Thiết kế chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biogas hydrogen

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


LÊ HỮU TUYÊN

C
C

R
L
T.

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ

DU

DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng – 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


LÊ HỮU TUYÊN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ

C
C

DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN

R
L
T.

DU

Chuyên Ngành
Mã số

: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
: 85.20.11.6

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHAN MINH ĐỨC

Đà Nẵng – 2020


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả được tôi trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

C
C

LÊ HỮU TUYÊN

DU

R
L
T.


THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN
Học viên: Lê Hữu Tuyên Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ nhiệt
Mã số: 85.20.11.6 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt- Việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sạch cho động cơ đốt trong là cần thiết, phù
hợp với xu thế chung hiện nay. Do vậy, nghiên cứu một cách cơ bản, thiết kế chuyển đổi động
cơ diesel sang sử dụng biogas – hydrogen để thay thế phần lớn nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu
biogas sẽ góp phần giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ơ nhiêm môi
trường. Đề tài này tập trung nghiên cứu, thiết kế bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu
biogas-hydrogen. Bộ điều tốc này tích hợp bên trong cơ cấu truyền động của động cơ. Khi chạy
bằng biogas, lò xo điều tốc diesel thả lỏng ở chế độ không tải. Tốc độ động cơ được giữ ổn định
nhờ bộ điều tốc biogas. Bộ điều tốc này sử dụng bộ phận cảm ứng tốc độ của động cơ diesel
nguyên thủy.Với bộ điều tốc này thiết kế này, động cơ dual fuel biogas-diesel có mức độ dao
động tốc độ khoảng 100 vịng/phút, tức khoảng 5% so với tốc độ trung bình.

C
C

R
L
T.

Từ khóa – Nhiên liệu tái tạo; Biogas; động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/diesel; Động cơ
biogas, bộ điều tốc động cơ.

DU

DESIGN CREATION THE SPEED GOVERNOR FOR DIESELEN
GINE USING BIOGAS-HYDROGEN FUEL
Abstract – Research and application of clean fuels for internal combustion engines is
needed, consistent with the current general trend. Therefore, basic research, designing a
conversion of diesel engine using biogas - hydrogen to replace most of diesel fuel with biogas
will contribute to reducing dependence on fossil fuels and reducing Environmental pollution.
The thesis focus on the study, design of the diesel speed governor using biogas-hydrogen fuel.
This governor is integated into the engine mechanism. When running on the biogas fuel, the
spring of diesel governor is zero at idle regime. The speed engine is kept constand by the biogas
governor. This governor uses the speed sensor of the original diesel engine. With the governor’s
study, The dualfuel biogas-diesel engine has speed fluctuation of about 100 rpm, or about 5%
of the average speed.
Key words - Renewable fuels; Biogas; dualfuel biogas/diesel engine; Biogas
engines, governor engine.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH
DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................... 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................................ 1
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................ 2
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................... 2
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ................................................................. 2
5.1. Ý nghĩa khoa học ...................................................................................................... 2

C
C

R
L
T.

5.2. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................................... 2
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN ........................................................................................... 2

DU

Chương 1 - TỔNG QUAN .............................................................................................. 3
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG ...................................................... 3
1.1.1 . Sự bùng nổ khí hậu tồn cầu hiện nay .................................................................. 3
1.1.2. Hiểm họa đã và đang xảy ra tại Việt Nam ........................................................... 4
1.1.3. Vấn đề ô nhiễm mơi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra .................... 4

1.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI CÓ NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ .......................... 5
1.3. ƯU THẾ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS .................................................................. 6
1.4. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HYDROGEN .............................. 7
1.4.1. Đặc điểm khí Methane........................................................................................... 7
1.4.2. Đặc điểm khí Sunfua hydro ................................................................................... 8
1.4.3. Đặc điểm khí Cacbon dioxyt ................................................................................. 9
1.4.4. Đặc điểm khí hydrogen ....................................................................................... 10
1.4.5. Yêu cầu của biogas khi sử dụng trong động cơ đốt trong ................................... 11
1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ
HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ............................................................ 12
1.5.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho động cơ đốt
trong trên thế giới .......................................................................................................... 12
1.5.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho động cơ đốt
trong ở Việt Nam ........................................................................................................... 15


1.6. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 18
Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỘ ĐIỀU TỐC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL .... 20
2.1. TỔNG QUAN ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ ................................................................. 20
2.1.1. Tính ổn định của động cơ .................................................................................... 20
2.1.2. Những điều kiện làm việc của động cơ cần lắp điều tốc ..................................... 21
2.1.3. Giới thiệu về các loại điều tốc phổ biến .............................................................. 24
2.1.4. Bộ điều tốc trực tiếp nhiều chế độ ....................................................................... 25
2.1.5. Các bộ điều tốc gián tiếp. .................................................................................... 27
2.2. TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP ....................................................... 30
2.3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ
NHIÊN LIỆU KÉP ........................................................................................................ 31
2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN .................................. 32
2.4.1. Cơ sở lý thuyết ..................................................................................................... 32
2.4.2. Phương pháp tính tốn ........................................................................................ 36

C
C

2.5. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 37
Chương 3- THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG
BIOGAS-HYDROGEN ................................................................................................ 38

R
L
T.

DU

3.1. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU .............................................................. 38
3.2. MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ô NHIỄM ĐỘNG CƠ DUAL
FUEL BIOGAS-HYDROGEN ..................................................................................... 38
3.2.1. Thiết lập mơ hình tính tốn ................................................................................. 38
3.2.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 40
3.3. KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ EV2600NB ........................................... 44
3.3.1. Công dụng và phân loại bộ điều tốc ................................................................... 44
3.3.2. Phân loại[10] ....................................................................................................... 44
3.3.3. Cấu tạo bộ điều tốc của động cơ EV2600 ........................................................... 44
3.3.4. Nguyên lý làm việc .............................................................................................. 45
3.4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ EV2600-NB DUAL FUEL
DIESEL-BIOGAS ......................................................................................................... 45
3.4.1. Nguyên lý điều khiển động cơ dual fuel biogas-diesel ....................................... 45
3.4.2. Phương án chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ dualfuel biogas-diesel ..... 46
3.5. TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS ................................................................ 50
3.5.1. Sơ đồ tính tốn và các thơng số chọn .................................................................. 50

3.5.2. Các bước tính ....................................................................................................... 52
3.6. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 54


Chương 4- THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG
CƠ VỚI BỘ ĐIỀU TỐC MỚI....................................................................................... 55
4.1. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU......................................................................................... 55
4.1.1. Mục đích .............................................................................................................. 55
4.1.2. Yêu cầu ................................................................................................................ 55
4.2. HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ................................................................................... 55
4.2.1. Bố trí hệ thống thí nghiệm ................................................................................... 55
4.2.2. Các thiết bị phục vụ thí nghiệm ........................................................................... 56
4.2.3. Qui trình thực nghiệm ......................................................................................... 56
4.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.................................................................................. 57
4.4. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................60

C
C

DU

R
L
T.


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1. 1 Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất................................................3

Hình 1. 2 Nguồn: Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ ..............................5
Hình 1. 3 Cơng thức phân tử của methane ......................................................................7
Hình 1. 4 Cơng thức phân tử của H2S .............................................................................8
Hình 1. 5 Cơng thức phân tử của CO2 ..........................................................................10
Hình 2. 1 Tính ổn định của động cơ .............................................................................21
Hình 2. 2 Chế độ không tải của động cơ Diesel(a) và động cơ Xăng(b) ......................22
Hình 2. 3 Động cơ quay chân vịt tàu thủy .....................................................................23
Hình 2. 4 Sơ đồ bộ điều tốc cơ khí trực tiếp một chế độ (a), và các chế độ làm việc của
động cơ (b) .....................................................................................................................24

C
C

Hình 2. 5 Sơ đồ bộ điều tốc giới hạn (a) và chế độ àm việc của động cơ .....................25
Hình 2. 6 Sơ đồ các bộ điều tốc nhiều chế độ và Đặc tính động cơ Diesel lắp bộ điều tốc
nhiều chế độ. ..................................................................................................................26

R
L
T.

Hình 2. 7 Sơ đồ bộ điều tốc chân không nhiều chế độ ..................................................27

DU

Hình 2. 8 Sơ đồ bộ điều tốc tác dụng gián tiếp khơng có liên hệ ngược(a); có liên hệ
ngược nối cứng (b) và liên hệ ngược nối mềm(c). ........................................................29
Hình 2. 9 Chế độ làm việc của động cơ gắn điều tốc .......................................................31
Hình 2. 10 Nguyên lý cấp biogas tự động bằng điều tốc ly tâm. .......................................32
Hình 2. 11 Phần tử cảm biến cơ khí ..............................................................................33

Hình 2. 12 Xác định nhân tố ổn định của phần tử cảm biến cơ khí. .............................34
Hình 2. 13 Độ khơng nhạy của bộ điều tốc cơ khí ........................................................35
Hình 3. 1 Mơ hình tính tốn mơ phỏng ........................................................................39
Hình 3. 2 Diễn biến đồng mức nồng độ nhiên liệu HC, diesel, nhiệt độ T, CO, NOx,
nồng độ thể tích bồ hóng fv và trường tốc độ dịng khí trong buồng cháy động cơ dualful
biogas-hydrogen/diesel. .................................................................................................41
Hình 3. 3 Diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ theo gọc quay trục khuỷu tại tốc độ
2400 vịng/phút; M7C3; 20% Hydrogen; fi77-86 trong đó fi=0,77 trước khi phun mồi
diesel và fi=0,86 sau khi phun mồi diesel. ....................................................................41
Hình 3. 4 Ảnh hưởng hệ số tương đương đến nồng độ NOx khi động cơ hoạt động tốc
độ 2400 vòng/phút; M7C3; 20% Hydrogen. .................................................................42
Hình 3. 5 Ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên nồng độ CO theo góc quay trục
khuỷu (Biogas M7C3 pha 20% hydrogen; n=2400 vong/phút) ....................................43


Hình 3. 6 ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ HC theo góc quay trục khuỷa.
.......................................................................................................................................43
Hình 3. 7 Kết cấu của bộ điều tốc ................................................................................44
Hình 3. 8 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ dual fuel biogas-diesel .......................46
Hình 3. 9 Cắt bớt đầu trục cân bằng động ....................................................................47
Hình 3. 10 Gia cơng lại bánh răng số 4 ........................................................................48
Hình 3. 11 Vị trí lắp bộ điều tốc biogas ........................................................................48
Hình 3. 12 Vị trí lắp trục cần điều khiển .......................................................................50
Hình 3. 13 Hệ thống càng điều khiển ...........................................................................50
Hình 3. 14 Sơ đồ tính tốn điều tốc điều chỉnh van tiết lưu biogas dạng cánh bướm ....51
Hình 3. 15 Quan hệ giữa tốc độ động cơ và độ giãn dài của lị xo ..............................54
Hình 4. 1 Bố trí lắp đặt thử nghiệm ...............................................................................55
Hình 4. 2 Thiết bị gây tải ...............................................................................................56
Hình 4. 3 Đường đặc tính tải tại tốc độ 3000 v/p ứng với 60%Biogas ........................58

C
C

DU

R
L
T.


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1. 1 Một số tính chất của CH4 [10], [11], [15] ......................................................8
Bảng 1. 2 tính chất quan trọng của H2S ..........................................................................9
Bảng 1. 3 Một số tính chất của SO2 [10], [11], [15] .....................................................10
Bảng 1. 4 Tính chất vật lý của Hydro ............................................................................11
Bảng 3. 1 Thông số động cơ Vikyno EV2600-NB ..........................................................38
Bảng 3. 2 Quan hệ giữa độ giãn lò xo bộ điều tốc biogas và tốc độ động cơ ...............45
Bảng 3. 3 Các thông số đo được của bộ điều tốc biogas..................................................51
Bảng 3.4: Tốc độ làm việc của động cơ và độ giãn dài của lò xo điều tốc khi chạy biogas
có 60% CH4 ...................................................................................................................53
Bảng 4. 1 Công suất động cơ kéo máy phát điện ..........................................................57

C
C

DU

R
L

T.


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

[dm3]

Thể tích buồng cháy

 S

[mm]

Hành trình piston

 D

[mm]

Đường kính xi lanh

 n
 Db

[vịng/phút] Số vịng quay
[mm]

Đường kính cấp biogas

 Dh
 an

[mm]

Đường kính bộ hỗn hợp

 Lb

[mm]

 i
 Wi

Hệ số dao động của dòng chảy
Chiều dài buồng hỗn hợp
Số xi lanh
[J]

C
C

Công chỉ thị

 ffuel
 fsec

Thành phần nhiên liệu trong hỗn hợp

 fox
 psec

Thành phần chất oxy hóa trong hỗn hợp

R
L
T.

Thành phần nhiên liệu thứ cấp trong hỗn hợp

DU

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
Đại lượng nguồn do người sử dụng định nghĩa

 Suse
r HIỆU MẪU TỰ HY LẠP
CÁC KÝ
 

Tỉ số nén

 s

Góc đánh lửa sớm

 

Hệ số tương đương

 λcs

Tỉ số công suất đầu ra máy phát điện/công suất định mức của động

cơ
 λ

Hệ số dư lượng khơng khí

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
 A/F

Viết tắt chữ Air/Fuel (Tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu)

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


 ANG Adsorbed Natural Gas (Khí thiên nhiên hấp thụ)
 CNG Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén)
 LPG

Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng)

 LNG

Liquid Natural Gas (Khí thiên nhiên hố lỏng)

 QHV

Nhiệt trị thể tích của nhiên liệu

 MtoE Triệu tấn dầu quy đổi
 MON Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ)

C
C

DU

R
L
T.


1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay, trên thế giới nhiên liệu hóa thạch đang được khai thác một cách quá
mức do nhu cầu năng lượng tiêu thụ ngày càng tăng. Sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa
thạch là thủ phạm chính gây ơ nhiễm mơi trường ngày càng trầm trọng. Ngồi các thành
phần ơ nhiễm như CO, HC, NOx và các phát thải hạt gây ảnh hưởng trực tiếp tới sức
khỏe con người, CO2 sinh ra từ quá trình cháy là tác nhân chính làm gia tăng nhiệt độ
trái đất, dẫn đến tình trạng biến đổi khí hậu và nước biển dâng, đe dọa cuộc sống của

nhân loại.
Khí sinh học (biogas) được sản xuất bởi quá trình lên men yếm khí của vật liệu
sinh khối, là nhiên liệu khí đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam. Biogas
đóng vai trị là nhiên liệu thay thế cho cả xăng và diesel truyền thống. Chu trình cacbon
trong quá trình sản xuất biogas từ nguyên liệu sinh khối và phát thải cacbon từ hoạt động
đốt cháy biogas là khép kín với năng lượng sử dụng được mặt trời cung cấp. Do đó sử
dụng biogas với vai trị là nhiên liệu khơng làm tăng khí nhà kính cho bầu khí quyển.

C
C

R
L
T.

Biogas được sản xuất từ q trình phân hủy yếm khí nên khơng thể khơng chứa
những tạp chất không mong muốn. CH4 là thành phần cơ bản nhưng CO2 có thể chiếm

DU

đến 40-50% thể tích trong biogas. CO2 làm giảm nhiệt trị nhiên liệu và giảm tốc độ lan
tràn màng lửa nên ảnh hưởng đến tính ổn định và khả năng tăng tốc của động cơ.
Nếu biogas được làm giàu bằng hydrogen thì nhiệt trị của nhiên liệu và tốc độ
cháy của hịa khí sẽ được cải thiện rõ rệt. Trong điều kiện khí quyển, tốc độ lan tràn
màng lửa của hydrogen (230 cm/s) cao lớn gấp 6 lần tốc độ lan tràn màng lửa của methan
(42 cm/s). Do đó khi làm giàu biogas bằng hydrogen thì thời kỳ cháy trễ, thời gian cháy
của hỗn hợp sẽ được rút ngắn, áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt tăng.
Do vậy việc nghiên cứu một cách cơ bản, thiết kế chuyển đổi động cơ diesel sang
sử dụng biogas – hydrogen để thay thế phần lớn nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu biogas
sẽ góp phần giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ơ nhiêm mơi

trường.
Vì vậy đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu
biogas-hydrogen” mang nhiều ý nghĩa khoa học lẫn thực tiễn.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu chung của đề tài là góp phần giải quyết an ninh nhiên liệu; giảm ô nhiễm
môi trường do khí thải động cơ đốt trong gây ra; ngăn ngừa gây hiệu ứng nhà kính. Mục
tiêu cụ thể của đề tài là giải quyết việc điều khiển cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen
cho động cơ diesel kéo máy phát điện cỡ nhỏ.


2
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel cỡ nhỏ 1 xylanh kéo máy phát điện, có
cơng suất trong phạm vi 5-15kW.
- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên
liệu biogas-hidrogen.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài được thực hiện kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết
quá trình cung cấp, định lượng nhiên liệu, điều tốc của động cơ diesel kéo máy phát
điện; tính tốn thiết kế bộ điều tốc. Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá khả năng làm
việc và hiệu chỉnh thiết kế bộ điều tốc.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

5.1. Ý nghĩa khoa học

C
C

Luận án đã góp phần nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu về động cơ Dual Fuel
(Biogas-Diesel) tại Việt Nam.

5.2. Ý nghĩa thực tiễn

R
L
T.

DU

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 LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được chia làm 4 chương trình
bày các nội dung chính như sau:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về tình hình sử dụng nhiên liệu khoáng và động cơ
diesel chuyển đổi dùng nhiên liệu khí biogas; các giải pháp cải thiện chất lượng làm việc
của động cơ diesel dùng nhiên liệu biogas;
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết điều khiển cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel,
động cơ diesel kéo máy phát điện;
Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp bộ điều tốc cho động cơ diesel dùng nhiên liệu
biogas – hydrogen; Thiết kế và chế tạo bộ điều tốc cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu
biogas được làm giàu bằng hydrogen
Chương 4: Thử nghiệm và hiệu chỉnh thiết kế bộ điều tốc, Xây dựng qui trình cơng nghệ
chế tạo và lắp đặt bộ điều tốc.

Kết luận và hướng phát triển đề tài.


3

Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MƠI TRƯỜNG
1.1.1 . Sự bùng nổ khí hậu tồn cầu hiện nay
Trong hàng thập kỷ qua, nhân loại đã và đang trải qua các biến động khơn lường
của khí hậu tồn cầu. Bề mặt Trái đất, khí quyển và thủy quyển khơng ngừng nóng lên
làm xáo trộn mơi trường sinh thái, đã và đang gây ra nhiều hệ lụy đến đời sống lồi
người. Các cơng trình nghiên cứu quy mơ toàn cầu về hiện tượng này đã được các nhà
khoa học ở những trung tâm nổi tiếng trên thế giới tiến hành từ đầu thập kỷ 90 thế kỷ
XX. Hội nghị quốc tế do Liên hiệp quốc triệu tập tại Rio de Janeiro năm 1992 đã thông
qua Hiệp định khung và Chương trình hành động quốc tế nhằm cứu vãn tình trạng “xấu
đi” nhanh chóng của bầu khí quyển Trái đất, vốn được coi là nguyên nhân chủ yếu của
sự gia tăng hiểm họa. Tổ chức nghiên cứu liên chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên
hiệp quốc (IPCC) đã được thành lập, thu hút sự tham gia của hàng ngàn nhà khoa học
quốc tế. Tại Hội nghị Kyoto năm 1997, Nghị định thư Kyoto đã được thông qua và đầu
tháng 2/2005 đã được nguyên thủ 165 quốc gia phê chuẩn. Nghị định thư này bắt đầu
có hiệu lực từ 10/2/2005. Việt Nam đã phê chuẩn Nghị định thư Kyoto ngày 25/9/2005.
Gần đây nhất, hội nghị lần thứ 21 Cơng ước Khung LHQ về biến đổi khí hậu (COP21) tổ chức tại thủ đô Paris của Pháp cam kết giảm lượng khí thải nhằm hạn chế tăng
nhiệt độ trung bình tồn cầu ở mức 20C vào cuối thế kỷ XXI so với thời kỳ tiền công
nghiệp.

C
C

R
L
T.

DU

Nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ trái đất:

Hình 1. 1 Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất
Các báo cáo của IPCC và nhiều trung tâm nghiên cứu có uy tín hàng đầu trên
thế giới cơng bố trong thời gian gần đây cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin và dự
báo quan trọng. Theo đó, nhiệt độ trung bình trên bề mặt địa cầu ấm lên gần 1°C trong
vòng 80 năm (từ 1920 đến 2005) và tăng rất nhanh trong khoảng 25 năm nay (từ 1980
đến 2005). Báo cáo cho rằng nếu khơng thực hiện được chương trình hành động giảm
khí thải gây hiệu ứng nhà kính theo Nghị định thư Kyoto, đến năm 2035 nhiệt độ bề


4
mặt địa cầu sẽ tăng thêm 2°C. Về dài hạn, có hơn 50% khả năng nhiệt độ tăng thêm
5°C.
Hiện tại, Trái đất đang từng ngày từng giờ nóng lên, với tốc độ như vậy thì chiều
hướng có thể cịn nhanh hơn nữa trong tương lai, [12].
1.1.2. Hiểm họa đã và đang xảy ra tại Việt Nam
Như chúng ta đã biết một trong những tác hại của biến đổi khí hậu đó là sự gia
tăng của mực nước biển, khiến cho nhiều vùng đất sẽ bị ngập sâu trong nước. Việt
Nam là một nước có bờ biển dài, nằm ngay sát biển Đơng một trong những biển lớn
của thế giới, vì vậy, Việt Nam được xếp vào một trong những nước có nguy cơ chịu
tác động rất nhiều của việc biến đổi khí hậu, cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển.
Theo dự báo của Tổ chức Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu IPCC thì khu vực
Đơng Dương nhiệt độ sẽ gia tăng +1°C vào giai đoạn 2010-2039, và +3° đến +4°C vào
2070-2099; lượng mưa sẽ giảm 20 mm vào 2010-2039, rồi sau đó tăng +60 mm vào
2070-2099; mực nước biển dâng cao 6 cm/năm, đạt mức 20 cm vào 2030, và 88 cm
vào 2100. Tại Việt Nam, nhiệt độ sẽ tăng từ 0,3 - 0,5 độ C năm 2010, từ 1- 2 độ C vào
năm 2020, từ 1,5 - 2 độ C vào năm 2070. Những khu vực có nhiệt độ tăng cao nhất là
Tây Bắc và Việt Bắc.
Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ thì trong những năm gần đây hiện tượng bão
lũ cũng xảy ra với tần suất và cường độ mạnh hơn ở Việt Nam. Hiện tượng bão lũ này

xảy ra đặc biệt nghiêm trọng ở hai vùng miền là miền Trung và đồng bằng sông Cửu
Long. Sự tác động của biến đổi khí hậu mà cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển
đang có xu hướng làm thu hẹp dần diện tích đất nơng nghiệp của nước ta, đặc biệt là
các vùng đất ven biển. Với trên 3.000km bờ biển, Việt Nam được coi là quốc gia có
mức độ dễ bị tổn thương cao hơn trước sự biến đổi khí hậu[12].

C
C

R
L
T.

DU

1.1.3. Vấn đề ơ nhiễm mơi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra
Hiện nay, ơ nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ
không của một quốc gia nào. Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và
có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật. Việc khai thác và sử dụng hàng tỉ tấn
than đá, dầu mỏ, khí đốt đồng thời cũng thải vào mơi trường một khối lượng lớn các
chất thải khác nhau như: rác thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm
cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng. Nó cịn tạo ra các cơn mưa
axít làm huỷ diệt các khu rừng và các cánh đồng. Điều đáng lo ngại nhất là con người
thải vào khơng khí các loại khí độc như: CO 2 đã gây hiệu ứng nhà kính. Theo nghiên
cứu thì chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2 nó đóng góp 50% vào việc
gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, Nitơ 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu
là 3%. Có nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau. Điều này
sẽ thúc đẩy q trình nóng lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng.

5
Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vịng hơn 130 năm qua nhiệt độ Trái đất
tăng 0.4 °C. Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu
học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái đất sẽ tăng
thêm 1.5°C- 4.5 °C nếu như con người khơng có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện
tượng hiệu ứng nhà kính.

C
C

R
L
T.

DU

Hình 1. 2 Nguồn: Cơ quan Quản lý Thơng tin Năng lượng Hoa Kỳ
Hình 1.2. Ơ nhiễm do khí thải từ các loại phương tiện giao thông đến môi trường
và sức khỏe con người. Một hậu quả nữa của ơ nhiễm khí quyển là hiện tượng lỗ thủng
tầng ơzơn. Khí CFC là "kẻ phá hoại" chính của tầng ơzơn. Sau khi chịu tác động của
khí CFC và một số loại chất độc hại khác thì tầng ơzơn sẽ bị mỏng dần rồi thủng, [2].
1.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI CÓ NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ
Từ những năm 1849 - 1850, con người đã biết chưng cất dầu mỏ để lấy ra dầu
hỏa, còn xăng là thành phần chưng cất nhẹ hơn dầu hỏa thì chưa hề được sử dụng đến
và phải đem đổ đi một nơi thật xa. Lúc đó con người tạo ra dầu hỏa với mục đích thắp
sáng hoặc đun nấu đơn thuần. Nhưng với sự tiến hóa của khoa học và kỹ thuật, từ việc
sử dụng những động cơ hơi nước cồng kềnh và hiệu quả thấp, con người đã tìm cách để
sử dụng xăng và dầu diesel cho động cơ đốt trong, loại động cơ nhỏ gọn hơn nhưng có
hiệu quả cao hơn hẳn. Cùng với những khám phá khoa học vĩ đại khác, sự phát minh ra

6
động cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu diesel đã thúc đẩy xã hội loài người đạt những
bước phát triển vượt bật, đem đến cuộc sống ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng
tỷ người trên thế giới.
Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự khơng
ai có thể phủ nhận được. Nguồn năng lượng chúng mang lại hầu như là chiếm ưu thế
hoàn toàn. Do vậy, mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn chiếm ưu thế và chủ
động về nguồn dầu mỏ. Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã
một lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và
cho tồn thế giới. Nhưng theo dự đốn của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác
hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại của trái đất cũng chỉ đủ cho con người khai thác trong
vịng khơng q 40 năm nữa.
Bên cạnh đó những hậu quả mà khi chúng ta sử dụng dầu mỏ và động cơ đốt
trong đem lại từ các chất thải khí làm ơ nhiễm khơng khí, làm thủng tầng ơzơn, gây hiệu
ứng nhà kính.Trong các chất độc hại thì CO, NOx, HC do các loại động cơ thải ra là
ngun nhân chính gây ơ nhiễm bầu khơng khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do
đó, con người phải đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế.

C
C

R
L
T.

Một xu hướng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền thống:
Xăng, dầu Diesel, bằng các loại nhiên liệu mới “sạch”, nhiên liệu tái sinh cho các loại
động cơ như năng lượng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng, năng lượng
điện, khí sinh vật Biogas, năng lượng thủy điện.Việc chuyển dần sang sử dụng các loại

nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng lượng của
nhiều quốc gia phát triển.

DU

1.3. ƯU THẾ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS
Ngoại trừ năng lượng thuỷ điện và năng lượng hạt nhân, phần lớn năng lượng
trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên. Tất cả các nguồn này
đều có hạn và với tốc độ sử dụng chúng như hiện nay thì sẽ bị cạn kiệt Hồn tồn vào
cuối thế kỷ 21. Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trường
ngày càng tăng đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế cho
năng lượng có nguồn gốc dầu mỏ. Biogas là một sự thay thế đầy tiềm năng cho nhiên
liệu chính là dầu mỏ, đang sắp cạn kiệt trong vịng khoảng 30-40 năm nữa. Dựa vào
những tính chất tương tự và những ưu điểm vượt trội của nó.
Một số ưu điểm của nhiên liệu Biogas.
- Đối với môi trường.
+ Giảm lượng khí phát thải CO2, do đó giảm được lượng khí thải là nguyên nhân
chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh được các thảm họa về mơi trường.


7
+ Khơng có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến
0,2% trong dầu Diesel).
+ Khơng chứa HC thơm nên khơng gây ung thư.
+ Khí thiên nhiên Biogas khơng chữa chì gây tác hại đến sức khỏe con người,
gây ơ nhiễm mơi trường khơng khí.
+ Có khả năng tự phân huỷ và khơng độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân
huỷ từ 85 - 88% trong nước sau 28 ngày).
+ Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất.
- Đối với kinh tế.

+ Sử dụng nhiên liệu Biogas ngồi vấn đề giải quyết ơ nhiễm mơi trường nó cịn
thúc đẩy ngành nơng nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nơng
nghiệp như thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dụng các nguồn rác thải sẵn có.

C
C

+ Đồng thời đa dạng hố nền nơng nghiệp va tăng thu nhập ở vùng miền nông

R
L
T.

thôn.

1.4. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HYDROGEN

DU

1.4.1. Đặc điểm khí Methane

Methane (CH4) là thành phần chủ yếu của biogas có cấu tạo phân tử được mơ
phỏng trên hình 1.3 [10], [11].

Hình 1. 3 Cơng thức phân tử của methane
Hàm lượng methane trong khí biogas phụ thuộc vào loại nguyên liệu và cách
vận hành bể phân hủy. Methane là chất khí khơng màu, khơng mùi, chỉ nhẹ bằng
nửa khơng khí, ít hịa tan trong nước. Trong điều kiện áp suất khí quyển CH4 hố
lỏng ở nhiệt độ –161,5 0C.
Khi đốt cháy methane có ngọn lửa màu lơ nhạt và toả nhiệt theo phương trình:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 882 [kJ] (1.2)
Nhiệt trị của methane là 35906 [kJ/Nm3] = 8576 [kcal/Nm3].
Methane là cấu tử cung cấp nhiệt lượng chủ yếu của biogas, do đó nhiệt trị
của biogas phụ thuộc vào hàm lượng của methane và được tính theo cơng thức kinh
nghiệm sau đây [10], [14], [15]:


8
Q = 8576x%VCH4 /100 [kcal/m3] (1.2)
Trong đó: %VCH4 là hàm lượng khí methane tính theo phần trăm thể tích.
Một số tính chất quan trọng của methane được trình bày trong bảng 1.2.
Bảng 1. 1 Một số tính chất của CH4 [10], [11], [15]

C
C

1.4.2. Đặc điểm khí Sunfua hydro

R
L
T.

DU

Hình 1. 4 Công thức phân tử của H2S
Hydro sunfua (H2S) là một loại khí thường xun có mặt trong thành phần
của biogas, với nồng độ của chúng khá nhỏ (0 – 0,5% theo thể tích). Tuy nhiên, loại
khí này lại có ảnh hưởng lớn đến quá trình sử dụng biogas làm nhiên liệu, đặc biệt là
trong động cơ, do đó nó lại quyết định công nghệ xử lý và làm sạch biogas trước khi
sử dụng. Hydro sunfua (H2S) có cấu tạo phân tử được mơ phỏng trên hình 1.4

Hydro sunfua là chất khí khơng màu, rất độc, dễ cháy, có mùi trứng thối
khiến cho khí sinh học cũng có mùi khó chịu [10], [11], [15]. H2S có tính độc cao, có
thể gây tổn thương mắt ở nồng độ (50 - 100) ppm, gây kích thích mạnh hệ thần kinh
trung ương, gây ngạt thở và chết ở nồng độ (530 - 1000) ppm.
Khi H2S cháy với tỉ lệ khơng khí/biogas đúng, chúng biến thành lưu huỳnh:
2H2S+O2 = 2H2O+2S

(1.3)


9
Khi oxy trong hỗn hợp thừa, một phần hay toàn bộ H2S biến thành SO2.
Ngay cả khi thành phần không khí/biogas đúng hồn tồn, một bộ phận H2S cũng biến
thành SO2:
2H2S+3O2 = 2H2O+2SO2 (1.4)
Do vậy có thể nói H2S góp phần làm tăng nhiệt trị của biogas. Vấn đề là khi
SO2 gặp nước nó sinh ra axit:
SO2+H2O H2SO3

(1.5)

H2SO3 là chất gây hại, nhưng nguy hại hơn khi oxy tham gia vào phản ứng
để hình thành H2SO4:
2H2SO3+O2 2H2SO4

(1.6)

Bảng 1. 2 tính chất quan trọng của H2S

C

C

R
L
T.

DU

Những phản ứng này hoàn toàn không mong muốn nên cần loại bỏ H2S, đặc
biệt là khi sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. H2S là tạp chất gây
hại chính có mặt trong biogas vì nó gây ăn mịn các chi tiết kim loại và gây ơ nhiễm
mơi trường. Một số tính chất quan trọng của H2S được trình bày trong bảng 1.2.
1.4.3. Đặc điểm khí Cacbon dioxyt
Cacbon dioxyt (CO2) là một loại khí có thành phần lớn thứ hai trong biogas, có
cấu tạo phân tử được mơ phỏng trên hình 1.5.


10

Hình 1. 5 Cơng thức phân tử của CO2
Cacbon dioxyt là chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng cháy, nặng gấp 1,5 lần
khơng khí. Nó là chất khơng độc nhưng làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Để tăng giá
trị năng lượng của biogas trên một đơn vị thể tích lưu trữ, đặc biệt là khi nén biogas để
làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông cơ giới, người ta phải lọc bỏ cacbon dioxyt.
Một số tính chất quan trọng của cacbon dioxyt được trình bày trong bảng 1.3.
Bảng 1. 3 Một số tính chất của SO2 [10], [11], [15]

C
C

R
L
T.

DU
1.4.4. Đặc điểm khí hydrogen

Hydrogen là ngun tố hóa học nhẹ nhất với đồng vị phổ biến nhất chứa một
prôton và một điện tử. Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn nó là dạng khí khơng màu,
khơng mùi, nhị ngun tử (phân tử), H2 dễ bắt cháy, có hóa trị 1, có nhiệt độ sơi 20,27
K(-252,87°C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14°C), tỉ trọng bằng 1/14 tỉ trọng
của khơng khí. Hydrogen khi cháy trong khơng khí giới hạn từ 4 - 75% thể tích. Nhiệt
độ cháy của hydrogen cao nhất đạt được 2318°C ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy
trong oxy nhiệt độ có thể lên đến 3000°C, cao nhất so với tất cả các loại khí khác như
khí methane (CH4) đạt 2148°C, propane (C3H8) đạt 2385°C.
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông
thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử. Nguyên tố này được tìm
thấy với một lượng khổng lồ trong các ngơi sao và các hành tinh khí khổng lồ. Tuy
vậy, trên Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích). Nguồn chủ yếu
của nó là nước, bao gồm hai phần hydro và một phần oxy. Các nguồn khác bao gồm
phần lớn các chất hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than, nhiên liệu hóa
thạch và khí tự nhiên. Methane (CH4) là một nguồn quan trọng của hydro.


11
Bảng 1. 4 Tính chất vật lý của Hydro
Trạng thái vật chất

khí khơng màu

Điểm nóng chảy

14,025 K (-434,452°F)

Điểm sơi

20,268 K (-423,166°F)

Nhiệt bay hơi

0,44936 kJ/mol

Nhiệt nóng chảy

0,05868 kJ/mol

Áp suất hơi

209 Pa tại 23 K

Nhiệt dung riêng

14.304 J/(kg·K)

Độ dẫn nhiệt

0,1815 W/(m·K)

C
C

R
L
T.

Năng lượng ion hóa

1.312,0 kJ/mol

Khối lượng riêng

0,0898 kg/m³, 20oC

DU

Nhiệt trị thấp

120267.3 kJ/kg

Là một chất nhẹ nhất trong mọi chất, hydro liên kết với phần lớn các nguyên tố
khác để tạo ra hợp chất. Nó có độ điện âm 2,2 vì thế nó tạo ra hợp chất ở những chỗ
mà nó là nguyên tố mang tính phi kim loại nhiều hơn cũng như khi nó là ngun tố
mang tính kim loại nhiều hơn. Các chất loại đầu tiên gọi là hydrua, trong đó hydro
hoặc là tồn tại dưới dạng ion H- hay chỉ là hòa tan trong các nguyên tố khác (chẳng
hạn như hydrua palađi). Các chất loại thứ hai có xu hướng cộng hóa trị, khi đó ion H +
là một hạt nhân trần và có xu hướng rất mạnh để hút các điện tử vào nó. Các dạng này
là các a xít. Vì thế thậm chí trong các dung dịch a xít người ta có thể tìm thấy các ion
như hiđrơni (H3O+) cũng như prôton.
Hydro kết hợp với oxy tạo ra nước (H2O) và giải phóng ra năng lượng, nó có thể
nổ khi cháy trong khơng khí. Ơxít đơteri, hay D2O, thơng thường được nói đến như nước

nặng. Hydro cũng tạo ra phần lớn các hợp chất với cacbon. Vì sự liên quan của các chất
này với các loại hình sự sống nên người ta gọi các hợp chất này là các chất hữu cơ, việc
nghiên cứu các thuộc tính của các chất này thuộc về hóa hữu cơ.
1.4.5. Yêu cầu của biogas khi sử dụng trong động cơ đốt trong
Vấn đề đáng quan tâm và cần được nghiên cứu tiếp là làm sao có thể nâng cao
hiệu suất động cơ và giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường do khí thải động cơ gây ra. Trong


12
Biogas có một lượng đáng kể Hydrogen sulfide H2S (khoảng 10.000ppm thậm chí sau
khi qua các thiết bị xử lý vẫn cịn khoảng 200-400ppm H2S) là một khí rất độc tạo nên
hổn hợp nổ với khơng khí. Khi Biogas được sử dụng làm nhiên liệu, khí H2S có thể ăn
mịn các chi tiết của động cơ, sản phẩm của nó là SOx là một khí rất độc cho con người
(TCVN cho phép là 0,3mg/m3).Vì thế, hồn thiện q trình cháy trong động cơ sử dụng
nhiên liệu Biogas là vấn đề đặt ra để có thể vừa kéo dài tuổi thọ động cơ vừa giảm
thiểu ơ nhiễm trong khí thải động cơ. Hàm lượng của các chất này không được vượt
quá mức cho phép. Mặc dù không phải là chất chiếm nhiều trong Biogas như Carbon
dioxide, nhưng hơi nước có thể có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc trưng của quá trình
cháy Biogas. Dù hàm lượng nhỏ nhưng hơi nước đã ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ
ngọn lửa, giới hạn cháy và nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas.
Ngồi ra nó làm tăng nguy cơ ăn mịn thiết bị, do đó cần thiết phải giảm lượng hơi
nước có trong khí Biogas[3]. Phụ thuộc vào nhiệt độ Biogas từ hầm phân huỷ có hàm
lượng ẩm khoảng 50mg/l, gần với nồng độ bảo hồ.

C
C

1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ
HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

R
L
T.

1.5.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho động cơ đốt
trong trên thế giới

DU

Biogas đã và đang được ứng dụng mạnh từ các nước đang phát triển đến các
nước phát triển. Ở châu Âu, có hàng ngàn các điểm lắp đặt hệ thống xử lý chất hữu cơ
thành biogas và các quốc gia đi đầu như Đức, Áo, Đan Mạch và Thụy Điển có số lượng
lớn các hệ thống biogas hiện đại. Trong năm 2008, việc sản xuất biogas ở châu Âu đã
vượt 7,5 triệu tấn dầu qui đổi. Đức là nước dẫn đầu ở châu Âu với 4.500 nhà máy
biogas và 1.650MW trạm phát điện trong năm 2009 và vẫn đang tiếp tục mở rộng quy
mô [19], [22].
Hầu hết các hệ thống biogas ở châu Á đều sử dụng công nghệ đơn giản. Tại
Trung Quốc, có khoảng 18 triệu hầm biogas quy mơ hộ gia đình ở khu vực nơng thơn
đang vận hành vào năm 2006, tiềm năng biogas toàn bộ Trung Quốc dự đoán là 145 tỷ
m3 trong khi ở Ấn Độ chỉ xấp xỉ 5 triệu hầm biogas quy mô hộ gia đình đang được
vận hành.
Tại Ấn Độ, chương trình năng lượng nông thôn được triển khai từ những năm
90 của thế kỷ XX, hàng triệu bể khí mêtan cung cấp nhiên liệu thắp sáng, nấu bếp và
chạy máy phát điện. Ở các nước khác như Nepal và cũng có số lượng đáng kể hầm
biogas quy mơ gia đình. Chính phủ Thái Lan đặt mục tiêu đến năm 2022, năng lượng
tái tạo chiếm khoảng 14% trong tổng lượng năng lượng tiêu thụ. Thái Lan có khả năng
sản xuất trên 1 tỷ m3 biogas mỗi năm từ nông nghiệp, tuy nhiên năng lực sản xuất hiện
tại mới đạt 36% khả năng này [23], [25], [31].

13
Năm 1981, một nỗ lực đã được thực hiện để sử dụng biogas cho động cơ diesel
chuyển sang đánh lửa cưỡng bức bởi D. J. Hickson [21]. Ông ta cho rằng công suất
động cơ biogas giảm 35% khi so sánh với diesel và 40% so sánh với nhiên liệu xăng.
Cũng trong năm đó, các nghiên cứu khác cũng được thực hiện bởi S. Neyeloff và W.
W. Cunkel. Họ đã sử dụng động cơ CFR và đã chạy nó với biogas với các tỉ số nén
khác nhau. Họ đã đạt tới tỉ số nén 15:1 cho giải pháp tối ưu. Nhiệt trị thấp, thành phần
ăn mịn hóa học và khó khăn trong vận chuyển là những thách thức chính của biogas.
Năm 1983, R.H. Thring kết luận rằng biogas chỉ thích hợp cho nơi gần chỗ sản xuất ra
nó và ơng ta đề nghị chuyển đổi nhiên liệu khí như biogas hoặc khí thiên nhiên thành
nhiên liệu lỏng như cồn hoặc xăng [21].
Năm 1985, Jenbacher Werke AG giới thiệu một nhà máy sản xuất điện sử dụng
động cơ đốt cháy khí biogas hỗn hợp nghèo [24]. Họ đã có thể điều khiển tỉ lệ khơng
khí nhiên liệu để đưa nhiều nhiên liệu vào xi lanh và phải cải tạo nắp máy để cho van
nạp lớn hơn. A. G. Wunsche đã không định lượng thành phần khí nhưng đã thực
nghiệm lượng mêtan thấp hơn so với lượng họ đã sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ.
Sau đó để tránh kích nổ, họ sử dụng cảm biến kích nổ. Tuy nhiên, cơng suất đầu ra
thấp vẫn còn là vấn đề chưa giải quyết được. Caterpillar nhà sản xuất động cơ khác đã
cố gắng vận hành động cơ đánh lửa cưỡng bức với khí bãi rác năm 1987. Họ đã phát
triển động cơ tại trại để giải quyết các vấn đề biogas. Sau đó động cơ đã chạy trên một
bãi chôn lấp thực sự. Báo cáo của N.C. Macari cho thấy sự mài mòn quá nhiều sau 400
giờ và như vậy là tuổi thọ của dầu bôi trơn giảm.
Một nghiên cứu khác trên các xe hơi của Volkswagen đã được thực hiện ở Brazil
để so sánh hiệu năng của nhiên liệu biogas với cồn cho các xe hơi vào năm 1992. Thời
điểm đánh lửa, sự phân phối hỗn hợp và khí thải đã được nghiên cứu và các thông số
khác nhau như tốc độ xe tối đa, khả năng tăng tốc và tốc độ động cơ tối đa đều được
xét đến [17].
Trong khi việc chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bức sang sử dụng biogas là
dễ dàng hơn thì động cơ dual fuel cho thấy một số ưu điểm. Sau thập niên 90, động cơ
diesel được chuyển đổi thành động cơ dual fuel biogas-diesel [27], [29]. V. Deri và G.

Mancini đã chuyển đổi một động cơ diesel sang dual fuel và đạt được quá trình cháy
hỗn hợp nghèo ổn định hơn bởi vì việc sử dụng diesel phun mồi để đánh lửa hỗn hợp.
Tuy nhiên việc điều khiển độc lập của hỗn hợp khơng khí-gas và nhiên liệu phun mồi
là rất phức tạp [30].
Sự quan tâm nhiều hơn vào việc sử dụng biogas cho động cơ đốt trong đòi hỏi
nghiên cứu chi tiết hơn về quá trình cháy. Năm 1992 G. A. Karim và I. Wierzba từ đại
học Calgary đã thực hiện một nghiên cứu có giá trị về các đặc tính nhiệt động lực và
động lực của q trình cháy mêtan-khơng khí có sự hiện diện của CO2 [31]. G. A.
Karim tiếp tục xuất bản nhiều bài báo hơn liên quan đến hiện tượng cháy biogas trong

C
C

DU

R
L
T.