Nghiên cứu mô phỏng đánh giá đặc tính động cơ 4 xy lanh phun biogas trực tiếp, đánh lửa cưỡng bức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN THẾ SƠN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH
ĐỘNG CƠ 4 XY-LANH PHUN BIOGAS TRỰC TIẾP,
ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC
Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số
: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. HUỲNH THANH CÔNG..…………
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. HỒNG ĐỨC THÔNG………………………...
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC DŨNG…………………
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TP. HCM
ngày 25 tháng 01 năm 2021
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1. Chủ tịch: PGS.TS. Lê Đình Tuân
2. Thư ký: TS. Trần Đăng Long
3. Phản biện 1: TS. Hồng Đức Thông
4. Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Dũng
5. Ủy viên: TS. Trần Hữu Nhân
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KT GIAO THƠNG

PGS.TS. Lê Đình Tuân
PGS. TS. Lê Đình Tuân

TS. Trần Hữu Nhân
i

TS. Trần Hữu Nhân


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN THẾ SƠN ............................................ MSHV: 1770536

Ngày, tháng, năm sinh: 18/06/1990 ............................................ Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực ................................. Mã số: 60520116
I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu mơ phỏng đánh giá đặc tính động cơ 4 xy-lanh phun biogas trực tiếp, đánh lửa
cưỡng bức.
A simulation study on performance characteristics of a biogas-fueled spark ignition engine
with direct injection type.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1.
Nghiên cứu tổng quan về động cơ đánh lửa cưỡng bức, sử dụng nhiên liệu khí và
các cơng trình nghiên cứu khoa học trong và ngồi nước có liên quan.
2.

Xây dựng mơ hình và nghiên cứu mơ phỏng đánh giá đặc tính động cơ nhiều xy-

lanh phun trực tiếp, đánh lửa cưỡng bức theo các điều kiện vận hành cụ thể.
3.

Đánh giá kết quả mơ phỏng và rút ra các khuyến nghị về tính khoa học và khả năng

ứng dụng dòng động cơ này trong tương lai.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: /09/2020
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: /01/2021
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS.TS. Huỳnh Thanh
Công

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2021
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Huỳnh Thanh Cơng
TS. Trần Đăng Long
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THƠNG
(Họ tên và chữ ký)

TS. Trần Hữu Nhân

ii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời tri ân chân thành và biết ơn sâu sắc đến gia đình đã ủng hộ và động
viên tôi trong suốt thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn và tri ân PGS. TS Huỳnh Thanh Công đã hướng dẫn khoa
học và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hồn thành
luận văn.
Trân trọng.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng

năm

TRẦN THẾ SƠN

iii


TÓM TẮT

Đề tài thực hiện việc nghiên cứu và xây dựng mơ hình mơ phỏng về sự ảnh hưởng
của tỉ lệ thành phần 𝐶𝐻4 trong biogas đến đặc tính cơng suất động cơ 4 xy-lanh sử dụng
biogas phun trực tiếp, đánh lửa cưỡng bức. Đề tài thực hiện được các đặc tính động cơ sử
dụng tỷ lệ CH4/CO2 thực tế dao động 6 dạng chính: 50/50, 55/45, 60/40, 65/35, 70/30,
75/25. Đơn vị là % về thể tích. Kết quả cho thấy rằng khi thay thế xăng bằng biogas thì
cơng suất, mơ-ment, nhiệt độ, áp suất động cơ có sự giảm nhưng thành phần khí thải độc
hại như NOx, CO giảm đáng kể (như đã trình bày trong Chương 4), góp phần lớn trong
công tác bảo vệ môi trường sống. Dựa vào các kết quả, đồ thị và nhận xét luận văn
khuyến nghị sử dụng biogas với thành phần 75% CH4 25% CO2 vì các thơng số tiệm cận
với các thơng số của nhiên liệu Xăng phù hợp cho việc dùng thực tế.

ABSTRACT
The thesis has researched and built a simulation model on the effect of the CH4
component ratio in biogas on the performance characteristics of a 4-cylinder engine using
direct injection biogas, forced ignition. The project performed the engine characteristics
using the actual CH4 / CO2 ratio fluctuating 6 main forms: 50/50, 55/45, 60/40, 65/35,
70/30, 75/25. Unit is% by volume. The results showed that when replacing Gasoline with
biogas, the engine capacity, torque, temperature, and pressure decreased, but the
composition of harmful emissions such as NOx, CO decreased significantly (as shown in
the Chapter. 4), greatly contributing to the protection of living environment. Based on the
results, graphs and comments, the thesis recommends using biogas with the composition
of 75% CH4 25% CO2 because the parameters are asymptotic to those of the fuel that
Petrol is suitable for practical use.

iv


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

trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng

TRẦN THẾ SƠN

v

năm


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
A/F

: Tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu

CFD : Computational Fluid Dynamics
ĐCT : Điểm chết trên
ĐCD : Điểm chết dưới
ERR : Tốc độ giải phóng nhiệt năng (Energy Release Rate)
FEM : Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)
HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition
MFB : Tỉ lệ nhiên liệu cháy tức thời (Mass Fraction Burned)
FPLE : Động cơ tịnh tiến free-piston (Free-piston Linear Engine)
0D

: Mơ hình 0D (Zero-dimension)

vi

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ................................................................................II
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. III
TÓM TẮT ........................................................................................................................ IV
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. V
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... VI
DANH MỤC BẢNG ...........................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH............................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................................6
1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................. 6
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................. 7
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 7
1.4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 7
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................. 7
1.6. Tổng quan về nhiên liệu Biogas. .............................................................................. 8
1.7. Các nghiên cứu trong và ngoài nước. ..................................................................... 15
1.7.1

Kết quả nghiên cứu trên thế giới về sử dụng Biogas trên động cơ ..............16

1.7.2

Nghiên cứu trong nước về sử dụng Biogas trên động cơ. ...........................19

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................25
2.1. Cơ sở lý thuyết đánh giá đặc tính động cơ ............................................................. 25
2.1.1

Đặc tính cơng suất .......................................................................................25

2.1.2

Tiêu hao nhiên liệu ......................................................................................26

2.1.3

Năng lượng cung cấp ban đầu .....................................................................27
1


2.1.4

Hiệu suất nhiệt .............................................................................................27

2.2. Phần mềm AVL Boost và các mơ hình ứng dụng .................................................. 27
2.2.1

Mơ hình nhiệt động lực học .........................................................................28

2.2.2

Mơ hình cháy Vibe 2 zone ...........................................................................29

2.2.3

Mơ hình truyền nhiệt ...................................................................................32

2.2.4

Mơ hình hình thành khí thải ........................................................................33

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ..................................................................36
3.1. Trình tự mơ phỏng .................................................................................................. 36
3.2. Mơ hình hóa đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 36
3.3. Xác định điều biện ban đầu và điều kiện biên cho mơ hình mơ phỏng ................. 37
3.3.1

Điều kiện ban đầu ........................................................................................37

3.3.2

Điều kiện vận hành ......................................................................................38

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................39
4.1. Đặc tính cơng suất theo tốc độ động cơ (có so sánh với nhiên liệu xăng cùng loại)39
4.2. Đánh giá đặc tính sự cháy (có so sánh với nhiên liệu xăng cùng loại) .................. 41
4.3. Đánh giá đặc tính phát thải (có so sánh với nhiên liệu xăng cùng loại)................. 43
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................47
5.1. Kết luận .................................................................................................................. 47
5.2. Hướng phát triển ..................................................................................................... 47
KẾ HOẠCH THỰC HIỆN..............................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................49

2


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Các nguồn Biogas của Việt Nam .......................................................................13
Bảng 1.2 Khả năng sản xuất Biogas từ các nguồn ngun liệu khác nhau .......................14
Bảng 1.3 Các mơ hình động cơ sử dụng Biogas. ...............................................................15

Bảng 2.1 Cơ chế hình thành CO ........................................................................................33
Bảng 2.2 Cơ chế hình thành NOx theo 6 phản ứng ............................................................34

3


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Quy trình xử lý Biogas tái tạo điện năng (Nguồn: Biostarrenewables) ................9
Hình 1.2 Trữ lượng dầu mỏ cịn lại trên thế giới (Nguồn: Sputniknews)..........................10
Hình 1.3 Xác suất 95% và 5% tìm được giếng dầu mới (Nguồn: Wikipedia) ..................11
Hình 1.4 Sự phân bố trữ lượng khí thiên nhiên theo khu vực trên thế giới .......................11
Hình 1.5 Hình ảnh giàn khoan dầu ở Biển Đơng (Nguồn: TTXVN) ................................12
Hình 2.1 Mơ hình buồng cháy ...........................................................................................28
Hình 2.2 Ảnh hưởng khi thay đổi tham số “m” đối với các đường đặc tính trong q trình
mơ phỏng ...........................................................................................................................31
Hình 2.3 Ảnh hưởng hệ số tương đương tới khí thải trong động cơ SI [32] .....................33
Hình 3.1 Trình tự tính tốn mơ phỏng trên AVL Boost. ...................................................36
Hình 3.2 Mơ hình động cơ Biogas-Diesel được xây dựng trên AVL Boost ver.2013 ......37
Hình 4.1 Đặc tính công suất theo tốc độ động cơ với sự thay đổi của thành phần
CH4/CO2 trong Biogas, có đối chứng với xăng RON95. .................................................39
Hình 4.2 Đặc tính mơ-ment theo tốc độ động cơ với sự thay đổi của thành phần
CH4/CO2 trong Biogas, có đối chứng với xăng RON95. .................................................40
Hình 4.3 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ động cơ với sự thay đổi của thành phần
CH4/CO2 trong biogas, có đối chứng với xăng RON95. ...................................................41
Hình 4.4 Đặc tính nhiệt độ trong xy lanh động cơ theo tốc độ động cơ với sự thay đổi của
thành phần CH4/CO2 trong biogas, có đối chứng với xăng RON95 ..................................42
Hình 4.5 Đặc tính áp suất trong xy lanh động cơ theo tốc độ động cơ với sự thay đổi của
thành phần CH4/CO2 trong biogas, có đối chứng với xăng RON95 ..................................43
Hình 4.6 a Đặc tính thành phần khí CO theo tốc độ động cơ với sự thay đổi của thành
phần CH4/CO2 trong Biogas, có đối chứng với xăng RON95. ........................................44

Hình 4.6 b Đặc tính thành phần khí CO theo tốc độ động cơ với sự thay đổi của thành
phần CH4/CO2 trong Biogas. ............................................................................................44
4


Hình 4.7 Đặc tính thành phần khí HC theo tốc độ động cơ với sự thay đổi của thành phần
CH4/CO2 trong biogas, có đối chứng với xăng RON95 ....................................................45
Hình 4.8 a Đặc tính thành phần khí NOx theo tốc độ động cơ với sự thay đổi của thành
phần CH4/CO2 trong Biogas, có đối chứng với xăng RON95 ...........................................46
Hình 4.8 b Đặc tính thành phần khí NOx theo tốc độ động cơ với sự thay đổi của thành
phần CH4/CO2 trong Biogas ..............................................................................................46

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Trước tình hình diễn biến khí hậu ngày một phức tạp, mối quan tâm về các ảnh
hưởng tiêu cực đến môi trường do quá trình khai thác sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngày
càng dành được nhiều sự quan tâm từ nhiều quốc gia trên thế giới. Việc phát triển kinh tế
ngày nay được định hình song song với tính bền vững của nó và q trình giảm phát thải
khí nhà kính là một trong các động thái tích cực mang tính định hướng của nhiều nghành
công nghiệp. Bên cạnh việc sử dụng các loại nhiên liệu truyền thống như xăng, dầu
diesel,…việc đầu tư vào một nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo chắc chắn là
một hướng đi được nhiều quốc gia ủng hộ. Trong các nguồn nhiên liệu mới đang được
nghiên cứu, thì biogas (Khí sinh học) đang nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng có
giá trị do khả năng sản xuất cũng như trữ lượng khai thác cao. Một báo cáo gần đây của
UNEP cho biết tổng lượng năng lượng tái tạo được tạo ra trong năm 2012 đã vượt quá
1470 GW. Hiện nay năng lượng tái tạo chiếm 1/5 tổng lượng năng lượng tiêu thụ được sử
dụng trên toàn thế giới. Lâm nghiệp, cây trồng, nước thải, chất thải công nghiệp, chất thải

chăn nuôi và chất thải đô thị đều được sử dụng để tạo ra năng lượng tái tạo khí sinh học.
Đến năm 2050, các nhà khoa học cho rằng khí sinh học sẽ chiếm khoảng 1/3 tổng năng
lượng. Khí sinh học đã và đang được sử dụng ở các vùng nông thôn cũng như thành thị,
tạo ra nhiều cơ hội việc làm, cũng như hạn chế các tác động xấu đến môi trường.
Nhằm khai thác hiệu quả hơn các nguồn tài nguyên nông lâm nghiệp, tận dụng các
nguồn chất thải và bảo vệ môi trường, nhiều nghiên cứu về việc sử dụng khí biogas trên
động cơ đốt trong đã được thực hiện trong và ngoài nước. Tuy nhiên, các nghiên cứu đề
cập đến việc ứng dụng biogas hịa trộn ngồi trên động cơ (hoặc máy phát điện). Chưa
tìm thấy các nghiên cứu mơ phỏng hoặc đánh giá phun biogas trực tiếp thực tế do tính
chất khác biệt của biogas so với nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu truyền thống. Vì vậy, việc
“Nghiên cứu mơ phỏng đánh giá đặc tính động cơ 4 xy-lanh phun Biogas trực tiếp,
đánh lửa cưỡng bức” là cần thiết, góp phần đánh giá tính khả thi sử dụng nhiên liệu mới
giúp giảm thải ô nhiễm môi trường, vừa tìm kiếm được nguồn nhiên liệu sạch thay thế,
góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiêu liệu dùng cho động cơ nhiệt.
6


1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là để xây dựng mơ hình và mơ phỏng đánh
giá đặc tính động cơ 4 xy-lanh sử dụng biogas phun trực tiếp, đánh lửa cưỡng bức. Trên
cơ sở của kết quả nghiên cứu, tác giả sẽ phân tích ảnh hưởng của các thông số vận hành
tiêu biểu (tốc độ động cơ, góc quay trục khuỷu,…) đến đặc tính cơng suất, sự cháy và khí
thải; từ đó có những khuyến cáo khi sử dụng biogas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức,
phun trực tiếp tại Việt Nam.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là động cơ 4 xy-lanh, phun trực tiếp và nhiên liệu khí sinh
học (biogas). Phạm vi nghiên cứu của luận văn này giới hạn trong các nội dung nghiên
cứu mô phỏng, dựa trên cơ sở của các điều kiện vận hành thực tế của dịng động cơ 4
xylanh. Từ đó, đánh giá các đặc tính cơng suất, sự cháy và khí thải tiêu biểu của động cơ,
đưa ra được các khuyến cáo về tính kinh tế, kỹ thuật, mơi trường.

Một số thơng số kỹ thuật cơ bản của động cơ mô phỏng bao gồm: đường kính x
hành trình: 80 x 78 mm; tỷ số nén: 11,9; chiều dài thanh truyền 130 mm; công suất cực
đại 105HP/6000v/ph; 04 xy-lanh; phun xăng trực tiếp; dung tích: 1.600 cm3.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chính của luận văn là phương pháp mơ hình hóa và mơ
phỏng đánh giá thơng qua việc sử dụng phần mềm AVL Boost. Ngoài ra, phương pháp
chuyên gia cũng được sử dụng: tác giả tham vấn ý kiến chuyên gia tại Công ty TNHH
MTV Động cơ và Máy Nông nghiệp (SVEAM), chuyên gia, thầy hướng dẫn,…Phương
pháp tham khảo công trình khoa học: phân tích, tổng hợp các tài liệu liên quan đến chủ
đề nghiên cứu làm luận cứ, cơ sở phân tích và lựa chọn chủ đề nghiên cứu.
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Các kết quả mô phỏng cũng sẽ được so sánh (cùng kết cấu) đối
chiếu với các công thức tính tốn lý thuyết về đặc tính ngồi của động cơ (công suất, mômen, tiêu hao nhiên liệu). Phương pháp mô phỏng này được dùng để dự báo xu hướng
đặc tính động cơ biogas phun trực tiếp, nhằm giúp giảm thời gian xây dựng ma trận thí
7


nghiệm và đề xuất vùng làm việc tối ưu của động cơ biogas phun trực tiếp trong tương
lai.
Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu trong luận văn góp phần làm rõ ảnh hưởng của khí
biogas khi ứng dụng làm thay thế nhiên liệu truyền thống đến đặc tính cơng suất, sự cháy,
và khí thải. Kết quả nghiên cứu mơ phỏng góp phần làm rõ tính khả thi ứng dụng khí
biogas từ chất thải trong nông, lâm nghiệp như là nhiên liệu mới trong lĩnh vực động cơ
đốt trong và thiết bị động lực, hệ thống phát năng lượng.
1.6. Tổng quan về nhiên liệu Biogas.
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát
sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ. Theo ước tính của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nếu
sử dụng tất cả nguồn ngun liệu có thể tạo ra khí sinh học để dùng trong vận chuyển thì
lượng năng lượng này có thể làm giảm 500 triệu tấn khí cácbonic hàng năm, tương
đương với số lượng 90 triệu xe dùng trong một năm.

Thành phần chính của biogas là CH4 (50, 60%) và CO2 (30%) còn lại là các chất
khác như: hơi nước, N2, O2, H2S, CO,…được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc
tác nhờ nhiệt độ từ 20 - 40oC. Nhiệt trị thấp của CH4 là 1012 Btu/ft3 (37,71.103KJ/m3) do
đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas
làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng vì có thể tạo nên hỗn hợp nổ
với khơng khí. Khí H2S có thể ăn mịn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx
cũng là một khí rất độc. Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt
độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu của biogas. Để
hiểu hơn, chúng ta cùng xem xét phương trình sau đây:
C6H12O6  3CO2 + 3CH4

8


Đây là một phương trình hóa học giải thích sự biến đổi của các chất thải từ đó tạo
ra các hỗn hợp khí chúng ta vừa nhắc tới. Có thể hiểu đơn giản nguyên lý hoạt động của
nó như sau: các chất thải hữu cơ, chất thải chăn nuôi trở thành nguyên liệu nạp được đưa
vào hầm biogas kín khí. Sau đó các chất thải này sẽ phân hủy và lên men nhờ các hoạt
động của vi sinh vật khiến nó nảy sinh ra khí biogas. Khí biogas này hồn tồn có thể
được sử dụng trong sinh hoạt gia đình và an tồn cho người sử dụng cũng như mơi
HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI BIOGAS
SANG ĐIỆN NĂNG

NGU ỒN CHẤT THẢI HỮ U CƠ, CHĂN NU ÔI..

BỂ CUNG CẤP CHẤT
THẢI TIỀN PHÂN HỦY

NHIỆT HẤP THỤ

ĐIỆN NĂNG

MƠI TRƯỜNG YẾM KHÍ

CHẤT HỮU CƠ

NƯỚC SẠCH

NƯỚC BẨN

PHÂN BĨN LỎNG HỮU CƠ

trường.
Hình 1.1 Quy trình xử lý biogas tái tạo điện năng (Nguồn: Biostarrenewables)
Mặc dù kỹ thuật thăm dò, khai thác dầu mỏ đã được nâng lên mức cao nhất, lượng
dầu khám phá ra đã sụt giảm mạnh mẽ trong những năm gần đây. Lượng dầu khí khám
9


phá thêm đã không bù đắp được sự gia tăng nhu cầu năng lượng. Trên thực tế phần lớn
những giếng dầu khai thác hiện nay đã được phát hiện từ rất lâu. Trung Đơng là nơi sản
xuất dầu mỏ chính của thế giới nhưng 1/3 sản lượng dầu của khu vực này tiếp tục được
khai thác từ các mỏ dầu lớn (như Ghawar, Kirkuk, Burgan) đã được khám phá từ cách
đây hơn nửa thế kỷ. Hình 1.1 giới thiệu trữ lượng dầu mỏ ở các vùng khác nhau trên thế
giới. Trung Đông chỉ tiêu thụ 6% sản lượng dầu của thế giới nhưng chiếm tới 2/3 trữ
lượng dầu cịn có thể khai thác được. Việc tận thu các mỏ dầu đã khai thác bằng cách
ứng dụng công nghệ khai thác mới có thể làm tăng chút ít trữ lượng dầu.

6%

5%

7%
35%
13%

16%
18%

Trung Đơng

Nam Mỹ

Châu Âu

Châu Á - Thái Bình Dương

Nga và Trung Á

Châu Phi

Bắc Mỹ

Hình 1.2 Trữ lượng dầu mỏ cịn lại trên thế giới (Nguồn: Sputniknews)
Hình 1.2 giới thiệu xác suất 95% và 5% về khả năng khám phá thêm các mỏ dầu
mới trong tương lai. Kể từ khi có dự báo đến nay, lượng dầu khám phá thêm theo thực tế
tuân thủ đường cong xác suất 95%.

10

Hình 1.3 Xác suất 95% và 5% tìm được giếng dầu mới (Nguồn: Wikipedia)
Đối với khí thiên nhiên, Trung Đơng và Nga chiếm gần ¾ trữ lượng của thế giới
(hình 1.3).

Hình 1.4 Sự phân bố trữ lượng khí thiên nhiên theo khu vực trên thế giới
(Nguồn: Wikipedia)
Ở khu vực Châu Á-Thái Bình Dương, những nước có tốc độ sản xuất khí thiên
nhiên lớn là Indonesia, Malaysia và Thái Lan. Các nước cịn lại có năng lực sản xuất
trung bình như Myanmar, Brunei và các quốc gia khác (hình 1.4).

11


Hình 1.5 Hình ảnh giàn khoan dầu ở Biển Đơng (Nguồn: TTXVN)
Nếu tốc độ tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch như năm 2006 thì trữ lượng dầu mỏ, khí
thiên nhiên và than đá cịn có thể khai thác được tương ứng trong 40 năm, 70 năm và
200 năm. Công ty Dầu lửa Anh Quốc BP cũng đưa ra dự báo tương tự năm 2005. Theo
đó khu vực Châu Á-Thái Bình Dương, dầu mỏ chỉ còn khai thác được trong khoảng 10
năm kể từ nay (2010). Đến năm 2050 nguồn dự trữ dầu mỏ trong lòng đất hầu như cạn
kiệt. Khi đó khí thiên nhiên thay thế dầu mỏ để duy trì nền văn minh “dầu mỏ” khoảng

¼ thế kỷ nữa. Than đá là nguồn nhiên liệu hóa thạch cuối cùng mà lồi người cịn khai
thác được, kéo dài đến đầu thế kỷ 23. Khả năng sinh khí biogas từ chất thải hữu cơ và
phụ phẩm nông nghiệp.
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 nuôi, 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. Tiềm năng biogas của

12


Việt Nam từ chất thải chăn nuôi khoảng 2 tỷ m3. Nếu lấy trung bình 200 m3 biogas/tấn
nguyên liệu và 10% biomass trên đây được chuyển thành biogas thì mỗi năm chúng ta có
thể sản xuất được 2 tỷ m3 biogas. Cộng với 2 tỷ m3 biogas sản xuất từ chất thải chăn
ni, mỗi năm chúng ta có thể sản xuất được 4 tỷ m3 biogas.
Bảng 1.1 Các nguồn biogas của Việt Nam
STT

Các chất thải trong sản xuất nông nghiệp

Khối lượng
(triệu tấn)

Năng lượng
(GJ)

1

Chất thải của các nhà máy cưa gỗ

3,1

35.960

2

Củi

12,4

186.000

3

Chất thải rắn đơ thị (phần có thể cháy được)

0,015

57

4

Rơm rạ

61,9

866.600

5

Trấu

5,6

63.840

6

Thân bắp

4,8

60.000

7

Thân sắn

0,6

7.500

8

Bã mía

1,5

18.750

9

Các chất bã

5,0

36.050

11

Vỏ và lá dừa

5,8

104.400

101,1

1.385.077

Tổng

Khó khăn trong khai thác biogas để phát điện của chúng ta là nguồn 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. Các trại chăn ni trung bình và nhỏ, nếu sử dụng động cơ cỡ lớn thì khơng 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 vậy trong thực tế hiện nay, phần lớn các hầm biogas ở nước ta chỉ
dùng để phục vụ cho việc đun nấu. Ở những trại chăn nuôi chừng 50 con heo trở lên,
lượng biogas sinh ra trở nên dư thừa cho nhu cầu đun nấu và chúng được thải ra ngồi
khí quyển. CH4 có tác dụng gây hiệu ứng nhà kính 23 lần lớn hơn CO2, vì vậy việc thải
13


chúng ra khơng khí sẽ làm cho mơi trường bị ô nhiễm trầm trọng hơn. Do đó việc tận
dụng biogas từ các nguồn khác nhau để sản xuất điện năng là rất cần thiết để giảm phát
thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính.
Bảng 1.2 Khả năng sản xuất biogas từ các nguồn nguyên liệu khác nhau

Loại chất thải

Chất thải
chăn nuôi

Sản lượng CH4
(m3/tấn)

25

Chất thải nông Chất thải công
nghiệp
nghệ thực phẩm
170

Chất thải
sinh hoạt

100

80

Do sự đa dạng về qui mô sản xuất biogas, để có thể tận dụng được nguồn biogas
phát điện, công suất của động cơ cần phải chọn tối ưu phù hợp qui mô sản xuất của trang
trại và công suất của hầm biogas. Để thỏa mãn yêu cầu đó thì động cơ chạy được bằng
nhiên liệu biogas sẽ rất thiết thực. Nước ta có gần 70,4% dân số sống ở nông thôn. Hoạt
động sản xuất và sinh hoạt ở khu vực này đòi hỏi một nguồn năng lượng rất lớn. Sự gia
tăng giá xăng dầu và giá điện trong thời gian gần đây đã gây rất nhiều khó khăn đối với
vùng nông thôn. Nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng tại chỗ để phát điện nhằm giảm chi
phí năng lượng đã trở nên rất bức xúc, đặc biệt ở những nơi sản xuất nông nghiệp tập

trung, các trại chăn ni có sẵn hầm biogas.
Như phần trên đã trình bày, các động cơ chuyên dùng biogas sản xuất ở nước
ngoài rất đắt tiền. Những động cơ biogas đơn giản, cỡ nhỏ thì làm việc khơng tin cậy và
khơng phù hợp với nguồn biogas đa dạng ở nước ta. 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, nghĩa là nguyên lý của bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu
có thể áp dụng cho hầu hết các động cơ đang được sử dụng phổ biến với phạm vi
thay đổi công suất rất rộng.

-

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 khơng
chạy bằng biogas, động cơ có thể sử dụng lại nhiên liệu dầu như trước khi cải tạo.
14


-

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.

1.7. Các nghiên cứu trong và ngồi nước.
Bảng 1.3 Các mơ hình động cơ sử dụng biogas.
Thành phần

nhiên liệu

Cháy cưỡng bức

Cháy do nén

Loại nhiên liệu: Xăng kết Loại nhiên liệu: Diesel kết hợp
hợp biogas (Bi-Fuel)
biogas (Dual fuel)
Q trình hịa trộn biogas và Q trình hịa trộn biogas được
xăng được diễn ra ở họng nạp. diễn ra ở họng nạp, sau đó đi vào
Mơ hình này dễ thực hiện và buồng đốt kết hợp với nhiên liệu
đã được sử dụng rộng rãi vì diesel được phun vào cuối kì nén
Dưới 100%

cơng suất ổn định, tiêu hao đầu kì nổ. Mơ hình này đã được

biogas

nhiên liệu và phát thải giảm.

kiểm nghiệm và kết quả là q trình
cháy, cơng suất và phát thải ổn
định. Tuy nhiên, gặp khó khăn
trong q trình khởi động nên phải
khắc phục bằng cách phun mồi khi
khởi động.

Loại nhiên liệu: biogas

Loại nhiên liệu: biogas

Q trình hịa trộn biogas với Biogas được phun vào buồng đốt
khơng khí được diễn ra ở qua kim phun, sau đó được đốt
họng nạp, sau đó vào buồng cháy bằng bugi (động cơ được cải
đốt và được đốt cháy bởi bugi tạo để gắn bugi). Mơ hình này chạy
100% biogas

ở thời điểm thích hợp. Mơ khơng được. Nên chọn đề tài này
hình

này

đã

được

kiểm mơ phỏng trước để làm cơ sở cho

nghiệm và kết quả là quá trình quá trình thử nghiệm.
cháy, công suất ổn định, mức
độ phát thải CO và HC giảm.
15


Theo đó, dựa vào cách phân loại theo nhiên liệu và cách hịa trộn chúng ta đã có
rất nhiều nghiên cứu và kết luận cả trong và ngoài nước để giúp ích cho việc áp dụng vào
thực tiễn.
1.7.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới về sử dụng Biogas trên động cơ
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 [9], [10].
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 tồn bộ Trung Quốc dự đoán là 145 tỷ m3 trong khi ở
Ấn Độ chỉ xấp xỉ 5 triệu hầm biogas quy mơ hộ gia đình đang được vận hành.
Tại Ấn Độ, chương trình năng lượng nơng thơn được triển khai từ những năm 90
của thế kỷ XX, hàng triệu bể khí methane 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 [11], [12], [13].
Việc sử dụng biogas cho động cơ đốt trong từ thời Chiến tranh thế giới lần thứ hai
khi hàng ngàn xe chạy bằng khí nước thải ở châu Âu. Trong những năm 1942 - 1944, các
xe tải thu gom rác sử dụng động cơ diesel được vận hành sử dụng khí cống rãnh được lọc
và nén ở Zurich, Thụy sĩ [14]. Khoảng năm 1955, tầm quan trọng của biogas giảm đáng
kể vì biogas khơng còn lợi nhuận nữa do sự dư thừa dầu. Giá của dầu nhiên liệu rất thấp
và hầu như các nhà máy biogas dừng hoạt động [15]. Trong những năm 1980, sau cuộc
khủng hoảng về năng lượng, biogas trở thành quan trọng trở lại trong việc động cơ đốt
trong sản xuất điện.
16


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 [16]. 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 [17]. 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 [16]. Năm 1985, Jenbacher Werke AG giới thiệu một nhà máy
sản xuất điện sử dụng động cơ đốt cháy khí biogas hỗn hợp nghèo [18]. 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 methane 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
[19]. 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 [20] 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 như tốc độ xe tối đa, khả năng tăng tốc và tốc độ động cơ tối đa đều được xét đến.
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 [21], [14]. 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
17


nhiên việc điều khiển độc lập của hỗn hợp không khí-gas và nhiên liệu phun mồi là rất

phức tạp [22].
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 methane-khơng khí có sự hiện diện của CO2 [63]. G.A. Karim
tiếp tục xuất bản nhiều bài báo hơn liên quan đến hiện tượng cháy biogas trong động cơ
đốt trong [23], [24]. Để nâng cao các giới hạn cháy của biogas như là tốc độ cháy thấp và
giới hạn khả năng cháy, K. Tanoue và các cộng sự [18] đã nghiên cứu việc thêm hydro
vào hỗn hợp methane nghèo. Ý tưởng của việc thêm hydro vào khí thiên nhiên đã được
nghiên cứu trước đó để nâng cao khả năng cháy của khí thiên nhiên trong động cơ đốt
trong [23].
Sau khi các nghiên cứu chi tiết và quá trình cháy biogas đã được sáng tỏ trong
động cơ đốt trong bởi các nhà khoa học, đó là nhiệm vụ của các kỹ sư để tìm ra một giải
pháp để mở rộng các giới hạn. G. P. Mueller báo cáo rằng ở Tập đoàn Caterpillar, họ đã
phát triển thành cơng một động cơ SI sử dụng khí bãi chôn lấp mà không mất công suất
[25]. Họ đã có thể đạt được cùng cơng suất nhưng hao phí nhiên liệu tăng 4%. Khái niệm
buồng cháy phụ đã cải thiện việc đốt cháy biogas trong động cơ SI đã được nghiên cứu
chi tiết bởi A. Roubaud và D. Favrat vào năm 2005 [23]. Họ cho thấy rằng có thể đạt
được hiệu suất và công suất cao hơn với nhiên liệu biogas so với động cơ sử dụng khí
thiên nhiên trong khi khí thải vẫn đảm bảo ở mức thấp. Ngoài ra John K. S. Wong đã
nghiên cứu kết quả của khí thải động cơ biogas [26], khơng ai có những nghiên cứu quan
trọng được tiến hành cho đến năm 1998 khi J. Huang và R. J. Crookers tiến hành thiết
lập và đo ô nhiễm cho các thành phần biogas khác nhau trên một động cơ khảo sát [27].
Nghiên cứu sau đó đã được thực hiện nhắm đến các ảnh hưởng của thành phần biogas
khác nhau trên động cơ [25], [28].

18