Tổng quan nghiên cứu

Trước bối cảnh biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp và nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, việc chuyển dịch sang các nguồn năng lượng tái tạo sạch đang là ưu tiên hàng đầu của nền công nghiệp toàn cầu. Theo báo cáo của Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc, tổng công suất năng lượng tái tạo trên thế giới đã vượt mốc 1470 GW và dự báo khí sinh học sẽ chiếm khoảng một phần ba tổng nhu cầu năng lượng vào năm 2050. Tại Việt Nam, tiềm năng sản xuất biogas ước tính đạt khoảng 4 tỷ mét khối mỗi năm, trong đó 2 tỷ mét khối đến từ chất thải chăn nuôi và 2 tỷ mét khối từ hơn 61,9 triệu tấn phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ hay vỏ dừa. Đáng chú ý, khí methane có khả năng gây hiệu ứng nhà kính gấp 23 lần khí CO2 nếu xả trực tiếp ra môi trường, khiến việc thu hồi và chuyển hóa biogas thành cơ năng trở nên vô cùng cấp thiết.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ thực tế hầu hết các ứng dụng hiện nay chỉ dừng lại ở quy mô đun nấu hộ gia đình hoặc động cơ hòa trộn ngoài cỡ nhỏ, dẫn đến công suất thấp và tổn thất hệ số nạp lớn. Luận văn hướng đến mục tiêu xây dựng mô hình nhiệt động lực học và mô phỏng đánh giá toàn diện đặc tính công suất, quá trình cháy cùng nồng độ phát thải của động cơ 4 xy-lanh sử dụng công nghệ phun trực tiếp khí biogas, đánh lửa cưỡng bức. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 09 năm 2020 đến tháng 01 năm 2021. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng giúp giảm hơn 30% phát thải độc hại, mở ra giải pháp công nghệ tuần hoàn nâng cao hiệu quả kinh tế cho ngành năng lượng và cơ khí động lực Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống khung lý thuyết nhiệt động lực học động cơ đốt trong kết hợp các mô hình toán học giải tích hiện đại để mô phỏng diễn biến làm việc của động cơ.

Đầu tiên là mô hình nhiệt động lực học không chiều (0D) dựa trên định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn năng lượng thứ nhất, cho phép tính toán sự biến thiên nội năng, nhiệt lượng và công sinh ra trong thể tích kiểm soát xy-lanh.

Thứ hai là mô hình cháy Vibe hai vùng (Vibe 2-zone), phân chia buồng cháy thành hai phân vùng rõ rệt gồm vùng khí đã cháy và vùng hỗn hợp chưa cháy. Mô hình này sử dụng tham số định dạng a bằng 6,9 và tham số hình dạng m nhằm mô tả chính xác tốc độ giải phóng nhiệt lượng cùng tỷ lệ nhiên liệu cháy tức thời theo từng góc quay trục khuỷu.

Thứ ba là mô hình truyền nhiệt Woschni xác định hệ số truyền nhiệt đối lưu qua vách buồng cháy, đỉnh piston và nắp máy thông qua các số không thứ nguyên Nusselt, Reynolds và Prandtl với giá trị chuẩn 0,74.

Thứ tư là mô hình hình thành khí thải ứng dụng cơ chế oxy hóa Zeldovich mở rộng gồm sáu phản ứng hóa học để dự đoán nồng độ phát thải NOx cùng cơ chế động học phản ứng phân ly của CO và hydrocacbon chưa cháy hết.

Các khái niệm then chốt trong nghiên cứu bao gồm: tỷ lệ thành phần thể tích CH4/CO2 trong biogas, nhiệt trị thấp của nhiên liệu với mức 43,5 MJ/kg ở xăng RON95 so với mức 26 MJ/kg ở biogas 75% CH4 và 13 MJ/kg ở biogas 50% CH4, suất tiêu hao nhiên liệu riêng có ích tính bằng g/kWh, hệ số nạp và hiệu suất nhiệt có ích của chu trình công tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số nhiệt động lực học trên phần mềm chuyên dụng AVL Boost phiên bản thương mại, kết hợp phương pháp chuyên gia thông qua việc tham vấn kỹ thuật tại Công ty Động cơ và Máy Nông nghiệp Miền Nam (SVEAM).

Đối tượng nghiên cứu là động cơ 4 xy-lanh đánh lửa cưỡng bức có đường kính xy-lanh 80 mm, hành trình piston 78 mm, chiều dài thanh truyền 130 mm, tỷ số nén 11,9:1 và công suất cực đại định mức 105 mã lực tại 6000 vòng/phút.

Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 6 mẫu tỷ lệ thành phần thể tích CH4/CO2 thực tế tại Việt Nam gồm: 50/50, 55/45, 60/40, 65/35, 70/30, 75/25 và 1 mẫu đối chứng là xăng thương phẩm RON95. Phương pháp chọn mẫu dựa trên nguyên tắc quét toàn dải vận hành thực tế ở chế độ 100% toàn tải, góc đánh lửa sớm cố định 22 độ trước điểm chết trên, biến thiên tốc độ từ 1000 đến 6000 vòng/phút với bước nhảy 1000 vòng/phút, hình thành ma trận 42 kịch bản tính toán chi tiết.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng 0D trên AVL Boost là vì công cụ này có khả năng tái hiện chính xác các quá trình nhiệt động phức tạp, giúp cắt giảm hơn 80% thời gian và chi phí thử nghiệm thực tế trên băng thử cơ khí, đồng thời đảm bảo tính chuẩn hóa cao khi phân tích động học cháy. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và xử lý số liệu được hoàn thành theo đúng tiến độ từ tháng 09 năm 2020 đến tháng 01 năm 2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, đặc tính công suất và mô-men xoắn của động cơ phun biogas trực tiếp tăng dần theo tỷ lệ thể tích CH4 và theo tốc độ vòng quay. Tại mẫu tỷ lệ 75% CH4 và 25% CO2, công suất và mô-men xoắn đạt giá trị cao nhất trong các mẫu khí sinh học, tiệm cận gần nhất với đường đặc tính của xăng thương phẩm RON95. Ở tỷ lệ 50% CH4, công suất động cơ suy giảm khoảng 35% đến 40% so với khi chạy bằng xăng do năng lượng tỏa ra thấp.

Thứ hai, đường đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu riêng có ích theo tốc độ động cơ thể hiện rõ quy luật hình chữ U. Suất tiêu hao nhiên liệu giảm dần từ 1000 vòng/phút và đạt giá trị tối ưu thấp nhất tại 3000 vòng/phút, trước khi tăng trở lại ở dải tốc độ từ 4000 đến 6000 vòng/phút. Nhiên liệu có hàm lượng 75% CH4 giúp giảm suất tiêu hao nhiên liệu riêng rõ rệt so với mẫu 50% CH4 nhờ quá trình cháy diễn ra hoàn thiện hơn.

Thứ ba, nhiệt độ và áp suất cực đại trong xy-lanh tăng đồng biến theo hàm lượng CH4 và tốc độ động cơ. Do nhiệt trị của mẫu 75% CH4 đạt 26 MJ/kg, cao gấp đôi so với mức 13 MJ/kg của mẫu 50% CH4, tốc độ cháy và áp suất đỉnh trong buồng cháy được cải thiện đáng kể, dù các chỉ số này vẫn duy trì ở mức thấp hơn so với xăng RON95 có nhiệt trị 43,5 MJ/kg.

Thứ tư, lượng phát thải khí độc hại CO và HC khi sử dụng nhiên liệu biogas giảm từ 20% đến hơn 45% so với xăng RON95 trên toàn dải vận hành. Nồng độ phát thải CO có xu hướng tăng nhẹ khi tốc độ động cơ tiến từ 4000 đến 6000 vòng/phút do nhiệt độ cháy cao thúc đẩy phản ứng phân ly, nhưng tổng mức phát thải độc hại của biogas vẫn thấp hơn vượt trội so với nhiên liệu truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các diễn biến trên là do tính chất hóa lý đặc trưng của khí sinh học. Khí methane có tỷ lệ hydro trên cacbon cao, giúp quá trình cháy sạch hơn, nhưng sự hiện diện của khí trơ CO2 làm giảm tốc độ lan truyền ngọn lửa và hạ thấp nhiệt độ đỉnh của chu trình. Khi tăng tỷ lệ CH4 từ 50% lên 75%, mật độ năng lượng của hỗn hợp nạp tăng gấp đôi, làm tăng áp suất chỉ thị trung bình và nâng cao công sinh ra trên trục khuỷu.

So sánh với các công trình nghiên cứu trước đây về động cơ hòa trộn ngoài, phương thức phun trực tiếp trong luận văn này đã giải quyết triệt để sự cố suy giảm hệ số nạp không khí, giúp duy trì áp suất nạp ổn định ở tỷ số nén cao 11,9:1. Kết quả này hoàn toàn nhất quán với các lý thuyết động cơ nhiệt tiên tiến và các báo cáo thử nghiệm động cơ khí sinh học quốc tế.

Về phương diện trực quan hóa, toàn bộ các quy luật biến thiên được minh chứng qua hệ thống biểu đồ đường biểu diễn đặc tính ngoài của công suất, đồ thị mô-men xoắn theo số vòng quay từ 1000 đến 6000 vòng/phút, cùng bảng tổng hợp đối chiếu nồng độ phát thải CO, HC và áp suất chỉ thị. Điều này khẳng định tính khả thi vượt trội của phương án sử dụng biogas giàu methane với thành phần 75% CH4 để thay thế xăng thương phẩm trong thực tế vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa công nghệ làm sạch và làm giàu khí sinh học trước khi nạp vào động cơ. Các đơn vị vận hành trang trại và doanh nghiệp năng lượng cần lắp đặt hệ thống lọc khử H2S bằng oxit sắt và hấp thụ CO2 bằng nước hoặc màng phân tách để nâng tỷ lệ CH4 đạt tối thiểu từ 75% đến 80% thể tích. Mục tiêu hoàn thiện hệ thống tinh chế trong vòng 6 đến 12 tháng tại các cơ sở chăn nuôi quy mô từ 500 gia súc trở lên.

Thứ hai, tối ưu hóa hệ thống điều khiển điện tử ECU cho góc đánh lửa sớm và thời điểm phun trực tiếp. Đội ngũ kỹ sư cơ khí động lực tại các nhà máy sản xuất cần hiệu chỉnh bản đồ góc đánh lửa sớm điện tử trong dải từ 22 đến 35 độ trước điểm chết trên để bù trừ cho tốc độ cháy chậm của methane. Thời gian thực hiện căn chỉnh cần kéo dài từ 3 đến 6 tháng trước khi đưa cụm động cơ vào khai thác thực tế.

Thứ ba, tích hợp van tuần hoàn khí xả EGR và buồng cháy phụ. Các cơ sở chế tạo động cơ cần nghiên cứu ứng dụng công nghệ buồng cháy phụ và hệ thống EGR với tỷ lệ hồi lưu từ 5% đến 15% nhằm khống chế nhiệt độ cháy cục bộ, giúp cắt giảm thêm 25% lượng phát thải NOx ở dải công suất cao. Lộ trình nâng cấp công nghệ này nên được triển khai trong vòng 12 đến 18 tháng.

Thứ tư, xây dựng bộ tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học. Cơ quan quản lý nhà nước như Bộ Khoa học và Công nghệ cùng Bộ Giao thông Vận tải cần sớm ban hành quy chuẩn kiểm định an toàn áp suất phun và tiêu chuẩn phát thải cho động cơ khí sinh học dải công suất từ 10 kW đến 100 kW trong giai đoạn 2025 đến 2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế và chuyên gia nghiên cứu phát triển ngành Cơ khí Động lực: Có thể khai thác trọn vẹn quy trình mô hình hóa nhiệt động học 0D trên AVL Boost và thông số biên chuẩn cho động cơ tỷ số nén 11,9:1, phục vụ công tác thiết kế hệ thống phun khí trực tiếp và tối ưu hóa buồng đốt động cơ thế hệ mới.

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Giao thông và Năng lượng: Sử dụng tài liệu làm dẫn chứng học thuật chuyên sâu về mô hình cháy Vibe hai vùng, cơ chế phát thải Zeldovich và phân tích động học chu trình công tác, hỗ trợ giảng dạy và phát triển các đề tài luận văn liên quan.

Nhóm chủ trang trại nông nghiệp quy mô lớn và doanh nghiệp chế biến thực phẩm: Nắm vững nguyên lý chuyển đổi nguồn khí thải hữu cơ thành cơ năng và điện năng với tỷ lệ phối trộn tối ưu 75% CH4, áp dụng đầu tư hệ thống máy phát điện từ 15 kW đến 100 kW nhằm cắt giảm từ 40% đến 60% chi phí điện năng vận hành hàng tháng.

Nhóm cán bộ quản lý môi trường và cơ quan hoạch định chính sách năng lượng tái tạo: Tiếp cận dữ liệu định lượng chính xác về tiềm năng cắt giảm hơn 30% phát thải khí nhà kính từ biogas, làm cơ sở xây dựng chính sách tín chỉ carbon và các chương trình hỗ trợ phát triển kinh tế tuần hoàn nông thôn bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao luận văn khuyến nghị sử dụng thành phần biogas với tỷ lệ 75% CH4 và 25% CO2? Biogas chứa 75% CH4 mang lại mức nhiệt trị 26 MJ/kg, cao gấp đôi so với tỷ lệ 50% CH4 chỉ đạt 13 MJ/kg. Tỷ lệ này giúp động cơ đạt công suất và mô-men xoắn tiệm cận tốt nhất với xăng RON95 có nhiệt trị 43,5 MJ/kg, đồng thời đảm bảo quá trình cháy diễn ra ổn định và hạn chế phát thải độc hại.

Công nghệ phun trực tiếp mang lại ưu thế gì so với phương thức tạo hỗn hợp hòa trộn ngoài? Phun trực tiếp khắc phục triệt để hiện tượng suy giảm hệ số nạp do nhiên liệu khí chiếm chỗ của không khí ở đường ống nạp. Giải pháp này cho phép cấp nhiên liệu chính xác theo chu trình, nâng cao hiệu suất nhiệt và phù hợp hoàn hảo với động cơ có tỷ số nén cao 11,9:1 mà không gây kích nổ buồng cháy.

Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ biến thiên như thế nào theo dải tốc độ vận hành? Suất tiêu hao nhiên liệu riêng ge tạo thành đường cong tối ưu, giảm dần từ dải 1000 vòng/phút và đạt mức thấp nhất tại 3000 vòng/phút do quá trình cháy đạt hiệu quả cao nhất. Khi tốc độ tăng từ 3000 lên 6000 vòng/phút, suất tiêu hao tăng trở lại vì ma sát cơ khí và tổn thất giãn nở tăng cao.

Động cơ sử dụng khí sinh học có thực sự thân thiện hơn với môi trường so với động cơ xăng? Có, kết quả mô phỏng khẳng định mức phát thải CO và HC của biogas giảm từ 20% đến hơn 45% so với xăng RON95 ở mọi dải tốc độ. Do cấu trúc phân tử methane đơn giản và nhiệt độ cháy đỉnh thấp hơn, quá trình cháy diễn ra sạch hơn, giúp giảm thiểu đáng kể ô nhiễm môi trường sống.

Phần mềm AVL Boost đóng vai trò gì trong việc đánh giá đặc tính động cơ đốt trong? AVL Boost giải đồng thời các phương trình vi phân bảo toàn năng lượng và mô hình cháy Vibe hai vùng. Nhờ đó, công cụ này giúp dự báo chính xác các thông số áp suất, nhiệt độ và thành phần khí thải qua 42 kịch bản vận hành, tiết kiệm hơn 80% chi phí thử nghiệm thực tế.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình nhiệt động lực học 0D trên phần mềm AVL Boost, mô phỏng chính xác hoạt động của động cơ 4 xy-lanh phun trực tiếp biogas với tỷ số nén 11,9:1.
  • Kết quả nghiên cứu xác định tỷ lệ tối ưu 75% CH4 và 25% CO2 với nhiệt trị 26 MJ/kg, mang lại đặc tính công suất và mô-men xoắn tiệm cận tốt nhất với xăng RON95.
  • Nghiên cứu chỉ ra vùng làm việc kinh tế nhất của động cơ nằm tại tốc độ 3000 vòng/phút, nơi suất tiêu hao nhiên liệu riêng đạt giá trị cực tiểu.
  • Khí sinh học chứng minh ưu thế vượt trội về môi trường khi cắt giảm từ 20% đến hơn 45% nồng độ phát thải độc hại CO và HC so với nhiên liệu hóa thạch.
  • Luận văn đề xuất kế hoạch thử nghiệm thực nghiệm trên băng thử cơ khí trong vòng 12 đến 24 tháng tới nhằm hoàn thiện hệ thống điều khiển góc đánh lửa sớm.

Các nhà nghiên cứu, kỹ sư động lực và doanh nghiệp phát triển năng lượng hãy khai thác ngay nguồn dữ liệu khoa học quý giá từ công trình này để ứng dụng vào các dự án chuyển đổi nhiên liệu xanh và phát triển công nghệ cơ khí bền vững.