với
=1 .........................................................................................................97
Hình 3.26: Đồ thị công của động cơ ở tốc độ n=2000[vòng/phút] khi chạy bằng
diesel không lắp bộ tạo hỗn hợp (diesel 1), khi có lắp bộ tạo hỗn hợp
(diesel 2) và khi chạy bằng biogas chứa 60% CH4 với =1 (biogas
60%CH4)................................................................................................98
Hình 3.27: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến áp suất trong xi lanh động cơ (20,
40, 60, 80, 100% bướm ga; 60%CH4; n=1800[vòng/phút]) .................98


Hình 3.28: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến áp suất trong xi lanh động cơ (20,
40, 60, 80, 100% bướm ga; 60%CH4; n=2000[vòng/phút]) .................99
Hình 3.29: Áp suất trong xi lanh động cơ dual fuel khi chạy ở tốc độ
2200[vòng/phút] với biogas chứa 60%CH4, 70%CH4 và 80%CH4 ....100
Hình 3.30: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đồ thị áp suất trong xi lanh .........101
Hình 3.31: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đồ thị áp suất trong xi lanh .........101
Hình 3.32: Quan hệ giữa công chỉ thị chu trình và hệ số tương đương khi động có
chạy ở tốc độ n=2000[vòng/phút] với Biogas chứa 60%CH4 (),
70%CH4 () và 80%CH4 (); Db=18[mm]) ......................................102
Hình 3.33: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến đường cong biến thiên công chỉ thị theo
độ mở bướm ga(%) (n=1800[vòng/phút]; biogas chứa 80%CH4(),
70%CH4(), 60%CH4(); Db thay đổi) .............................................103
Hình 3.34: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến đường cong biến thiên công suất có ích
theo độ mở bướm ga (n=1800[vòng/phút]; biogas chứa 80%CH4(),

70%CH4(), 60% CH4(); Db thay đổi) ............................................104
Hình 3.35: Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong biogas đến biến thiên công chu
trình Wi theo độ mở bướm ga (Db=18[mm], =1,1, n=2000[vòng/phút],
Biogas chứa 80% CH4(), 70% CH4(), 60% CH4()) ....................105
Hình 3.36: Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong biogas đến biến thiên công chu
trình theo tốc độ động cơ (biogas chứa 80%CH4() và 60%CH4(),
=1,1) ..................................................................................................106
Hình 3.37: So sánh đường đặc tính ngoài của động cơ khi chạy bằng diesel nguyên
thủy và khi chạy bằng biogas chứa 80%CH4, 60%CH4 với =1,1 .....107
Hình 3.38: Biến thiên hiệu suất cơ giới của động cơ dual fuel theo tốc độ động cơ
khi chạy bằng biogas chứa 60%CH4 và 80%CH4. ..............................108
Hình 3.39: Biến thiên hiệu suất cơ giới của động cơ dual fuel theo độ mở bướm ga
khi chạy bằng biogas chứa 60%CH4, 70%CH4 và 80%CH4 ...............109
Hình 4.1:

Biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ dual fuel biogas-diesel khi
chạy bằng biogas chứa 80%CH4 ở tốc độ 1600[vòng/phút] ...............112


Hình 4.2:

Biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ dual fuel biogas-diesel khi
chạy bằng biogas chứa 70%CH4 ở tốc độ 1600[vòng/phút] ...............112

Hình 4.3:

Biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ dual fuel biogas-diesel khi
chạy bằng biogas chứa 60%CH4 ở tốc độ 1600[vòng/phút] ...............113

Hình 4.4:

Đồ thị công chu trình của động cơ dual fuel biogas-diesel khi chạy bằng
biogas chứa 80%CH4 ở tốc độ 1600[vòng/phút] .................................113

Hình 4.5:

Đồ thị công chu trình của động cơ dual fuel biogas-diesel khi chạy bằng
biogas chứa 70%CH4 ở tốc độ 1600[vòng/phút] .................................114

Hình 4.6:

Đồ thị công chu trình của động cơ dual fuel biogas-diesel khi chạy bằng
biogas chứa 60%CH4 ở tốc độ 1600[vòng/phút] .................................114

Hình 4.7:

So sánh công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi
động cơ dual fuel chạy bằng biogas có chứa thành phần CH4 khác nhau
ở tốc độ 1600[vòng/phút] với =1.......................................................115

Hình 4.8:

Biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ khi chạy ở tốc độ
1700[vòng/phút] bằng biogas chứa 80%CH4 với =0,7 .....................116

Hình 4.9:

Biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ khi chạy ở tốc độ
1700[vòng/phút] bằng biogas chứa 80%CH4 với =0,8. ....................116

Hình 4.10: Biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ khi chạy ở tốc độ
1700[vòng/phút] bằng biogas chứa 80%CH4 với =0,9. ....................117
Hình 4.11: Biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ khi chạy ở tốc độ
1700[vòng/phút] bằng biogas chứa 80%CH4 với =1. .......................117
Hình 4.12: Đồ thị công chu trình của động cơ khi chạy ở tốc độ 1700[vòng/phút]
bằng biogas chứa 80%CH4 với =0,7. ................................................118
Hình 4.13: Đồ thị công chu trình của động cơ khi chạy ở tốc độ 1700[vòng/phút]
bằng biogas chứa 80%CH4 với =0,8. ................................................118
Hình 4.14: Đồ thị công chu trình của động cơ khi chạy ở tốc độ 1700[vòng/phút]
bằng biogas chứa 80%CH4 với =0,9. ................................................119
Hình 4.15: Biến thiên công chỉ thị cho bởi mô phỏng và thực nghiệm theo hệ số
tương đương . ....................................................................................119


Hình 4.16: Biến thiên áp suất trong xi lanh cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi
động cơ chạy ở tốc độ 1200[vòng/phút]. .............................................120
Hình 4.17: Biến thiên áp suất trong xi lanh cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi
động cơ chạy ở tốc độ 2000[vòng/phút]. .............................................121
Hình 4.18: Công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi động cơ
chạy ở tốc độ 1200[vòng/phút]............................................................121
Hình 4.19: Công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi động cơ
chạy ở tốc độ 2000[vòng/phút]. ...........................................................122
Hình 4.20: Biến thiên công chỉ thị chu trình theo hệ số tương đương khi động cơ
chạy ở n=1300[vòng/phút] với biogas 80%CH4. ................................123
Hình 4.21: Biến thiên công chỉ thị chu trình theo hệ số tương đương khi động cơ
chạy ở n=1200[vòng/phút] với biogas 70%CH4. ................................124
Hình 4.22: Biến thiên công chỉ thị chu trình theo hệ số tương đương khi động cơ
chạy ở n=2200[vòng/phút] với biogas 60%CH4. ................................124
Hình 4.23: Biến thiên công suất có ích của động cơ dual fuel theo hệ số tương
đương khi động cơ chạy ở n=1300[vòng/phút] với biogas 80%CH4. .125

Hình 4.24: Biến thiên công suất có ích của động cơ dual fuel theo hệ số tương
đương khi động cơ chạy ở n=1200[vòng/phút] với biogas 70%CH4. .125
Hình 4.25: Biến thiên công suất có ích của động cơ dual fuel theo hệ số tương
đương khi động cơ chạy ở n=2200[vòng/phút] với biogas 60%CH4. .126
Hình 4.26: Biến thiên công chỉ thị chu trình theo tốc độ động cơ khi chạy bằng
biogas chứa 60%CH4 và 80%CH4 cho bởi mô phỏng và thực nghiệm.
.............................................................................................................127
Hình 4.27: Biến thiên công chỉ thị chu trình theo tốc độ động cơ cho bởi mô phỏng
nhân với hệ số 0,92 phù hợp với công chỉ thị cho bởi thực nghiệm ...127
Hình 4.28: So sánh đường đặc tính ngoài của động cơ dual fuel khi chạy bằng
biogas chứa 60%CH4 và 80%CH4 cho bởi mô phỏng và thực nghiệm,
m=0,85. ..............................................................................................128


1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường luôn là mục tiêu
nghiên cứu của ngành động cơ và ô tô. Trong tình hình dầu mỏ đang cạn kiệt và sự
biến đổi khí hậu trái đất đang trở thành hiểm họa đối với loài người thì vấn đề nêu
trên càng trở thành mối quan tâm hàng đầu của cả thế giới. Song song với việc hoàn
thiện các hệ thống của động cơ đốt trong để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao
nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường thì các dự án, các chương trình nghiên
cứu tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng
này cũng đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu.
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 CO2 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.
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...
Động cơ biogas được cải tạo từ động cơ diesel có ưu điểm là chạy hoàn toàn
bằng biogas, không tốn nhiên liệu mồi để đánh lửa. Tuy nhiên công suất của động


2

cơ này bị giảm khi chuyển sang chạy bằng biogas, gây ảnh hưởng đến hoạt động
của máy công tác. Động cơ dual fuel biogas-diesel có thể khắc phục được nhược
điểm này. Ngoài ra động cơ dual fuel biogas-diesel còn cho phép sử dụng lại nhiên
liệu diesel khi cần thiết như trước khi cải tạo [8], [16], [41].
Sự chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ dual fuel biogas-diesel được
thực hiện hoàn hảo khi thiết kế tối ưu bộ cung cấp hỗn hợp để trên cơ sở đó tính
toán thiết kế bộ điều tốc. Trên thị trường hiện có bán rộng rãi các bộ tạo hỗn hợp
đối với nhiên liệu khí có thành phần biết trước như khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa
lỏng... Biogas là nhiên liệu khí nhưng thành phần của nó phụ thuộc vào nguồn sản
xuất. Thành phần CH4 trong biogas dao động trong phạm vi rộng từ 50% đến 75%.
Vì vậy nếu thiết kế bộ tạo hỗn hợp làm việc với biogas có chứa 75% CH4 thì khi

cung cấp biogas có chứa 50% CH4 động cơ không thể hoạt động tối ưu [16], [22].
Mặt khác, trên thị trường hiện có rất nhiều chủng loại động cơ diesel có các
cỡ công suất khác nhau. Để thiết kế chuyển đổi cho phù hợp chúng ta phải làm thí
nghiệm trên từng loại động cơ, điều này rất phức tạp và tốn kém. Do đó, để dự đoán
được các kích thước bộ chuyển đổi để cải tạo từng loại động cơ diesel thành động
cơ dual fuel biogas-diesel làm việc với nhiều nguồn biogas khác nhau chúng ta phải
tiến hành nghiên cứu mô phỏng và đánh giá bằng thực nghiệm kết quả mô phỏng
bằng số liệu thực nghiệm một số trường hợp cụ thể [16].
Với lý do đó đề tài “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của
động cơ dual fuel (biogas-diesel)” là hết sức cấp thiết; nó không những góp phần
làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu dùng cho động cơ nhiệt khi dầu mỏ đang cạn kiệt,
mà còn góp phần sử dụng hiệu quả hơn nguồn nhiên liệu biogas cho động cơ đốt
trong.

2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Thực hiện nghiên cứu cơ bản về quá trình cháy và cung cấp nhiên liệu cho
động cơ dual fuel biogas-diesel ngoài mục đích giảm thiểu ô nhiễm môi trường, làm
phong phú nguồn nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong, luận án còn hướng tới mục


3

đích sử dụng rộng rãi hơn nguồn nhiên liệu sinh học thay thế này cho động cơ đốt
trong một cách hiệu quả.

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: Luận án chọn đối tượng nghiên cứu là quá trình
cháy trong động cơ dual fuel Vikyno EV2600-NB sử dụng nhiên liệu biogas-diesel.

Phạm vi nghiên cứu: Do tính chất phức tạp của vấn đề nghiên cứu, luận

án này chỉ giới hạn và tập trung nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và quá
trình cháy trong động cơ dual fuel EV2600-NB sử dụng nhiên liệu biogas-diesel
bằng mô hình hóa và thực nghiệm.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa kết hợp với
nghiên cứu thực nghiệm.

Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa: Nghiên cứu quá trình hình thành
hỗn hợp của động cơ dual fuel (biogas-diesel) Vikyno EV2600-NB bằng phương
pháp hút qua họng Venturi bởi bộ GATEC-20 để xác lập đường đặc tính của hệ số
tỷ lệ tương đương theo tải của động cơ; 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: Thực nghiệm đo diễn biến áp suất trong buồng
cháy của động cơ dual fuel (biogas-diesel) Vikyno EV2600-NB sử dụng nhiên liệu
diesel và nhiên liệu biogas ứng với các thành phần CH4 khác nhau đánh lửa bằng tia
phun mồi; Nghiên cứu thực nghiệm quá trình hình thành hỗn hợp của động cơ dual
fuel để xác lập đường đặc tính của hệ số tỷ lệ tương đương theo tải của động cơ; so
sánh kết quả cho bởi mô hình hóa và thực nghiệm.

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học: Luận án đã góp phần nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu
về động cơ dual fuel (biogas-diesel) tại Việt Nam.


4

Ý nghĩa thực tiễn: Luận án sẽ chỉ ra được tính hiệu quả hơn của việc sử
dụng nhiên liệu biogas cho động cơ đốt trong và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Trong tình hình nguồn năng lượng hóa thạch có dấu hiệu khủng hoảng, dầu mỏ
đang cạn kiệt và biến đổi khí hậu ngày một trở nên nghiêm trọng thì những đóng
góp của luận án mang lại ý nghĩa thực tiễn hết sức thiết thực.

6. CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN
Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của đề
tài, nội dung chính được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Nghiên cứu mô phỏng quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của
động cơ dual fuel (biogas-diesel)
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4: So sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm động cơ dual
fuel biogas-diesel

7. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI VỀ MẶT KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN
Luận án có một số đóng góp mới về mặt khoa học như sau:
 Bằng thực nghiệm luận án đã xác định được đường đặc tính của hệ số tỷ
lệ tương đương theo tải và theo tốc độ của động cơ, kết quả này được so sánh cho
bởi mô hình đã được tính toán trước đó.
 Luận án đã xây dựng được mô hình tính toán quá trình hình thành hỗn hợp
và cháy của động cơ dual fuel (biogas-diesel) qua đó định hướng trong quá trình thử
nghiệm để đánh giá khả năng sử dụng của động cơ này.
 Luận án đã chỉ ra những đặc điểm trong quá trình cháy của nhiên liệu
biogas ứng với các thành phần methane có trong nhiên liệu khác nhau. Qua đó cho
phép phân tích đánh giá một cách chính xác các thông số ảnh hưởng đến tính năng
của động cơ dual fuel (biogas-diesel).

5

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG HIỆN NAY
Trong vài thập niên trở lại đây, sự tăng trưởng kinh tế ở các nước đang phát
triển đã kéo theo sự tăng nhanh của các phương tiện giao thông vận tải. Từ đó đặt ra
hàng loạt vấn đề về kinh tế - xã hội, năng lượng và môi trường đối với các nhà quản
lý, các nhà nghiên cứu cũng như các nhà hoạch định chiến lược phát triển kinh tế xã hội trong lĩnh vực giao thông vận tải. Đặc biệt nạn kẹt xe, ô nhiễm môi trường,
cùng với sự cạn kiệt của dầu mỏ vừa là thách thức vừa là động lực cho các công
trình nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến năng lượng và môi trường của thế kỷ
hai mươi mốt [5], [15], [17], [18], [19], [24], [28], [59], [63].
Khí xả từ động cơ đốt
trong của phương tiện giao
thông cơ giới là nguồn gây ô
nhiễm chính đối với bầu khí
quyển. Người ta ước tính
khoảng 80% CO, 60% HC và
40% NOx trong bầu khí
quyển hiện nay là do khí thải
của phương tiện giao thông
cơ giới gây ra [5], [20].

Hình 1.1: Minh họa về ô nhiễm môi trường [5],[26]
Khác với những chất khí ô nhiễm khác, quá trình cháy nhiên liệu hóa thạch chứa
cacbon (C) tất yếu sinh ra CO2, nên việc làm giảm nồng độ chất khí này chỉ có thể
được thực hiện bằng cách sử dụng nhiên liệu chứa ít cacbon hoặc giảm suất tiêu hao
nhiên liệu, nghĩa là tăng tính kinh tế của động cơ.
Theo cơ quan quản lý năng lượng của Hoa Kỳ (DOE - Department of
Energy) sự ô nhiễm không khí ở nước này do các phương tiện giao thông vận tải

gây ra chiếm hơn 50% (ở thành phố hơn 80%). Ô nhiễm không khí không những
gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người mà còn đe dọa nghiêm trọng đến


6

trạng thái cân bằng nhiệt của bầu khí quyển [85]. Nghị định thư Kyoto (1997) đã
gióng lên hồi chuông báo động về hiện tượng bầu khí quyển đang nóng lên từng
ngày do hiệu ứng nhà kính. Điều này không chỉ là một thách thức đối với các nhà
khoa học mà còn là áp lực lớn đối với các chính trị gia trong chiến lược phát triển
kinh tế và bảo vệ môi trường nhằm tránh cho trái đất một thảm họa khó lường. Vì
vậy, trước tình hình nhiên liệu truyền thống đang lâm vào khủng hoảng vì cạn kiệt
và vấn đề ô nhiễm môi trường đang trở nên trầm trọng, thì song song với việc sử
dụng tiết kiệm hơn nhiên liệu, hoàn thiện hơn các giải pháp kỹ thuật để giảm thiểu ô
nhiễm môi trường, thì vấn đề tìm kiếm các nguồn nhiên liệu mới sạch có nguồn gốc
từ năng lượng mặt trời để thay thế bổ sung và sử dụng hiệu quả chúng là hướng
nghiên cứu trọng tâm hiện nay cũng như trong tương lai [1], [2], [4], [5], [17], [20],
[47]…

1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SẠCH
1.2.1. Sử dụng các loại nhiên liệu sinh học lỏng
Đứng trước áp lực giá dầu mỏ tăng cao và ngày càng cạn kiệt, nhiều nước
trên thế giới đã có những nghiên cứu phát triển tìm nguồn nhiên liệu thay thế bổ
sung từ dầu thực vật hoặc khí sinh học. Một số nước thuộc Châu Mỹ như Brazil,
Hoa Kỳ đã nghiên cứu áp dụng thành công nhiên liệu sạch chế biến từ thực vật như
ethanol, methanol [57], [74]. Do thành phần carbon trong nhiên liệu thấp nên quá
trình cháy sinh ra ít chất ô nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2 chất khí gây
hiệu ứng nhà kính. Tuy vậy việc ứng dụng các loại nhiên liệu lỏng thay thế bổ sung
từ dầu thực vật nói chung vẫn còn rất hạn chế do nhiên liệu đặc thù này vẫn còn
hiếm và giá thành cao. Tuy nhiên giải pháp này có lợi ở những nơi mà nguồn nhiên

liệu này dồi dào hoặc các loại nhiên liệu trên được chiết xuất từ các chất thải của
quá trình sản xuất công nghiệp [17].
Một loại nhiên liệu lỏng thay thế khác mới đây được công bố là Dimethylether (DME) được chế tạo từ khí thiên nhiên. Đây là loại nhiên liệu thay thế cực
sạch có thể dùng cho động cơ diesel giống như LPG. Thử nghiệm trên ô tô cho
thấy, ô tô dùng DME có mức độ phát ô nhiễm thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ô tô