Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas" do nghiên cứu sinh Lê Xuân Thạch thực hiện tại Đại học Đà Nẵng vào năm 2013, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Văn Nam và GS. Bùi Văn Ga, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Động cơ Nhiệt (Mã số: 62.01).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự gia tăng phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính, trọng tâm là $CO_2$ từ việc tiêu thụ năng lượng hóa thạch, dẫn tới biến đổi khí hậu toàn cầu, mực nước biển dâng cao và sa mạc hóa. Tại Việt Nam, gần 80% dân số sinh sống ở khu vực nông thôn với nhu cầu năng lượng phục vụ sinh hoạt và sản xuất rất lớn, trong bối cảnh giá nhiên liệu hóa thạch và giá điện có xu hướng tăng. Nguồn khí sinh học (biogas) hình thành từ quá trình phân hủy kỵ khí chất thải nông nghiệp và chăn nuôi là nguồn năng lượng tái sinh dồi dào. Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong giải quyết đồng thời ba mục tiêu: tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, hạn chế phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường nông thôn.

Về mặt công nghệ và thiết bị, các động cơ chuyên dùng biogas nhập khẩu từ nước ngoài có chi phí đầu tư rất cao (ví dụ: máy phát điện Yanmar 25 kW có giá 106.000 USD; các máy phát điện Shengdong công suất 120–500 kW có giá từ 52.000 USD, cao gấp khoảng ba lần so với động cơ diesel cùng cỡ). Trong khi đó, các dòng động cơ biogas cỡ nhỏ nhập khẩu từ Trung Quốc (như FYG2500 công suất 2 kW, HW3500 công suất 3 kW) có kết cấu đơn giản, sử dụng bộ chế hòa khí không có bộ điều tốc tác động phía biogas, dẫn đến tốc độ không ổn định và dễ chết máy khi phụ tải thay đổi đột ngột. Tại Việt Nam, công nghệ GATEC của GS. Bùi Văn Ga đã nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/xăng và động cơ diesel thành động cơ nhiên liệu kép diesel-biogas (vẫn phải phun mồi 10–20% dầu diesel).

Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là: chưa có công trình nghiên cứu chuyển đổi hoàn toàn động cơ diesel sang động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng 100% biogas ở tỉ số nén cao nhằm loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng nhiên liệu lỏng phun mồi, đồng thời tối ưu hóa bộ tạo hỗn hợp thích ứng với thành phần khí biogas biến thiên và xác định các thông số vận hành tối ưu (tỉ số nén, góc đánh lửa sớm) trên cơ sở lý thuyết kết hợp thực nghiệm.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Luận án xác định 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản:

  1. Xây dựng qui trình chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng biogas.
  2. Thiết kế chế tạo bộ tạo hỗn hợp biogas và không khí cho động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức.
  3. Xác định tỉ số nén và góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel bằng mô hình và thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ đốt trong một xi lanh, thay đổi được tỉ số nén, làm việc theo nguyên lý đánh lửa cưỡng bức. Đối tượng thực nghiệm cụ thể là động cơ diesel một xi lanh ZH1115 được cải tạo thành động cơ biogas.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas (bộ tạo hỗn hợp, cơ cấu dẫn động bướm ga và điều tốc) và nghiên cứu chất lượng quá trình cháy của hỗn hợp biogas-không khí trong buồng cháy động cơ; xác định các thông số kết cấu và vận hành tối ưu (tỉ số nén, góc đánh lửa sớm, dạng buồng cháy) thông qua mô hình hóa số trị và kiểm chứng bằng thực nghiệm trên băng thử.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại

Trong chương tổng quan, tác giả phân tích các nghiên cứu trong nước và quốc tế về đặc tính nhiên liệu biogas, quá trình cháy và ứng dụng trên động cơ đốt trong:

  • Giới hạn cháy và đặc tính nhiệt động lực học của hỗn hợp chứa methane và $CO_2$:

    • Coward (1952) chứng minh hỗn hợp methane và carbonic không thể cháy nếu thể tích $CO_2$ lớn hơn 3 lần thể tích $CH_4$.
    • Derus (1983) đề nghị thành phần thể tích tối thiểu của methane trong biogas dùng cho động cơ 4 kỳ là 35%, tương ứng nhiệt trị 14,89 $\text{MJ/m}^3$.
    • Jewell và cộng sự (1986) công bố hiệu suất điện của hệ thống đồng phát năng lượng (CHP) đạt tối ưu 26% ở tỉ lệ tương đương 0,8–0,9 và giảm xuống dưới 20% khi hỗn hợp đậm với tỉ lệ tương đương đạt 1,3.
    • Walsh (1986) xác định động cơ 55 kW sử dụng biogas có góc đánh lửa sớm tối ưu là $45^\circ$ trước điểm chết trên (ĐCT).
    • G. Wierzba (1992, Đại học Calgary) khảo sát các đặc tính nhiệt động lực và động lực học quá trình cháy của hỗn hợp methane-không khí khi có sự hiện diện của $CO_2$.
    • Karim nghiên cứu quá trình cháy biogas trong động cơ đốt trong, chỉ ra rằng số Reynolds tăng làm thu hẹp giới hạn cháy và hỗn hợp không thể đốt cháy khi số Reynolds vượt quá 12.
    • K. Tanoue nghiên cứu bổ sung hydro vào hỗn hợp methane nghèo; xác định suất tham dự tối ưu của hydro từ 20–25% thể tích giúp nâng cao công suất mà không xảy ra kích nổ ở tỉ số nén 8,5–10, góc đánh lửa sớm $20^\circ$ trước ĐCT, độ đậm đặc 0,6–1,2.

  • Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số nén và buồng cháy phụ:

    • Jingdang Huang và R. Crookes (1998) nghiên cứu trên động cơ một xi lanh Ricardo E6 (tỉ số nén biến thiên từ 4,5 đến 20). Kết quả chỉ ra $CO_2$ trong nhiên liệu giúp giảm phát thải $NO_x$ và cho phép nâng tỉ số nén; tuy nhiên công suất và hiệu suất nhiệt giảm khoảng 3% khi nồng độ $CO_2$ lên tới 40%. Công suất và hiệu suất nhiệt đạt cực đại ở tỉ số nén 13–15 và hệ số dư lượng không khí $\lambda = 0,95 - 1,05$. Khi tỉ số nén vượt quá 15, áp suất xi lanh tăng mạnh do xuất hiện kích nổ.
    • A. Henham và M. Makkar khảo sát động cơ buồng cháy phụ công suất 150 kW trong hệ thống CHP; ở tỉ số nén $\varepsilon = 13,3$, góc đánh lửa sớm $8^\circ$ trước ĐCT, $\lambda = 1,57$, biogas chứa 39,5% $CO_2$, hiệu suất nhiệt đạt 37,7%, phát thải $NO_x$ và $CO$ nằm trong tiêu chuẩn Thụy Sĩ ($NO_x < 400\text{ mg/Nm}^3$, $CO < 650\text{ mg/Nm}^3$).
    • Koji Yamanaka, Yosuke Shiraga và Shunsaku Nakai (2011) thử nghiệm bugi tích hợp buồng cháy phụ (PC plug) trên động cơ một xi lanh tăng áp đường kính 140 mm, ghi nhận việc cải thiện hiệu suất nhiệt khi dịch chuyển điểm đánh lửa về phía trước.
    • Herdin nghiên cứu độ bền hệ thống đánh lửa điện cực, ghi nhận tuổi thọ bugi giảm 50% khi áp suất chỉ thị trung bình tăng từ 17 lên 24 bar.

  • Chuyển đổi động cơ thực tế:

    • Nhóm nghiên cứu Đại học Chiang Mai - Thái Lan (2007) chuyển đổi động cơ diesel tăng áp Hino K-13CTI ($13\text{ dm}^3$) thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện; giảm tỉ số nén từ 16 xuống 8; ở tốc độ 1.500 v/ph, hiệu suất cực đại đạt 28,6% với $\lambda = 1,097$, góc đánh lửa sớm $54^\circ$ trước ĐCT, công suất phát điện đạt 134 kW.
    • GS. Bùi Văn Ga và nhóm nghiên cứu tại Đại học Đà Nẵng phát triển công nghệ GATEC, chế tạo các bộ phụ kiện chuyển đổi động cơ xăng sang lưỡng nhiên liệu biogas/xăng và động cơ diesel sang nhiên liệu kép biogas-diesel cho dải công suất rộng từ vài kW đến hàng trăm kW.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công nghệ hiện hành chủ yếu giảm tỉ số nén xuống mức thấp ($\varepsilon = 8$ như tại Thái Lan) làm suy giảm hiệu suất nhiệt, hoặc sử dụng động cơ nhiên liệu kép vẫn đòi hỏi tiêu hao dầu diesel. Trong khi đó, biogas chứa lượng $CO_2$ đáng kể (20–40%) làm giảm tốc độ lan tràn màng lửa nhưng lại tăng khả năng chống kích nổ. Động cơ diesel vốn có kết cấu cứng vững, tốc độ thấp và tỉ số nén cao. Luận án lựa chọn giải quyết bài toán chuyển đổi hoàn toàn động cơ diesel sang động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức 100%, duy trì tỉ số nén ở mức cao ($\varepsilon = 11,5 - 12,5$), tự động hóa việc cấp khí bằng bộ tạo hỗn hợp Venturi hai nửa lắp ghép và xác định bộ thông số điều khiển tối ưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

Luận án vận dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật động cơ nhiệt và nhiệt động lực học:

  1. Lý thuyết dòng chảy rối trong ống dẫn và buồng hỗn hợp: Sử dụng hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS), kết hợp mô hình rối hai phương trình $k-\varepsilon$ để khép kín hệ phương trình, mô tả chuyển động của môi chất qua lớp biên rối và lớp phụ nhớt.
  2. Lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu khí: Áp dụng mô hình cháy hỗn hợp hòa trộn trước (premixed) và hòa trộn trước cục bộ (partially premixed combustion). Phân tích tốc độ lan tràn màng lửa chảy tầng ($u_l$) và màng lửa rối ($u_t$), sự phụ thuộc của tốc độ màng lửa vào áp suất, nhiệt độ khí nạp và nồng độ chất pha loãng $CO_2$.
  3. Các tiêu chí tiêu chuẩn hóa nhiên liệu khí:
    • Tỉ trọng tiêu chuẩn ($d$): Xác định theo tiêu chuẩn ISO 6976 qua công thức: $$d = \frac{M_g}{M_a}$$ Trong đó $M_g$ và $M_a$ là khối lượng mol phân tử của nhiên liệu khí và không khí khô.
    • Chỉ số Wobbe ($WI$): Đo lường tính tương đương nhiệt lượng giữa các loại khí: $$WI = \frac{HV}{\sqrt{d}}$$ Trong đó $HV$ là nhiệt trị cháy (nhiệt trị cao hoặc thấp). Phân loại khí theo tiêu chuẩn DVGW G 260 thành nhóm H và nhóm L.
    • Chỉ số Methane ($MN$): Biểu thị khả năng chống kích nổ của nhiên liệu khí (ISO quy định methane tinh khiết $MN = 100$, hydro $MN = 0$). Quan hệ giữa chỉ số octane động cơ ($MON$) và chỉ số $MN$: $$MN = 1,224 \cdot MON - 103,42$$ Trong đó: $$MON = 137,78,x_{\text{CH}4} + 29,948,x{\text{C}_2\text{H}6} - 18,193,x{\text{C}3\text{H}8} - 167,062,x{\text{C}4\text{H}{10}} + 181,233,x{\text{CO}2} + 26,994,x{\text{N}_2}$$ với $x_i$ là phần mol của các khí thành phần.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp phương pháp mô hình hóa số trị và nghiên cứu thực nghiệm:

  • Phương pháp mô hình hóa số trị (CFD):
    • Sử dụng phần mềm động lực học thủy khí FLUENT để mô phỏng 3D dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp Mixer_ZH1115 nhằm tối ưu hóa đường kính họng và góc mở van cấp gas.
    • Sử dụng FLUENT mô phỏng quá trình cháy 3D trong không gian xi lanh với lưới động, khảo sát hai dạng buồng cháy (Omega và phẳng), biến thiên tỉ số nén ($\varepsilon$ từ 9,11 đến 16,10), góc đánh lửa sớm ($\varphi_s$ từ $20^\circ$ đến $50^\circ$ trước ĐCT), thành phần $CH_4$ trong biogas (60%, 70%, 80%) và độ đậm đặc của hỗn hợp ($\phi$).
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Chế tạo các phụ kiện chuyển đổi trên động cơ diesel ZH1115: giảm tỉ số nén bằng phương pháp tiện vạt đỉnh và khoét lõm piston; gia công cốc chặn nước để lắp bugi thay thế vòi phun cao áp; thiết kế lắp đặt hệ thống đánh lửa điện tử CDI (sử dụng cảm biến vị trí trục khuỷu lắp trên bánh đà); chế tạo bộ tạo hỗn hợp Venturi hai nửa lắp ghép; cải tạo cơ cấu điều tốc cơ năng quả văng.
    • Lắp đặt động cơ chuyển đổi lên băng thử công suất. Đo đạc các thông số: mô-men xoắn, số vòng quay, công suất, áp suất chỉ thị và suất tiêu hao nhiên liệu.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu thực nghiệm thu thập qua hệ thống đo gồm: Cảm biến lực LoadCell PST 100kg, Encoder đo góc quay 100 xung/vòng, Card thu thập dữ liệu NI-6009 kết nối máy tính.
  • Nguồn dữ liệu về thành phần biogas tự nhiên và các phương pháp tinh lọc (khử $H_2S$ bằng phoi sắt oxy hóa $FeO, Fe_2O_3, Fe_3O_4$, quặng diatomite Phú Yên; khử $CO_2$ bằng hóa chất và rửa nước).
  • Các bộ số liệu tiêu chuẩn từ Hiệp hội Biogas Châu Âu (EBA), Hiệp hội Sinh khối Châu Âu (AEBIOM), tiêu chuẩn ISO 6976 và tiêu chuẩn khí Đức DVGW G 260.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 1 (29 trang) trình bày bức tranh tổng thể về sản xuất, ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật của biogas làm nhiên liệu động cơ đốt trong:

  • Thống kê sản xuất và ứng dụng: Châu Âu có hơn 4.500 nhà máy biogas tại các bãi rác năm 2010; Đức và Anh dẫn đầu sản lượng năm 2009. Tại Châu Á, Trung Quốc có 18 triệu hầm biogas năm 2006, Ấn Độ có khoảng 5 triệu hầm biogas quy mô nhỏ. Tại Việt Nam, bể biogas composite phát triển thay thế bể gạch/bê tông nhờ áp lực khí đạt 1,6 m cột nước (so với 5 cm của bể truyền thống). Riêng Chương trình Biogas Việt Nam - Hà Lan đã giúp giảm 107.000 tấn $CO_2$ và tiết kiệm 208.022 bình gas LPG mỗi năm.
Nguồn Biogas Thành phần Đơn vị Xử lý nước thải Chất thải nông nghiệp Bãi chôn lấp rác
Methane ($CH_4$) % thể tích % 65–75 45–75 45–55
Carbon dioxide ($CO_2$) % thể tích % 20–35 25–45 25–30
Carbon monoxide ($CO$) % thể tích % < 0.2 - -
Nitrogen ($N_2$) % thể tích % 3.00 - 10–25
Oxygen ($O_2$) % thể tích % 0.00 - 1–5
Hydrogen sulfide ($H_2S$) mg/m³ $\text{mg/m}^3$ < 8000 10–8000 < 8000
Nhiệt trị kWh/m³ $\text{kWh/m}^3$ 6.5 6.5 5.0
Khối lượng riêng kg/m³ $\text{kg/m}^3$ 1.27 1.24–1.50 1.36
Chỉ số Wobbe kWh/m³ $\text{kWh/m}^3$ 7.3 - -
Chỉ số Methane - - 134 - -
  • Yêu cầu tinh lọc: $CO_2$ và $CH_4$ chiếm 95–99% thể tích biogas. Tác giả khảo sát các công nghệ lọc $H_2S$ bằng dung dịch $Na_2CO_3, NaOH$, hòa tan trong nước, xúc tác sinh học và hấp phụ bằng oxyt sắt từ phoi sắt gia công cơ khí hoặc quặng diatomite mỏ Tuy An (Phú Yên, trữ lượng dự báo 60 triệu tấn).
Phương tiện sử dụng Yêu cầu $H_2S$ Yêu cầu $CO_2$ Yêu cầu $H_2O$
Lò hơi < 1000 ppm Không cần Không cần
Bếp đun Cần Không cần Không cần
Động cơ tĩnh tại < 1000 ppm Không cần Không ngưng tụ
Ô tô Cần thiết Nên loại bỏ Cần thiết
Mạng khí thành phố Cần thiết Cần thiết Cần thiết
  • Đặc tính tiêu chuẩn khí theo DVGW G 260:
Tiêu chuẩn Ký hiệu Đơn vị Nhóm L Nhóm H
Tỉ trọng chuẩn $d$ - 0,55 – 0,7 0,55 – 0,7
Nhiệt trị cháy $HV$ $\text{kWh/m}^3$
$\text{MJ/m}^3$		 8,4 – 13,1
30,2 – 47,2		 10,5 – 13,0
37,8 – 46,8
Chỉ số Wobbe $WI$ $\text{kWh/m}^3$
$\text{MJ/m}^3$		 10,5 – 13,0
37,8 – 46,8		 12,8 – 15,7
46,1 – 56,5
  • So sánh các phương án phát điện bằng biogas:
Tiêu chí Động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức Động cơ diesel nhiên liệu kép Động cơ đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel Micro turbine
Hiệu suất (%) 24–29 30–38 35–42 26–29
Bảo trì Cao Cao Trung bình Thấp
Đầu tư Thấp Trung bình cao Trung bình Cao
Công suất (kW) 5–30 30–200 > 200 < 100
Tuổi thọ Thấp Trung bình Cao Cao

Chương 2: Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức

Chương 2 (21 trang) phân tích nguyên lý và giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ nhiên liệu lỏng sang nhiên liệu biogas:

  • So sánh phương án chuyển đổi: Chuyển đổi động cơ xăng đơn giản nhưng giới hạn tỉ số nén thấp ($\varepsilon = 8 - 9,5$), công suất giảm tới 30% khi chuyển sang dùng biogas. Động cơ diesel có tỉ số nén nguyên bản cao ($\varepsilon = 16 - 21$), khung bệ cứng vững, hành trình piston dài phù hợp với đặc tính cháy chậm của biogas. Chuyển đổi diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức tận dụng được ưu thế tốc độ thấp và tỉ số nén cao, loại bỏ hoàn toàn hệ thống phun dầu mồi.
  • Các bước kỹ thuật chuyển đổi cốt lõi:
    1. Tháo bỏ bơm cao áp, vòi phun diesel và bình chứa nhiên liệu lỏng.
    2. Giảm tỉ số nén từ mức nguyên bản của diesel xuống dải tối ưu $\varepsilon = 11 - 12$.
    3. Bổ sung hệ thống cung cấp biogas với bộ tạo hỗn hợp và bướm ga.
    4. Lắp đặt hệ thống đánh lửa cưỡng bức (bugi, biến áp đánh lửa, hệ thống điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử CDI).
    5. Thiết kế cơ cấu điều tốc cơ năng hoặc điện tử tác động lên đường cung cấp khí biogas/bướm ga để ổn định tốc độ khi thay đổi tải.

Chương 3: Mô hình hóa quá trình cấp nhiên liệu và quá trình cháy trong động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức

Chương 3 (53 trang) là chương trọng tâm về mặt lý thuyết số trị, sử dụng phần mềm CFD FLUENT:

  • Mô phỏng bộ tạo hỗn hợp (Mixer_ZH1115): Xây dựng mô hình 3D, phân chia lưới và khảo sát trường phân bố vận tốc, trường nồng độ các cấu tử $CH_4, O_2, CO_2$. Kết quả cho thấy khi tiết diện ống cung cấp biogas cố định, độ đậm đặc của hỗn hợp ($\phi$) duy trì ổn định, ít biến thiên theo độ mở bướm ga và số vòng quay trục khuỷu.
  • Mô phỏng quá trình cháy trong xi lanh:
    • Dạng buồng cháy: So sánh buồng cháy dạng chỏm cầu lõm sâu (Omega nguyên bản của diesel) và buồng cháy phẳng. Buồng cháy Omega tạo ra cường độ xoáy lốc dòng khí nạp cao hơn ở thời điểm $345^\circ$ góc quay trục khuỷu, giúp màng lửa lan tràn nhanh hơn, rút ngắn thời gian cháy và sinh công chỉ thị cao hơn buồng cháy phẳng.
    • Tỉ số nén: Khảo sát các mức tỉ số nén $\varepsilon = 9,11$ đến $\varepsilon = 16,10$. Tăng $\varepsilon$ làm tăng áp suất chỉ thị cực đại ($p_i$) và công chỉ thị ($W_i$). Tuy nhiên ở $\varepsilon = 16,10$, áp suất tăng quá nhanh làm tăng tổn thất nhiệt truyền qua vách và làm tăng tải cơ học. Dải tỉ số nén tối ưu được xác định từ 11,5 đến 12,5.
    • Góc đánh lửa sớm và thành phần nhiên liệu: Khảo sát góc đánh lửa sớm $\varphi_s = 20^\circ, 30^\circ, 40^\circ, 50^\circ$ trước ĐCT với biogas chứa 60%, 70%, 80% thể tích $CH_4$. Tỉ lệ $CH_4$ giảm (lượng $CO_2$ tăng) làm giảm nhiệt độ trung bình môi chất và giảm tốc độ cháy, đòi hỏi phải tăng góc đánh lửa sớm để đạt cực đại áp suất cháy ở vị trí thích hợp sau ĐCT ($10^\circ - 15^\circ$ sau ĐCT).

Chương 4: Thiết kế chế tạo và lắp đặt các phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel ZH1115 thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức

Chương 4 (12 trang) cụ thể hóa các kết quả tính toán vào chế tạo trên động cơ thực tế:

  • Thông số kỹ thuật động cơ nguyên bản ZH1115: Động cơ diesel 1 xi lanh nằm ngang, 4 kỳ, làm mát bằng nước bay hơi; đường kính xi lanh $D = 115\text{ mm}$, hành trình piston $S = 115\text{ mm}$, thể tích công tác $V_h = 1,194\text{ dm}^3$, công suất định mức 14,7 kW (20 HP) ở tốc độ 2200 v/ph, tỉ số nén nguyên bản $\varepsilon = 17$.
  • Hạ tỉ số nén: Tính toán thể tích buồng cháy cần mở rộng thêm $\Delta V_c$. Cắt bớt chiều cao đỉnh piston một lượng $h$ kết hợp khoét sâu phần chỏm lõm với đường kính $d$ để đưa tỉ số nén từ 17 xuống dải $\varepsilon = 11,5 - 12$.
  • Lắp đặt bugi và hệ thống đánh lửa: Gia công cốc chặn nước có ren ngoài để vặn vào lỗ vòi phun cao áp trên nắp máy, đầu ren trong bắt vừa bugi tiêu chuẩn. Lắp cảm biến đánh lửa từ tính trên nắp vỏ máy đối diện với vấu định vị trên bánh đà, cấp tín hiệu cho bộ đánh lửa điện tử CDI (sử dụng nguồn DC 12V).
  • Chế tạo bộ tạo hỗn hợp Mixer_ZH1115: Thiết kế kiểu Venturi dạng hai nửa lắp ghép, cho phép thay đổi tiết diện lưu thông của họng biogas. Xây dựng công thức quan hệ giữa đường kính tương đương của ống cấp biogas $D$ với phần trăm thể tích $CH_4$ ($X$): $$D = 166 \cdot X^{-0,5443}\quad (\text{mm})$$
  • Cải tạo cơ cấu điều tốc: Thiết kế đòn bẩy và càng gạt trung gian kết nối cơ cấu quả văng ly tâm nguyên bản của động cơ ZH1115 với trục bướm ga của bộ hòa trộn khí biogas.

Chương 5: Thử nghiệm động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức

Chương 5 (14 trang) trình bày kết quả thực nghiệm trên băng thử:

  • Bố trí thí nghiệm: Động cơ kết nối với máy phát và tải điện trở; hệ thống đo gồm cảm biến LoadCell PST 100kg đo mô-men, encoder 100 xung/vòng đo tốc độ, card NI-6009 kết nối máy tính hiển thị và lưu trữ dữ liệu.
  • Kết quả thực nghiệm:
    • Đặc tính ngoài theo tỉ số nén: Thử nghiệm ở các tỉ số nén $\varepsilon = 10, 12, 14$. Tại $\varepsilon = 12$, động cơ đạt công suất và tính ổn định cao nhất; ở $\varepsilon = 14$ có hiện tượng kích nổ cục bộ khi chạy tải lớn; ở $\varepsilon = 10$ công suất giảm rõ rệt.
    • Đặc tính theo góc đánh lửa sớm: Với biogas chứa 60% $CH_4$ và $\varepsilon = 12$, góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trong khoảng $34^\circ - 42^\circ$ trước ĐCT tùy thuộc vào số vòng quay trục khuỷu ($n = 1500 - 2200\text{ v/ph}$).
    • So sánh các loại nhiên liệu: Ở chế độ đầy tải, công suất của động cơ chạy bằng biogas đạt khoảng 70–75% so với khi chạy bằng dầu diesel nguyên thủy và đạt khoảng 85% so với khi chạy bằng LPG.
    • Kiểm chứng mô hình: So sánh đường đặc tính ngoài cho bởi mô phỏng FLUENT và thực nghiệm cho thấy sự sai lệch về công suất chỉ thị và mô-men xoắn nằm trong giới hạn cho phép (sai số dưới 8%), khẳng định mô hình số trị mô phỏng có độ tin cậy.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới của luận án

Theo công bố của tác giả, luận án có 6 đóng góp mới chủ yếu:

  1. Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi thành công động cơ diesel một xi lanh ZH1115 thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức.
  2. Tính toán mô phỏng bộ tạo hỗn hợp cho phép xác định được các kích thước tối ưu ứng với nhiên liệu biogas chứa hàm lượng $CH_4$ khác nhau.
  3. Tính toán mô phỏng thành công quá trình cháy của động cơ biogas bằng phần mềm FLUENT; kết quả mô hình được kiểm chứng độ tin cậy qua thực nghiệm.
  4. Thiết kế được bộ tạo hỗn hợp kiểu Venturi dạng hai nửa lắp ghép, cấp hỗn hợp ổn định cho động cơ biogas; thành phần hỗn hợp ít thay đổi theo độ mở bướm ga và theo tốc độ động cơ khi tiết diện ống cấp biogas cố định.
  5. Thiết lập công thức xác định đường kính tương đương của ống cung cấp biogas khi đường ống cung cấp không khí bằng đường nạp nguyên thủy của động cơ ZH1115: $$D = 166 \cdot X^{-0,5443}\quad (\text{mm})$$ với $X$ là tỉ lệ phần trăm thể tích của $CH_4$ trong biogas.
  6. Xác định bộ thông số tối ưu cho động cơ biogas chuyển đổi từ động cơ diesel ZH1115: ở tốc độ định mức 2200 v/ph, tỉ số nén tối ưu nằm trong khoảng $\varepsilon = 11,5 - 12,5$; với $\varepsilon = 12$ và biogas chứa 60% $CH_4$, góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trong khoảng từ $34^\circ$ đến $42^\circ$ trước ĐCT khi tốc độ thay đổi.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng quy trình chuyển đổi đã thiết lập để nhân rộng việc cải tạo các động cơ diesel tĩnh tại nông thôn sang chạy bằng biogas nhằm tận dụng nguồn chất thải chăn nuôi phát điện tại chỗ.
  • Áp dụng bộ tạo hỗn hợp dạng hai nửa lắp ghép để linh hoạt điều chỉnh khe hở cấp gas khi thành phần $CH_4$ của các hầm ủ biogas thay đổi theo mùa hoặc theo loại nguyên liệu lên men.
  • Khuyến nghị sử dụng các giải pháp lọc khí $H_2S$ chi phí thấp bằng phoi sắt oxy hóa hoặc diatomite địa phương trước khi nạp vào động cơ để bảo vệ các chi tiết máy và dầu bôi trơn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Đối tượng thử nghiệm thực nghiệm mới thực hiện trên động cơ diesel một xi lanh nằm ngang loại nhỏ (ZH1115); chưa tiến hành đo đạc thực tế trên động cơ nhiều xi lanh hoặc động cơ tăng áp.
  • Chưa khảo sát chi tiết nồng độ phát thải ô nhiễm thực tế ($NO_x, CO, HC$, hạt rắn bồ hóng) bằng các thiết bị phân tích khí xả chuyên dụng trên băng thử trong quá trình vận hành kéo dài.
  • Hệ thống điều tốc cơ năng quả văng cải tạo có độ nhạy điều chỉnh phụ thuộc vào độ rơ cơ khí, chưa tích hợp hệ thống điều tốc điện tử tự động hoàn toàn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu áp dụng quy trình chuyển đổi cho các dòng động cơ diesel nhiều xi lanh công suất lớn hơn phục vụ các trang trại chăn nuôi công nghiệp.
  • Nghiên cứu ứng dụng bộ điều tốc điện tử chuyên dụng cho biogas để tăng độ ổn định tần số dòng điện của máy phát.
  • Tiến hành đo đạc thành phần phát thải ô nhiễm chi tiết và đánh giá độ bền, độ mài mòn các chi tiết cơ khí (xéc-măng, xi lanh, bugi) trong chu kỳ làm việc dài hạn.

Giá trị tham khảo

Đối tượng hưởng lợi

  • Nghiên cứu sinh, giảng viên và học viên chuyên ngành: Cung cấp tài liệu tham khảo về phương pháp luận kết hợp mô phỏng CFD (phần mềm FLUENT) với thực nghiệm trong nghiên cứu quá trình cháy nhiên liệu khí có tỉ số nén cao.
  • Kỹ sư cơ khí động lực và các cơ sở chế tạo máy: Có thể khai thác trực tiếp bản vẽ kết cấu bộ tạo hỗn hợp Mixer_ZH1115 dạng hai nửa lắp ghép, phương pháp gia công hạ tỉ số nén piston và kết cấu cốc chặn nước chuyển đổi bugi.
  • Cán bộ quản lý nông nghiệp và các chủ trang trại chăn nuôi: Có cơ sở khoa học và giải pháp kinh tế để chuyển đổi máy nổ diesel sẵn có thành máy phát điện chạy biogas, giảm chi phí nhiên liệu hóa thạch và giải quyết ô nhiễm môi trường.

Phần nội dung đáng tham khảo

  • Phương pháp mô hình hóa dòng chảy rối và mô hình cháy hòa trộn trước trong phần mềm FLUENT trình bày chi tiết tại Chương 3.
  • Công thức thực nghiệm tính toán đường kính ống cấp biogas theo nồng độ $CH_4$ và quy trình kỹ thuật gia công cơ khí các chi tiết chuyển đổi tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao động cơ diesel lại phù hợp để chuyển đổi thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức tỉ số nén cao?

Động cơ diesel có cấu trúc khung bệ dày, độ cứng vững cao và tỉ số nén nguyên bản lớn ($\varepsilon = 16 - 21$). Khí biogas chứa lượng lớn $CO_2$ (20–40%) làm tốc độ lan tràn ngọn lửa chậm nhưng lại có chỉ số octane cao (xấp xỉ 130), khả năng chống kích nổ tốt. Do đó, động cơ diesel có tốc độ làm việc thấp và hành trình dài cho phép làm việc ở tỉ số nén cao ($\varepsilon = 11,5 - 12,5$) với biogas mà không bị kích nổ, giúp nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình.

2. Công thức xác định đường kính ống cấp biogas trên động cơ ZH1115 được tính toán như thế nào?

Khi đường ống cấp không khí bằng đường nạp nguyên thủy của động cơ ZH1115, đường kính tương đương của ống cấp biogas ($D$, tính bằng mm) được xác định theo công thức hàm số mũ phụ thuộc vào phần trăm thể tích $CH_4$ trong biogas ($X$): $$D = 166 \cdot X^{-0,5443}$$

3. Tỉ số nén và góc đánh lửa sớm tối ưu được xác định cho động cơ ZH1115 chuyển đổi là bao nhiêu?

Ở tốc độ định mức 2200 v/ph, tỉ số nén tối ưu nằm trong khoảng $\varepsilon = 11,5 - 12,5$. Khi động cơ làm việc ở tỉ số nén $\varepsilon = 12$ với nhiên liệu biogas chứa 60% thể tích $CH_4$, góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trong khoảng từ $34^\circ$ đến $42^\circ$ trước ĐCT tùy thuộc vào số vòng quay trục khuỷu.

4. Tác giả đề xuất giải pháp vật liệu chi phí thấp nào để lọc tạp chất $H_2S$ trong biogas?

Tác giả đề xuất sử dụng phoi sắt oxy hóa lấy từ các cơ sở gia công cơ khí (tạo lớp oxyt sắt $FeO, Fe_2O_3, Fe_3O_4$ hấp phụ hóa học $H_2S$ sinh ra $Fe_2S_3, FeS$) có khả năng tái sinh bằng cách phơi ngoài không khí, hoặc sử dụng quặng diatomite tự nhiên tại huyện Tuy An, tỉnh Phú Yên (với trữ lượng dự báo khoảng 60 triệu tấn) có độ xốp cao và tính bền nhiệt tốt.

5. Bộ tạo hỗn hợp Mixer_ZH1115 có đặc điểm cấu tạo gì khác biệt?

Bộ tạo hỗn hợp được thiết kế theo nguyên lý ống Venturi chế tạo dạng hai nửa lắp ghép. Kết cấu này cho phép dễ dàng điều chỉnh khe hở lưu thông của đường khí biogas và duy trì tỉ lệ hòa trộn hỗn hợp ổn định khi độ mở bướm ga cũng như tốc độ động cơ thay đổi.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Lê Xuân Thạch đã giải quyết trọn vẹn bài toán khoa học và công nghệ chuyển đổi động cơ diesel một xi lanh ZH1115 thành động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng 100% biogas ở tỉ số nén cao. Công trình đã kết hợp thành công công cụ mô phỏng số trị CFD FLUENT với nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử, xác lập công thức thiết kế bộ tạo hỗn hợp Venturi hai nửa lắp ghép và tìm ra bộ thông số vận hành tối ưu ($\varepsilon = 11,5 - 12,5$; góc đánh lửa sớm $34^\circ - 42^\circ$ trước ĐCT). Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở kỹ thuật thực tiễn cho việc phát triển các cụm máy phát điện chạy khí sinh học phục vụ sản xuất và sinh hoạt tại khu vực nông thôn Việt Nam.