TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008
22
TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH CUNG CẤP BIOGAS
CHO ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI SỬ DỤNG
HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS-DẦU MỎ
OPTIMAL BIOGAS SUPPLYING SYSTEM FOR
BIOGAS-PETROLEUM BI-FUEL STATIONARY ENGINES
BÙI VĂN GA - TRẦN VĂN QUANG -
TRƢƠNG LÊ BÍCH TRÂM
Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN PHI QUANG
Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế
TÓM TẮT
Các thông số cơ bản cũng như qui luật vận hành của van cung cấp biogas được
nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu cho các động cơ tĩnh tại
chạy bằng hai nhiên liệu biogas-dầu mỏ. Kết quả tính toán van sai lệch so với kết quả
thực nghiệm khoảng 10%. Mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ giảm 100 lần đối với
CO và 10 lần đối với HC so với tiêu chuẩn khí thải động cơ xe cơ giới. Hệ thống cung
cấp nhiên liệu nguyên thủy của động cơ không thay đổi.
ABSTRACT
The basic parameters and law of function of biogas supplying valve is studied for an
optimal fuel supplying to biogas-petroleum bi-fuel stationary engines. The difference
between theoretical calculation of the valve and experiment is about 10%. CO emission
is 100 times and HC emission is 10 times lower than that of regulation for vehicle
engines. Original fuel supplying of engine is unchanged.
1. Giới thiệu
Biogas là nhiên liệu khí thu đƣợc từ phân hủy các chất hữu cơ trong môi trƣờng
thiếu không khí. Biogas là nhiên liệu tái sinh, vì vậy việc sử dụng nó làm nhiên liệu
không làm tăng nồng độ CO2 trong khí quyển [1].
Trên thị trƣờng hiện có những động cơ đƣợc thiết kế đặc biệt để sử dụng biogas
[2]. Những động cơ nhƣ vậy thuộc nhóm các động cơ đặc chủng nên đắt tiền. Vả lại các
động cơ này chỉ chạy bằng biogas, không chạy đƣợc bằng nhiên liệu lỏng nên không
phù hợp với các hầm biogas cỡ nhỏ, có trữ lƣợng biogas hạn chế. Ở nƣớc ta, hầm biogas
đã trở nên quen thuộc ở nông thôn. Tuy nhiên do qui mô sản xuất còn nhỏ nên thể tích
các hầm biogas phổ biến khoảng vài chục m3, không đủ sức cung cấp nhiên liệu liên tục
cho động cơ. Vì vậy, ngoài biogas, động cơ cần phải chạy đƣợc bằng xăng dầu truyền
thống khi cần thiết.
Giải pháp đơn giản nhất là cải tạo các loại động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng phổ
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008
23
biến thành động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas-nhiên liệu lỏng [7]. Ba loại động cơ có thể
là đối tƣợng của việc cải tạo này, đó là động cơ diesel, động cơ xăng không có bộ điều
tốc và động cơ xăng có bộ điều tốc. Đối với động cơ xăng có bộ điều tốc, việc cải tạo
chỉ đơn giản bằng việc liên kết chuyển động của càng điều tốc, bƣớm ga và van tiết lƣu
biogas [9]. Đối với động cơ xăng không có bộ điều tốc (ví dụ cải tạo động cơ xăng của
ô tô thành động cơ tĩnh tại) việc cải tạo thành động cơ tĩnh tại đòi hỏi bổ sung thêm bộ
điều tốc để điều chỉnh lƣu lƣợng biogas. Đối với động cơ diesel việc chuyển sang sử
dụng biogas có thể thực hiện bằng hai cách: hoặc cải tạo bộ điều tốc diesel trở thành bộ
điều tốc biogas, hoặc giữ nguyên bộ điều tốc diesel và bổ sung thêm một bộ điều tốc
vạn năng điều khiển lƣu lƣợng biogas. Cách thứ nhất đơn giản, áp dụng tốt trong trƣờng
hợp động cơ chuyển hẳn sang chạy bằng biogas [8]. Cách thứ hai phức tạp hơn nhƣng
cho phép động cơ chạy bằng hai nhiên liệu, hoặc bằng biogas, hoặc bằng diesel khi cần
thiết.
Trong công trình này chúng tôi nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên liệu tối ƣu
cho động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu biogas-nhiên liệu lỏng.
2. Tính toán quá trình cung cấp biogas cho động cơ
2.1. Cơ sở lý thuyết
Để động cơ tĩnh tại làm việc đƣợc bằng hai nhiên liệu, hệ thống cung cấp nhiên
liệu nguyên thủy của động cơ phải đƣợc giữ nguyên. Vì vậy trong phần này chúng ta
cần tính toán hệ thống cung cấp biogas trên cơ sở hệ thống nhiên liệu xăng hay diesel có
sẵn.
Động cơ tự cháy do nén chạy bằng biogas đƣợc cải tạo từ động cơ diesel làm
việc theo nguyên lý: công suất chính do quá trình cháy biogas sinh ra, một lƣợng diesel
tối thiểu đƣợc phun mồi để đánh lửa hỗn hợp. Lƣợng diesel phun mồi này đƣợc chỉnh ở
mức thấp nhất. Ở tốc độ động cơ bé, khi kiểm tra tia phun ngoài khí trời, chúng ta
không thấy tia nhiên liệu. Tuy nhiên khi tốc độ động cơ tăng cao do tiết lƣu, một lƣợng
nhiên liệu bé vẫn đƣợc cung cấp vào buồng cháy. Năng lƣợng do lƣợng nhiên liệu
diesel tỏa ra đƣợc xem nhƣ không đáng kể.
Động cơ đánh lửa cƣỡng bức có thể chuyển sang chạy hoàn toàn bằng biogas
hoặc có thể sử dụng xăng khi khởi động (trong trƣờng hợp biogas nghèo). Việc điều
chỉnh công suất động cơ đƣợc thực hiện bằng cách điều chỉnh đồng thời lƣu lƣợng hỗn
hợp và lƣu lƣợng biogas để đảm bảo cho thành phần hỗn hợp cố định. Vì vậy bộ điều
tốc động cơ đánh lửa cƣỡng bức chạy bằng biogas phức tạp hơn bộ điều tốc động cơ
diesel.
Với hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết =1, chúng ta cần 20g không khí cần thiết
để đốt cháy hoàn toàn 1g CH4. Ở điều kiện thƣờng tỉ lệ này về mặt thể tích là
20/1,293=15,5 lít và 1/16/22,4=1,4 lít, hay nói cách khác, tỉ lệ thể tích không khí-nhiên
liệu A/F=11 đối với hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết. Giả sử biogas chỉ chứa CH4 và
CO2, nếu thành phần thể tích CH4 là X% thì thành phần thể tích CO2 (100-X)%, nghĩa
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008
24
là trong hỗn hợp cứ 1 lít CH4 thì có (100-X)/X lít CO2 và 11 lít không khí ở điều kiện
cháy hoàn toàn lý thuyết.
Nếu động cơ sử dụng hỗn hợp có độ đậm đặc thì trong hỗn hợp đó cứ 1 lít CH4
thì có (100-X)/X lít CO2 và 11/ lít không khí.
Động cơ bốn kỳ chạy với tốc độ n vòng/phút thì thời gian dành cho kỳ nạp là
tnap=30/n. Giả sử hệ số nạp của động cơ xấp xỉ 1 thì lƣu lƣợng của hỗn hợp qua đƣờng
nạp động cơ là qnap=Vh/tnap. Nếu đƣờng kính đƣờng nạp động cơ là dnap thì tốc độ dòng
khí đi qua đƣờng nạp là Vnap=qnap/(.d2nap/4). Độ chân không trung bình trên đƣờng nạp
pnap=1/2V2nap. Áp suất biogas đƣợc giữ ổn định ở pgas. Vậy chênh áp trƣớc và sau
vòi phun biogas trong giai đoạn nạp là pnap+pgas . Tốc độ biogas ra khỏi vòi phun
trong kỳ nạp:
nap gas
gas,nap
gas
2 p p
V
Tốc độ biogas ra khỏi vòi phun trong phần còn lại của chu trình:
gas
gas
gas
2p
V
Khối lƣợng riêng biogas trong điều kiện thƣờng có thể tính bằng:
gas 1X.16 (100 X).44
2240
(kg/m3)
Nếu gọi S là tiết diện lƣu thông của vòi phun biogas và qgas (m3) là lƣợng biogas
cung cấp cho động cơ ứng với một chu trình, ta có:
S.tnap(Vgas,nap + 3Vgas) = qgas
Từ đó ta tính đƣợc tiết diện lƣu thông của vòi phun biogas ứng với các điều kiện
vận hành khác nhau của động cơ.
Công suất của động cơ do quá trình cháy của methane sinh ra. Nhiệt trị thấp của
methane ở điều kiện thƣờng là QLHV = 35.570 kJ/m3. Nếu hiệu suất có ích của động cơ
là thì công suất của động cơ là:
4
e CH LHV n
P .q .Q .120

(kW)
2.2. Tính toán van cung cấp biogas
cho động cơ diesel
Van cung cấp biogas đƣợc mô
tả trên hình 1. Đầu vào và đầu ra của
van có đƣờng kính Dv. Kim côn của
van có chiều dài L, đƣờng kính lớn d1
và đƣờng kính nhỏ d2. Dc là đƣờng kính
Dv
Dc
Biogas từ
nguồn
cung cấp
Dv
Hình 1: Sơ đồ van cung cấp biogas
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008
25
kim côn tại mặt cắt đế van. Trong quá trình thí nghiệm kim côn đƣợc kéo dọc trục và vị
trí của nó đƣợc xác định nhờ thƣớc đo chuẩn trên van. Động cơ diesel sử dụng trong thí
nghiệm này là động cơ Kubota
GX125-2X-NB-GE có tỉ số nén
24, đƣờng kính xi lanh 94mm,
hành trình piston 90mm, công
suất của động cơ khi chạy bằng
diesel là 8,5kW ở tốc độ 2200
vòng/phút. Động cơ diesel kéo
máy phát điện 5kW (hình 2). Ở
tốc độ cố định, lƣợng hỗn hợp
đi vào xi lanh động cơ không
đổi. Khi tải bên ngoài thay đổi
thì van cung cấp biogas có
nhiệm vụ điều chỉnh lƣu lƣợng
biogas để thay đổi hệ số đậm
đặc dẫn đến thay đổi momen
cung cấp. Hình 3 giới thiệu biến thiên công suất động cơ theo thành phần hỗn hợp tổng
quát ứng với khí biogas có thành phần CH4 60% và 80%. Khác với động cơ đánh lửa
cƣỡng bức, động cơ biogas đánh lửa bằng diesel mồi có thể làm việc với hỗn hợp tổng
quát rất nghèo. Thực nghiệm cho thấy thành phần hỗn hợp nhỏ nhất có thể đạt đến 0,1.
Khi thành phần CH4 trong biogas thấp, do lƣợng CO2 trong nhiên liệu nạp vào xi lanh
tăng nên cùng một giá trị cho trƣớc, công suất động cơ giảm. Khi sử dụng biogas có
thành phần CH4 60%, công suất động cơ giảm 20% so với khi sử dụng biogas có thành
phần CH4 80%.
Hình 4 giới thiệu kết quả tính toán mối quan hệ giữa thành phần hỗn hợp và
đƣờng kính kim van côn Dc ứng với biogas có chứa 60% CH4 và 80% CH4. Đƣờng kính
lỗ van biogas là Dv=14mm. Khi thành phần CH4 trong biogas giảm, để đảm bảo đạt
đƣợc cùng tỉ lệ hỗn hợp cho trƣớc, tiết diện lƣu thông của van phải tăng lên, nghĩa là
đƣờng kính Dc của kim côn phải giảm.
Dc (mm)
80%CH4
60%CH4
Hình 4: Quan hệ giữa đường kính
kim côn Dc và thành phần hỗn hợp
Pe (kW)
80%CH4
60%CH4
Hình 3: Quan hệ giữa công suất
động cơ và thành phần hỗn hợp
Hình 2: Động cơ hai nhiên liệu biogas-diesel
sử dụng trong thí nghiệm
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008
26
2.3. Tính toán van cung cấp biogas cho động cơ xăng
Thí nghiệm sử dụng cụm động cơ-máy phát điện có dung tích xi lanh 135cm3,
tốc độ động cơ 3000 vòng/phút, kéo máy phát điện 2,3 KW (hình 5). Công suất động cơ
xăng có thể đƣợc điều chỉnh bằng hai cách:
hoặc cố định vị trí bƣớm ga và thay đổi thành
phần hỗn hợp (điều chỉnh theo chất), hoặc
cố định thành phần hỗn hợp và thay đổi vị
trí bƣớm ga (điều chỉnh theo lƣợng). Hình 6
giới thiệu kết quả tính toán mối quan hệ giữa
công suất động cơ và thành phần hỗn hợp
ứng với các vị trí bƣớm ga 100%, 75%, 50%
và 25%. Việc điều chỉnh công suất động cơ
trong trƣờng hợp này rất đơn giản, chỉ tác
động lên van tiết lƣu biogas nhƣng nhƣợc
điểm của nó là phạm vi thay đổi công suất ứng
với mỗi vị trí bƣớm ga bé, mỗi khi cần thay đổi dải công suất khác, phải tác động lên
bƣớm ga. Hình 7 giới thiệu kết quả tính toán mối quan hệ giữa công suất động cơ chạy
bằng biogas và độ mở bƣớm ga ứng với
thành phần hỗn hợp cố định ở các giá trị
0,7, 0,9 và 1. Dải thay đổi công suất ứng
với một giá trịcho trƣớc rất rộng, phù
hợp với sự thay đổi của chế độ tải bên
ngoài. Việc điều chỉnh công suất trong
trƣờng hợp này phức tạp hơn, cơ cấu điều
tốc tác động đồng thời lên bƣớm ga và
van tiết lƣu biogas. Hình 8 giới thiệu kết
quả tính toán mối quan hệ giữa đƣờng
kính kim côn của van biogas có đƣờng
kính lỗ van 9mm theo độ mở bƣớm ga ứng với các thành phần hỗn hợp 0,7, 0,9 và 1.
Pe (kW)
% tải
= 1
= 0,9
= 0,7
Hình 7: Quan hệ giữa công suất động cơ
theo độ mở bướm ga ứng với các

khác nhau
Dc (mm)
% tải
Hình 8: Quan hệ giữa độ mở bướm ga và
đường kính kim côn Dc ứng với các độ đậm
đặc khác nhau của hỗn hợp
Hình 5: Động cơ hai nhiên liệu
biogas-xăng dùng trong thí nghiệm
Pe (kW)
100% tải
75% tải
50% tải
25% tải
Hình 6: Quan hệ giữa công suất động cơ và thành phần
hỗn hợp

ứng với các độ mở bướm ga khác nhau