Nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel syngas

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

VŨ VĂN DÂN

NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ DIESEL
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL-SYNGAS

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

VŨ VĂN DÂN

NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ DIESEL
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL-SYNGAS

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019


LỜI CẢM ƠN
Sau 10 tháng nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp
đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn: PGS. TS. Huỳnh Thanh
Cơng, luận văn của tôi với đề tài "Nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ
diesel sử dụng syngas-diesel" đã hồn thành.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo PGS. TS. Huỳnh Thanh Công đã hướng dẫn, giúp đỡ hết
sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên mơn để tơi có thể thực hiện và hồn
thành luận văn.
Ban giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành
phố Hồ Chí Minh, Phịng Đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa
Kỹ thuật giao thông Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành
phố Hồ Chí Minh đã hậu thuẫn, giúp đỡ, động viên tơi trong suốt q trình
học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Các thành viên phản biện, các thầy giáo, cô giáo trong hội đồng chấm
luận văn đã đọc, phê duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể hồn thành
luận văn.
Các học viên cao học và sinh viên từ Nhóm nghiên cứu động cơ sử dụng
nhiên liệu khí tại PTN Trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trong.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Phân Viện Khoa học
hình sự, Viện Khoa học hình sự - Bộ Cơng an, cùng tồn thể các đồng nghiệp,
bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ,
hỗ trợ tơi trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2019
HỌC VIÊN

Vũ Văn Dân

TÓM TẮT
Luận văn này đề cập đến việc đánh giá đặc tính của động cơ diesel sử
dụng nhiên liệu diesel-syngas tỉ số nén cao dưới các điều kiện vận hành khác
nhau như: thay đổi tốc độ, thay đổi tỉ lệ H2/CO. Nhiều nghiên cứu ứng dụng
syngas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức đã được thực hiện trong và ngoài
nước. Tuy nhiên, động cơ tự cháy do sức nén sử dụng diesel-syngas cịn ít
được nghiên cứu. Việc nghiên cứu sự thay đổi đặc tính động cơ này trong các
điều kiện vận hành khác nhau sẽ góp phần đánh giá và tối ưu điều kiện hoạt
động của dòng động cơ này. Và góp phần nhận dạng tính khả thi của việc
dùng nhiên liệu syngas trên động cơ công suất lớn trong tương lai tại Việt
Nam.
Trong luận văn này, động cơ diesel 1 xylanh 12,5HP là đối tượng nghiên
cứu chính. Một mơ hình động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng hỗn hợp biogas
giả lập (H2/CO) được thiết lập trên phần mềm AVL Boost ver.2013 vận hành
với các thông số tiêu biểu như: tốc độ, tỉ lệ % H2/CO. Các đặc tính động cơ sử
dụng 50% Diesel và 50% Syngas với 3 tỷ lệ khác nhau của H2/CO
(75%/25%. 50%/50%, và 25%/75%) đã được thực hiện. Các đặc tính động cơ
tiêu biểu của động cơ sử dụng nhiên liệu syngas thay thế diesel với tỉ lệ thay
đổi từ 10% đến 50%, có đối chiếu so sánh với trường hợp vận hành 100%
diesel;
Qua kết quả đạt được cho thấy khi thay thế diesel bằng syngas thì cơng
suất và mơ-ment động cơ có sự giảm. Tuy nhiên, thành phần khí thải độc hại
như (NOx, CO, khói) cũng giảm đáng kể, góp phần lớn trong cơng tác bảo vệ
môi trường sống.


ABSTRACT
The objective of this thesis is to evaluate the characteristics of high

compression ratio biogas engine under different operated as: change of speed,
change of H2/CO ratio. Most researches using biogas on spark ignition
engines were reported. However, compression ignition engines using biogas
as fuel are rarely studied. The study of the changing characteristics of the
engine in various operating conditions will contribute to assess and optimize
the operating conditions of the engine. And contribute to identifying the
feasibility of using biogas as fuel on high power engines in the future in
Vietnam.
In this thesis, one cylinder 12.5HP diesel engine is used to convert to
operate with biogas. One spark ignition engine model use simulated biogas
mixture (H2/CO) is set on the software AVL Boost operating parameters such
as: speed and rate % H2/CO. Engine performance characteristics are analyzed
by operating with 50%Diesel and 50% Syngas. Three ratios of H2/CO
(75%/25%. 50%/50%, and 25%/75%) are used. Typical engine performance
parameters are estimated with substitution of syngas in diesel from 10% to
50% in volume. The obtained results are also used to compare with operation
of 100% of diesel;
All obtained results showed the potential of syngas as fuel for internal
combustion engine to reduce the exhaust emission gas (especial for NOx and
Soot) with a slight decrease of engine power and engine torque.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là: Vũ Văn Dân
Sinh ngày 10 tháng 10 năm 1973
Học viên lớp Cao học 17 - Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc
gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Hiện đang cơng tác tại Phân Viện Khoa học hình sự tại Thành phố Hồ
Chí Minh, Viện Khoa học hình sự - Bộ Cơng an.
Xin cam đoan: Đề tài "Nghiên cứu mơ phỏng đặc tính động cơ diesel

sử dụng syngas-diesel" do thầy giáo PGS. TS. Huỳnh Thanh Công hướng
dẫn là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các dữ liệu và kết quả nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tơi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội
dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tơi hồn
tồn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2019
HỌC VIÊN

Vũ Văn Dân


PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên: Vũ Văn Dân
Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1973
Nơi sinh: Đồng Sơn, Nam Trực, Nam Định
Địa chỉ liên lạc: Phân Viện Khoa học hình sự, 258 đường
Nguyễn Trãi, phường Nguyễn Cư Trinh, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh.
Điện thoại: 0908111771
Q TRÌNH ĐÀO TẠO
Tháng 8 năm 1997 đến Tháng 6 năm 2002 là sinh viên hệ chính
quy Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tháng 6 năm 2016 đến tháng 4 năm 2018 bồi dưỡng cao cấp lý
luận chính trị tại Học viện chính trị Khu vực II.
Tháng 6 năm 2017 đến tháng 6 năm 2019 học viên sau Đại học
tại trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
Q TRÌNH CƠNG TÁC
Tháng 9 năm 2003 đến nay cơng tác tại Phân Viện Khoa học
hình sự tại Thành phố Hồ Chí Minh - Bộ Cơng an

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................... 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 5
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 6
1.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 6
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................... 6
1.6. Tổng quan về nhiên liệu syngas....................................................................... 7
1.6.1. Giới thiệu về nhiên liệu syngas..................................................................... 7
1.6.2. Nguyên liệu sản xuất syngas…..................................................................... 9
1.6.3. Cơng nghệ chuyển hóa syngas .................................................................... 11
1.6.4. Ưu nhược điểm của khí syngas so với diesel truyền thống ........................ 16
1.7. Các nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................. 19
1.7.1. Các nghiên cứu trên thế giới liên quan đến động cơ sử dụng syngas ......... 19
1.7.2. Các nghiên cứu trong nước ......................................................................... 26
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 28
2.1. Cơ sở lý thuyết đánh giá đặc tính động cơ .................................................... 28
2.1.1. Đặc tính cơng suất....................................................................................... 28
2.1.2. Tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng lưỡng nhiên liệu ...................................... 30
2.1.3. Năng lượng cung cấp ban đầu .................................................................... 30
2.1.4. Hiệu suất nhiệt ............................................................................................ 31
2.1.5. Xác định tỷ lệ nhiên liệu Diesel/syngas:..................................................... 31
2.2. Các mơ hình ứng dụng trong AVL Boost ...................................................... 31
2.2.1. Mơ hình nhiệt động lực học ........................................................................ 31
2.2.2. Mơ hình cháy Vibe 2 zone .......................................................................... 33
2.2.3. Mơ hình truyền nhiệt .................................................................................. 35
2.2.4. Mơ hình thành khí thải ................................................................................ 37

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG .......................................................... 40
3.1. Giới thiệu chung ............................................................................................ 40


3.2. Mơ hình hóa đối tượng nghiên cứu................................................................ 40
3.3. Xác định điều biện ban đầu và điều kiện biên cho mơ hình mơ phỏng ......... 42
3.3.1. Điều kiện ban đầu ....................................................................................... 42
3.3.2. Điều kiện vận hành và điều kiện biên ......................................................... 42
3.4. Kết quả mơ phỏng .......................................................................................... 43
3.4.1. Đặc tính kỹ thuật động cơ với tỷ lệ H2/CO thay đổi................................... 43
3.4.2. Đánh giá đặc tính kỹ thuật theo tốc độ vận hành tại tỷ lệ H2/CO=50/50... 48
3.4.3. Đánh giá đặc tính sự cháy ........................................................................... 50
3.4.4. Đánh giá đặc tính phát thải ......................................................................... 54
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...................................... 56
4.1. Kết luận .......................................................................................................... 56
4.2. Hướng phát triển tiếp theo ............................................................................. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 58
PHỤ LỤC I. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM AVL BOOST VER.2013 ................... 61
PHỤ LỤC II. BẢNG KẾT QUẢ TIÊU BIỂU VỚI AVL BOOST VER.2013 ... 72


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1

Vỏ trấu được thải bỏ bừa bãi .......................................................... 5

Hình 1.2

Sơ đồ tổng quan sản xuất nhiên liệu syngas ................................... 7

Hình 1.3

Sơ đồ phương trình tạo khí syngas ................................................. 8

Hình 1.4

Cơng nghệ khí hóa tầng cố định có dịng chéo ............................. 12

Hình 1.5

Cơng nghệ khí hóa tầng sơi........................................................... 15

Hình 1.6

Phát thải HC theo tỷ lệ thay thế syngas ........................................ 20

Hình 1.7

Hiệu suất nhiệt chỉ thị theo % syngas ........................................... 20

Hình 2.1

Mơ hình buồng cháy ..................................................................... 32

Hình 2.2

Ảnh hưởng khi thay đổi tham số “M” đối với các đường đặc
tính trong q trình mơ phỏng ...................................................... 35

Hình 2.3

Ảnh hưởng hệ số tương đương tới khí thải trong động cơ Si ....... 37

Hình 3.1

Mơ hình động cơ syngas-diesel được xây dựng trên AVL
Boost ver.2013 .............................................................................. 41

Hình 3.2

Đặc tính cơng suất theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi ......... 44

Hình 3.3

Đặc tính mơ-men theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi ........... 45

Hình 3.4

Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO
thay đổi.......................................................................................... 45

Hình 3.5

Nox theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi tại 50% diesel50% syngas ................................................................................... 46

Hình 3.6

Co theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi tại 50% diesel 50% syngas ................................................................................... 46

Hình 3.7

Soot theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi tại 50% diesel50% syngas ................................................................................... 47

Hình 3.8

Đặc tính cơng suất theo tốc độ với tỷ lệ % diesel/syngas
thay đổi.......................................................................................... 48


Hình 3.9

Đặc tính mơ-men theo tốc độ với tỷ lệ % diesel/syngas
thay đổi.......................................................................................... 49

Hình 3.10 Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu theo tốc độ với tỷ lệ %
diesel/syngas thay đổi .................................................................. 50
Hình 3.11 Áp suất xi-lanh theo GQTK với % diesel/syngas thay đổi tại
1800v/ph ....................................................................................... 50
Hình 3.12 Áp suất xi-lanh theo GQTK với % diesel/syngas thay đổi tại
2400v/ph ....................................................................................... 52
Hình 3.13 Nhiệt độ xi-lanh theo GQTK với % diesel/syngas thay đổi tại
1800v/ph ....................................................................................... 53
Hình 3.14 Nhiệt độ xi-lanh theo GQTK với % diesel/syngas thay đổi tại
2400v/ph ....................................................................................... 53
Hình 3.15 Phát thải nox theo tốc độ với tỉ lệ syngas-diesel thay đổi ............ 54
Hình 3.16 Phát thải co theo tốc độ với tỉ lệ syngas-diesel thay đổi............... 55
Hình 3.17 Phát thải soot theo tốc độ với tỉ lệ syngas-diesel thay đổi ............ 55

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thống kê lượng CTR theo thành phần vật nuôi ............................... 4
Bảng 1.2 Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng ................................................. 9
Bảng 1.3 Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nơng nghiệp.................................... 9
Bảng 1.4 Tính chất lý hóa một số loại phụ phẩm nông nghiệp ở Việt
Nam ................................................................................................. 11
Bảng 1.5 So sánh giá trị kinh tế trên đơn vị nhiệt trị giữa sử dụng nhiên
liệu truyền thống và khi sử dụng thay thế bằng nhiên liệu sinh
khối ở Việt Nam .............................................................................. 17
Bảng 1.6 Thông số kỹ thuật của Syngas với tỷ lệ H2/CO khác nhau ............. 21
Bảng 2.1 Cơ chế hình thành CO..................................................................... 38
Bảng 2.2 Cơ chế hình thành NOX theo 6 phản ứng........................................ 39
Bảng 3.1 Trình tự các bước mô phỏng ........................................................... 40
Bảng 3.2 Điều kiện mô phỏng trong luận văn ............................................... 42


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BSFC
CO
CO2
CH4
CTR
ĐBSCL
GQTK
H2
N2
NLSK
Syngas

TK
TĐCT

Brake Specific Fuel Consumption (Suất tiêu thụ nhiên liệu)
Carbon monoxide
Carbon dioxide
Metan
Chất thải rắn
Đồng bằng sông Cửu Long
Góc quay trục khủy
Hydrogen
Nitrogen
Nhiên liệu sinh khối
Synthesis gas: Khí tổng hợp
Độ góc quay trục khuỷu
Trước điểm chết trên


CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Để bảo đảm an ninh năng lượng Quốc gia, hạn chế sự phụ thuộc của
động cơ đốt trong vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày dần cạn kiệt. Để
giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phát thải của động cơ đốt trong vào môi
trường, đang là vấn đề được Đảng và Nhà Nước chúng ta quan tâm cũng như
có nhiều giải pháp tìm kiếm nguồn nhiên liệu sạch để thay thế, trong đó nhiên
liệu sinh học là nguồn nhiên liệu có giá thành rẻ và phổ biến. Do vậy nhiên
liệu sinh học là một nguồn nhiên liệu được các nhà nghiên cứu trên thế giới
quan tâm và đặc biệt là ở các nước nông nghiệp đang phát triển như Việt Nam
có thể tận dụng tài nguyên tại chỗ để sản xuất nhiên liệu này. Công nghệ sản

xuất nhiên liệu sinh học không phức tạp, tạo việc làm và tăng thu nhập cho
người lao động, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp. Nhiên liệu sinh học sử
dụng thuận tiện hơn các dạng nhiên liệu sạch khác nhất là đối với động cơ
không cần phải thay đổi thiết kế chế tạo nhiều, giá thành nhiên liệu sinh học
có giá thấp hơn so với xăng, dầu (xăng, dầu thuộc nguồn nhiên liệu hoá thạch
đang ngày một cạn kiệt và giá thành ngày càng tăng nhanh). Sử dụng nhiên
liệu sinh học giảm thiểu khí xả độc hại vào mơi trường. Nhiên liệu syngas
(viết tắt từ synthesis gas) là sản phẩm khí tổng hợp của nhiên liệu sinh học,
bao gồm các thành phần khí H2, CO, CH4, CO2, N2,... Syngas được sản xuất
từ các hợp chất chứa cacbon như khí thiên nhiên gỗ, mùn cưa, vỏ trấu, sản
phẩm dầu mỏ, than đá và sinh khối. Điều này đóng vai trị mấu chốt trong
cơng nghiệp hóa học và sản xuất nhiên liệu tổng hợp.
Năng lượng đóng vai trị rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế. Nền
kinh tế càng phát triển thì nhu cầu về năng lượng càng lớn dẫn đến suy giảm
nhanh chóng nguồn nhiên liệu hóa thạch, đẩy giá nhiên liệu (xăng dầu, than,
khí…) lên cao và gia tăng lượng khí CO2 thải vào khí quyển, gây nên hiệu
ứng nhà kính, biến đổi khí hậu tồn cầu. Do đó, ngồi những nghiên cứu giải

1


pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả thì nghiên cứu, ứng dụng
những cơng nghệ mới nhằm phát triển, tạo ra nguồn năng lượng thay thế, bổ
sung cho các nguồn năng lượng hoá thạch cần được quan tâm. Nguồn năng
lượng sinh khối (NLSK) từ phụ phẩm nông, lâm nghiệp (rơm rạ, trấu, xơ dừa,
vỏ cà phê, bã mía, xơ bắp, lá khô, vụn gỗ…) là một trong những nguồn năng
lượng mới, năng lượng tái tạo cần được quan tâm nghiên cứu khai thác.
Nguồn sinh khối rất phong phú. Do vậy, công nghệ để sử dụng NLSK
cũng rất đa dạng. Việc nghiên cứu nắm vững công nghệ cho việc phát triển
nguồn NLSK là việc rất quan trọng và đáng quan tâm. Hiện nay có khoảng 50

nước trên thế giới khai thác và sử dụng nhiên liệu từ sinh khối ở các mức độ
khác nhau [2], [9]:
• Brasil là quốc gia đầu tiên sử dụng ethanol làm nhiên liệu ở quy mô công
nghiệp từ năm 1970. Tất cả các loại xăng ở quốc gia này đều pha khoảng
25% ethanol (E25), mỗi năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD do khơng phải
nhập dầu mỏ.
• Mỹ sản xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương và thân
cây cao lương ngọt, và củ cải đường. Để khuyến khích sử dụng nhiêu liệu
sạch, Chính phủ đã thực hiện việc giảm thuế 0,50 USD/gallon ethanol và 1
USD/gallon diesel sinh học, hỗ trợ các doanh nghiệp nhỏ sản xuất năng
lượng sinh khối.
• Đức sản xuất điện từ biogas đang rất phát triển với số lượng nhà máy đã
đạt tới 4600 nhà máy với tổng công suất 1700MW/năm (năm 2009), và dự
kiến sẽ tiếp tục tăng trong tương lai.
• Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều ethanol sinh học trong cộng đồng
Châu Âu với mức khoảng 1,07 triệu tấn ethanol và diesel sinh học (năm
2006).

2


• Thụy Điển có chương trình chấm dứt hồn tồn nhập khẩu xăng cho xe
hơi vào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học. Hiện nay,
20% xe ở Thụy Điển chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng ethanol. Để
khuyến khích sử dụng xăng sinh học, chính phủ Thụy Điển khơng đánh
thuế xăng sinh học, và trợ cấp xăng sinh học rẻ hơn 20% so với xăng
thơng thường.
• Nhật Bản, Chính phủ đã ban hành Chiến lược năng lượng sinh khối từ
năm 2003 và hiện nay đang tích cực thực hiện Dự án phát triển các đơ thị
sinh khối (biomass town) và đã có hơn 200 đơ thị đạt danh hiệu này.

• Thái Lan: Từ năm 1985, Thái Lan đã huy động hàng chục cơ quan khoa
học đầu ngành để thực thi dự án Hoàng gia phát triển công nghệ hiệu quả
sản xuất ethanol và diesel sinh học từ dầu cọ. Năm 2003, đã có hàng chục
trạm phân phối xăng sinh học ở Băng Cốc và vùng phụ cận và tiếp tục phát
triển trong tương lai.
• Việt Nam: Cũng như nhiều quốc gia khác, việc sử dụng năng lượng gió,
năng lượng mặt trời, NLSK đang được áp dụng tại Việt Nam nhưng sản
lượng còn thấp và quy mơ khơng lớn. Bên cạnh đó, Việt Nam có một tiềm
năng NLSK rất lớn từ các phụ phẩm nông, lâm nghiệp. Tiềm năng của
NLSK tại Việt Nam theo [2],[9] như:
- Tại ĐBSCL, khả năng thu gom phụ phẩm nông nghiệp của vùng vào
khoảng trên 23 triệu tấn/năm, trong đó có khoảng trên 3,8 triệu tấn trấu, gần
17 triệu tấn rơm rạ, trên 372.000 tấn bắp; gần 1,4 triệu tấn bã mía (năm 2012).
Đây là các nguồn có khả năng tạo ra khí tổng hợp (syngas) ứng dụng làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
- Lượng chất thải rắn (CTR) chăn ni của một số lồi vật ni như sau:

3


Bảng 1.1 Thống kê lượng CTR theo thành phần vật ni

Tổng số đầu con
Lồi vật ni

CTR bình qn

(triệu con)
2007

2008

Bị

6,72

6,33

Trâu

2,99

Lợn
Gia cầm

(kg/con/ngày)

Tổng CTR/năm
(triệu tấn)
2007

2008

10

24,528

23,13

2,89

15

16,370

15,86

26,56

26,7

2

19,389

19,49

226,02

247,32

0,2

16,500

18,05

Dê

1,77

1,34

1,5

0,969

0,73

Cừu

-

0,08

1,5

-

0,04

Ngựa

0,1

0,12

4

0,146

0,17

Hươu, nai

0,03

0,04

2,5

0,024

0,03

-

8,07

1

-

2,95

77,926

80,45

Chó

Tổng cộng

Theo Nguyễn Thị Nhâm Tuất và cộng sự [9], nếu chỉ tính riêng từ phụ
phẩm nơng nghiệp và CTR chăn ni thì hàng năm nước ta có thể sản xuất
khoảng 4,844 triệu m3 khí sinh học, tương đương với hơn 2 triệu tấn dầu.
Việt Nam cũng đã khởi công xây dựng 4 nhà máy sản xuất ethanol từ tinh bột
sắn, công suất mỗi nhà máy 100 triệu lít cồn/năm. Như vậy là vẫn cịn khá
nhỏ so với tiềm năng của nước ta. Mặt khác, do nhiều nguyên nhân mà mỗi
năm có hàng chục triệu tấn phế phụ phẩm nông nghiệp chưa được chú trọng
khai thác mà bị đốt tại nhiều vùng nông thôn, cũng như các chất thải chăn
nuôi thải ra môi trường gây ô nhiễm cho các khu vực.

4


Hình 1.1 Vỏ trấu được thải bỏ bừa bãi

Nhằm khai thác hiệu quả hơn các nguồn tài nguyên nông lâm nghiệp, tận
dụng các nguồn chất thải, bảo vệ môi trường và nâng cao khả năng tiện dụng
trong việc sử dụng NLSK cho động cơ nông nghiệp, động cơ tĩnh tại, máy
phát điện trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày với quy mơ nhỏ ở khu vực
nơng thơn. Do đó, việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng đánh giá
đặc tính động cơ diesel sử dụng diesel-syngas” có ý nghĩa khoa học và ý
nghĩa thực tiễn cao.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn là xây dựng mơ hình động cơ
diesel 1 xi-lanh để đánh giá đặc tính cơng suất, thơng số tiêu biểu q trình
cháy và khí thải động cơ diesel sử dụng hỗn hợp syngas-diesel với tỷ lệ phối

trộn thay đổi.
Trên cơ sở của kết quả nghiên cứu, tác giả sẽ phân tích ảnh hưởng của
các thông số vận hành tiêu biểu (vận tốc, góc quay trục khuỷu,…) đến đặc
tính cơng suất và khí thải, cũng như đề xuất tỷ lệ bổ sung phù hợp syngas vào
trong nhiên liệu diesel nhằm đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng nhiên
liệu mới từ chất thải nông, lâm nghiệp trong tương lai tại Việt Nam.

5


1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel 1 xi-lanh, phun trực tiếp (dự kiến
sử dụng kết cấu động cơ phổ biến RV125-2). Đây là dòng động cơ được Việt
Nam sản xuất, chiếm thị phần lớn trong nước và xuất khẩu.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn này giới hạn trong các nội dung như
sau:
1- Nghiên cứu đặc tính cơng suất (cơng suất, mô-men, tiêu hao nhiên
liệu) của động cơ Diesel sử dụng hỗn hợp diesel- syngas.
2- Đặc tính thay đổi của nhiệt độ và áp suất trong xi-lanh khi có sự thay
đổi của tỷ lệ diesel- syngas.
3- Đánh giá đặc tính phát thải (khí NOx, CO, Soot) của động cơ diesel
sử dụng hỗn hợp diesel- syngas.
1.4. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chính của luận văn là mơ hình hóa và mơ
phỏng sử dụng phần mềm AVL Boost có sử dụng thơng số vận hành thực
nghiệm trên băng thử.
Ngồi ra, tác giả cũng sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp các tài
liệu liên quan và tham vấn ý kiến chuyên gia tại Công ty SVEAM, thầy

hướng dẫn…
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu trong luận văn góp phần làm rõ ảnh
hưởng của việc sử dụng hỗn hợp syngas-diesel như nhiên liệu trên động cơ
diesel đến công suất, mô-men, áp suất xi-lanh và một số khí thải độc của động
cơ. Kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở khoa học đề xuất cấu hình động cơ sử dụng
lưỡng nhiên liệu diesel-syngas cho Việt Nam.
Ý nghĩa thực tiễn: Nếu đề tài thực hiện thành cơng, kết quả nghiên cứu
góp phần tin cậy cho xu hướng ứng dụng nhiên liệu mới từ nguyên liệu thải

6


lâm nghiệp, nông nghiệp (vốn phong phú) cho động cơ đốt trong, thiết bị
động lực tại Việt Nam.
1.6. Tổng quan về nhiên liệu syngas
1.6.1. Giới thiệu về nhiên liệu syngas

Syngas là khí tổng hợp khơng phải là nhiên liệu hóa thạch tìm thấy trong
tự nhiên, khí tổng hợp là một khí nhiên liệu hỗn hợp bao gồm chủ yếu
là hydro, carbon monoxide và bao gồm

một lượng khí carbon dioxide.

Phương pháp sản xuất bao gồm tái lập hơi nước của khí tự nhiên hoặc
hydrocarbon lỏng để sản xuất hydro, các quá trình khí hóa than, sinh khối và
trong một số loại chất thải thành năng lượng khí hóa.
Khí hóa là một q trình chuyển đổi hữu cơ hoặc hóa thạch dựa trên các
bon vật liệu vào khí carbon monoxide, hydrogen và carbon dioxide. Điều này

đạt được từ phản ứng của vật liệu ở nhiệt độ cao (> 700°C), mà không cần
đốt, với một số lượng có kiểm sốt của oxy. Hỗn hợp khí được gọi là khí tổng
hợp và chính nó là một nhiên liệu. Syngas được coi là một nguồn năng lượng
tái tạo nếu các hợp chất khí hóa được lấy từ sinh khối. Sinh khối tạo ra nhiên
liệu sinh học, được sản xuất dựa vào carbon, hydro và oxy. Sản xuất sinh khối
ước tính trên thế giới là 104,9 tỷ tấn cacbon mỗi năm, khoảng một nửa trong
đại dương và nửa trên mặt đất.
Syngas là sản phẩm được sản xuất từ các hợp chất chứa cacbon như:
Khí thiên nhiên, sản phẩm dầu mỏ, than đá và sinh khối. Điều này đóng vai
trị mấu chốt trong cơng nghiệp hóa học và sản xuất nhiên liệu tổng hợp. Dưới
đây là lưu đồ thể hiện tổng quan về quá trình sản xuất nhiên liệu syngas:

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan sản xuất nhiên liệu syngas

7


Q trình sản xuất nhiên liệu khí syngas cịn được gọi là gasification.
Đây là quá trình chuyển đổi các nguồn ngun liệu dạng rắn thành hồn hợp
các chất khí thơng qua các phản ứng trong điều kiện thiếu oxygen.
Gasification được xảy ra trong khoảng nhiệt độ 1112oF tới 2732oF và sản
phẩm cho ra hỗn hợp khí tổng hợp có năng lượng từ thấp tới trung bình phụ
thuộc vào kiểu khí hóa cũng như điều kiện vận hành. Q trình hóa sinh khối
được sử dụng để sản xuất năng lượng sinh học và các sản phẩm sinh học khác
dùng cho động cơ đốt trong, lò hơi hay để phát điện.
Trong quá trình khí hóa, ngun liệu đầu vào được sấy tới nhiệt độ cao,
sản phẩm của quá trình này là chất khí mới tạo thành và phần chất rắn cịn lại
khơng phản ứng. Lượng khí được tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ và tính chất
của nguồn nguyên liệu cũng như nhiệt độ mà các phản ứng xảy ra. Các phản
ứng xảy ra ban đầu dưới sự có mặt của oxygen cho ra sản phẩm có khí CO và

CO2. Các phản ứng xảy ra rất nhanh, kèm theo sự tỏa nhiệt và là tiền đề để
các phản ứng khác tạo ra. Q trình khí hóa ngun liệu rắn tại nhiệt độ cao
(khoảng >1112oF) đầu tiên tạo ra khí và một số chất dưới dạng tro, nhựa
đường. Các phản ứng hóa học, ảnh hưởng trực tiếp đến q trình khí hóa và
quyết định đến thành phần các chất khí tạo thành. Những phản ứng thứ cấp
xảy ra tại nhiệt độ > 1112oF và dưới điều kiện áp suất thích hợp, sẽ giúp cho
sự phân hủy tro tạo ra cacbon và các chất khí. Phản ứng của q trình khí hóa
sinh khối chứa cacbon được thể hiện theo phương trình dưới đây:

Hình 1.3 Sơ đồ phương trình tạo khí Syngas

Để phản ứng xảy ra được hồn tồn thì 1 (kg) ngun liệu sinh khối cần
khoảng 4,5 (kg) khơng khí (tạo điều kiện chuẩn), theo như các nghiên cứu
được đưa ra thì đối với các phản ứng khí hóa lượng khơng khí chỉ cần thiết

8


khoảng bằng 0,25 lần khơng khí tiêu chuẩn. Thơng thường là để khí hóa 1
(kg) ngun liệu sinh khối thì cần khoảng 1,15 (kg) khơng khí.
1.6.2. Ngun liệu sản xuất syngas
Nguồn nguyên liệu sinh khối (NLSK) [2],[9] chủ yếu là gỗ và phụ phẩm cây
trồng. Tiềm năng nguồn nguyên liệu sinh khối này được đánh giá theo bảng số liệu
dưới đây:
Bảng 1.2 Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng

Nguồn cung cấp

Tiềm năng
(triệu tấn)

Quy dầu
tương đương
(triệu tấn)

Tỉ lệ
(%)

Rừng tự nhiên

6,842

2,390

27,2

Rừng trồng

3,718

1,300

14,8

Đất không rừng

3,850

1,350

15,4

Cây trồng phân tán

6,050

2,120

24,1

Cây công nghiệp và cây ăn quả

2,400

0,840

9,6

Phế liệu gỗ

1,649

0,580

6,6

Tổng

25,090

8,780

100,0

Bảng 1.3 Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp

Nguồn cung cấp

Tiềm năng
(triệu tấn)

Quy dầu
tương đương
(triệu tấn)

Tỉ lệ
(%)

Rơm rạ

32,52

7,30

60,4

Trấu

6,50

2,16

17,9

Bã mía

4,45

0,82

6,8

Các loại khác

9,00

1,08

14,9

Tổng

53,43

12,08

100,0

9

Từ bảng số liệu trên ta thấy, tiềm năng NLSK là lớn nhất. Theo báo cáo
của Hội Công nghiệp sinh khối Châu Âu, NLSK có thể đảm bảo tới 15% nhu
cầu sử dụng năng lượng của các nước công nghiệp vào năm 2020. Hiện tại
nguồn NLSK này mới chỉ đạt được 1% nhu cầu. Nguyên liệu sinh khối có thể
cung cấp năng lượng cho 100 triệu hộ gia đình, tương đương với cơng suất có
thể thay thế 400 nhà máy điện truyền thống lớn. Lợi thế của nguyên liệu sinh
khối là có thể dự trữ và sử dụng khi cần, NLSK có tính ổn định và là nguồn
năng lượng có thể tái tạo.
Giá thành của NLSK luôn rẻ hơn các loại nhiên liệu khác, ví dụ như: Sử
dụng 2 kg đến 4 kg NLSK tương đương 1 kg than, trong đó 1 kg NLSK có giá
chỉ bằng 5% đến 10% giá 1 kg than. Nếu sản xuất điện năng từ nguyên liệu
sinh khối thì giá thành điện cũng giảm từ 10% đến 30% so với nguồn nhiên
liệu hóa thạch.
Trữ lượng NLSK ở Việt Nam là rất tiềm năng. Nếu chúng ta tận dụng
triệt để nguồn NLSK từ rơm rạ, bã mía thì ước tính, mỗi năm sản xuất được
khoảng 605.000.000 kWh điện. Bảng 1.4 thống kê một số tính chất lý hóa một
số loại phụ phẩm nơng nghiệp ở Việt Nam [10]. Nguồn nguyên liệu đầu vào
rất đa dạng, phong phú và là thành phần chính trong hoạt động sản xuất nông
nghiệp tại Việt Nam.

10


Bảng 1.4 Tính chất lý hóa một số loại phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam

Nhiên liệu
sinh khối

(C)%

(H)

(O)

%

%

Nhiệt trị
(N)%

thấp
(MJ/kg)

Khối
lượng
riêng
(kg/m3)

Vỏ trấu

39,8

5,2

38,6

2,3

15,20

143

Bã mía

46,4

5,8

5,2

1,9

16,69

Bã mía

45,4

6,2

33,6

13,4

16,03

Xơ dừa

46,2

5,2

41,6

3,7

17,41

Xơ dừa

45,7

5,6

33,4

10,3

16,76

Phụ phẩm cây

44,3

5,8

42,4

2,4

15,94

44,0

6,1

24,5

22,2

15,71

213

Vỏ cà phê

44,9

6,2

36,0

8,9

16,22

330

Vỏ lạc

48,6

6,0

36,7

5,1

17,00

65

202

sắn
Phụ phẩm cây
sắn

1.6.3. Cơng nghệ chuyển hóa syngas

Hiện nay trên thế giới, có hai cơng nghệ khí hóa sinh khối chính là:
- Cơng nghệ khí hóa tầng cố định.
- Cơng nghệ khí hóa tầng sơi.
Hai cơng nghệ khí hóa này đều được áp dụng rộng rãi trong công
nghiệp, tuy nhiên mỗi công nghệ có những đặc điểm riêng về mặt yêu cầu về
mặt ngun liệu.
1.6.3.1. Giới thiệu cơng nghệ khí hóa tầng cố định
Công nghệ này nguyên liệu được nạp vào từ trên đỉnh lị xuống phía

dưới, gió (khơng khí, hơi nước…) đi vào từ đáy lị cịn sản phẩm khí đi ra ở
của lị phía trên hoặc dưới. như vậy gió và nguyên liệu đi ngược chiều nhau.

11


Hình 1.4 Cơng nghệ khí hóa tầng cố định có dịng chéo [11]

Quy trình có một số đặc điểm sau:
- Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng này kế tiếp
vùng kia. Dưới cùng là vùng xỉ (7), tiếp đó là vùng cháy (6), vùng khử (vùng
tạo ra sản phẩm khí hóa (5), vùng bán cốc (4), vùng sấy (3) và trên đó là tầng
khơng đỉnh lị.
- Do có sự phân bố các vùng phản ứng như vậy, nên nếu đi từ dưới lên thì
vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp đó là vùng khử có nhiệt độ thấp hơn do, có
phản ứng thu nhiệt, vùng bán cốc có nhiệt độ thấp hơn nữa và tiếp đó là vùng
sấy, có nhiệt độ càng thấp hơn nữa do phải tiêu tốn nhiệt vào q trình bốc hơi
nước.
Có thể tóm tắt nhiệt độ các vùng nhiệt độ như dưới đây:
To vùng cháy > to vùng khử > to vùng bán cốc > to vùng sấy
- Như vậy nhiệt lượng vùng cháy phân bố cho các vùng khác nhau để
thực hiện q trình khí hóa. Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng

12