Nghiên cứu tính năng động cơ da465qe sử dụng biogas lpg

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

---------- oOo ----------

VÕ NHƯ TÙNG

NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ DA465QE
SỬ DỤNG BIOGAS-LPG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng, 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------- oOo ----------

VÕ NHƯ TÙNG

NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ DA465QE
SỬ DỤNG BIOGAS-LPG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số
: 85.20.11.6

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: GS.TSKH. BÙI VĂN GA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2: TS. TRƯƠNG LÊ BÍCH TRÂM

Đà Nẵng, 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Mọi kết quả
nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Luận văn này cho đến nay vẫn chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo
vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như ở nước ngoài và cho đến nay vẫn
chưa được công bố trên bất kỳ phương tiện thơng tin nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những gì mà tơi đã cam đoan trên
đây.
Tác giả luận văn

Võ Như Tùng


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và công tác tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Bùi Văn Ga và cơ Trương Lê Bích Trâm em
đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính năng động cơ DA465QE sử dụng BiogasLPG”. Trong q trình thực hiện đề tài em đã có học hỏi rất nhiều kiến thức bổ
ích từ kiến thức chuyên môn, cách thực hiện một đề tài khoa học, điều này sẽ hỗ
trợ em trong công việc sau này.
Xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Bùi Văn Ga, người
thầy trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đề tài.

Xin cảm ơn các thầy cơ trong Khoa Cơ khí Giao thơng, q thầy cơ của
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng - Đại học Đà Nẵng đã giảng dạy em trong
suốt những năm qua.
Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cơ để đề tài hồn
thiện hơn.
Trân trọng!


TĨM TẮT ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ DA465QE SỬ DỤNG BIOGAS-LPG
Học viên:Võ Như Tùng, Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 8520116, Khóa: K35, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Luận văn tập trung nghiên cứu tính năng của động cơ DA465QE được lắp trên ơ
tơ tải nhẹ Trường Hải Towner khi chạy bằng Biogas được làm giàu bởi LPG. Đề tài này
nhằm góp phần phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu tái tạo trên phương tiện giao
thông cơ giới nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải chất khí gây hiệu
ứng nhà kính.
Luận văn sử dụng kết hợp giữa mơ phỏng quá trình cung cấp Biogas bằng phần
mềm Ansys Fluent và thực nghiệm trên băng thử công suất APA100 tại Trung tâm Thí
nghiệm Động cơ và Ơ tơ để đánh giá tính năng kỹ thuật của động cơ DA465QE khi chạy
bằng Biogas được làm giàu bởi LPG.
RESEARCH FEATURES DA465QE ENGINE
USING BIOGAS-LPG
The thesis focuses on researching the features of DA465QE engine installed on
Truong Hai Towner light trucks when running on Biogas enriched by LPG. This project
aims to contribute to the development of renewable fuel application technology in motor
vehicles to save fossil fuels and reduce greenhouse gas emissions.
The thesis uses a combination of simulating the process of supplying Biogas with
Ansys Fluent software and experimenting on the APA100 power test tape at the Center
for Automotive and Engine Testing to evaluate the technical features of the DA465QE

engine when powered by Biogas enriched by LPG.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................2
MỤC LỤC .......................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................7
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU..................................................................................10
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU TÁI TẠO TRÊN
PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CƠ GIỚI ....................................................................4
1.1. Đặt vấn đề nghiên cứu .............................................................................................. 4
1.2. Phân tích đặc tính kỹ thuật của động cơ DA465QE lắp trên ô tô tải nhẹ Trường
Hải Towner ....................................................................................................................12
1.2.1.Những tiện ích và nhu cầu sử dụng của ô tô tải nhẹ Trường Hải Towner 750 ....12
1.2.2.Đặc tính kỹ thuật của động cơ DA465QE lắp trên ơ tô Towner 750 ...................13
1.3. Kết cấu động cơ DA465QE: ...................................................................................15
1.4. Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu ..................................................16
Chương 2: NHIÊN LIỆU BIOGAS...............................................................................17
2.1. Tình hình sản xuất và ứng dụng Biogas trên thế giới và ở Việt Nam ....................17
2.1.1. Lịch sử phát triển Biogas .....................................................................................17
2.2. Tình hình sản xuất Biogas trên thế giới trong những năm gần đây .......................19
2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng Biogas ở Việt Nam .................................................23
2.4 Công nghệ sử dụng Biogas ......................................................................................25
2.4.1. Giới thiệu .............................................................................................................25
2.4.2. Đèn Biogas ..........................................................................................................25
2.4.3. Bếp, lò Biogas .....................................................................................................26
2.4.4. Máy lạnh hấp thụ .................................................................................................28
2.4.5. Pin nhiên liệu .......................................................................................................28

2.4.6. Turbine khí chạy bằng Biogas .............................................................................29
2.4.7. Động cơ đốt trong chạy bằng Biogas ..................................................................29
2.4.8. Phối hợp sản xuất nhiệt năng và cơ năng (CHP) .................................................31
2.4.9. Biogas làm nhiên liệu cho ô tô ............................................................................32
2.4.10. Biogas hịa vào hệ thống cung cấp khí đốt thành phố .......................................37


2.4.11. Cung cấp Biogas gia dụng .................................................................................37
2.4.12. Hiệu quả bảo vệ môi trường do sử dụng Biogas làm nhiên liệu .......................38
2. Nhiên liệu Biogas: .....................................................................................................39
3. Sử dụng Biogas trên phương tiện giao thơng cơ giới: ...............................................41
Chương 3 MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRAO ĐỔI KHÍ VÀ SINH CƠNG CỦA
ĐỘNG CƠ DA465QE CHẠY BẰNG BIOGAS-LPG .................................................42
3.1. Thiết lập mơ hình tính tốn ....................................................................................42
3.2. Cung cấp nhiên liệu Biogas-LPG ...........................................................................45
3.3. Độ chân không trên đường nạp khi không cung cấp nhiên liệu ............................. 46
3.4. Nguyên lý cấp ga liên tục và cấp ga gián đoạn bằng van chân không ...................47
3.5 Cung cấp Biogas và LPG riêng rẽ ...........................................................................48
2.4. Cung cấp hỗn hợp Biogas và LPG hịa trộn trước .................................................52
3. Mơ phỏng q trình sinh công của động cơ DA465QE chạy bằng nhiên liệu Biogas
pha LPG ......................................................................................................................... 54
3.1. Thiết lập mơ hình tính tốn ....................................................................................54
3.2. Biến thiên áp suất trong buồng cháy và đồ thị cơng ..............................................60
3.3 Nhiệt độ mơi chất trong q trình cháy ...................................................................62
3.4. Biến thiên nồng độ nhiên liệu trong quá trình cháy ...............................................64
Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................ 68
4.1 Chế tạo, lắp đặt bộ cung cấp nhiên liệu Biogas-LPG cho động cơ DA465QE .......68
4.1.1 Họng Venturi: .......................................................................................................68
4.1.2 Van điện từ và vị trí lắp đặt ..................................................................................68
4.1.3 Van tổ hợp cung cấp nhiên liệu khí kiểu chân khơng ..........................................70

4.1.4. Van ngắt ga tự động kiểu cơ khí..........................................................................71
4.1.5 Bình chứa Biogas nén ........................................................................................... 72
4.2. Cải tạo máy nén khơng khí thành máy nén Biogas áp suất thấp ............................ 73
4.3 Tổng quan về băng thử công suất động cơ .............................................................. 74
4.3.1 Quy trình vận hành thiết bị để thực nghiệm: ........................................................ 77
4.4 Vận hành các thiết bị của hệ thống đo trong phịng thí nghiệm động cơ. .............77
4.5. Vận hành máy tính điều khiển trung tâm puma ...................................................78
4.6. Thử nghiệm động cơ chạy bằng Biogas-LPG trên băng thử công suất..................83


4.7. So sánh công suất lý thuyết và thực nghiệm khi động cơ chạy bằng hỗn hợp
Biogas-LPG ...................................................................................................................86
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................91
1. Kết luận......................................................................................................................91
2. Kiến nghị ...................................................................................................................91


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1: Biến thiên nhiệt độ khí quyển gần mặt đất qua các thời kỳ băng hà ..................1
Hình 2: Hiệu ứng nhà kính .............................................................................................. 2
Hình 3: Dự báo dâng cao mực nước biển trong thế kỷ 21 theo các mơ hình tốn họa
khác nhau .........................................................................................................................2
Hình 1.1: Dự báo nước biển dâng theo thời gian ............................................................ 4
Hình 1.2: Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đơng Nam Á do sự dâng cao mực nước biển6
Hình 1.3: Kịch bản cắt giảm phát thải CO2 theo COP21................................................7
Hình 1.4: Cơ cấu năng lượng tương lai cho phương tiện giao thông cơ giới..................8
Hình 1.5: Phát thải ơ nhiễm nhiên liệu LPG ...................................................................9
Hình 1.6: Các phương tiện giao thơng dùng nhiên liệu LPG ..........................................9
Hình 1.7: Trạm cấp LPG cố địnhHình 1.8: Trạm cấp LPG cơ động ............................ 10
Hình 1.9: Chu trình Carbon khi sử dụng Biogas làm nhiên liệu ...................................11

Hình 1.10: Các kiểu hầm Biogas ...................................................................................12
Hình 1.11: Ơ tơ Trường Hải Towner 750 ......................................................................13
Hình 1.12: Đường đặc tính động cơ DA465QE ........................................................... 15
Hình 1.13. Mặt cắt dọc động cơ DA465QE ..................................................................15
Hình 1.14: Mặt cắt ngang động cơ DA465QE .............................................................. 16
Hình 2.1: Lượng Biogas sản xuất ở Châu Âu năm 2003 ..............................................20
Hình 2.2: Phân bố nguồn sử dụng Biogas ở Châu Âu năm 2010 và dự báo năm 2020 21
Hình 2.3: Cơng suất điện chạy bằng Biogas ở Châu Âu ...............................................21
Hình 2.4: Đèn măng-sơng dùng Biogas ........................................................................26
Hình 2.5: Bếp dùng Biogas ........................................................................................... 27
Hình 2.6: Máy phát điện chạy bằng Biogas ..................................................................30
Hình2.7: Sử dụng Biogas trong hệ thống đồng sản xuất năng lượng............................ 31
Hình 2.8: Hiệu quả sản xuất năng lượng bằng động cơ nhiên liệu kép và động cơ đánh
lửa cưỡng bức chạy bằng Biogas ...................................................................................32
Hình 2.9: Sơ đồ sản xuất và cung cấp nhiên liệu Biogas cho ơ tơ ................................ 34
Hình 2.10: Trạm cung cấp Biogas cho ơ tơ ...................................................................35
Hình 2.11: Sơ đồ bố trí hệ thống Biogas trên ơ tơ ......................................................... 36
Hình 2.12: Ơ tơ và tàu lửa chạy bằng Biogas ở Thụy Điển ..........................................36
Hình 2.13: Chun chở khí Biogas kiểu thủ cơng (a), ..................................................37
Hình 2.14: Sơ đồ hiệu quả bảo vệ mơi trường khi sử dụng nhiên liệu Biogas. ............38
Hình 3.1: giới thiệu thiết kế xi lanh, buồng cháy và đường nạp của động cơ sau khi cải
tạo và chia lưới khơng gian tính tốn. ...........................................................................43
Hình 3.2 : Màn hình kết quả reong một trường hợp tính tốn ......................................44


Hình 3.3: Các mặt cắt khảo sát trên đường nạp............................................................. 45
Hình 3.4: Biễu diễn biến thiên chân khơng trên đường nạp ..........................................45
Hình 3.5: Biến thiên độ chân khơng trên đường nạp khi độ mở bướm ga 30 độ, trục
khuỷu độn cơ quay ở tốc độ 3000 vịng/phút ................................................................ 46
Hình 3.6: Biểu đồ cấp ga bằng van chân khơng ............................................................ 47

Hình 3.7: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) và van cấp gas liên tục (b) ......................... 48
Hình 3.8: So sánh biến thiên hệ số tương đương theo tốc độ trục khuỷu. ....................49
Hình 3.9: Biến thiên hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu khi làm giàu LPG 51
Hình 3.10: So sánh hệ số tương đương khi tốc độ động cơ thay đổi ............................ 52
Hình 3.11: Biến thiên hệ số tương đương của hỗn hợp trong xy lanh khi phun BiogasLPG hịa trộn trước ........................................................................................................54
Hình 3.12: Khơng gian xylanh và buồng cháy .............................................................. 55
Hình 3.13: Áp suất buồng cháy khi thay đổi thành phần LPG ......................................60
Hình 3.14: Đồ thị cơng khi thay đổi thành phần LPG ...................................................60
Hình 3.15: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến áp suất buồng cháy.......................61
Hình 3.16: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến đồ thị cơng ...................................61
Hình 3.17: Biến thiên nhiệt độ cháy khi thay đổi hệ số tương đương tại số 2000rpm..63
Hình 3.18: Biến thiên nhiệt độ cháy khi thay đổi hệ số tương đương tại số 4000rpm..63
Hình 3.19: Diễn biến đường cong nhiệt độ khi thay đổi góc đánh lửa sớm..................64
Hình 3.20: Diễn biến đường cong nhiệt độ khi thay đổi tốc độ động cơ ......................64
Hình 3.21: Diễn biến nồng độ nhiên liệu CH4 trong quá trình cháy ............................ 65
Hình 3.22: Diễn biến nồng độ nhiên liệu C4H10 trong quá trình cháy ........................ 65
Hình 3.23: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên nồng độ CH4 .....................66
Hình 3.24: Hàm lượng LPG ảnh hưởng đến tốc độ tiêu hao nhiêu liệu ........................ 67
Hình 4.1: Hình dạng, kết cấu bộ hịa trộn và van tiết lưu .............................................68
1. Họng venturi; 2. Thân; 3. Vít điều chỉnh ..................................................................68
Hình 4.2. Van điện từ và vị trí lắp đặt ...........................................................................69
Hình 4.3: Kết cấu van điện từ .......................................................................................69
Hình 4.4: Van tổ hợp cung cấp Biogas-LPG cho động cơ DA465QE .......................... 70
Hình 4.5 : Kết cấu van ngắt ga tự động kiểu cơ khí ......................................................71
Hình 4.6 : Sơ đồ lắp đặt phụ kiện cung cấp Biogas-LPG cho động cơ DA465QE .......72
Hình 4.7: Kết cấu bình chứa Biogas ..............................................................................73
Hình 4.8 Bình chứa Biogas ........................................................................................... 73
Hình 4.9: Hệ thống nén Biogas vào bình chứa .............................................................. 74
Hình 4.10. Băng thử APA 204/8 ...................................................................................75
Hình 4.11: Sơ đồ bố trí phịng thí nghiệm động cơ .......................................................76

Hình 4.11. Màn hình khởi động chương trình PUMA .................................................79
Hình 4.12. Bảng điều khiển hệ thống băng thử EMCON 300 ......................................79
Hình 4.14: Bảng thơng báo động cơ và các chế độ thí nghiệm .....................................80
Hình 4.15. Màn hình máy tính sau khi hệ thống sẵn sàng hoạt động ........................... 81
Hình 4.17: Cách điều chỉnh tốc độ và vị trí tay ga bằng hai núm xoay trên bảng điều
khiển .............................................................................................................................. 83
Hình 4.18 Bảng kết quả tính tốn cơng suất lý thuyết của động cơ theo tốc độ ...........84
Hình 4.19 so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm đường đặc tính ngồi động cơ khi
chạy bằng xăng. Chúng ta thấy kết quả thực nghiệm nhỏ hơn kết quả lý thuyết khoảng
5%. .................................................................................................................................84
Hình 4.19: So sánh cơng suất lý thuyết và thực nghiệm ...............................................84
Hình 4.20: Cung cấp Biogas-LPG cho động cơ DA465QE thử nghiệm.......................85
Hình 4.21 dưới thể hiện ảnh hưởng của thành phần CH4 trong Biogas đến cơng suất
động cơ. ......................................................................................................................... 86
Hình 4.22: Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong Biogas đến công suất động cơ ......86
Hình 4.23: Ảnh hưởng của hàm lượng CH4 trong Biogas đến cơng suất động cơ .......87
Hình 4.24: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất trong xi lanh và đồ
thị công (Biogas M7C3, 20% LPG) ..............................................................................87
Hình 4.25: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất trong xi lanh và đồ
thị cơng (Biogas M8C2, 10% LPG) ..............................................................................89
Hình 4.26: Biểu đồ so sánh công suất cho bởi lý mô phỏng và thực nghiệm khi động
cơ chạy bằng hỗn hợp 50% Biogas+50% LPG ............................................................. 90


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của động cơ DA465QE ....................................................14
Bảng 2.1: So sánh tính năng phát điện bằng Biogas với những giải pháp khác nhau...22
Bảng 2.2. Các tính chất của thành phần Biogas ............................................................ 39

Bảng 3.1: Biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến hệ số tương đương trong cùng
điều kiện cung cấp nhiên liệu ........................................................................................ 49
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đường đồng mức áp suất và hệ số tương
đương trong cùng điều kiện cấp nhiên liệu ...................................................................50
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến phân bố hệ số tương đương khi phun
Biogas-LPG hòa trộn trước ........................................................................................... 53
Bảng 3.4: % theo khối lượng các chất khí trong hỗn hợp nhiên liệu ............................ 55
Bảng 3.5: Biến thiên đường đồng mức của tốc độ dịng khí trong buồng cháy ............56
Bảng 3.6: biến thiên trường nhiệt độ trong quá trình cháy ...........................................57
hỗn hợp nhiên liệu Biogas M7C3 pha 20% LPG .......................................................... 57
Bảng 3.7: Diễn biến hệ số tương đương trong quá trình cháy ......................................58
Bảng 3.8: Bảng kết quả khi thay đổi thành phần LPG ..................................................60
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến công suất và công chu trình ...........62


1

MỞ ĐẦU
Ơ tơ sử dung xăng dầu truyền thống là thủ phạm chính làm gia tăng hàm
lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển. Theo cảnh báo của các
nhà khoa học thì nếu nhiệt độ bầu khí quyển tăng vượt 2⁰C so với nhiệt độ trung
bình trong giai đoạn 1850-1950 thì sẽ xảy ra hiện tượng “househot”, khi đó nhiệt
độ khí quyển đạt giá trị cao nhất trong hơn 1,5 triệu năm qua và con người khơng
cịn khả năng điều chỉnh lại hệ thống khí hậu. Để nhân loại khơng phải đối mặt
với hiện tượng khí hậu cực đoan này, tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu
thế giới COP21 năm 2015 tại Paris, đa số các quốc gia đã thống nhất cam kết cùng
hành động để từ 2020 trở đi, mức phát thải CO2 trên phạm vi toàn cầu giảm dần,
đảm bảo nhiệt độ bầu khí quyển cuối thế kỷ 21 khơng vượt quá ngưỡng cực đoan
2⁰C so với thời kỳ tiền công nghiệp.
Trong vịng 400.000 năm trở lại đây, nhiệt độ khí quyển gần mặt đất đã trải

qua 4 chu kỳ băng hà (hình 1). Sự thay đổi nhiệt độ bầu khí quyển trong quá khứ
phụ thuộc vào các hiện tượng tự nhiên. Từ khi bắt đầu thời kỳ công nghiệp, hoạt
động của con người là nguyên nhân chính gây ra sự gia tăng nhiệt độ bầu khí
quyển. Điều này được khẳng định bởi mơ hình tính tốn sự gia tăng nhiệt độ khi
xem xét các yếu tố ảnh hưởng khác nhau.

Hình 1: Biến thiên nhiệt độ khí quyển gần mặt đất qua các thời kỳ băng hà


2

Theo diễn biến nhiệt độ khí quyển
thì chúng ta đang sống trong thời kỳ
có nhiệt độ cao nhất trong 2 thiên
niên kỷ qua. Sự ấm lên của khí quyển
diễn ra ở hai giai đoạn, giai đoạn đầu
từ năm 1910 đến 1945 và giai đoạn
sau từ 1976 đến nay. Sự gia tăng
nhiệt độ khí quyển trong khoảng
1906 đến 2005 ước chừng
0,74°C0,18 °C.

Trong

khoảng

Hình 2: Hiệu ứng nhà kính

Gia tăng mực nước biển (cm)

1956-2006, nhiệt độ tăng 0,65°C. Nhiệt độ trung bình của mặt đất trong giai đoạn
2001-2007 là 14,44°C nghĩa là tăng thêm 0,21°C so với giai đoạn 1991-2000. Tốc
độ gia tăng nhiệt độ trung bình hiện nay khoảng 2,5°C trong 100 năm.
Nếu sự gia tăng nhiệt độ trong quá khứ gây ra do quá trình tự nhiên thì sự
gia tăng nhiệt độ ngày nay chủ yếu là do hoạt động của con người. Cân bằng nhiệt
của quả đất được đảm bảo khi hệ thống khơng tích lũy năng lượng thặng dư từ
mặt trời. Ban ngày bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi khí quyển, đại dương và đại
lục và ban đêm các thành phần này truyền ngược bức xạ ra khơng gian trong vùng
hồng ngoại (hình 2). Các tia bức xạ hồng ngoại này đến lượt nó bị hấp thụ bởi
mây và một số chất khí có mặt trong
khí quyển. Các chất khí gây hiệu ứng
nhà kính phản xạ lại một phần bức xạ
này về mặt đất và làm nóng lớp khí
quyển dưới cùng: Đó là hiệu ứng nhà
kính. Khơng có hiệu ứng này, nhiệt độ
Năm
trung bình của mặt đất là -18°C thay
vì +15°C như hiện nay. Hiệu ứng nhà
Hình 3: Dự báo dâng cao mực nước
kính là một hiện tượng tự nhiên không
biển trong thế kỷ 21 theo các mơ hình
thể thiếu trên hành tinh xanh của
tốn họa khác nhau
chúng ta. Tuy nhiên khi tác động của
nó vượt quá mức cho phép thì nó gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với môi
trường.


3

Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính thì CO2 chiếm vị trí quan
trọng nhất. Từ khi bắt đầu thời kỳ công nghiệp đến nay (khoảng 200 năm), sự phát
thải CO2 vào bầu khí quyển đã khơng ngừng gia tăng. Nồng độ CO2 hiện nay đã
tăng 35% so với thời kỳ tiền công nghiệp, vượt xa nồng độ của chúng 600.000
năm trước. Nồng độ CO2 đã tăng từ 280ppm ở thời kỳ tiền công nghiệp đến
380ppm vào thời điểm hiện nay. Mức tăng trung bình của CO2 là +1,5 ppm/năm
trong khoảng 1970 đến 2000 và +2,1 ppm/năm hiện nay.
Giải pháp hạn hữu hiệu chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính là sử
dụng nhiên liệu tái tạo thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Đây là vấn đề mang tính
thời sự đang được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới.
Đề tài này tập trung “Nghiên cứu tính năng động cơ DA465QE sử dụng
Biogas-LPG”. Đề tài này nhằm góp phần phát triển cơng nghệ ứng dụng nhiên
liệu tái tạo trên phương tiện giao thông cơ giới nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch
và giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Đề tài này có ý nghĩa khoa học
và thực tiễn:
- Góp phần vào việc nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu Biogas-LPG nén
cho các loại động cơ đốt trong;
- Đánh giá về ưu nhược điểm trong việc sử dụng nhiên liệu Biogas-LPG nén
trên xe tải nhẹ vào điều kiện ở Việt Nam;
- Đa dạng hoá nguồn nhiên liệu sử dụng cho các loại động cơ đốt trong và
thân thiện với môi trường khi sử dụng lưỡng nhiên liệu Biogas-LPG nén.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được cấu trúc trong 4 chương
gồm :
- Tổng quan
- Nhiên liệu Biogas
- Mơ phỏng q trình cung cấp và quá trình cháy nhiên liệu Biogas-LPG
- Thực nghiệm
- Kết luận và hướng phát triển đề tài

4

Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU TÁI TẠO TRÊN PHƯƠNG
TIỆN GIAO THÔNG CƠ GIỚI
1.1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Ơ tơ sử dung xăng dầu truyền thống là thủ phạm chính làm gia tăng hàm
lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển. Theo cảnh báo của các
nhà khoa học thì nếu nhiệt độ bầu khí quyển tăng vượt 2⁰C so với nhiệt độ trung
bình trong giai đoạn 1850-1950 thì sẽ xảy ra hiện tượng “househot”, khi đó nhiệt
độ khí quyển đạt giá trị cao nhất trong hơn 1,5 triệu năm qua và con người khơng
cịn khả năng điều chỉnh lại hệ thống khí hậu. Để nhân loại khơng phải đối mặt
với hiện tượng khí hậu cực đoan này, tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu
thế giới COP21 năm 2015 tại Paris, đa số các quốc gia đã thống nhất cam kết cùng
hành động để từ 2020 trở đi, mức phát thải CO2 trên phạm vi toàn cầu giảm dần,
đảm bảo nhiệt độ bầu khí quyển cuối thế kỷ 21 khơng vượt q ngưỡng cực đoan
2⁰C so với thời kỳ tiền cơng nghiệp.

Hình 1.1: Dự báo nước biển dâng theo thời gian

Sự gia tăng nhiệt độ khí quyển gần mặt đất gây ra những hậu quả năng nề
đối với môi trường. Cây cối lớn nhanh hơn và chết sớm hơn. Một số giống động
thực vật biến mất do biến đổi khí hậu. Nếu môi trường tiếp tục bị tác động bởi sự


5

khơ hạn, bão lụt thì sự cân bằng hệ thống sinh thái của hành tinh sẽ bị ảnh hưởng
nặng nề. Cường độ những cơn bão tăng mạnh hơn nhưng số lượng các cơn bão có
giảm đi so với trước đây. Nguyên nhân của những biến động môi trường nêu trên

là do nhiệt độ khí quyển gia tăng.
Người ta ước tính đại dương hấp thụ trên 80% năng lượng cấp thêm vào hệ
thống khí hậu. Sự gia tăng nhiệt độ đại dương khiến nước giãn nở và làm tăng cao
mực nước biển. Các số liệu nghiên cứu do vệ tinh cung cấp cho thấy trong thế kỷ
20, mực nước biển đã dâng cao khoảng vài chục cm (0,1-0,2m). Riêng trong giai
đoạn 1961 đến 2003, mực nước biển đã tăng 1,8mm/năm. Sự gia tăng mực nước
biển chủ yếu là do giãn nở nhiệt. Ảnh hưởng của sự tan băng ở các cực thể hiện
trong quãng thời gian dài nhiều thế kỷ. Mực nước biển sẽ dâng cao từ 18 đến
59cm vào năm 2100 (hình 1.1). Nó có thể dâng cao 4m vào năm 2300. Khi toàn
bộ băng tuyết trên mặt đất tan chảy thì mực nước biển có thể dâng lên 80m (hình
4) Sự dâng cao mực nước biển vài cm khơng gây ảnh hưởng đáng kể đối với bờ
biển đá nhưng nó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đối với động học bùn cát của các
bãi biển phẳng. Trong những vùng này, đang ở trạng thái cân bằng động học, sự
dâng cao mực nước biển tạo ra khả năng xâm thực mạnh và làm dịch chuyển sự
cân bằng tồn bộ về phía bãi biển bị xâm thực và lùi dần vào đất liền. Vì vậy sự
dâng cao mực nước biển gây ảnh hưởng quan trọng hơn nhiều so với việc dịch
chuyển bờ biển đối với chiều cao mực nước tương ứng. Việt Nam là một trong
năm quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu và mực nước biển
dâng. Hình 1.2 giới thiệu nguy cơ ngập nước ở một số vùng nước ta nếu mực nước
biển dâng lên 1m.
Khi nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển vượt
quá một giới hạn nào đó thì hiện tượng bùng nổ của hệ thống khí hậu sẽ diễn ra.
Hiện tượng này làm cho quả đất nóng lên nhanh hơn nhiều so tính tốn. Vào cuối
kỷ ngun băng hà khí hậu trong một vài năm có thể tăng lên nhiều độ. Trong quá
khứ, chất khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu là methane. Tính chất gây hiệu ứng
nhà kính của methane lớn hơn khí CO2 đến 23 lần.
Methane được hình thành do phân hủy các chất hữu cơ trong mơi trường
thiếu khơng khí và dưới tác động của vi khuẩn. Nếu mặt đất bị đóng băng, methane
bị nhốt trong băng dưới dạng hydrate methane. Nếu mặt đất được sưởi nóng, băng
tan ra, giải phóng methane, gây hiệu ứng nhà kính mạnh làm nhiệt độ mặt đất

6

tăng, dẫn đến băng tan nhanh hơn, giải phóng methane nhiều hơn... và q trình
đó làm cho tốc độ gia tăng nhiệt độ khí quyển lớn hơn nhiều so với bình thường.

Hình 1.2: Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đông Nam Á do sự dâng
cao mực nước biển

Trong thời đại chúng ta, quả đất nóng lên chủ yếu là do khí CO2 do hoạt
động của con người thải vào khí quyển. Nhờ sự chuyển động của dịng đại dương,
nước biển hấp thụ hơn 50% lượng khí CO2 do con người thải ra. Nếu có sự thay
đổi bất kỳ nào đó đối với dịng đại dương, mức độ hấp thụ CO2 của nước biển đều
bị ảnh hưởng. Động cơ gây ra sự dịch chuyển nước trong đại dương là do chênh
lệch khối lượng riêng. Nước lạnh gần các cực tiếp nhận lượng muối do nước đóng
băng nhả ra nên khối lượng riêng của nó lớn hơn nước ở vùng gần xích đạo. Do
khối lượng riêng lớn, nước gần các cực chìm xuống đáy đại dương hút nước nóng
trên mặt vùng gần xích đạo về các cực. Nước dưới đáy đại dương vùng gần các
cực lại nổi lên và sự dịch chuyển này tạo nên dịng đại dương (hình 6). Khi băng
hà tan ra, động cơ tạo nên dịch chuyển của nước khơng cịn nữa, nước trên mặt
bão hịa CO2, mặt khác khi nhiệt độ nước biển tăng lên khả năng hấp thụ CO2 của
nó cũng giảm đi đáng kể. Do vậy lượng CO2 tích lũy trong bầu khí quyển khơng
giảm đi, làm cho nhiệt độ quả đất tăng nhanh hơn.


7

Hình 1.3: Kịch bản cắt giảm phát thải CO2 theo COP21

Như vậy vào cuối kỷ nguyên nhiên liệu hóa thạch, lượng CO2 trong bầu khí
quyển đạt cực đại, có thể gây ra sự bùng nổ khí hậu làm nhiệt độ bầu khí quyển
gần mặt đất tăng nhanh. Thiên nhiên và nhân loại khi đó sẽ chịu tác động khủng
khiếp của sự gia tăng nhiệt độ đó.
Để tránh thảm họa nhiệt độ cực đoan của bầu khí quyển, tại Hội nghị thượng
đỉnh về biến đổi khí hậu COP21 năm 2015 tại Paris nguyên thủ các quốc gia trên
thế giới đã thống nhất cùng hành động cắt giảm phát thải các chất khí gây hiệu
ứng nhà kính. Theo kế hoạch hành động này thì kể từ năm 2020 lượng phát thải


8

CO2 bắt đầu giảm để đến năm 2050 mức phát thải CO2 do sử dụng nhiên liệu hóa
thạch tiến về 0 (hình 1.3).
Trong số các nguồn
phát thải CO2 thì phương tiện
giao thông cơ giới chiếm tỷ
trọng lớn nhất. Để giảm phát
thải CO2 theo lộ trình COP21
thì ngành ơ tơ cần đi đầu
trong việc thay đổi cơ cấu
năng lượng. Hiện nay xăng
dầu truyền thống cung cấp
trên 90% nhu cầu năng lượng
cho giao thơng vận tải. Theo
Hình 1.4: Cơ cấu năng lượng tương lai cho
kịch bản cắt giảm CO2 nêu
phương tiện giao thơng cơ giới
trên thì đến giữa thế kỷ này,
năng lượng tái tạo/thay thế phải chiếm đến trên 60% tổng số năng lượng sử dụng

cho ngành giao thông vận tải, trong đó năng lượng điện, nhiên liệu sinh học và
nhiên liệu khí là 3 thành phần chính trong cơ cấu năng lượng cho ơ tơ (hình 1.4).
Trong các loại nhiên liệu khí thì khí dầu mỏ hóa lỏng LPG thuận lợi cho
việc sử dụng nhất. LPG là hỗn hợp của propan có cơng thức hóa học là C3H8 và
butan có cơng thức hóa học là C4H10 được sản xuất từ quá trình lọc dầu hay tinh
luyện khí thiên nhiên. LPG thơng thường được pha trộn Propan/Butan: 30/70,
40/60, 50/50. Tính chất lý hóa của LPG được giới thiệu trên bảng 1.1. Đặc điểm
nổi bậc của LPG là nó có thể hóa lỏng ở áp suất thấp (khoảng dưới 10 bar) nên nó
có thể lưu trữ dễ dàng hơn trên phương tiện giao thơng cơ giới với với khí thiên
nhiên, hydrogen…
Khí dầu mỏ hóa lỏng hịa trộn với khơng khí đồng đều hơn xăng nên q
trình cháy diễn ra hồn tồn hơn, ít phát thải các chất gây ơ nhiễm (hình 1.5). Về
mặt kinh tế, xe tiêu thụ1 kg LPG khi chạy được quãng đường tương đương với 2
lít xăng.


9

Bảng 1.1: Tính chất LPG

Hình 1.5: Phát thải ơ nhiễm nhiên liệu LPG

Hình 1.6: Các phương tiện giao thơng dùng nhiên liệu LPG

Do tính ưu việt của LPG về kinh tế và môi trường nên ở các nước phát triển taxi
chạy trong thành phố phải sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng. Ở các nước
Đơng nam Á, xe Tuk Tuk ba bánh cũng chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng (hình
1.6). Ở nước ta LPG cũng đã được áp dụng trên xe taxi, xe gắn máy và xe chở rác

10

3 bánh. Các kết quả áp dụng LPG trên ô tơ và xe gắn máy cho thấy khi chạy bằng
khí dầu mỏ hóa lỏng, chi phí nhiên liệu có thể giảm đến 40% và mức độ phát thải
CO có thể giảm đến 80% so với khi chạy bằng xăng. Tuy nhiên do hệ thống nạp
nhiên liệu LPG chưa phát triển, gây khó khăn cho người sử dụng nên việc áp dụng
LPG trên phương tiện vận chuyển cơ giới chưa được phổ biến rộng rãi ở nước ta.

Hình 1.7: Trạm cấp LPG cố định

Hình 1.8: Trạm cấp LPG cơ động

Ngày nay người ta đã thương mại hóa những trạm cấp LPG cơ động, nhỏ
gọn có thể giúp cho việc nạp LPG thuận tiện ở bất kỳ nơi đâu (hình 1.8). Đây có
thể xem là giải pháp tình thế giúp mở rộng phạm vi áp dụng khí dầu mỏ trên
phương tiện giao thông cơ giới khi hệ thống nạp ga chưa được phổ biến rộng rãi.
Dù có lợi về mặt kinh tế và mơi trường nhưng LPG vẫn là nhiên liệu hóa
thạch, việc sử dụng nó vẫn làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển dù nhẹ
hơn xăng dầu truyền thống. Để giảm triệt để phát thải CO2, chúng ta phải sử dụng
nhiên liệu tái tạo. Ở các nước vùng nhiệt đới thì Biogas là nguồn năng lượng tái
tạo dồi dào. Biogas là năng lượng tái sinh nhận được từ quá trình phân hủy các
chất hữu cơ trong mơi trường thiếu khơng khí. Rác thải sinh hoạt, các chất thải
của q trình sản xuất nơng nghiệp, chăn ni, xử lý nước... là nguồn nguyên liệu
tốt để sản xuất Biogas. Biogas chứa thành phần chính là CH4 và các tạp chất như
CO2, H2S. Để có thể sử dụng Biogas làm nhiên liệu, việc đầu tiên là phải lọc các
tạp chất có hại.


11

Sử dụng Biogas làm nhiên liệu không làm gia tăng CO2 trong bầu khí
quyển vì chu trình C được khép kín. CO2 trong sản phẩm cháy sẽ được thực vật
thế hệ sau hấp thụ để tăng trưởng như hình 12.
Ánh sáng
mặt trời
Quang hợp

CO2

Chất thải chăn
nuôi

Thực vật
Biomass

O2

H2 O
Lên men

Biogas
Chất thải
hữu cơ

Tiêu hóa kỵ khí

Sản xuất điện, nhiệt

Hình 1.9: Chu trình Carbon khi sử dụng Biogas làm nhiên liệu

Sản lượng Biogas trên thế giới tăng gần như tuyến tính qua các năm. Khu
vực sản xuất Biogas nhiều nhất là Châu Âu, tiếp theo là khu vực Châu Á-Thái
Bình Dương và Bắc Mỹ (hình
1.9). Biogas ở các nước phát
triển chủ yếu dùng để phát điện,
chạy ơ tơ và hịa vào mạng lưới
cung cấp khí thiên nhiên. Ở các
nước đang phát triển, Biogas
chủ yếu dùng để đun nấu. Ở
Thái Lan, Việt Nam, Philipines,
Biogas bắt đầu được nghiên cứu
để sử dụng trên động cơ đốt
trong.
13: Sản
lượng
Biogasta
trên
thế nay
giới là nguồn
Khó khăn trong khai thác Biogas Hình
để phát
điện
ở nước
hiện
nhiên liệu không tập trung và qui mô không đều. Những nơi có sản lượng Biogas
lớn như các bãi chơn lấp rác, các trạm xử lý nước thải... có thể sử dụng động cơ
cỡ lớn để kéo máy phát điện hoặc sử dụng Biogas để làm nhiên liệu cho phương
tiện giao thông cơ giới. Các trại chăn nuôi trung bình và nhỏ, nếu sử dụng động
cơ cỡ lớn thì không đủ Biogas để chạy liên tục, nếu dùng động cơ cỡ nhỏ thì khơng
đảm bảo được cơng suất cần thiết cho sản xuất. Vì thế việc sử dụng phối hợp giữa

12

Biogas và các nguồn năng lượng tái tạo khác để cung cấp năng lượng liên tục
phục vụ sản xuất và đời sống ở nơng thơn là rất cần thiết.

Hình 1.10: Các kiểu hầm Biogas

Biogas có chỉ số octane lớn, khoảng 130 nên nó có khả năng chống kích nổ
tốt. Vì thế nó có thể dùng trên động cơ có tỉ số nén cao để cải thiện hiệu suất nhiệt.
Tuy nhiên Biogas có chứa CO2 là một tạp chất làm bẩn nhiên liệu. Nó làm giảm
tốc độ lan tràn màn lửa và giảm nhiệt trị nhiên liệu vì thế ảnh hưởng đến tính năng
của động cơ. Phối hợp sử dụng Biogas và các loại nhiên liệu khí truyền thống là
giải pháp hữu hiệu để cải thiện chất lượng quá trình cháy của loại nhiên liệu tái
tạo này.
Đề tài này tập trung nghiên cứu tính năng của động cơ ơ tơ tải nhẹ Trường
Hải Tower khi chuyển sang chạy bằng nhiên liệu Biogas-LPG. Đề tài này nhằm
góp phần phát triển cơng nghệ ứng dụng nhiên liệu tái tạo trên phương tiện giao
thông cơ giới nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải chất khí gây
hiệu ứng nhà kính.
1.2. Phân tích đặc tính kỹ thuật của động cơ DA465QE lắp trên ơ tơ tải nhẹ
Trường Hải Towner
1.2.1.Những tiện ích và nhu cầu sử dụng của ô tô tải nhẹ Trường Hải
Towner 750
Ngày nay, phương tiện vận chuyển hàng hóa bằng xe tải chắc hẳn
khơng cịn q xa lạ với mọi người. Vận tải ơ tơ là hình thức vận tải phổ
biến nhất được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế ở tất cả quốc gia. Vậy

13

việc vận tải bằng xe tải Trường Hải Towner 750 sở hữu những ưu điểm nổi
bật như: tính động cơ cao trong thành phố, tốc độ vận chuyển nhanh, nên
xe tải vận nhỏ này chuyển trực tiếp đến người nhận, khơng phải thơng qua
bất kì phương thức vận tải nào khác. Xe tải Trường Hải Towner 750 có thể
hoạt ở nhiều tuyến đường, thậm chí ở những nơi chưa có đường sá. Tốc độ
vận chuyển hàng của xe tải nhanh hơn đường sắt cả về khoảng cách ngắn
và khoảng cách dài. Chính vì vậy mà việc vận chuyển bằng xe tải nhỏ giữa
các thành phố đang phát triển mạnh. Mức độ phát thải ô nhiễm của các xe
tải cỡ nhỏ cũng ít hơn so với các dịng xe có cơng suất động cơ lớn, góp
phần hạn chế ơ nhiễm mơi trường.

Hình 1.11: Ơ tơ Trường Hải Towner 750

1.2.2.Đặc tính kỹ thuật của động cơ DA465QE lắp trên ô tô Towner 750
Động cơ DA465QE/F1 do hãng DONGAN Trung Quốc sản xuất là loại
động cơ xăng điều khiển điện tử, 4 xi lanh thẳng hàng, làm mát cưỡng bức. Hệ
thống nhiên liệu điều khiển bằng ECU, vòi phun của động cơ hoạt động bằng điện
từ.