Kiểm soát tỉ lệ không khí/ nhiên liệu của động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas nghèo pha HHO

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Kiểm soát tỉ lệ không khí/ nhiên liệu của động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas nghèo pha HHO trình bày công nghệ kiểm soát tỉ lệ không khí/ nhiên liệu của động cơ chạy bằng biogas nghèo pha HHO được thực hiện nhờ hai van cấp ga kiểu hút chân không: Van công suất cấp ga gián đoạn và van làm đậm cấp ga liên tục.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kiểm soát tỉ lệ không khí/ nhiên liệu của động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas nghèo pha HHO

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 3, 2019 1 KIỂM SOÁT TỈ LỆ KHÔNG KHÍ/ NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CHẠY BẰNG BIOGAS NGHÈO PHA HHO AIR/FUEL RATIO CONTROL OF AN SI-ENGINE FUELED WITH POOR BIOGAS-HHO Bùi Văn Ga1, Võ Anh Vũ1, Bùi Thị Minh Tú1, Bùi Văn Hùng2, Trương Lê Bích Trâm3, Phạm Văn Quang4 1 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; buivanga@ac.udn.vn 2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng 3 Đại học Đà Nẵng 4 Trường Đại học Đông Á Đà Nẵng Tóm tắt - Bài báo trình bày công nghệ kiểm soát tỉ lệ không khí/ Abstract - The paper presents technology for controlling air-fuel nhiên liệu của động cơ chạy bằng biogas nghèo pha HHO được ratio of engine fueled with HHO enriched poor biogas by two thực hiện nhờ hai van cấp ga kiểu hút chân không: van công suất vacuum-type gas supplying valves: intermittent gas supplying cấp ga gián đoạn và van làm đậm cấp ga liên tục. Thời điểm tác power valve and continuous gas supplying enriched mixture valve. động của các van được điều chỉnh theo áp suất trên đường nạp. The timings of the valves are adjusted according to pressure in Khi tốc độ động cơ tăng, độ chân không tại họng nạp ga tăng và intake manifold. As engine speed increases, the vacuum at throttle thời điểm cực đại lùi về phía cuối quá trình nạp. Khi cấp ga gián increases and the time reaches to the peak value tends to the end đoạn, mức độ dao động áp suất tại họng nạp ga giảm khi tăng tốc of intake process. As intermittent gas supplys, the amplitude of độ động cơ. Trong cùng điều kiện cung cấp gas, hệ số tương pressure fluctuation at the throttle decreases as engine speed đương của hỗn hợp tăng nhẹ nếu bổ sung HHO. Nếu không có increases. Under the same gas supplying conditions, equivalence van làm đậm thì cùng độ mở bướm ga, hệ số tương đương của ratio increases slightly if HHO is injected. Without enriched mixture hỗn hợp giảm mạnh khi tăng tốc độ động cơ. Van làm đậm làm valve, at the same throttle opening, equivalence ratio drastically tăng hiệu quả hoạt động của động cơ chạy bằng biogas nghèo pha decreases as engine speed increases. The performance of engine HHO nhờ điều chỉnh thành phần hỗn hợp hợp lý và cải thiện độ fueled with HHO enriched poor biogas is improved with the help of đồng đều của hỗn hợp cuối quá trình nén. enriched mixture valve due to appropriate adjustment of equivalence ratio and enhancing homogeneity of the mixture. Từ khóa - Nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydroxyl HHO; động cơ Key words - Renewable fuels; Biogas; Hydroxyl HHO; Biogas biogas; tỉ lệ không khí/ nhiên liệu engines; Air to Fuel Ratio 1. Giới thiệu biến oxygen lắp trên đường xả hoặc kỹ thuật đo tổng lượng Nhiệm vụ chính của việc kiểm soát tỉ lệ không khí/ khí nạp vào xi lanh [1]. Ngoài ra, nhiều kỹ thuật mới cũng nhiên liệu là duy trì hệ số tương đương của hỗn hợp gần đã được áp dụng để kiểm soát tỉ lệ không khí/ nhiên liệu với giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết. Với tỉ lệ này, hiệu quả nằm trong giới hạn hẹp xung quanh tỉ lệ cháy hoàn toàn lý quá trình đạt cao nhất và mức độ phát thải ô nhiễm thấp thuyết [5]. Với sự phát triển của các hệ thống thông minh, nhất. Trong thực tế, rất khó duy trì tỉ lệ này vì động cơ, nhất ngày nay nhiều mô hình kiểm soát hệ số tương đương mới là động cơ trên thiết bị vận chuyển cơ giới, thường xuyên đã được đề xuất như kiểm soát thích ứng (adaptive thay đổi chế độ vận hành [1]. Việc duy trì tỉ lệ không controllers) [6], kiểm soát dựa trên quan sát (observer khí/nhiên liệu cháy hoàn toàn lý thuyết còn để đảm bảo cho based controllers) [7], hay mô hình kiểm soát dự báo hệ thống xử lý xúc tác trên đường xả hoạt động hữu hiệu (Model Predictive Controllers) [8-9]. Việc sử dụng họng nhằm xử lý triệt để các chất ô nhiễm. nạp điện tử cũng được xem là một giải pháp hữu hiện kiểm Các hệ thống kiểm soát tỉ lệ không khí/ nhiên liệu phổ soát tỉ lệ không khí/ nhiên liệu [10]. biến hiện nay thường được áp dụng đối với nhiên liệu truyền Đối với động cơ tĩnh tại chạy bằng nhiên liệu khí được thống, có nhiệt trị cao. Đối với các loại nhiên liệu khí tái tạo cải tạo từ các loại động cơ chạy bằng xăng dầu truyền thống hay nhiên liệu khí thu hồi từ chế biến chất thải thường có thì thì việc kiểm soát thành phần hỗn hợp gặp nhiều khó chứa các tạp chất nên nhiệt trị của chúng nói chung thấp. Kỹ khăn. Một trong những loại nhiên liệu khí tái tạo phổ biến ở thuật phổ biến cung cấp các loại nhiên liệu khí này vào động nước ta là biogas. Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ là sử dụng họng venturi. Để động cơ có thể làm việc ổn cơ đốt trong là giải pháp hữu hiệu để tiết kiệm nhiên liệu hóa định, người ta phải duy trì hỗn hợp tương đối giàu, hệ số thạch và bảo vệ môi trường, đặc biệt ở khu vực nông thôn, tương đương nằm trong khoảng 1,2 tới 1,3 [2]. Van cung cấp nơi có nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất biogas [11]. nhiên liệu chân không kiểu màng thường được dùng để cung Ngoài mục đích sử dụng tại chỗ để chạy động cơ tĩnh tại, cấp nhiên liệu khí [3]. Với công nghệ này, chúng ta phải chấp biogas còn được tinh luyện và nén để chạy phương tiện giao nhận hệ số tương đương của hỗn hợp được điều chỉnh trong thông cơ giới [12]. Biogas có chứa hàm lượng CO2 cao nên một dải rộng, không đảm bảo được thành phần hỗn hợp tối nhiệt trị thấp và chất lượng quá trình cháy kém. Để cải thiện ưu cho tất cả các chế độ công tác của động cơ. Để cải thiện chất lượng quá trình cháy, giải pháp bổ sung hydrogen để đường đặc tính cung cấp nhiên liệu khí, một van cung cấp làm giàu nhiên liệu đã được nhiều tác giả quan tâm [13-14]. nhiên liệu bổ sung có liên hệ cơ khí với hệ thống điều khiển Khi cải tạo động cơ chạy bằng xăng dầu truyền thống ga của động cơ đã được đề xuất [4]. sang chạy bằng biogas thì nhiệm vụ quan trọng nhất là thiết Trên động cơ ô tô thế hệ mới, tỉ lệ không khí/ nhiên liệu kế, chế tạo bộ tạo hỗn hợp đảm bảo cho động cơ có thể hoạt được điều chỉnh nhờ hệ thống điều khiển điện tử với cảm động hiệu quả ở các chế độ khác nhau. Tính toán mô phỏng
2 Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Hùng, Trương Lê Bích Trâm, Phạm Văn Quang để xác định kết cấu và kích thước cơ bản của bộ tạo hỗn Trao đổi chất được thể hiện bằng mô hình species hợp đã được công bố [15-20]. Trong các công trình này, transport trong môi trường không phản ứng hóa học. Hiện cung cấp nhiên liệu biogas bằng van cơ khí đã được thực tượng rối của dòng chảy được mô phỏng bởi mô hình k- tiêu hiện. Kim van có liên hệ cơ khí với cơ cấu điều khiển tải chuẩn. Điều kiện biên gồm áp suất, nhiệt độ và thành phần hay bộ điều tốc của động cơ. Lưu lượng biogas cung cấp hỗn hợp khí đi vào đầu đường nạp không khí, đầu đường nạp vào động cơ phụ thuộc vào độ mở của van. Do khoảng dịch biogas, đầu đường nạp HHO, đầu đường nạp làm đậm và đầu chuyển của kim van hạn chế nên việc điều chỉnh chính xác đường nạp không tải. Quá trình tính toán được thực hiện ở lưu lượng biogas theo chế độ công tác của động cơ rất khó chế độ toàn tải với bướm ga ở vị trí mở hoàn toàn. thực hiện. Điều này có nghĩa là, khi sử dụng van cơ khí thì Hình 2, giới thiệu đường đồng mức của tốc độ và áp phạm vi thay đổi hệ số tương đương sẽ nằm trong một dải suất trong đường nạp trên mặt cắt đối xứng đi qua trục xi rộng khi động cơ hoạt động. Trong điều kiện động cơ tĩnh lanh và trục đường nạp ở vị trí góc quay trục khuỷu 90 tại được cấp biogas tại nguồn, làm việc thường xuyên với trong hai trường hợp: tốc độ quay của trục khuỷu động cơ tốc độ và chế độ tải ổn định thì van cung cấp biogas kiểu 1500 vòng/phút và 3500 vòng/phút và không cung cấp cơ khí có thể được áp dụng [21]. nhiên liệu. Chúng ta thấy, tốc độ trung bình dòng khí tại Tuy nhiên, để tăng hiệu quả hoạt động của động cơ họng cao nhất và cũng tại vị trí đó, độ chân không đạt giá biogas và sử dụng hiệu quả nhiên liệu tái tạo thì việc nghiên trị lớn nhất. Phân bố tốc độ cũng như áp suất trên đường cứu tinh chỉnh quá trình cung cấp nhiên liệu cho động cơ nạp không khác biệt nhiều khi tốc độ động cơ thay đổi. Tuy là rất cần thiết. Giải pháp cung cấp nhiên liệu LPG bằng nhiên, giá trị tốc độ và độ chân không tăng rất mạnh khi 3 van chức năng [4] có thể được áp dụng hiệu quả khi động tăng tốc độ động cơ. cơ chạy bằng nhiên liệu khí giàu. Trong trường hợp này chỉ cần thay đổi chút ít lượng nhiên liệu thì chế độ tải của động cơ đã thay đổi đáng kể. Đối với nhiên liệu khí nghèo việc điều chỉnh sẽ phức tạp hơn vì muốn tác động đến tải động cơ thì lượng nhiên liệu cung cấp cần thay đổi lớn. Việc thay đổi lượng nhiên liệu lớn trong thời gian rất ngắn, đặc biệt khi động cơ chạy ở tốc độ cao là một thử thách đối với hệ thống kiểm soát tỉ lệ không khí-nhiên liệu. Trong công trình này, nhóm tác giả đề xuất công nghệ kiểm soát tỉ lệ không khí/ nhiên liệu thông qua phương thức cấp ga: cấp ga gián đoạn qua vòi phun công suất và cấp ga liên tục thông qua vòi phun làm đậm. Đồng thời để cải thiện tốc độ cháy của biogas nghèo, một lượng nhỏ hydroxyl Hình 2. Đường đồng mức tốc độ và áp suất ở tốc độ quay trục khuỷu 1500 vòng/phút và 3500 vòng/phút (không cung cấp nhiên liệu) (HHO) được bổ sung vào nhiên liệu. Khi cung cấp biogas qua vòi phun công suất thì trường 2. Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu khí tốc độ thay đổi và vùng có độ chân không lớn nhất dịch Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas-HHO chuyển về phía hạ lưu so với họng venturi. Độ chân không được thực hiện bằng phần mềm FLUENT trên động cơ ngay tại họng, nơi đặt vòi phun công suất giảm, tác động Honda GX-390. Động cơ có đường kính xi lanh 88mm, hành đến việc đóng mở van cung cấp biogas. Nhiên liệu khí sau trình piston 64mm, tỉ số nén 8,2. Hệ thống nạp được cải tạo khi ra khỏi vòi phun được khuếch tán vào trong dòng khí để cung cấp biogas-HHO gồm họng venturi, vòi phun biogas và hút vào xi lanh. Phân bố trường nồng độ CH 4 tương tự với ống cấp HHO làm giàu nhiên liệu, vòi phun làm đậm, phân bố trường tốc độ dòng khí nạp (Hình 3). vòi phun không tải và bướm ga (Hình 1). Đường kính đường nạp của động cơ là 30mm và đường kính họng venturi là 15mm. Trong phần sau đây, áp suất tĩnh được tính trung bình trên các mặt cắt S1, S2, S3 và S4 cách mặt cắt vào đường nạp lần lượt 5mm, 40mm, 47mm và 113mm. Các điểm P1, P2, P3, P4, P5 và P6 cách thành đường ống nạp theo phương y 1mm tại các vị trí thể hiện trên Hình 1. Hình 3. Trường tốc độ, trường áp suất và trường nồng nộ nhiên liệu khi động cơ chạy ở tốc độ 1500 vòng/phút và 4000 vòng/phút Trong trường hợp động cơ chạy bằng biogas được làm Hình 1. Sơ đồ bộ tạo hỗn hợp động cơ chạy bằng biogas nghèo giàu bởi HHO và hệ thống làm đậm hỗn hợp được kích hoạt được làm giàu bởi HHO thì độ chân không tại họng và trong vùng hạ lưu bướm ga
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 3, 2019 3 đều giảm do ảnh hưởng của áp suất nhiên liệu cung cấp vào độ chân không cực đại chỉ đạt khoảng 10.00Pa khi tốc độ đường nạp. Mặt khác, do vòi phun làm đậm được bố trí ở động cơ 1000 vòng/phút nhưng đạt trên 70.000Pa ở tốc độ vùng hạ lưu bướm ga nên nhiên liệu được hút vào xi lanh độn cơ 4000 vòng/phút. Thời điểm đạt giá trị cực đại của sớm hơn, cải thiện được độ đồng đều của hỗn hợp khi tốc độ chân không dịch chuyển dần về phía cuối quá trình nạp độ động cơ tăng cao. khi tốc độ động cơ tăng. Hình 5 cho thấy, độ chân không Trong các tính toán của công trình này, biogas nghèo tại mặt cắt ngang 3 đạt cực đại ở vị trí góc quay trục khuỷu được giả định chứa 60% CH4 và 40% CO2 theo thể tích. 80, 95, 115 và 120 tương ứng với tốc độ động cơ 1000, Hydroxyl (HHO) chứa 34% O2 và 66% H2 theo thể tích. 2000, 3000 và 4000 vòng/phút. Sự dịch chuyển này có thể Áp suất dư không khí nạp vào động cơ là 0Pa, áp suất được giải thích do quán tính của dòng khí. Khi tốc độ động biogas ở đầu vòi phun là 1000Pa và áp suất HHO ở đầu ống cơ tăng thì quán tính dòng khí lớn dẫn đến độ chân không cung cấp là 500Pa. tiếp tục tăng ngay sau khi tốc độ piston đã bắt đầu giảm. 3.2. Biến thiên áp suất trên đường nạp khi cung cấp 3. Kết quả và bình luận nhiên liệu 3.1. Biến thiên áp suất trên đường nạp khi không cung cấp nhiênpres-section_n2000 liệu pres_point_sansFuel_n2000  (TK)  (TK) 0 30 60 90 120 150 180 0 30 60 90 120 150 180 0 0 -5000 S1 P1 P2 -5000 -10000 -10000 -15000 S2 P6 p (Pa) -15000 P5 p (Pa) -20000 S3 -25000 S4 -20000 P3 -30000 -25000 P4 -35000 -30000 a. b. Hình 4. Biến thiên áp suất tĩnh trung bình trên các mặt cắt ngang (a) và áp suất tĩnh tại các điểm sát thành đường nạp (b) khi trục khuỷu động cơ quay với tốc độ 2000 vòng/phút, không cấp ga Độ chân không trên đường nạp biến thiên theo tốc độ di chuyển của dòng khí hút vào xi lanh do sự dịch chuyển của piston theo phương trình Bernoulli. Khi piston đến ĐCT hay ĐCD thì tốc độ của nó bằng không nhưng tốc độ dòng không khí trên đường nạp vẫn khác 0 do quán tính. Hình 4a giới thiệu biến thiên áp suất tĩnh trung bình tại 4 mặt cắt ngang trên Hình 6. Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) và van cấp gas liên tục (b) đường nạp và Hình 4b giới thiệu áp suất tĩnh tên thành đường nạp tại 6 điểm sát thành đường ống nạp. Chúng ta thấy, áp suất Dựa trên sự biến thiên áp suất dòng khí trong đường trung bình trên mặt cắt ngang không khác biệt nhiều áp suất nạp, chúng ta có thể thiết kế van chân không để cung cấp sát thành đường nạp tại điểm khảo sát. Do tiết diện ống hẹp nhiên liệu khí cho động cơ. Trong công trình này hai nên sự phân bố áp suất trên mặt cắt ngang đường này hầu như phương án cung cấp nhiên liệu khí kiểu hút chân không đồng đều. Áp suất chân không lớn nhất ở các mặt cắt cũng đã được đề xuất: phương án cấp nhiên liệu gián đoạn như các điểm khu vực họng venturi về phía hạ lưu. pres-vs-n_point3_sansfuel (Hình 6a) và cung cấp nhiên liệu liên tục (Hình 6b).  (TK) Nguyên lý hoạt động chung của các van này dựa vào sự 0 60 120 180 240 cân bằng của lực hút chân không tác động lên màng van và lực căng lò xo. Trong trường hợp cấp ga gián đoạn, 0 đường hút chân không cũng chính là đường cấp ga vào 1000 v/ph đường nạp. Do đó, khi mở van cấp ga, độ chân không tại 1500 v/ph van giảm và van đóng lại. Sau khi đóng, nếu vẫn còn trong -20000 2000 v/ph quá trình nạp, độ chân không tăng trở lại và van lại mở ra. 2500 v/ph Việc đóng, mở van vì vậy diễn ra theo chu kỳ. Trong p (Pa) -40000 trường hợp cấp ga liên tục thì khoan cấp ga được cô lập với 3500 v/ph 3000 v/ph khoan hút chân không. Do đó áp suất ga không ảnh hưởng -60000 đến độ chân không nên van không đóng, mở theo chu kỳ 4000 v/ph như trường hợp cấp ga gián đoạn. -80000 Với đồ thị biến thiên áp suất trên đường nạp trình bày Hình 5. Ảnh hưởng của tốc độ quay trục khuỷu đến áp suất tĩnh ở Hình 4 và Hình 5, việc lựa chọn đường kính màng van và trung bình trên mặt cắt ngang số 3 sức căng lò xo cho phép chúng ta điều chỉnh thời điểm bắt Khi tốc độ động cơ thay đổi thì tốc độ dòng khí trong đầu và kết thúc quá trình cung cấp nhiên liệu. đường nạp cũng thay đổi. Hình 5 cho thấy, áp suất tĩnh thay Hình 7a và Hình 7b so sánh biến thiên áp suất trung đổi rất mạnh theo tốc độ động cơ. Tại mặt cắt ngang số 3, bình trên các mặt cắt ngang khảo sát khi cấp ga liên tục và
4 Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Hùng, Trương Lê Bích Trâm, Phạm Văn Quang khi cấp ga gián đoạn ở tốc độ quay của trục khuỷu động cơ Hình 9a và Hình 9b so sánh biến thiên hệ số tương 2000 vòng/phút. Khi cấp ga liên tục, đường cong áp suất đương  của hỗn hợp trong xi lanh theo góc quay trục biến thiên đều đặn như khi không cấp ga. Xung áp suất chỉ khuỷu ứng với các tốc độ động cơ khác nhau trong trường xuất hiện tại thời điểm mở và đóng van cấp ga. Trong hợp động cơ chạy bằng biogas theo phương thức cấp ga trường hợp cấp ga gián đoạn, áp suất dao động rất mạnh. liên tục và cấp ga gián đoạn. Hình 10a và Hình 10b so sánh Giá trị của độ chân không tại các đỉnh xung lớn hơn giá trị biến thiên tương tự của  khi động cơ chạy bằng biogas độ chân không trung bình tại mặt cắt tương ứng khi cấp ga được làm giàu bởi HHO. Trong các điều kiện và phương liên tục. Điều này có thể giải thích do ảnh hưởng của quán thức cấp ga, khi tốc độ động cơ tăng thì hệ số tương đương tính dòng khí. pres-section_bio-seul_n2000 giảm. Như trên đã trình bày, khi tăng tốc độ động cơ thì độ pres-section_bioseul_n2000_permanent  (TK)  (TK) chân không tăng, khoảng góc quay trục khuỷu mở van cấp 0 30 60 90 120 150 180 0 30 60 90 120 150 180 0 0 ga tăng nhưng không tương ứng với mức giảm thời gian -5000 S2 S1 S2 S1 mở van nên lượng nhiên liệu nạp vào động cơ giảm. -10000 -10000 Cùng điều kiện cấp gas, khi cấp liên tục hệ số tương -15000 -20000 S4 đương  của hỗn hợp cao hơn nhiều so với khi cấp gas gián p (Pa) p (Pa) -20000 S4 đoạn. Ở chế độ tốc độ 4000 vòng/phút, nếu cấp gas gián đoạn thì hệ số tương đương =0,65 nhưng nếu cấp gas liên -25000 -30000 S3 -30000 -35000 S3 tục thì =1,07 khi động cơ chỉ chạy bằng biogas (Hình 9a -40000 và Hình 9b). Khi động cơ chạy bằng biogas được làm giàu a. b. bởi HHO thì trong cùng điều kiện trên, các giá trị hệ số Hình 7. Biến thiên áp suất trung bình tại các mặt cắt ngang khảo tương đương tương ứng là =0,79 và =0,95. sát khi cung cấp biogas liên tục (a) và khi cấp biogas gián đoạn (b) pres-section_bio-hho_n2000 pres-section_bio-hho_n2000_permanent  (TK) Kết quả trên cũng cho thấy, khi động cơ chạy bằng  (TK) 0 30 60 90 120 150 180 0 30 60 90 120 150 180 biogas thì ở chế độ tốc độ động cơ cho trước, mức độ chênh 0 S2 S1 0 S1 lệch  giữa phương thức cấp ga liên tục và phương thức -5000 -5000 S2 cấp ga gián đoạn cao hơn khi động cơ chạy bằng biogas bổ -10000 -10000 sung HHO. Ở tốc độ động cơ 4000 vòng/phút mức chênh -15000 lệch này là 0,95/0,65 khi chạy bằng biogas so với 0,97/ 0,79 p (Pa) -15000 p (Pa) -20000 S4 -20000 S4 khi chạy bằng biogas được làm giàu bởi HHO. -25000 -30000 S3 -25000 Do hệ số tương đương  thay đổi mạnh theo tốc độ động -35000 -30000 S3 cơ trong cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu và cùng vị trí a. b. độ mở bướm ga nếu điều chỉnh cho hỗn hợp tối ưu cho động cơ chạy ở tốc độ thấp thì khi chạy ở tốc độ cao, hỗn Hình 8. Biến thiên áp suất trung bình tại các mặt cắt ngang khảo sát khi cung cấp biogas-HHO liên tục (a) và khi cấp ga gián đoạn (b) hợp quá nghèo, động cơ không thể chạy được. Ngược lại khi chỉnh thành phần hỗn hợp tối ưu ứng với tốc độ cao thì Với đường kính màng van cho trước, thời điểm đóng, khi chạy ở tốc độ thấp, hỗn hợp sẽ quá giàu, ngoài giới hạn mở van cấp ga, tức thời gian cấp ga, có thể được điều chỉnh bốc cháy. Vì vậy, để động cơ có thể làm việc tại mọi điểm thông qua điều chỉnh sức căng lò xo để van hoạt động trong trên đường đặc tính (đặc tính ngoài và đặc tính cục bộ) phạm vi độ chân không mong muốn. Hình 5 cho thấy với chúng ta phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo tốc độ cùng độ chân không cho trước thì khoảng góc quay trục động cơ bằng cách bổ sung thêm nhiên liệu khi tốc độ động khuỷu mở van (tính theo độ góc quay trục khuỷu, TK) cơ tăng. Nguyên tắc cơ bản của giảifi-n_biogas-seul_permanent pháp công nghệ là dựa tăng khi tăng tốc độ động cơ. Tuy nhiên lượng khí ga hút vào sự gia fi-n_biogas-hho tăng độ chân không theo tốc độ động cơ. vào đường nạp nhiều hay ít phụ thuộc khoảng thời gian mở   2000 v/ph 2000 v/ph van (tính theo s). Khi tốc độ động cơ cao thì cùng một 1.2 1.6 khoảng thời gian tính theo s cho trước, trục khuỷu quay 1 3000 v/ph 1.2 3000 v/ph 4000 v/ph 4000 v/ph được một góc lớn hơn khi tốc độ động cơ thấp. 0.8 3.3. Biến thiên hệ số tương đương của hỗn hợp nhiên 0.6 0.8 fi-n_biogas-hho_permanent liệu trong fi-n_biogasseul xi lanh 0.4 0.4 1.6 0.2 1  2000 v/ph  2000 v/ph  (TK)  (TK) 0 0 0.8 3000 v/ph 0 60 120 180 240 300 360 0 60 120 180 240 300 360 1.2 3000 v/ph 4000 v/ph 4000 v/ph 0.6 a. b. 0.8 0.4 Hình 10. Biến thiên hệ số tương đương  của hỗn hợp trong 0.4 xi lanh động cơ ứng với các chế độ tốc độ khác nhau khi động 0.2 cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi HHO theo phương thức  (TK)  (TK) cấp ga gián đoạn (a) và liên tục (b) 0 0 0 60 120 180 240 300 360 0 60 120 180 240 300 360 3.4. Giải pháp công nghệ cấp nhiên liệu khí cho động cơ a. b. Để bù lượng ga thiếu hụt khi tốc độ động cơ công trình Hình 9. Biến thiên hệ số tương đương  của hỗn hợp trong xi lanh này đề xuất bổ sung thêm một van làm đậm hỗn hợp. Van động cơ ứng với các chế độ tốc độ khác nhau khi động cơ chạy làm đậm chỉ mở khi độ chân không tại họng vượt quá một bằng biogas theo phương thức cấp ga gián đoạn (a) và liên tục (b) giá trị cho trước. Giá trị này được tính toán sao cho ở tốc độ
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 3, 2019 5 thấp, van làm đậm ở trạng thái đóng. Hình 11 giới thiệu biến max vào cuối quá trình nén là 0,02 khi có hệ thống làm đậm thiên của hệ số tương đương  dưới tác động của các van so với 0,14 khi không có hệ thống làm đậm. cung cấp biogas khác nhau. Van công suất cấp ga theo phương thức gián đoạn tác động ở áp suất chân không - 15.000Pa còn van làm đậm cấp ga theo phương thức liên tục, tác động ở áp suất chân không -60.000Pa khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút.Trong điều kiện này, khi động cơ chạy ở tốc độ 1500 vòng/phút thì hệ số tương đương  xấp xỉ 1. Kết quả này cho thấy khi không có van làm đậm thì hỗn hợp rất nghèo, hệ số tương đương của hỗn hợp =0,69. Nhờ có van làm đậm bổ sung thêm nhiên liệu, hệ số tương đương fi-n4000-congsuat-giatoc-tonghop_m của hỗn hợp tổng quát được nâng lên xấp xỉ 1,05.  1  tổng hợp 0.8  công suất 0.6 0.4  làm đậm 0.2  (TK) 0 0 60 120 180 240 300 360 Hình 11. Biến thiên hệ số tương đương  trong xi lanh động cơ Hình 13. Phân bố hệ số tương đương  trong xi lanh theo dưới tác động của các van cấp ga thành fi-n1500_bio-vs-biohydro phần (n=3000 vòng/phút) fi-n4000_bio_sanslamdam-vs-lamdam góc quay trục khuỷu (n=4000 vòng/phút, biogas) 1.2   3.5. Áp dụng công nghệ cung cấp nhiên liệu khí nghèo 1 Biogas-HHO 1 Làm đậm trên động cơ kéo máy phát điện Biogas 0.8 0.8 Không làm đậm Nguyên lý cung cấp biogas nghèo được làm giàu bởi 0.6 HHO nêu trên đã đăng ký bằng độc quyền sáng chế theo 0.6 0.4 đơn số 1-2019-00414 của Cục Sở hữu trí tuệ. Hệ thống 0.4 cung cấp nhiên liệu được chế tạo thành cụm van tích hợp 0.2 0.2 gồm van công suất, van làm đậm và van không tải (Hình  (TK)  (TK) 0 0 14a). Các đầu ra của cụm van được đấu nối vào bộ tạo hỗn 0 60 120 180 240 300 360 0 60 120 180 240 300 360 hợp khi lắp trên động cơ (Hình 14b). Hệ thống được lắp đặt a. b. đơn giản, vận hành dễ dàng, có độ tin cậy cao. Mô-đun van Hình 12. Biến thiên hệ số tương đương  khi động cơ chạy ở tốc thiết kế cho động cơ GX390 có thể lắp đặt trên động cơ có độ 1500 vòng/phút bằng biogas và bằng biogas-HHO (a); biến dải công suất nhỏ hơn 10kW. Hình 14c là ảnh chụp thử tải thiên hệ số tương đương  khi động cơ chạy ở 4000 vòng/phút động cơ kéo máy phát điện 2,5kW khi chạy bằng biogas- bằng biogas-HHO không có van làm đậm và có van làm đậm (b) HHO với cụm van tổ hợp. Thử nghiệm được tiến hành Hình 12a giới thiệu biến thiên hệ số tương đương  khi trong điều kiện bướm ga mở hoàn toàn, tải đầu ra máy phát động cơ chạy ở tốc độ 1500 vòng/phút với biogas và với điện được cung cấp cho các điện trở và máy hàn điện để biogas được làm giàu bởi HHO. Chúng ta thấy, trong cùng tạo quá tải đột ngột. Dòng điện đầu ra máy phát khi không điều kiện cung cấp biogas nếu bổ sung HHO để làm giàu hỗn tăng tải đột ngột là 12A. Tốc độ động cơ được đo bằng hợp thì hệ số tương đương tăng. Trong trường hợp này, đồng hồ đo số vòng quay. =0,98 nếu không bổ sung HHO và =1,04 nếu bổ sung HHO. Trong cùng điều kiện cung cấp biogas-HHO nhưng nếu tốc độ động cơ tăng lên 4000 vòng/phút thì =0,81 so với =0,98 khi tốc độ động cơ 1500 vòng/phút. Trong trường hợp này, nếu kích hoạt hệ thống làm đậm để bổ sung nhiên liệu thì  tăng lên giá trị 1 (Hình 12b). Kết quả này cho thấy, hệ thống làm đậm đóng vai trò quan trọng trong điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo tốc độ khi động cơ chạy bằng nhiên liệu khí nói chung. Đối với nhiên liệu khí biogas nghèo, ngoài việc bổ sung thêm HHO Hình 14. Cụm van công suất, làm đậm và không tải (a), lắp đặt để cải thiện hiệu quả quá trình cháy thì việc bổ sung hệ cụm van và bộ tạo hỗn hợp lên động cơ (b) và thử tải động cơ kéo thống làm đậm là rất cần thiết để đảm bảo thành phần hỗn máy phát điện 2,5kW chạy bằng biogas được làm giàu bởi HHO hợp nằm trong giới hạn cháy khi tốc độ động cơ biến thiên. Bên cạnh đó, khi có hệ thống làm đậm, độ đồng đều của Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy: hỗn hợp được cải thiện đáng kể so với khi không có hệ - Khi không có van làm đậm, động cơ bị hẫng khi chạy thống làm đậm (Hình 13). Mức độ chênh lệch giữa min và ở tốc độ cao, tắt máy khi gia tốc đột ngột.
6 Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Hùng, Trương Lê Bích Trâm, Phạm Văn Quang - Khi có bộ làm đậm, động cơ làm việc ổn định ở mọi [4] Bằng độc quyền sáng chế số 6643 “Hệ thống ba van chức năng cung cấp nhiên liệu khí cho xe gắn máy LPG/xăng", Cục Sở hữu Trí tuệ, chế độ tốc độ; khi tăng tải đột ngột, tốc độ động cơ giảm 09-10-2007. sâu nhưng động cơ không tắt máy. [5] Pengwei Li; Jing Wang; Wenyuan Cai, “Intelligent control for air- - Khi được cung cấp bổ sung HHO, khả năng đáp ứng tải fuel ratio of compressed natural gas engine”, 2013 Fourth của động cơ tốt hơn, động cơ không bị ì ở khu vực tải cao. International Conference on Intelligent Control and Information Processing (ICICIP) DOI: 10.1109/ICICIP.2013.6568160. 4. Kết luận [6] Turin, R. and Geering H., “Model-Reference Adaptive A/F Ratio Control in an SI Engine Based onKalman-Filtering Techniques”, Từ kết quả nghiên cứu trên đây rút ra được những kết American Control Conference, 1995, pp. 4082 – 4090. luận sau: [7] Powell, J. D., Fekete, N. P., Chang C. F., “Observer-Based Air-Fuel Ratio Control”, IEEE Control Systems Magazine, vol. 18, issue 5, - Độ chân không cực đại đạt được ở khu vực gần họng pp. 72-83, Oct 1998. venturi và về phía hạ lưu. Độ chân không tại họng venturi [8] Mianzo, L., Peng, H., Haskara I., “Transient Air-Fuel ratio H∞ tăng mạnh theo tốc độ động cơ. Thời điểm độ chân không Preview Control of a Drive-by-Wire Internal Combustion Engine”, tại họng đạt cực đại dịch chuyển dần về phía cuối quá trình American Control Conference, 2001, pp. 2867 – 2871. nạp khi tốc độ động cơ tăng. [9] Muske, K. R., Jones, C. P. J., “A Model-based SI Engine Air Fuel Ratio Controller”, American Control Conference, 2006, pp. 3284 – - Khi cấp ga gián đoạn thì mức độ dao động áp suất tại 3289. họng nạp giảm khi tăng tốc độ động cơ. Khi cấp ga liên tục [10] Chang, C. F., Fekete N. P., Powell J. D., “Engine Air-Fuel Ratio Control thì biến thiên áp suất trên các mặt cắt ngang không thay đổi Using an Event-Based Observer”, SAE Paper No. 930766, 1993. nhiều khi cung cấp bổ sung HHO vào biogas. Tuy nhiên, [11] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan, “Utilization khi cấp ga gián đoạn thì mức độ dao động áp suất trong of biogas engines in rural area: A contribution to climate change mitigation”, Colloque International RUNSUD 2010, pp. 19-31, trường hợp bổ sung HHO vào biogas thấp hơn đáng kể so Universite Nice-Sophia Antipolis, France, 23-25 Mars 2010. với khi cấp biogas riêng rẽ. [12] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh, Trương Lê Bích - Trong cùng điều kiện cung cấp biogas, hệ số tương đương Trâm, “Nghiên cứu hệ thống cung cấp biogas nén cho xe gắn máy”, của hỗn hợp tăng nếu bổ sung HHO để làm giàu hỗn hợp. Tạp chí Giao Thông Vận Tải, số 12/2009, pp. 79-82, 2009. [13] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Bui Thi Minh Tu, Nguyen Quang - Cùng độ mở bướm ga, hệ số tương đương  của hỗn Trung, “Numerical simulation studies on performance, soot and hợp giảm mạnh khi tăng tốc độ động cơ. Cùng điều kiện NOx emissions of dual-fuel engine fuelled with hydrogen enriched cấp gas, khi cấp liên tục hệ số tương đương  của hỗn hợp biogas mixtures”, IET Renewable Power Generation: Volume 12, Issue 10, (2018), pp. 1111-1118, DOI: 10.1049/iet-rpg.2017.0559. cao hơn nhiều so với khi cấp gas gián đoạn. [14] Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông, “Phỏng đoán sự - Giải pháp cấp ga bằng một van chân không phổ biến phân bố nhiệt độ và NOx trong buồng cháy động cơ đánh lửa cưỡng hiện nay không phù hợp với việc cung cấp biogas nghèo bức chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ-Đại học Đà Nẵng, Vol. 1, số 11(32), 2018. cho động cơ. Với giải pháp này, nếu điều chỉnh hỗn hợp [15] Bui Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Hoàng Nguyên, “Tính toán hợp lý ở tốc độ thấp thì ở tốc độ cao hỗn hợp quá loãng; van cung cấp hỗn hợp biogas-không khí cho động cơ tự cháy do nén nếu điều chỉnh hỗn hợp hợp lý ở tốc độ cao thì ở tốc độ bằng phần mềm FLUENT”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ-Đại thấp hỗn hợp quá đậm. học Đà Nẵng, số 4(39)/2010, pp. 88-95. - Hệ thống cấp nhiên liệu gồm van công suất cấp ga [16] Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, “Xây dựng đường đặc tính bộ tạo hỗn hợp của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng biogas nén”, gián đoạn, van làm đậm cấp ga liên tục giúp điều chỉnh Tạp Chí Giao Thông Vận Tải, số 11/2010, pp. 35-37. thành phần hỗn hợp phù hợp với các chế độ công tác của [17] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xuân Thạch, “Mô phỏng dòng chảy động cơ đồng thời cải thiện độ đồng đều của hỗn hợp, phù qua bộ tạo hỗn hợp động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức bằng phần hợp động cơ chạy bằng nhiên liệu khí nghèo. mềm Fluent”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các Trường Đại học Kỹ thuật số 80-2011, pp. 134-138. Lời cảm ơn: Các tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ Giáo dục [18] Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Trần Văn Nam, Lê Xuân Thạch, và Đào tạo đã hỗ trợ công trình nghiên cứu này thông qua “Mô phỏng dòng chảy qua bộ cung cấp biogas cho động cơ biogas- xăng GATEC-21”, Hội nghị Cơ học Thủy Khí toàn quốc, Cửa Lò, Chương trình Khoa học - Công nghệ cấp Bộ “Nghiên cứu 21-23/7/2011, pp.125-130. phát triển hệ thống năng lượng kết hợp (hybrid) biogas-năng [19] Trần Thanh Hải Tùng, Bùi Văn Ga, Dương Việt Dũng, Nguyễn Hữu lượng mặt trời phù hợp với khu vực nông thôn Việt Nam”. Hường, “Mô phỏng dòng chảy trong bộ cung cấp biogas cho động cơ biogas-diesel GATEC-20”, Hội nghị Cơ học Thủy Khí toàn quốc, Cửa Lò, 21-23/7/2011, pp.661-668. TÀI LIỆU THAM KHẢO [20] Bui Van Ga, Tran Van Nam, “Mixer Design for High Performance [1] Kumar, M. & Shen, T., “Estimation and feedback control of air-fuel ratio Biogas SI Engine Converted from A Diesel Engine”, International for gasoline engines”, Control Theory and Technology, May 2015, Volume Journal of Engineering Research & Technology (IJERT, 13, Issue 2, pp 151–159, https://doi.org/10.1007/s11768-015-4148-9. http://www.ijert.org), Vol. 3 Issue 1, January - 2014, pp. 2743-2760. [2] Danardono, D., Kim, KS., Lee, SY. et al., “Optimization the design of venturi [21] Bằng độc quyền sáng chế số 9562 “Hệ thống cung cấp nhiên liệu gas mixer for syngas engine using three-dimensional CFD modeling”, J Mech biogas cho động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu biogas-xăng”. Sci Technol (2011) 25: 2285. https://doi.org/10.1007/s12206-011-0612-8. Cục Sở hữu Trí tuệ,16-08-2011. [3] GUIBET Jean-Claude: Carburants et moteurs. Editions Technip, 1997. (BBT nhận bài: 29/12/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 26/01/2019)