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

...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Lê Minh Tiến

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

Đà Nẵng - Năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Lê Minh Tiến

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
Chuyên ngành:
Mã số:

KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
62 52 34 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học I: PGS.TS. Trần Văn Nam
Người hướng dẫn khoa học II: GS.TSKH. Bùi Văn Ga

Đà Nẵng - Năm 2013


-3-

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


-51.4.2. 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 tốn 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 MƠ HÌNH HĨA Q 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 khơng hịa trộn trước.....................................50
3.1.2. Lý thuyết q trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước ...................................58
3.1.3. Lý thuyết q trình cháy hịa trộn trước cục bộ ......................................64
3.2. TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY.........................................70
3.2.1. Thiết lập mơ hình tính tốn trong Ansys® Fluent ..................................70
3.2.2. Đánh giá q 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


-6VIKYNO 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 tốn thành phần hỗn hợp qua bộ tạo hỗn hợp .................................89
4.1.2. Tính tốn các thơng số của bộ tạo hỗn hợp .............................................90
4.1.3. Thiết kế bộ tạo hỗn hợp ..........................................................................93

4.1.4. Tính tốn mơ phỏng bằng phần mềm Ansys® Fluent ............................93
4.1.5. Các thơng số chọn và kết quả tính tốn điều kiện biên ...........................95
4.1.6. Kết quả tính tốn: Trường áp suất, thành phần CH4, O2, vector tốc độ ..98
4.2. TÍNH TỐN 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 thơng 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 ngồi
động cơ ............................................................................................................135


-75.3. 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 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG 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:
-

Vh

[m3]

Dung tích xi lanh

-

Vc

[m3]

Thể tích buồng cháy

-

S

[m]

Hành trình piston

-

D

[m]

Đường kính xi lanh

-

n

[vịng/phút]

Số vịng quay

-

db

[m]

Đường kính buồng hỗn hợp

-

dh

[m]

Đường kính họng

-

an

-

vtb

[m]

Tốc độ trung bình của dịng khí

-

lb

[m]

Chiều dài buồng hỗn hợp

-

ph

[Pa]

Độ chân khơng tại họng

-

i

-

Wi

-

f

Hệ số thành phần hỗn hợp

-

ffuel

Thành phần nhiên liệu trong hỗn hợp

-

fsec

Thành phần nhiên liệu thứ cấp trong hỗn hợp

-

fox

Thành phần chất oxy hóa trong hỗn hợp

-

psec

Giá trị tương đối của thành phần hỗn hợp thứ cấp

-

Sm

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

-

Suser

Đại lượng nguồn do người sử dụng định nghĩa

Hệ số dao động của dịng chảy

Số xi lanh
[J]

Cơng chỉ thị

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/m3]

Khối lượng riêng của biogas

-

air

[kg/m3]

Khối lượng riêng của khơng khí

-

λ

Hệ số dư lượng khơng 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 CH4 theo lý thuyết [74] ...........................................................12
Bảng 1.3: Sản lượng CH4 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 thơng 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 CH4) ........................77
Bảng 4.1: Hệ số dao động của dòng chảy .................................................................91

Bảng 4.2: Các thống số chọn và kết quả tính tốn khối lượng hỗn hợp giả định .....95
Bảng 4.3: Kết quả tính tốn áp suất chân khơng trung bình theo tốc độ động cơ ....96
Bảng 4.4: Bảng thơng số chọn và kết quả tính lượng phun mồi ...............................96
Bảng 4.5: Lượng khơng khí cần để đốt kiệt lượng diesel mồi theo tốc độ động cơ .96
Bảng 4.6: Thông số chọn để tính cơng 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 vịng/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: Thơng 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 CO2 trong 1000 năm gần đây ..6
Hình 1.3: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và nồng độ CO2 trong 100 năm gần đây ....6
Hình 1.4: Biến thiên nhiệt độ trung bình thực tế trên mặt đất a: Mơ hình có xem xét
yếu tố do hoạt động của con người b: Mơ hình khơng xem xét yếu tố do hoạt động
của con người ..............................................................................................................6
Hình 1.5: Dịng nước ln 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 CO2 trong bầu khí quyển theo các kịch bản phát thải khác nhau 8
Hình 1.9: Sơ đồ trung hịa 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 H2S ...........................................................................15
Hình 1.12: Hiệu quả lọc hấp phụ H2S 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 CH4 và CO2 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 CO2 đến nhiệt độ ngọn lửa [44] ......................................34
Hình 2.4: Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến cơng 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 ffuel, fsec và fox ......................................................................51


- 12 Hình 3.2: Quan hệ giữa ffuel, fsec và psec .....................................................................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 i vào f , f '2 và mơ
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 CH4 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 CH4/khơng
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 CH4/khơng
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 CH4/khơng khí, p = 0.1 MPa, T = 393 K,
= 1) [36] .................................................................................................................69
Hình 3.11: Ảnh hưởng của CO2 đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH4/khơng
khí ở 1bar và 298K [69] ............................................................................................70
Hình 3.12: Kích thước chi tiết và hình dạng mơ hình tính tốn .......................................71
Hình 3.13: Chia lưới ..................................................................................................72
Hình 3.14: Biến thiên của trường nồng độ CH4, 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 CH4, 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 cơng chỉ thị/chu trình Wi(J)
(n=2200 v/ph, M7C3)................................................................................................76
Hình 3.19: Biến thiên nồng độ O2 (M6C4; n=2000 v/ph; s=40 độ)........................77
Hình 3.20: Biến thiên nồng độ CH4 (M6C4; n=2000 v/ph; s= 40 độ) ....................77
Hình 3.21: Biến thiên nhiệt độ trung bình mơi 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


- 13 Hình 3.25: Diễn biến quá trình cháy tại vị trí  =339 độ ..........................................80
Hình 3.26: Diễn biến q 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 CH4 theo  n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 ..................83
Hình 3.32: Diễn biến nồng độ CH4 theo  n=1400 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 ................83
Hình 3.33: Nhiệt độ trung bình mơi chất theo ; n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 ........84
Hình 3.34: Nhiệt độ trung bình mơi 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 Vh ứng với n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 .85
Hình 3.38: Áp suất chỉ thị chu trình theo Vh ứng với n=1400 v/ph; s= 30 độ; ϕ=186
Hình 3.39: Biến thiên công chỉ thị theo tốc độ động cơ;s= 30 độ; ϕ=1 ..................86
Hình 3.40: Biến thiên cơng suất chỉ thị theo tốc độ động cơ s= 30 độ; ϕ=1 ...........87
Hình 4.1: Bộ tạo hỗn hợp biogas khơng khí .............................................................93
Hình 4.2: Dịng chảy trong bộ tạo hỗn hợp sử dụng để mơ phỏng. ..........................94
Hình 4.3: Chia lưới dịng 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 CH4 (M6C4, bướm ga 87%) ......................................98
Hình 4.7: Trường hàm lượng CO2 (M6C4, bướm ga 87%) ......................................98

Hình 4.8: Trường hàm lượng O2 (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 CH4 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 thơng 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 vịng/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 vịng/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 vịng/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 vịng/phút ....................................................................105
Hình 4.20: Đặc tính ngồi động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel dựa trên khả năng
cung cấp của bộ bộ hịa 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 tốn điều tốc điều chỉnh van tiết lưu biogas dạng bướm. ....113
Hình 4.34: Đặc tính cân bằng điều tốc ....................................................................117
Hình 4.35: Cơng 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 hồn 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 tơng. .......................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 H2S và CO2. .......................................................................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 ngồi động cơ .................................................129
Hình 5.13: So sánh đặc tính ngồi của động cơ diesel và động cơ nhiên liệu kép sử
dụng nhiên liệu biogas có thành phần CH4 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% CH4) ...................................................................................131
Hình 5.15: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến đường đặc tính động cơ nhiên liệu
kép (Biogas chứa 91% CH4) ...................................................................................131
Hình 5.16: Ảnh hưởng của thành phần CH4 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 cơng 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 cơng suất mơ phỏng và thực nghiệm (M7C3) .........................137
Hình 5.21: So sánh cơng suất mơ phỏng và thực nghiệm (M6C4) .........................137


1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã gây ơ nhiễm nặng nề bầu khí quyển.
CO2, 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 lịng 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 q khứ hầu như khơng cịn hy vọng.
Một câu hỏi đặt ra là khi nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt thì lồi 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 cịn 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 khơng 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.


2
Mặc khác, những động cơ biogas đơn giản, cỡ nhỏ thì làm việc khơng tin cậy
và khơng 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 q trình cơng 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 cơng 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 q trình cháy hai nhiên liệu biogas/diesel;

-

Nghiên cứu chế tạo bộ tạo hỗn hợp biogas/khơng khí;


3
-

Tính tốn 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 mơ hình hóa và thực nghiệm để xác định

các thơng số tối ưu của hệ thống thiết kế bổ sung.


Nghiên cứu lý thuyết và mơ hình hóa: nghiên cứu dịng chảy rối của hỗn hợp

biogas-khơng khí qua bộ tạo hỗn hợp và trong buồng cháy động cơ để xác lập đường
đặc tính bộ tạo hỗn hợp; nghiên cứu mơ hình hóa q trình cháy hỗn hợp biogas-khơng
khí được đánh lửa bằng tia phun mồi để dự đốn 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 mơ 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 mơ hình
hóa và thực nghiệm.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết, mơ 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 HĨA Q 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;

-

Mơ hình hóa bộ tạo hỗn hợp cho động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel. Kết quả mơ
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, khơng ảnh hưởng đến q trình cháy của động cơ;

-

Khẳng định khả năng tính tốn mơ phỏng quá trình cháy nhiên liệu kép
biogas/diesel dựa trên nền phần mềm động lực học lưu chất FLUENT với mơ
hình rối k-ε tiêu chuẩn, mơ hình cháy Partially Premixed, mơ 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 cơng suất của động cơ này
khi chạy hồn tồn 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 CO2, 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 CH4 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 CH4 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 MƠI 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 mơi trường là
ngun nhân làm gia tăng nhiệt độ bầu

khí quyển gây ra hiện tượng ấm dần lên
tồn cầu. Khơng có ai cịn nghi ngờ thủ
phạm chính là CO2, 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 chơn
lấp trong lịng đất dưới dạng nhiên liệu
hóa thạch. Hàm lượng C trong bầu khí
quyển giảm xuống mức của thời kỳ tiền
cơng nghiệp. Khi lồi người khai thác
nhiên liệu hóa thạch ra sử dụng thì C

Hình 1.1: Con người khai thác
nhiên liệu hóa thạch

được giải phóng lại bầu khí quyển dưới dạng CO2. Do CO2 khơng quay lại vào lịng
đất được nên hàm lượng C trong bầu khí quyển gia tăng. Về mặt lý thuyết, nếu tồn
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 mơi 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 CO2 có mặt trong khơng khí. Hình 1.2 và Hình 1.3 cho thấy, trong 1000 năm nhiệt độ


6
khí quyển đã tăng 0,74 độ và nếu xét riêng 50 năm trở lại đây, nhiệt độ khí quyển đã tăng

Biến thiên nhiệt độ (C)

0,65 độ. Với tốc độ tăng như hiện nay, cứ mỗi thế kỷ, bầu khí quyển sẽ nóng lên 2,5 độ.

Trung bình hằng năm
Trung bình 5 năm

Năm

Hình 1.2: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và Hình 1.3: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và
nồng độ CO2 trong 1000 năm gần đây
nồng độ CO2 trong 100 năm gần đây
Các mơ hình tính tốn 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 khơng
có những chất khí gây hiệu ứng nhà kính do hoạt động của con người thải ra mơi
trường thì chúng ta đang ở thời kỳ nhiệt độ bầu khí quyển giảm [38], [70], [80].

a.

b.
Hình 1.4: Biến thiên nhiệt độ trung bình thực tế trên mặt đất
a: Mơ hình có xem xét yếu tố do hoạt động của con người
b: Mơ hình khơng xem xét yếu tố do hoạt động của con người
Khi nhiệt độ khí quyển tăng vượt q 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 CH4 bị lớp băng này che phủ sẽ

7
được giải phóng vào bầu khí quyển. Hiệu ứng nhà kính của khí CH4 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 khơng cịn
nhiều làm dịng đại
dương

ngừng

hoạt

động. Trao đổi chất
giữa bầu khí quyển và

Hình 1.5: Dịng nước luân chuyển trong đại dương

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 mơi trường tăng. Điều này lại làm cho băng tuyết tan

Năm

Gia tăng mực nước biển (cm)

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 Đơng 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 tồn bộ băng
tuyết trên trái đất tan chảy hết, mực nước biển có thể dâng lên đến 65m. Tính tốn
bằng mơ 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.

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 tồn bộ vùng Hình 1.7: Bản đồ ngập mặn do nước biển dâng ở Việt Nam
đồng bằng sông Hồng và vùng châu thổ Sơng Cửu Long, kể cả Thành phố Hồ Chí
Minh, nằm dưới mặt nước biển [2].
Ngồi 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 CO2 trong bầu khí quyển theo các kịch bản phát thải khác nhau
Nếu ngay từ bây giờ mà chúng ta cắt giảm phát thải CO2 mà cho đến năm
2050, mức độ phát thải bằng năm 1990 thì nồng độ CO2 trong bầu khơng khí sẽ giữ
ổn định khoảng 500ppm. Nếu chúng ta tiếp tục phát thải như hiện nay đến khi tồn
bộ nhiên liệu hóa thạch trong lòng đất được khai thác ra sử dụng hết thì nồng độ CO2
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].


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 khơng 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
ngồi 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, mơi 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 ngồi 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 cơng 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 q trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu
cơ. Thành phần chủ yếu của biogas là khí mêtan (CH4) và khí cacbonic (CO2). Chất
thải hữu cơ từ các nguồn khác nhau đều có thể sử dụng để sản xuất biogas. Thành