Nghiên cứu ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức dung biogas + HHO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÔN NGUYỄN THÀNH SANG

C
C

R
L
T.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN TÍNH
NĂNG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC DÙNG BIOGAS – HHO

DU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng - Năm 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÔN NGUYỄN THÀNH SANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN TÍNH
NĂNG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC DÙNG BIOGAS – HHO

C

C

R
L
T.

DU

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. PGS.TS. TRẦN THANH HẢI TÙNG
2. TS. LÊ MINH TIẾN

Đà Nẵng - Năm 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

DU

R
L
T.

Tôn Nguyễn Thành Sang


NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN TÍNH NĂNG
ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC DÙNG BIOGAS – HHO
Học viên : Tôn Nguyễn Thành Sang Chuyên nghành : Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số : 85.20.11.6 Khóa: 36 Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng

Tóm tắt: Một hệ thống điều khiển điện tử được thiết lập để chuyển đổi một động cơ
truyền thống thành động cơ phun Biogas được làm giàu bằng hydroxy. Bổ sung
hydroxy vào khí sinh học giúp cải thiện hiệu suất động cơ, giảm phát thải CO nhưng
dẫn đến tăng nồng độ NOx. Khí sinh học được làm giàu bởi 30% hydroxy là phù hợp
nhất giữa tăng hiệu suất động cơ và giảm phát thải ô nhiễm. Phun dual biogas hydroxy
tạo ra sự phân bố hợp lý H2 và CH4 trong buồng cháy giúp cải thiện hiệu quả quá trình

C
C

cháy và giảm phát thải ô nhiễm. Tăng hàm lượng hydroxy dẫn đến giảm góc đánh lửa
sớm tối ưu và giảm phạm vi thay đổi của nó theo tốc độ động cơ.

R
L
T.

Từ khóa: Năng lượng tái tạo, Biogas, Hydroxy, Phun dual, Động cơ đánh lửa cưỡng
bức.

DU

RESEARCH EFFECTS OF EARLY IGNITION ANGLE TO THE
EFFICIENCY OF FIRE USE BIOGAS - HHO
Abstract: An electronic control system is set up to convert a traditional engine into
hydroxy enriched biogas dual port injection engine. Hydroxy addition into biogas
improves the engine performance, reduces CO emission but leads to an increase of
NOx concentration. Biogas enriched by 30CA hydroxy is the best compromise
between engine performance and pollution emissions. The dual injection of hydroxy
and biogas creates an advantageous distribution of H2 and CH4 in combustion chamber
which improves combustion efficiency and reduce pollutants emission. Increase of
hydroxy content leads to an decrease of optimal advance ignition angle and reduce the
range of its variation with engine speed.
Keywords: Renewable energy, Biogas, Hydroxy, Dual port injection, SI engine.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................
MỤC LỤC ..............................................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH .....................................................................................
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ................................................................................
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.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. ....................................................... 2
5.Cấu trúc luận văn................................................................................................ 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .......................... 4
1.1.TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BIOGAS - HHO TRÊN ĐỘNG CƠ....................... 4
1.1.1.Tình hình sản xuất và sử dụng Biogas trên động cơ. ................................... 4
1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng HHO. .......................................................... 5
1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN HIỆN NAY. .......................... 7
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG
CƠ……………… ................................................................................................. 8
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................. 11
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................... 12
2.1. TÍNH CHẤT LÝ HĨA CỦA BIOGAS – HHO. ......................................... 12
2.1.1. Tính chất lý hóa của Biogas. ..................................................................... 12
2.1.2. Tính chất lý hóa của HHO. ....................................................................... 13
2.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY BIOGAS – HHO TRONG ĐỘNG
CƠ….. ………………………………………………………………14
2.2.1. Diễn biến của quá trình cháy bình thường trong động cơ đánh lửa cưỡng
bức. ...................................................................................................................... 14
2.2.2. Đặc điểm quá trình cháy của Biogas – HHO trong động cơ. ................... 17
2.3.ẢNH HƯỞNG GÓC ĐÁNH LỬA SỚM TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA
CƯỠNG BỨC .................................................................................................... 21
2.3.1. Góc đánh lửa sớm. ..................................................................................... 21

C
C

DU

R
L

T.


2.3.2.Các thơng số ảnh hưởng tới sự điều chỉnh góc đánh lửa tối ưu............ 23
2.4. CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN GÓC ĐÁNH LỬA SỚM. .................. 26
2.4.1. Cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng cơ khí .................................... 26
2.4.2. Điều khiển đánh lửa sớm bằng CDI: ......................................................... 28
2.4.3. Điều khiển góc đánh lửa sớm điều khiển điện tử...................................... 29
2.4.4. So sánh các phương án điều khiển góc đánh lửa sớm. .............................. 30
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................. 32
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM................................................... 33
3.1.CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ HONDA
GX200. ................................................................................................................ 33
3.1.1. Thông số kỹ thuật của động cơ nguyên thủy. ........................................... 33
3.1.2. Thông số kỹ thuật máy phát điện EP 4000CX……………………………34

C
C

3.1.3. Đặc điểm hệ thống đánh lửa nguyên thủy trên động cơ Honda GX
200. ....................................................................................................................... 34
3.2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CHO
ĐỘNG CƠ PHUN BIOGAS - HHO. .................................................................. 35
3.2.1 Yêu cầu của hệ thống đánh lửa cho động cơ Honda GX 200. ................... 35
3.2.2. Phương án thiết kế hệ thống đánh lửa cho động cơ Honda GX 200......... 35
3.2.3. Tính tốn góc đánh lửa sớm. ................................................................... 38
3.2.4. Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm .................................................................... 41
3.3. QUI TRÌNH THÍ NGHIỆM. ........................................................................ 45
3.3.1.Mục đích thí nghiệm .................................................................................. 45
3.3.2. Các thơng số cần đo .................................................................................. 45

3.3.3. Trang thiết bị thí nghiệm ........................................................................... 46
3.3.4.Quy trình thí nghiệm. ................................................................................. 50
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................. 51
CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA
GĨC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ ............................. 52
4.1. Nghiên cứu mô phỏng. ................................................................................. 52
4.1.1. Ảnh hưởng của chế độ tải động cơ đến biến thiên công chỉ thị chu trình
theo hàm lượng HHO pha vào biogas ................................................................. 52
4.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đồ thị công ....................................... 53
4.1.3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đồ thị công ................................... 54

DU

R
L
T.


4.1.4. Ảnh hưởng của HHO đến phát thải ô nhiễm............................................. 56
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm. ............................................................................. 61
4.2.1. Thiết bị đo công suất động cơ. .................................................................. 61
4.2.2. So sánh biến thiên cơng suất động cơ theo góc đánh lửa sớm cho bởi mô
phỏng và thực nghiệm. ........................................................................................ 61
4.2.3. Thiết lập giản đồ đánh lửa động cơ ........................................................... 63
4.3. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA THIẾT KẾ .................................... 66
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................................ 666
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................. 677
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐƯỢC CƠNG BỐ………………….69

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 70

C
C

DU

R
L
T.


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số

Tên hình

Trang

hiệu
bảng
1.1 Nguồn động lực trong nơng nghiệp nơng thơn

7

2.1 Các tính chất và thành phần của Biogas

`13

3.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ GX200 5,5HP

33

3.2 Đặc điểm của đồng hồ và dòng điện

47

3.3 Đặc điểm đồng hồ đo CD 88A

47

3.4 Bảng thông số kỹ thuật thiết bị DG86

C
C

4.1. Đồ thị góc đánh lửa được điều chỉnh theo tải và tốc độ động

R
L
T.

cơ

DU

4.2 Bảng số liệu thu thập từ quá trình chạy thực nghiệm ở các chế
độ tải khác nhau khi chạy bằng Biogas + 20% HHO.

49
64

65


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

Trang

hình
1.1

Hệ thống đánh lửa cơ khí

8

1.2

Hệ thống đánh lửa bán dẫn khơng có tiếp điểm

9

1.3

Hệ thống đánh lửa trực tiếp

10

2.1

Quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức

14

2.2

Ảnh chụp sự hình thành màng lửa trong buồng cháy

15

2.3

Sự lan tràn của màng lửa trong buồng cháy

16

2.4

Các trung tâm tự cháy xuất hiện trước màng lửa

20

2.5

Áp suất trong xy lanh trong các trường hợp

2.6

Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến q trình cháy

21

2.7

Quan hệ tốc độ cháy và số vịng quay

23

2.8

Quan hệ góc đánh lửa sớm và số vòng quay

23

2.9

Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp đến góc đánh lửa

24

C
C

R
L
T.

sớm

DU

20

2.10

Quan hệ góc đánh lửa sớm và tỷ số nén

24

2.11

Quan hệ góc đánh lửa sớm và tải ở các số vịng quay khác

25

nhau.
2.12

Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm ly tâm

26

2.13

Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm bằng chân không

27

2.14

Sơ đồ chung hệ thống đánh lửa CDI

28

2.15

Sơ đồ khối hệ thống đánh lửa điều khiển bằng điện tử

29

2.16

So sánh đặc tính điều chỉnh góc đánh lửa sớm kiểu cơ khí

31

và điện tử
2.17

Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng

31

3.1

Cấu tạo hệ thống đánh lửa nguyên thủy

34

3.2

Sơ đồ vị trí lắp đặt các cảm biến và hệ thống điều khiển

36


đánh lửa và phun Biogas – HHO trên động cơ GX200
5,5 HP
3.3

Sơ đồ nguyên lý cải tạo động cơ truyền thống thành động

37

cơ điều khiển điện tử
3.4

Cụm động cơ máy phát điện sau cải tạo

38

3.5

Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bơ bin đơn

40

3.6

Góc đánh lửa thực tế

40

3.7

Điều khiển đánh lửa ở chế độ khởi động

41

3.8

Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động cơ

43

3.9

Hiệu chỉnh góc đánh lửa ở chế độ cầm chừng

44

3.10

Các thiết bị đo lường

3.11

Thiết bị gây tải

3.12

Thiết bị đo góc đánh lửa sớm DG86

3.13

Sơ đồ bố trí thí nghiệm

3.14

Sơ đồ khối bố trí thí nghiệm

50

4.1

Ảnh hưởng của chế độ tải động cơ đến biến thiên cơng

52

C
C

R
L
T.

DU

47
48
49
50

chỉ thị chu trình theo hàm lượng HHO pha vào biogas khi
động cơ chạy ở tốc độ 3600 vòng/phút
4.2

Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đồ thị công khi sử

53

dụng nhiên liệu biogas M7C3 pha 40% HHO(BG=0,
=1, s=20 )
4.3

Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến biến thiên cơng chỉ
thị chu

54

trình theo tốc độ động cơ khi sử dụng nhiên liệu

biogas M7C3 pha 40% HHO (=1, s=20)
4.4

Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đồ thị công

55

(Biogas M7C3, n=2400 v/ph, BG=0, =1)
4.5

Biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm

56


khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 (a) và bằng biogas
M7C3 pha 30% HHO (b)
4.6

Phân bố nồng độ H2, CH4 và hệ số tương đương trên mặt

57

cắt dọc xy (a) và mặt cắt xy, xz, yz của buồng cháy (b) tại
thời điểm 330TK và 340TK.
4.7

Ảnh hưởng của hàm lượng HHO đến biến thiên nồng độ

58

NOx trong buồng cháy khi BG=50 (a); Ảnh hưởng của
hàm lượng HHO đến biến thiên nhiệt độ cháy (b); Ảnh
hưởng của chế độ tải động cơ đến biến thiên nồng độ
NOx theo hàm lượng HHO (c)
4.8

C
C

Ảnh hưởng của hệ số tương đương (a) và hàm lượng HHO (b)

59

đến biến thiên nồng độ CO trong buồng cháy theo góc quay

R
L
T.

trục khuỷu (Biogas M7C3, n=3600 v/ph, =1, s=20BG=0)

4.9

Ảnh hưởng của chế độ tải động cơ đến biến thiên nồng độ

DU

60

CO theo hàm lượng HHO pha vào nhiên liệu Biogas
M7C3 khi động cơ chạy ở tốc độ 3600 vòng/phút
4.10

So sánh công suất động cơ cho bởi mô phỏng và thực

62

nghiệm khi chạy bằng Biogas ở tốc độ 2400 vòng/phút
4.11

So sánh công suất động cơ cho bởi mô phỏng và thực
nghiệm khi chạy bằng Biogas+20% HHO ở tốc độ 2400
vòng/phút

63


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
Ký hiệu la tinh
Kí hiệu

Tên gọi

Thứ ngun

pe

Áp suất có ích trung bình

Ne

Cơng suất động cơ

kW

Vh

Thể tích cơng tác động cơ

dm3

GBiogas

MN/m2

Khối lượng Biogas

Me

Moment xoắn có ích

ge

Suất tiêu hao nhiên liệu

kg
N.m
kg/kW.h

Gnl

Tiêu hao nhiên liệu

Qkt

Nhiệt trị thấp của 1kg nhiên liệu

L0

Lượng khơng khí lý thuyết đốt kiệt 1kg nl

C
C

R
L
T.

DU

Ký hiệu Hy lạp



Hệ số dư lượng khơng khí

v

Hệ số nạp

i

Hiệu suất chỉ thị

m

Hiệu suất cơ giới

Θ

Góc đánh lửa sớm



Tỉ số nén



Số kỳ của động cơ



Số xilanh

Ф

Hệ số đậm đặc của hỗn hợp nl-kk

kg/h
J/kg


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.

Trong những thập niên vừa qua ngành động cơ đốt trong có những bước
phát triển vượt bậc về công nghệ, cùng với sự phát triển chung đó ngành điều
khiển tự động được ứng dụng trên trên động cơ ngày càng nhiều. Các hệ thống
điều khiển động cơ bằng cơ khí trước đây dần được thay thế bởi các hệ thống
điều khiển điện tử tự động, góp phần làm cho q trình điều khiển động cơ ngày
càng chính xác và hiệu quả hơn. Trong đó những hệ thống đó, hệ thống đánh lửa
là một hệ thống đặc biệt quan trọng, ảnh hưởng lớn tới quá trình làm việc của
những động cơ đánh lửa cưỡng bức. Hệ thống đánh lửa hiện đại yêu cầu phải
điều chỉnh góc đánh lửa sớm thay đổi linh hoạt và phù hợp với tất cả các chế độ

C
C

làm việc nhằm phát huy hết công suất và hiệu suất của động cơ.

R
L
T.

Hiện nay, hầu hết các động cơ kéo máy phát điện cỡ nhỏ có cơng suất
thấp, sử dụng nhiên liệu xăng được nhà sản xuất thiết kế hệ thống đánh lửa đơn

DU

giản, với góc đánh lửa cố định nhằm giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản
phẩm nên động cơ chỉ hoạt động hiệu quả ở một vài chế độ nhất định. Khi thực
hiện việc cải tạo các động cơ này sang sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO , hệ
thống đánh lửa ngun thủy khơng cịn phù hợp dẫn đến hiệu quả sử dụng và
các tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ khi dùng nhiên liệu Biogas + HHO
cịn thấp.

Vì vậy, với mong muốn điều khiển linh hoạt góc đánh lửa và nâng cao các
chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật trên các động cơ xăng kéo máy phát điện được chuyển
đổi sang sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO , học viên chọn đề tài “ Nghiên cứu
ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức
dùng Biogas + HHO ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống tự động điều khiển góc đánh lửa
sớm cho động cơ kéo máy phát điện Honda EP4000CX sử dụng nhiên liệu xăng
chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO.


2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ xăng Honda GX200 gắn trên máy phát điện Honda EP4000CX
đã được chuyển đổi sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu xác định góc đánh lửa phù hợp với các mức tải
khác nhau và thiết kế chế tạo hệ thống tự động điều chỉnh góc đánh lửa theo tải
cho động cơ Honda GX200 sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1. Cách tiếp cận
Tìm kiếm tài liệu, thu thập thơng tin dựa trên các cơng trình đã cơng bố về

C
C

các hệ thống đánh lửa trên động cơ hiện nay, thiết kế- chế tạo và thử nghiệm,

R

L
T.

phân tích số liệu, viết báo cáo, trình bày báo cáo.
4.2. Phương pháp nghiên cứu

DU

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu
và ứng dụng năng lượng thay thế - Đại học Đà Nẵng.
5. Cấu trúc luận văn
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Nêu tổng quan về tình tình nghiên cứu hệ thống đánh lửa trên động cơ và
động cơ sử dụng nhiên liệu khí, tổng quan tình hình sử dụng máy phát điện, tình
hình sử dụng nhiên liệu Biogas + HHO trên động cơ và nêu rõ lý do chọn đề tài.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cung cấp các thông tin cơ bản của Biogas + HHO , cơ sở của q trình
cháy, ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm, cơ sở điều chỉnh góc đánh lửa sớm,
phương pháp điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Chuẩn bị các bước cần thiết cho việc
tính tốn thiết kế, chế tạo và thí nghiệm ở chương sau.


3
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Nghiên cứu đặc điểm của động cơ thí nghiệm Honda GX200, đưa ra
phương án thiết kế hệ thống đánh lửa mới. Thiết kế chế tạo hệ thống đánh lửa
mới. Lên kế hoạch thí nghiệm, các thiết bị cần thiết cho việc thu thập số liệu.
Đánh giá sơ bộ kết quả.
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA

GĨC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ
Phân tích các số liệu thu được từ thí nghiệm, nhận xét đánh giá kết quả và
đưa ra kết luận.
KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
TÀI LIỆU THAM KHẢO

R
L
T.

C
C

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

DU


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BIOGAS - HHO TRÊN ĐỘNG CƠ
1.1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng Biogas trên động cơ
Biogas là khí sinh học (thành phần gồm: CH4, CO2, H2S…) thu được từ
sự phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu khơng khí. Việc sử dụng khí
Biogas phát triển rất nhanh trên khắp thế giới và tại Việt Nam, điều này đem lại
lợi ích về mơi trường và kinh tế. Lượng CO2 và các độc tố khác trong khí thải sẽ
giảm đi đáng kể khi sử dụng biogas thay thế nhiên liệu hóa thạch.
Từ khoảng hơn mười năm nay, việc sử dụng Biogas đã trở nên quen thuộc

đối với người dân Việt Nam. Tuy Biogas đã được phổ biến rộng rãi nhưng việc

C
C

sử dụng nó vẫn cịn rất hạn chế, chủ yếu dùng để đun nấu. Những ứng dụng ban

R
L
T.

đầu này cũng đã đem lại nhiều lợi ích về tiết kiệm năng lượng và mơi trường.
Theo tính tốn, một hầm Biogas tiết kiệm được khoảng 2,3 tấn củi đun, tương

DU

đương với 0,03 ha rừng mỗi năm. Việc sử dụng bã thải sinh học góp phần làm
tăng sản lượng cây trồng và rau xanh. Riêng các cơng trình Biogas trong
Chương trình Biogas Việt Nam - Hà Lan hiện nay đã góp phần giảm thiểu
107.000 tấn CO2, tiết kiệm 13.000 tấn than, gần 3.300 tấn dầu lửa và 208.022
bình gas loại 13kg mỗi năm, đáp ứng nhu cầu năng lượng cho 160.000 người
chủ yếu ở vùng nơng thơn nghèo khó.
Nước ta có gần 80% dân số sống ở nơng thơn. 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
nơng thơn. 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 nơng
nghiệp tập trung, các trại chăn ni có sẵn hầm Biogas.
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:


5
- 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 xăng, dầu như trước khi
cải tạo.
- 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 nơng thơn.
1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng HHO.

C
C

HHO thường được sản xuất theo nhu cầu sử dụng tại chỗ, không lưu trữ.

R
L
T.

Đối với động cơ đốt trong, HHO được sản xuất từ bình điện phân, cung cấp bổ
sung trực tiếp vào đường nạp cùng với các loại nhiên liệu khác. HHO được sản

DU

xuất khi động cơ chạy và dừng khi động cơ tắt. Thiết bị sản xuất HHO nhỏ
gọn,có thể bố trí tích hợp trên phương tiện giao thông cơ giới.
HHO được điều chế từ quá trình điện phân nước, gồm H2 và O2 theo tỉ lệ
2:1. Hydrogen có nhiệt trị 120 MJ/kg, cao hơn xăng, dầu, CNG. Trong điều kiện
áp suất khí trời và =1, HHO cháy khi nhiệt độ đạt 570°C. Năng lượng cần thiết
để đánh lửa hỗn hợp này là 20 µJ. Quá trình cháy xảy ra khi hàm lượng thể tích
hydrogen trong hỗn hợp HHO nằm trong khoảng 4% - 95%. Khi cháy, lượng
nhiệt sinh ra là 241.8 kJ đối với 1 mole HHO. Lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc và
kiểu tổ chức quá trình cháy.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm cải thiện hiệu quả sản xuất và
chất lượng khí HHO như thay đổi điện cực, chất điện phân, chất lượng nước,
điều chỉnh dòng điện cung cấp cho thiết bị sản xuất HHO. Thiết bị sản xuất
HHO đấu trực tiếp vào nguồn điện, khơng có bộ điều chỉnh cơng suất có thể làm
cho nhiệt độ của dung dịch lên đến 90°C. Điều này có thể làm nóng chảy các chi


6
tiết nhựa của thiết bị. Mặt khác, khi nhiệt độ gia tăng, chất lượng khí HHO giảm
do có lẫn hơi nước. Điều kiện nhiệt độ tốt nhất để sản xuất HHO là thấp hơn
70°C. Sử dụng bộ cung cấp điện điều chỉnh xung (Pulse width modulation,
pwm) có thể điều chỉnh cơng suất điện cung cấp cho bình điện phân HHO để
nâng cao chất lượng khí . Có thể điều chỉnh các thông số của bộ pwm để giữ cho
nhiệt độ của bình điện phân HHO dưới 60°C.
Chất điện phân sử dụng trong hệ thống là nước cất. Để tăng hiệu quả sản
sinh HHO, người ta pha vào nước chất xúc tác. Chất xúc tác hoạt động như chất
tạo ion và làm tăng độ dẫn điện trong bình điện phân. Thơng thường người ta
dùng KOH, NaOH, NaCl, NaHCO, H2SO4, CH3CO2H, Na2SO4. Chất xúc tác tốt
là chất ít bị thay đổi trong q trình điện phân. Điều này có nghĩa là chất xúc tác

C

C

giúp cho phản ứng diễn ra nhanh nhưng không tham dự vào phản ứng. Thực

R
L
T.

nghiệm cho thấy KOH và NaOH là những chất xúc tác tốt nhất dùng cho bình
điện phân nước. KOH hiệu quả cao hơn NaOH và trong q trình hoạt động.

DU

KOH (pottassium hydroxide) có ưu điểm là giữ điện cực sạch, sản xuất HHO
tinh khiết từ 95-100%. Chất này có nhược điểm là ít thơng dụng và dễ gây nguy
hiểm khi sử dụng. Chất điện phân khác cũng thường được dùng là NaOH cũng
có những ưu điểm như KOH nhưng gây ăn mòn điện cực. Chất này cần được
bảo quản kín để tránh hấp thụ carbon. Hiệu suất điện phân tăng khi sử dụng
nước tinh khiết. Khi nước có chưa tạp chất thì các tạp chất này sẽ bám vào các
điện cực có màu nâu, đen hay xanh cản trở hoạt động của điện cực. Nồng độ
chất điện phân trong nước vừa phải giúp gia tốc phản ứng tách nước thành H 2 và
O2, giảm năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân. Tuy nhiên khi nồng độ
chất điện phân quá cao thì năng lượng cần thiết để sản sinh HHO gia tăng do
mật độ chất điện phân bão hòa, ngăn cản sự dịch chuyển của các ion.
Điện cực và bản cực trung gian thường làm bằng thép mạ kẽm/nhôm hay
thép không rỉ. Tốc độ ăn mịn của nhơm với KOH là 261,92 mpy (mile per year)
đối với 1M KOH và đối với thép không rỉ là 1,882 mpy với cùng nồng độ KOH.
Hiệu quả điện phân có thể tăng khi bố trí bổ sung một điện cực ở giữa bình so

7
với khi bố trí 2 điện cực ở hai đầu bình. Điện cực của bình điện phân phù hợp
được làm bằng thép khơng rỉ 316-L. Điện cực âm có thể dùng thép không rỉ 302,
304 (điện thế tối thiểu) nhưng điện cực dương chủ yếu bằng thép không rỉ 316 L. Thông thường điện cực âm và điện cực dương làm bằng cùng vật liệu.
1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN HIỆN NAY
Nước ta là một nước nông nghiệp, năm 2017 sản phẩm nông nghiệp đạt
10% GDP, Theo số liệu ước tính của Tổng cục Thống kê, giá trị sản xuất tồn
ngành nơng nghiệp năm 2017 tăng 3,16% so với năm 2016, trong đó, trồng trọt
tăng 2,23%, chăn ni tăng 2,16%, lâm nghiệp tăng 5,17% và thủy sản tăng
5,89%. GDP nông lâm thủy sản tăng 2,9% (so với mức 2,95% năm 2013; 3,9%
năm 2014; 2,6% của năm 2015 và 1,44% năm 2016)[1]....tuy nhiên các ngành

C
C

dịch vụ, công nghiệp... cũng vì thế phát triển dựa theo sản phẩm nơng nghiệp.

R
L
T.

Vì vậy trong chiến lược phát triển kinh tế nhằm đẩy nhanh mục tiêu cơng nghiệp
hố, hiện đại hóa đất nước, việc phát triển nền sản xuất nông nghiệp theo hướng

DU

hiện đại là một mục tiêu và yêu cầu cấp thiết.

Để phát triển nhanh nền kinh tế nông nghiệp, việc tăng tỉ lệ cơ giới hoá là
một trong những nhiệm vụ quan trọng, và để tăng tỉ lệ cơ giới hoá thì việc sử

dụng động cơ đốt trong cũng chiếm một phần rất lớn.
Theo thống kê của tổng cục Thống kê tính đến năm 2017 thì số lượng máy
móc phục vụ cho q trình cơ giới hóa trong nơng nghiệp và nông thôn đã và
đang tăng lên đáng kể so với năm 2007 (Bảng 1.1)
Bảng 1.1 Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn.[2]
Máy
Máy
Máy kéo,
Phương
Phương
kéo,
kéo,
Động cơ,
máy cày
tiện vận
tiện vận
máy cày
máy cày máy phát
trung
chuyển trên chuyển trên
lớn 35
nhỏ dưới
điện
12-35HP
đường bộ đường thủy
HP
12HP

Năm

Số lượng

2017

Cái

32700

207112

275131

776261

202664

153790

2007

Cái

24380

105180

266098

600000

70289

95.735


8

1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ
[2][3]
Động cơ đốt trong được cấu thành từ rất nhiều chi tiết, bộ phận. Mỗi cụm
chi tiết, bộ phận có kết cấu và nhiệm vụ riêng, nhưng giữa chúng có sự gắn kết
chặt chẽ và phối hợp làm việc nhịp nhàng để cuối cùng biến nhiệt năng thành cơ
năng. Để động cơ sinh cơng tốt, hiệu quả thì q trình cháy diễn ra ở cuối kì nén
phải diễn ra một cách hồn thiện. Q trình cháy chỉ diễn ra hồn thiện khi có
sự hịa trộn tốt của hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu đồng thời hệ thống đánh lửa
lúc này cần phải tạo ra một tia lửa điện có năng lượng đủ lớn, đánh lửa đúng thời
điểm, tương ứng với trình tự làm việc các xilanh và các chế độ làm việc khác

C
C

nhau của động cơ.

R
L
T.

DU

Hình 1.1. Hệ thống đánh lửa cơ khí

Trong những năm trước thập kỷ 70 hầu hết các động cơ đều sử dụng hệ
thống đánh lửa điều khiển tiếp điểm bằng cơ khí ( hình 1.1 ). Hệ thống này bước
đầu đã đáp ứng được việc tạo tia lửa đốt cháy nhiên liệu đúng thời điểm tương
ứng với thứ tự làm việc của các xilanh. Nhưng nó vẫn cịn tồn tại một số nhược
điểm như: không đảm bảo tuổi thọ dài lâu, không ổn định trong quá trình làm
việc do các tiếp điểm bị cháy rỗ, do đó làm thay đổi năng lượng và thời điểm
đánh lửa dẫn đến quá trình cháy diễn ra khơng hồn tồn trong động cơ.


9

C
C

R
L
T.

Hình 1.2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn khơng có tiếp điểm
Cùng với sự phát triển về mặt kỹ thuật trong các ngành công nghiệp điện

DU

tử, các nhà sản xuất đã nghiên cứu và cho ra đời hệ thống đánh lửa điện tử với
hai kiểu đặc trưng là: Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn có tiếp điểm và hệ thống
đánh lửa bán dẫn khơng có tiếp điểm điều khiển ( hình 1.2 ). Hệ thống đánh lửa
kiểu điện tử ra đời đã khắc phục được hầu hết các nhược điểm của hệ thống
đánh lửa thường.
Trong những năm cuối của thế kỷ XX, các nhà sản xuất đã nghiên cứu thử
nghiệm và cho ra đời hệ thống đánh lửa điều khiển bằng chương trình có dùng

bộ chia điện và khơng dùng bộ chia điện. Đặc biệt với sự ra đời của hệ thống
đánh lửa trực tiếp ( hình 1.3 ) cùng với những ưu điểm vượt trội của nó đã góp
phần nâng cao các tính năng kinh tế, kỹ thuật cho động cơ đồng thời góp phần
giảm nồng độ khí xả gây ô nhiễm môi trường. Các hệ thống đánh lửa này được
điều khiển với một chương trình đã được tính tốn, thử nghiệm cài đặt từ trước
trên ECU ( Electronic Control Unit ). Do đó việc điều chỉnh tia lửa điện gần như
chính xác với mọi điều kiện và chế độ làm việc của động cơ.


10

C
C

Hình 1.3. Hệ thống đánh lửa trực tiếp

Như vậy ứng dụng tự động hóa vào q trình điều khiển hoạt động của hệ

R
L
T.

thống đánh lửa và điều chỉnh góc đánh lửa sớm trên các động cơ nhờ sự hỗ trợ

DU

của bộ điều khiển điện tử sẽ giúp quá trình thay đổi góc đánh lửa linh hoạt,
chính xác đảm bảo cơng suất và hiệu suất động cơ tối ưu ở tất cả các chế độ làm
việc.

Ở nước ta, việc nghiên ứng dụng nhiên liệu thay thế trên động cơ đánh lửa
cưỡng bức chuyển đổi từ các động cơ xăng đã được thực hiện trong nhiều cơng
trình của GS-TSKH Bùi Văn Ga, các luận án tiến sĩ và luận văn cao học. Quá
trình nghiên cứu cũng đã chỉ ra được những ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm
đến hoạt động của động cơ và sự cần thiết phải thay đổi góc đánh lửa khi thực
hiện chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng Biogas – HHO [5].Tuy nhiên đến
nay các cơng trình nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho
nhiên liệu Biogas - HHO vẫn còn hạn chế. Đặc biệt đối với những động cơ cỡ
nhỏ với công suất thấp, ảnh hưởng của góc đánh lửa khơng đáng kể, nhà suất
xuất thiết kế hệ thống đánh lửa không có khả năng điều chỉnh và góc đánh lửa
sơm tối ưu được lựa chọn tại những vùng công suất thường xuyên làm việc của
động cơ nhằm cắt giảm chi phí và hạ giá thành sản phẩm, dẫn đến khi chuyển


11
đổi sang sử dụng nhiên liệu Biogas - HHO động cơ làm việc khơng được tối ưu.
Do đó khi đưa vào áp dụng thực tế thì các tính năng kinh tế, kỹ thuật của động
cơ chuyển đổi sử dụng Biogas - HHO chưa cao dẫn đến khó triển khai ứng dụng
rộng rãi.
Về mặt cấu tạo và nguyên lý hoạt động, cơ bản hệ thống đánh lửa cho
động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas - HHO không khác nhiều so với hệ thống
đánh lửa trên động cơ xăng. Tuy nhiên, do khác nhau về bản chất nhiên liệu và
diễn biến quá trình cháy nên ngồi những u cầu về sự cần thiết phải thay đổi
góc đánh lửa sớm, hệ thống đánh lửa cho nhiên liệu Biogas - HHO yêu cầu điện
áp và năng lượng lượng đánh lửa cao hơn so với nhiên liệu xăng, loại bugi cũng
được thiết kế có dải nhiệt hoạt động cao, điện cực được làm bằng các vật liệu tốt

C
C

để đảm bảo tia lửa đốt cháy hỗn hợp trong mọi điều kiện làm việc của động cơ .

R
L
T.

Vì vậy cần phải thiết kế hệ một thống đánh lửa phù hợp cho động cơ sử
dụng nhiên liệu Biogas - HHO với giá thành thấp, chủ động trong quá trình

DU

chuyển đổi, phát huy tính ưu việt của Biogas - HHO và nâng cao khả năng làm
việc của động cơ.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Biogas - HHO với nhiều ưu điểm nổi bật, được nghiên cứu ứng dụng trên
động cơ kéo máy phát điện thay thế cho nguồn nhiên liệu truyền thống đang cạn
kiệt không những giải quyết vấn đề ô nhiễm mơi trường, biến đổi khí hậu, mà
cịn giúp chủ động được nhu cầu điện năng đang ngày càng tăng. Tuy nhiên
những nghiên cứu trong nước chỉ mới dừng lại ở việc hoàn thiện hệ thống cung
cấp, các nghiên cứu về hệ thống đánh lửa cho động cơ Biogas – HHO vẫn còn
hạn chế nên việc nghiên cứu đánh giá Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến
tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng Biogas – HHO để nâng cao các
tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ và góp phần đưa Biogas – HHO vào sử
dụng rộng rãi trên động cơ máy phát điện là rất cần thiết.


12
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 1 đã có đánh giá tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng hệ thống
đánh lửa trên động cơ sử dụng Biogas - HHO và những tồn tại trong quá trình
nghiên cứu. Chương 2 sẽ trình bày những cơ sở lý thuyết cho việc cải tiến thay
thế hệ thống đánh lửa của động cơ dùng xăng khi chuyển sang dùng Bioggas –
HHO.
2.1. TÍNH CHẤT LÝ HĨA CỦA BIOGAS – HHO
2.1.1. Tính chất lý hóa của Biogas
Biogas là một dạng năng lượng khí, đây là cơng nghệ dễ tiếp cận với vốn
đầu tư ít. Ưu điểm của nguồn năng lượng này là việc nó thay thế được các nguồn

C
C

năng lượng khác nhau như: Than, củi, điện, nhiên liệu khí hố lỏng và dầu.vv….

R
L
T.

Sau khi phân động vật được phân huỷ thì nó cho chất lưỡng hữu cơ giàu chất
dinh dưỡng và khơng có mùi được sử dụng để cải thiện đất nơng nghiệp tốt hơn

DU

phân bón tươi. Bên cạnh đó ngăn ngừa nạn chặt phá rừng bảo vệ mơi trường.
Chính vì vậy hiện nay, Biogas được sử dụng rộng rãi từ các trang trại nhỏ đến
các trang trại lớn.
Biogas từ các nguồn khác nhau thì có chất lượng tương đối khác nhau và
phụ thuộc vào một số yếu tố nhất định. Thành phần của Biogas phụ thuộc vào
loại chất thải bị phân huỷ, độ dài của thời gian lưu trong chất thải trải qua quá

trình phân huỷ.
Biogas sinh ra từ q trình phân huỷ kỵ khí là hỗn hợp của nhiều loại khí.
Hỗn hợp này thơng thường bao gồm 60-70% CH4, 30-40% CO2, và ít hơn 1%
hydrogen sulfide (H2S). Hàm lượng H2S nói chung vào khoảng từ 100 đến 2000
ppm. Thỉnh thoảng cũng gặp trường hợp nhỏ hơn 2 ppm và cao hơn 8000 ppm.
Lượng vết nitrogen (đến 10%), hydrogen (đến 5%), oxygen, và các thành phần
khác cũng có thể có mặt với nồng độ khác nhau.


13
Tuy nhiên, do hàm lượng của chúng quá nhỏ, nên chúng rất khó phát hiện
và thường chẳng quan trọng. Biogas sau khi qua lọc thì thành phần gồm 70-90%
CH4, 9-29% CO2.
 Tính chất vật lý:
Bảng 2.1. Các tính chất của thành phần Biogas
Các tính chất vật lý

Methane (CH4)

Carbonic (CO2)

Trọng lượng phân tử

16.04

44.01

Tỷ trọng

0.554

1.52

Điểm sôi

259.0 0F (=1440C)

60.80C

Điểm đông

-296.6 0F(-164.80C)

-69.9 0F (-38.830C)

Khối lượng riêng

C
C

0.66kg/m3

1.82kg/m3

Nhiệt độ nguy hiểm

116.0 0F (=64.440C)

88.0 0F(=48.890C)

Áp suất nguy hiểm

45.8 at

72.97at

Nhiệt dung Cp (1atm)
Tỷ lệ Cp/Cv
Nhiệt cháy

R
L
T.

DU

6.962.10-4 J/ kg-0C
1.307

55.403J/kg

Giới hạn cháy

6-15% Thể tích

Tỷ lệ cháy hồn tồn

0.0947 Thể tích

trong khơng khí

1.303

0.0581 Khối lượng

 Nhiệt trị của nhiên liệu Biogas:
Mêtan tinh khiết có nhiệt trị thấp khoảng (8115.2 Kcal/m3). Do Biogas
chứa khoảng 70-90% mêtan nên nhiệt trị của Biogas nằm trong khoảng 5480
Kcal/m3. Trong luận văn này, thành phần của Biogas sau khi lọc qua NaOH là
chứa 80% khí mêtan.
2.1.2. Tính chất lý hóa của HHO
HHO (oxyhydrogen) là sản phẩm của q trình điện phân nước, thành
phần chính của HHO là khí hydro H2 và khí oxy O2.
Q trình điện phân: 2 H2O → 2 H2 + O2