Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, việc chuyển đổi năng lượng trở thành ưu tiên hàng đầu của nhiều quốc gia trên thế giới. Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), đến năm 2050, năng lượng tái tạo dự kiến sẽ cung cấp khoảng 2/3 tổng năng lượng sử dụng toàn cầu, trong khi năng lượng hóa thạch giảm xuống còn khoảng 20%. Việt Nam, với tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời và sinh khối, đặc biệt là biogas, đang hướng tới phát triển hệ thống năng lượng tái tạo hybrid (HRES) kết hợp năng lượng mặt trời và sinh khối nhằm đáp ứng mục tiêu Net-Zero vào năm 2050.

Động lực chính của nghiên cứu là giải quyết các thách thức trong vận hành động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hỗn hợp biogas-hydrogen trong hệ thống HRES. Thành phần nhiên liệu thay đổi liên tục theo nguồn cung cấp và điều kiện vận hành, đòi hỏi động cơ phải được điều chỉnh linh hoạt các thông số vận hành như góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương nhiên liệu-không khí để đảm bảo hiệu suất và giảm phát thải ô nhiễm. Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết kế và phát triển hệ thống điều khiển tự động quá trình cung cấp nhiên liệu và góc đánh lửa sớm cho động cơ sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen với thành phần biến đổi trong phạm vi rộng, nhằm nâng cao hiệu quả công tác và giảm phát thải.

Phạm vi nghiên cứu tập trung trên động cơ xăng Honda GX200 được cải tạo thành động cơ phun nhiên liệu khí và điều khiển điện tử, mô phỏng và thử nghiệm với các thành phần nhiên liệu biogas pha trộn hydrogen tại các điều kiện vận hành khác nhau. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ động cơ sử dụng nhiên liệu tái tạo linh hoạt, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng sạch tại Việt Nam và các quốc gia đang phát triển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức (SI engine): Nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp nhiên liệu-không khí, quá trình cháy rơi và cháy lan truyền, ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến tốc độ cháy và áp suất trong xi lanh.
  • Mô hình điều khiển hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm: Phân tích ảnh hưởng của hệ số tương đương (φ) và góc đánh lửa sớm (φs) đến hiệu suất động cơ, phát thải NOx, CO và HC.
  • Khái niệm về hệ thống năng lượng tái tạo hybrid (HRES): Kết hợp năng lượng mặt trời và sinh khối, trong đó hydrogen được sản xuất từ điện phân nước bằng năng lượng mặt trời, biogas được sản xuất từ chất thải hữu cơ, tạo thành nhiên liệu hỗn hợp cho động cơ.
  • Thuật ngữ chuyên ngành: Hệ số tương đương nhiên liệu-không khí (φ), góc đánh lửa sớm (φs), hiệu suất nhiệt (η), phát thải NOx, CO, HC, hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen, điều khiển điện tử ECU.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp ba phương pháp chính:

  • Phân tích lý thuyết: Tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cứu về quá trình cháy, ảnh hưởng của hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu biogas, các mô hình điều khiển động cơ.
  • Mô phỏng số: Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT 2021R1 để mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong xi lanh động cơ với các thành phần nhiên liệu biogas-hydrogen khác nhau. Mô hình được xây dựng với không gian tính toán chia lưới chi tiết, áp dụng các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng, đồng thời mô phỏng sự biến thiên áp suất, nhiệt độ và phát thải.
  • Thí nghiệm thực tế: Cải tạo động cơ xăng Honda GX200 thành động cơ phun nhiên liệu khí và điều khiển điện tử, thiết lập hệ thống cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu, lưu lượng không khí, áp suất và nhiệt độ. Thí nghiệm được tiến hành tại các điều kiện vận hành khác nhau, thay đổi thành phần hydrogen trong biogas từ 0% đến 40%, điều chỉnh góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương để đánh giá hiệu suất và phát thải.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều điểm vận hành với các tỷ lệ pha trộn nhiên liệu khác nhau, sử dụng phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện. Phân tích số liệu sử dụng các công cụ thống kê mô tả và so sánh, đồng thời đối chiếu kết quả mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen đến hiệu suất động cơ: Khi pha hydrogen vào biogas với tỷ lệ 10%, 20%, 30% và 40%, công suất chu trình động cơ tăng lần lượt khoảng 8%, 10%, 6% và 5% so với khi chạy bằng biogas thuần túy. Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm dần từ 18° xuống còn 11° khi hàm lượng hydrogen tăng lên 40%. (Số liệu mô phỏng và thí nghiệm đồng nhất với sai số dưới 5%).

  2. Phát thải NOx tăng theo hàm lượng hydrogen: Mức phát thải NOx tăng khoảng 1,5 lần khi pha 15% hydrogen và tăng gấp đôi khi pha 30% hydrogen so với biogas thuần túy. Tuy nhiên, khi tăng tốc độ động cơ từ 1000 vòng/phút lên 3000 vòng/phút, mức NOx giảm 3 lần do giảm áp suất và nhiệt độ đỉnh trong xi lanh.

  3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm: Tăng góc đánh lửa sớm từ 10° lên 30° làm tăng áp suất đỉnh và nhiệt độ cháy, dẫn đến tăng phát thải NOx khoảng 1,5 lần. Việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm linh hoạt theo thành phần nhiên liệu giúp cân bằng hiệu suất và phát thải.

  4. Hiệu quả của hệ thống điều khiển tự động: Hệ thống điều khiển điện tử ECU được phát triển cho phép điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành, giúp duy trì hệ số tương đương nhiên liệu-không khí trong khoảng tối ưu (φ ≈ 1) và góc đánh lửa sớm phù hợp, nâng cao hiệu suất động cơ khoảng 10% và giảm phát thải CO, HC đáng kể.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc pha hydrogen vào biogas cải thiện đáng kể tốc độ cháy và hiệu suất nhiệt của động cơ do hydrogen có tốc độ cháy nhanh gấp 10 lần methane và giới hạn cháy rộng hơn. Tuy nhiên, sự gia tăng nhiệt độ đỉnh cũng làm tăng phát thải NOx, điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu.

Việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương nhiên liệu-không khí là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và giảm phát thải. Hệ thống điều khiển tự động được thiết kế trong luận văn đã chứng minh khả năng đáp ứng linh hoạt với biến đổi thành phần nhiên liệu trong phạm vi rộng, điều mà các động cơ truyền thống khó có thể thực hiện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ biến thiên công suất chu trình, phát thải NOx theo hàm lượng hydrogen và góc đánh lửa sớm, cũng như bảng so sánh hiệu suất và phát thải giữa các điều kiện vận hành khác nhau, giúp minh họa rõ ràng các xu hướng và hiệu quả của giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống điều khiển tự động trên động cơ sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen: Áp dụng ECU điều khiển thời gian phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành nhằm duy trì hiệu suất tối ưu và giảm phát thải. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: các nhà sản xuất động cơ và trung tâm nghiên cứu.

  2. Phát triển công nghệ pha trộn nhiên liệu và lưu trữ hydrogen: Nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp lưu trữ hydrogen an toàn, hiệu quả, đồng thời thiết kế hệ thống pha trộn nhiên liệu linh hoạt để đảm bảo thành phần nhiên liệu ổn định trong phạm vi cho phép. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành cho động cơ sử dụng nhiên liệu hỗn hợp: Đề xuất các tiêu chuẩn về thành phần nhiên liệu, điều kiện vận hành, kiểm soát phát thải phù hợp với đặc thù nhiên liệu biogas-hydrogen. Thời gian thực hiện: 1 năm; Chủ thể: cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức tiêu chuẩn.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ thuật viên và người vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành, bảo dưỡng động cơ sử dụng nhiên liệu tái tạo, đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động và an toàn khi sử dụng hydrogen. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực động cơ đốt trong và năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình và kết quả thực nghiệm chi tiết về việc sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen, hỗ trợ phát triển công nghệ động cơ sạch.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và cải tạo động cơ: Thông tin về hệ thống điều khiển tự động và cải tiến kỹ thuật giúp nâng cao hiệu suất và giảm phát thải, từ đó tăng tính cạnh tranh và đáp ứng yêu cầu môi trường.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp dữ liệu và giải pháp kỹ thuật hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn, chính sách phát triển năng lượng tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính.

  4. Các tổ chức và cá nhân hoạt động trong lĩnh vực phát triển năng lượng sạch tại khu vực nông thôn: Thông tin về ứng dụng hệ thống năng lượng hybrid mặt trời-sinh khối, đặc biệt là sử dụng động cơ biogas-hydrogen, giúp cải thiện chất lượng điện và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần pha hydrogen vào biogas trong động cơ đốt trong?
    Hydrogen có tốc độ cháy nhanh và giới hạn cháy rộng, giúp cải thiện tốc độ cháy và hiệu suất nhiệt của động cơ khi pha vào biogas. Điều này làm tăng công suất và giảm phát thải CO, HC, tuy nhiên cần kiểm soát phát thải NOx do nhiệt độ cháy tăng.

  2. Hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh những thông số nào?
    Hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm dựa trên thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành nhằm duy trì hệ số tương đương nhiên liệu-không khí tối ưu và góc đánh lửa phù hợp, giúp động cơ hoạt động hiệu quả và sạch hơn.

  3. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi sử dụng hydrogen trong động cơ?
    Hydrogen được sản xuất và lưu trữ theo các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt, sử dụng bình chứa áp suất cao và hệ thống cảm biến phát hiện rò rỉ. Việc pha trộn và cung cấp nhiên liệu được kiểm soát chặt chẽ qua hệ thống điều khiển điện tử để tránh nguy cơ cháy nổ.

  4. Phạm vi áp dụng của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu tập trung trên động cơ xăng cải tạo thành động cơ phun nhiên liệu khí sử dụng hỗn hợp biogas-hydrogen, phù hợp với các hệ thống năng lượng tái tạo hybrid tại các vùng nông thôn và khu vực chưa có lưới điện ổn định.

  5. Lợi ích kinh tế khi áp dụng công nghệ này?
    Việc sử dụng nhiên liệu tái tạo biogas-hydrogen giúp giảm chi phí nhiên liệu hóa thạch, tăng hiệu suất động cơ, giảm phát thải ô nhiễm, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu địa phương sẵn có, góp phần phát triển kinh tế bền vững và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm cho động cơ sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen với thành phần biến đổi.
  • Pha hydrogen vào biogas cải thiện hiệu suất động cơ, tăng công suất chu trình lên đến 10% và giảm phát thải CO, HC, tuy nhiên cần kiểm soát phát thải NOx tăng theo hàm lượng hydrogen.
  • Việc điều chỉnh linh hoạt góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương nhiên liệu-không khí là yếu tố then chốt để cân bằng hiệu suất và phát thải.
  • Kết quả mô phỏng và thí nghiệm đồng nhất, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ trong thực tế, đồng thời nghiên cứu mở rộng cho các loại động cơ và hệ thống năng lượng tái tạo khác.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà sản xuất động cơ và trung tâm nghiên cứu phối hợp phát triển hệ thống điều khiển tự động, đồng thời xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực vận hành. Đẩy mạnh ứng dụng công nghệ trong các dự án năng lượng tái tạo tại Việt Nam và khu vực.