KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
61
BÀI BÁO KHOA HỌC
ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT TĂNG ÁP ĐẾN HIỆU SUẤT
VÀ TÍNH NĂNG PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHÍ SINH HỌC
Nguyễn Trung Kiên
1
, Trịnh Xuân Phong
1
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất tăng áp đến hiệu suất và tính năng
phát thải của động cơ khí sinh học khi trang bị bộ tăng áp. Phần mềm mô phỏng là phần mềm AVL Boost,
động cơ nghiên cứu là động cơ diesel Isuzu 4JA1 trang bị cho máy phát điện tại các trang trại. Kết quả
nghiên cứu cho thấy rằng: khi cải tạo động cơ diesel thành động cơ khí sinh học có trang bị bộ tăng áp.
Nếu động cơ làm việc ở tốc độ 1500 v/p, áp suất tăng áp 1,5 bar thì công suất động cơ khí sinh học có
tăng áp tăng thêm được 2kW so với động cơ diesel nguyên thủy. Ngoài ra khi động cơ làm việc trong vùng
tải trọng từ 5kW đến 22kW, phát thải của động cơ khí sinh học có trang bị tăng áp giảm rất mạnh. Phát
thải NOx và soot lần lượt giảm là 89,2% và 85,8%. Tuy nhiên phát thải CO tăng 37,5% .
Từ khóa: Tăng áp cho máy phát điện khí sinh học, giảm phát thải.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
*
Biogas là một loại khí sinh học được sản xuất
thông qua quá trình phân giải các chất hữu cơ.
Thành phần chính của biogas bao gồm methane
(CH
4
), carbon dioxide (CO
2
), và một lượng nhỏ
các khí khác như nitrogen (N
2
), hydrogen (H
2
),
và hydrogen sulfide (H
2
S)... CH
4
chiếm phần
lớn trong biogas từ 50 đến 75%. CH
4
là một khí
không màu, không mùi và không vị với có nhiệt
trị cao, giúp biogas trở thành nguồn năng lượng
tái tạo hiệu quả. CO
2
chiếm từ 25% đến 50% của
biogas, làm giảm mật độ năng lượng của biogas.
CO
2
là một khí không màu có trong không khí,
không độc hại nhưng có khả năng gây ra hiệu
ứng nhà kính khi được thải ra môi trường. Các
khí còn lại chỉ chiếm một phần nhỏ trong
biogas, nhưng chúng cũng đóng góp vào các
tính chất hóa học và vật lý của biogas và ảnh
hưởng đến chất lượng của biogas (Huang and
Crookes 1998).
Tại Việt Nam, Công ty Cổ phần Công nghệ
Egreen (egreen 2023) là đơn vị tiên phong trong
việc ứng dụng tiềm năng khí sinh học từ chăn
nuôi. Hiện nay, công ty cung cấp nhiều sản phẩm
máy phát điện sử dụng khí sinh học. Đây là những
máy phát điện được chuyển đổi từ nhiên liệu
1
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định
diesel không tăng áp sang sử dụng nhiên liệu khí
sinh học. Do mật độ năng lượng của khí sinh học
thấp, việc chuyển đổi này thường làm giảm công
suất của động cơ so với động cơ diesel nguyên
thủy (Kabeyi and Olanrewaju 2022). Điều này dẫn
đến động cơ lại không phát huy được tối đa như
công suất thiết kế ban đầu. Vì thế vấn đề đặt ra là
phải có giải pháp để tăng công suất động cơ để
nâng cao hiệu quả kinh tế.
Tăng áp cho động cơ là một giải pháp đã trở
thành một xu hướng phổ biến cho động cơ đốt
trong. Công nghệ tăng áp không chỉ còn giúp cải
thiện hiệu suất hoạt động của động cơ mà còn
mang lại lợi ích về môi trường (Zhao, Zhuge et
al. 2014). Quá trình tăng áp là việc sử dụng một
máy nén để tăng lượng không khí được cung cấp
vào xi-lanh động cơ. Điều này cho phép đốt
cháy nhiều nhiên liệu hơn trong mỗi chu kỳ, từ
đó tạo ra công suất lớn hơn. Tuy nhiên, việc áp
dụng tăng áp cho động cơ sử dụng nhiên liệu
sinh học vẫn gặp nhiều thách thức. Một trong
những thách thức lớn nhất là việc tối ưu hóa quá
trình đốt cháy để đảm bảo hiệu suất tối đa và
giảm lượng khí thải.
Chính vì vậy bài báo này sẽ thực hiện nghiên
cứu mô phỏng để đánh giá hiệu suất và đặc điểm
phát thải của động cơ khí sinh học khi hoạt động
với các áp suất tăng áp khác nhau. Trên cơ sở đó
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
62
để tính toán, chọn lựa bộ tăng áp hợp lý cho máy
phát điện để nâng cao hiệu quả kỹ thuật, kinh tế và
phát thải.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Động cơ nghiên cứu
Động cơ nghiên cứu là động cơ diesel Isuzu
4JA1 không tăng áp có thông số kỹ thuật được
trình bày trong Bảng 1. Đây là mẫu động cơ sử
dụng hệ thống nhiên liệu diesel cơ khí với bơm
cao áp phân phối VE.
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của động cơ 4JA1 (Takeuchi, Kubota et al. 1985)
STT Thông số Giá trị Đơn vị
1 Thứ tự nổ 1-3-4-2
2 S x D 92 x 93 mm
3 Số xi-lanh 4 -
4 Suất tiêu hao nhiên liệu 224 g/kWh
5 Dung tích buồng đốt 2,499 l
6 Công suất lớn nhất/tốc độ 50-3600 kW-v/p
7 Momen lớn nhất/tốc độ 152-2000 Nm-v/p
8 Tỉ số nén 18,4 -
Việc cải tạo động cơ từ sử dụng nhiên liệu diesel
sang nhiên liệu sinh học phải thay đổi kết cấu của
động cơ như giảm tỉ số nén, trang bị hệ thống đánh
lửa với góc đánh lửa sớm thích hợp và cải tạo hệ
thống nhiên liệu. Trong nghiên cứu này tỉ số nén
dùng mô phỏng được chọn là 12:1. Thời điểm đánh
lửa sớm là 20 độ trước điểm chết trên. Nhiên liệu
cung cấp là khí sinh học với hàm lượng CH
4
là 65%
2.2. Nghiên cứu mô phỏng
2.3.1.Trình tự mô phỏng
Để giải quyết bài toán đặt ra, nhóm tác giả thực
hiện các mô phỏng sau:
1) Mô phỏng động cơ thuần diesel;
2) Đánh giá tính chính xác của mô hình động
cơ diesel;
3) Dựa trên mô hình động cơ diesel chuẩn,
nghiên cứu mô phỏng chuyển đổi động cơ sử dụng
nhiên liệu diesel sang sử dụng khí sinh học;
4) Mô phỏng động cơ sử dụng khí biogas có
trang bị bộ tăng áp với các áp suất tăng áp khác
nhau để đánh giá hiệu quả của việc tăng áp.
Các bước mô phỏng được trình bày trên hình 1
2.3.2.Mô hình mô phỏng
(a)
(b)
(c)
Hình 1. Các mô hình mô phỏng trên AVL – Boost
(a) Mô hình động cơ diesel diesel;
(b) Mô hình động cơ khí sinh học không tăng áp;
(c) Mô hình động cơ khí sinh học có tăng áp
CL: Lọc khí; PL: Cụm ống hút; C: Xi-lanh; SB: Điều kiện
biên; R: Cản dòng; MP: Điểm đo; E: Động cơ; CO: Bộ làm
mát khí nạp; TH: Bướm ga; I: Injector ( vòi phun khí sinh
học); WG: TC1: Bộ tăng áp: WG: Cửa thải
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
63
Trong nghiên cứu mô phỏng động cơ sử
dụng khí sinh học biogas có sử dụng các lý
thuyết cơ bản và các mô hình được trình bày
trong Bảng 2.
Bảng 2. Một số lý thuyết cơ bản và mô hình được sử dụng trong mô phỏng
STT Lý thuyết cơ bản và mô hình Động cơ diesel Động cơ khí sinh học
1 Lý thuyết cơ bản Phương trình nhiệt động học thứ nhất
2 Mô hình ma sát Theo công bố của nhà sản xuất (Takeuchi, Kubota et al. 1985)
3 Mô hình hỗn hợp môi chất Hòa khí hình thành trong
buồng đốt
Hòa khí hình thành ngoài
buồng đốt
4 Mô hình cháy AVL MCC AVL Fractal
5 Mô hình truyền nhiệt: Mô hình Woschini
6 Mô hình phát thải NOx Mô hình Zeldovich
7 Mô hình phát thải soot Mô hình Schubiger và Hiroyasu Không có
8 Mô hình phát thải CO Mô hình Onorati
9 Mô hình phát thải HC HC được qui đổi vào soot Mô hình HC của Fractal
Mô hình cho quá trình cháy của nhiên liệu
biogas với hệ thống đánh lửa cưỡng bức là mô
hình Fractal. Mô hình cháy Fractal được xây dựng
để nghiên cứu về quá trình cháy ở động cơ cháy
cưỡng bức được sử dụng để dự đoán tốc độ giải
phóng nhiệt cho động cơ có khoảng thời gian hoà
trộn dài (có thể coi là hỗn hợp đồng nhất). Do đó
có thể xét đến ảnh hưởng của các thông số như:
Hình dạng buồng cháy, vị trí và thời gian đánh
lửa. thành phần của khí nạp (khí sót, khí xả luân
hồi, bay hơi của nhiên liệu), chuyển động và
cường độ xoáy của dòng khí nạp, tốc độ lan truyền
của màng lửa ở bên trong buồng cháy của động cơ
đốt trong, độ dày của màng lửa (Boost 2011)
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đánh giá tính chính xác của mô hình
Hình 2. Đánh giá tính chính xác của mô hình
Hình 2 trình bày diễn biến công suất và suất
tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel nguyên bản
và động cơ diesel mô phỏng tại đặc tính ngoài. Sai
số của nguyên bản và mô phỏng nhỏ hơn 5% vì
thế có thể coi các thiết lập cơ khí trong mô hình
của động cơ diesel đảm bảo độ tin cậy để xây
dựng mô hình cho một loại nhiên liệu khác
3.2. Ảnh hưởng của áp suất tăng áp tới công
suất động cơ
Hình 3 trình bày diễn biến công suất của động
cơ khí sinh học với các áp suất tăng áp khác nhau
ở đặc tính ngoài. Có thể thấy tốc độ càng tăng
trong khoảng từ 1000 đến 3000 v/p thì công suất
động cơ càng tăng với mọi áp suất tăng áp. Tại
mỗi tốc độ nhất định áp suất tăng áp càng tăng thì
công suất cũng càng tăng. Tại tốc độ 1500 v/p là
tốc độ nghiên cứu cũng nằm trong quy luật này.
Công suất lớn nhất tại tốc độ này đạt 24 kW với
áp suất tăng áp là 1,5 bar.
Hình 3. Diễn biến công suất với các áp suất tăng áp
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
64
3.3. Ảnh hưởng của tăng áp tới các thông số
trong xi-lanh
Hình 4 trình bày diễn biến áp suất và nhiệt độ
trong xi-lanh theo góc quay trục khuỷu tại tốc độ
1500 v/p với áp suất tăng áp là 1,5 bar. Có thể
nhận thấy khi động cơ sử dụng nhiên liệu khí sinh
học thì quá trình đốt cháy có xu hướng đốt cháy
sớm hơn so với động cơ diesel. Trong trường hợp
động cơ khí sinh học tăng áp, áp suất và nhiệt độ
trong xi-lanh cao hơn đáng kể so với động cơ
không tăng áp
Hình 4. Diễn biến áp suất và nhiệt độ trong xi-
lanh của động cơ khí sinh học khi tăng áp
3.4. Phát thải NO
x
Hình 5. Diễn biến phát thải Nox
Hình 5 trình bày trình bày diễn biến phát thải
NO
x
ở tốc độ 1500 v/p, áp suất tăng áp 1,5 bar
trong ba trường hợp động cơ diesel nguyên thủy,
động cơ khí sinh học không tăng áp và động cơ
khí sinh học có tăng áp. Có thể nhận thấy động cơ
khí sinh học tăng áp có phát thải NO
X
lớn hơn
động cơ khí sinh học không tăng áp nhưng thấp
hơn rất nhiều so với động cơ diesel nguyên thủy.
Trong vùng tải trọng từ 5 kW đến 22kW phát thải
NO
x
giảm trung bình là 89,2%.
3.5. Phát thải CO
Hình 6 trình bày diễn biến phát thải CO ở tốc
độ 1500 v/p, áp suất tăng áp 1,5 bar trong ba
trường hợp động cơ diesel nguyên thủy, động cơ
khí sinh học không tăng áp và động cơ khí sinh
học có tăng áp. Có thể nhận thấy khi được tăng áp
thì phát thải CO của động cơ khí sinh học lớn hơn
động cơ diesel nguyên thủy. Trong vùng tải trọng
từ 5 kW đến 22kW phát thải CO trong trường hợp
có tăng áp tăng trung bình 37,5%. Điều này có thể
giải thích là do sự cháy không hoàn toàn của nhiên
liệu biogas.
Hình 6. Diễn biến phát thải CO
3.6. Phát thải soot hoặc HC
Hình 7 trình bày diễn biến phát thải soot hoặc
HC ở tốc độ 1500 v/p, áp suất tăng áp 1,5 bar
trong ba trường hợp động cơ diesel nguyên thủy,
động cơ khí sinh học không tăng áp và động cơ
khí sinh học có tăng áp. Đối với động cơ diesel
nguyên thủy phát thải là soot, đối với động cơ khí
sinh học phát thải là HC.
Có thể nhận thấy phát thải HC của động cơ khí
sinh học có tăng áp thì lớn hơn so với không tăng
áp nhưng lại thấp hơn rất nhiều so với động cơ
nguyên thủy. Trong vùng tải trọng từ 5 kW đến
22kW phát thải trong trường hợp có tăng áp giảm
trung bình 85,8%. Điều này có thể lý giải là động
cơ khí sinh học không có nhiên liệu diesel tham
gia quá trình cháy.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
65
Hình 7. Diễn biến phát thải HC hoặc soot
4. KẾT LUẬN
Như vậy có thể nói tăng áp cho động cơ sử
dụng nhiên liệu khí sinh học là một phương án
khả thi. Đối với động cơ nghiên cứu khi được
trang bị bộ tăng áp, nếu làm việc ở tốc độ 1500
v/p với áp suất tăng áp là 1,5 bar thì công suất
động cơ sẽ tăng hơn 2kW so với động cơ diesel
nguyên thủy. Cũng ở tốc độ làm việc này trong dải
công suất từ 5kW đến 22kW các phát thải phát
thải NO
x
và soot giảm lần lượt là 89,2% và 85,8%,
phát thải CO tăng 37,5%.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Boost, A. (2011). "AVL Boost Combustion Model, Austria." egreen (2023). from https://egreenpro.com/.
Huang, J. and R. Crookes (1998). "Assessment of simulated biogas as a fuel for the spark ignition
engine." Fuel 77(15): 1793-1801.
Kabeyi, M. J. B. and O. A. Olanrewaju (2022). "Technologies for biogas to electricity conversion."
Energy Reports 8: 774-786.
Takeuchi, K., et al. (1985). "The new Isuzu 2.5 liter and 2.8 liter 4-cylinder direct injection diesel
engine." SAE transactions: 434-452.
Zhao, R., et al. (2014). "Parametric study of power turbine for diesel engine waste heat recovery."
Applied Thermal Engineering 67(1-2): 308-319.
Abstract:
EFFECT OF TURBO PRESSURE ON PERFORMANCE
AND EMISSION FEATURES OF BIOGAS ENGINE
This article presents research results on the effects of boost pressure on a biogas engine's performance
and emission features when equipped with a turbocharger. The simulation software is AVL Boost
software, and the research engine is the Isuzu 4JA1 diesel engine equipped for generators on farms.
Research results show that converting a diesel engine into a biogas engine fitted with a turbocharger. If
the engine works at a speed of 1500 rpm, with a boost pressure of 1.5 bar, the turbocharged biogas
engine's power will increase by 2kW compared to the original diesel engine. In addition, when the
machine works in the load range from 5kW to 22kW, the emissions of the biogas engine equipped with a
turbocharger decrease very strongly in NOx and soot emissions by 89.2% and 85.8%, respectively.
However, CO emissions increased by 37.5%.
Keywords: Boost pressure for biogas generators, reduce emissions.
Ngày nhận bài: 09/11/2023
Ngày chấp nhận đăng: 10/12/2023