Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG" trình bày các nội dung chính sau: Đánh giá được ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ CNG thông qua các chế độ vận hàn; Cải thiện chất lượng phát thải của động cơ CNG theo hướng giảm phát thải NOx.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan. Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực phù hợp với thực tiễn của Việt Nam và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày tháng năm 2023. Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Nghiên cứu sinh TS. Trần Đăng Quốc PGS.TS. Cao Hùng Phi Hồ Hữu Chấn i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Cơ khí, Phòng đào tạo, Khoa Cơ khí động lực, Nhóm chuyên môn Hệ thống động lực ô tô, đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Đăng Quốc và PGS.TS Cao Hùng Phi, hai người thầy đã hướng dẫn tôi rất tận tình, chu đáo về chuyên môn trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long đã tạo điều kiện, động viên tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy, cô, cán bộ Khoa Cơ khí động lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long đã hỗ trợ, động viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô phản biện, thầy cô trong Hội đồng đánh giá luận án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án cũng như đưa ra những định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã luôn động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Hồ Hữu Chấn ii
MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................... vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................xii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... xv MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 i. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................1 ii. Mục tiêu của luận án ............................................................................................2 iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................2 iv. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................2 v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..............................................................2 vi. Các điểm mới của luận án ...................................................................................3 vii. Bố cục của luận án .............................................................................................3 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ........................................................ 4 1.1. Tổng quan về nhiên liệu thay thế .......................................................................4 Nhiên liệu sinh học (Biofuel) ............................................................5 Nhiên liệu hydrogen .........................................................................8 1.2. Tổng quan về nhiên liệu khí thiên nhiên .......................................................... 10 Đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên ................................................. 10 Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) ............................................ 13 Nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) ..................................... 14 1.3. Các nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên nén................... 15 Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG ................................................ 16 Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu .................................................. 19 Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng ....................................21 Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ diesel ...................................22 1.4. Tổng quan các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên nhiên ....................... 23 Các nghiên cứu ngoài nước ............................................................ 23 Các nghiên cứu trong nước ............................................................. 24 1.5. Kết luận chương 1 ........................................................................................... 25 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ ........................................................................................................................ 27 2.1. Cơ sở hình thành hỗn hợp................................................................................ 27 2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy ......................................................................... 29 iii
Các giả thuyết ................................................................................. 31 Mô hình cháy không chiều.............................................................. 32 Khối lượng hỗn hợp đã cháy ........................................................... 33 Mô hình cháy một vùng: Tốc độ giải phóng nhiệt ........................... 33 2.3. Khái quát về mô phỏng.................................................................................... 33 Phần mềm AVL Boost ....................................................................34 Phần mềm Ansys Fluent .................................................................34 2.4. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ ...................................................................... 37 Lựa chọn động cơ ........................................................................... 37 Nội dung kế thừa từ nghiên cứu của Trần Thanh Tâm .................... 38 Nội dung phát triển trong chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu CNG ................................................................................. 39 2.5. Xây dựng đặc tính làm việc của động cơ sau chuyển đổi .................................45 Thiết bị thí nghiệm ......................................................................... 45 Phương pháp thí nghiệm .................................................................51 Kết quả thí nghiệm ......................................................................... 53 2.6. Kết luận chương 2 ........................................................................................... 55 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG........................................................ 56 3.1. Mục đích ..................................................................................................... 56 3.2. Xây dựng mô hình động cơ nghiên cứu ........................................................... 56 Nghiên cứu động cơ mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost .......... 56 Xây dựng mô hình bằng Ansys Fluent ............................................ 60 3.3. Hiệu chuẩn và điều khiển mô hình...................................................................67 Hiệu chuẩn mô hình trên AVL Boost.............................................. 67 Điều khiển mô hình trên Ansys Fluent ............................................ 69 3.4. Ảnh hưởng của thông số phun ......................................................................... 69 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun .......................................... 69 Ảnh hưởng của lambda ...................................................................75 Ảnh hưởng của thời gian phun ........................................................ 76 Ảnh hưởng của đường kính ống nạp ............................................... 80 Ảnh hưởng của vị trí đặt vòi phun .................................................. 85 Ảnh hưởng của áp suất phun........................................................... 87 3.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc..................................89 3.6. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 92 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................ 94 4.1. Mục đích ..................................................................................................... 94 4.2. Lựa chọn vòi phun điều khiển bằng điện ......................................................... 94 iv
4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng cơ khí đến chất lượng làm việc của động cơ ..................................................................................................... 96 Ảnh hưởng đến mô men và công suất ............................................. 96 Ảnh hưởng đến phát thải của động cơ ............................................. 97 4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến chất lượng làm việc của động cơ ..................................................................................................... 99 Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến lượng nhiên liệu cung cấp..................................................................................... 99 Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất và mô men động cơ .. 101 Ảnh hưởng của áp suất phun đến khí thải ..................................... 102 4.5. So sánh ảnh hưởng của giải pháp phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc của động cơ ................................................................................................... 104 4.6. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng .................................................... 107 4.7. Kết luận chương 4 ......................................................................................... 110 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.............. 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 114 PHỤ LỤC ................................................................................................... 128 Phụ lục 1. Kết quả mô phỏng Ansys Fluent.......................................................... 128 Phụ lục 2. Kết quả mô phỏng AVL Boost ............................................................ 129 Phụ lục 3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 136 Phụ lục 4. Quá trình chuyển đổi hệ thống làm mát động cơ thí nghiệm S1100: .... 138 Phụ lục 5. Hệ thống điều khiển đánh lửa và vòi phun........................................... 141 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Kí hiệu Chú thích 1 HC Hydrocacbon 2 CO Carbon monoxit 3 𝑁𝑂 𝑋 Nitric oxide (Nitơ monoxide) 4 𝑂2 Oxy 5 𝐶𝐻4 Metan 6 𝐻2 𝑆 Hidro sunfua 7 𝐻𝐸 Heli 8 𝐶𝑂2 Carbon dioxide 9 𝑁2 Nito 10 𝑆𝑂2 Lưu huỳnh dioxide 11 𝐶2 𝐻6 Ethan 12 A/F Tỉ lệ không khí/ nhiên liệu 14 n Tốc độ động cơ (vòng/phút) 15 𝑃𝑓 Áp suất nhiên liệu (bar) 16 𝐷𝑓 Đường kính lỗ (mm) 17 𝑡𝑓 Thời gian duy trì phun của role điện từ (s) 18  Tỷ số nén 19  Hệ số dư lượng không khí 20 𝑀𝑒 Mô men (Nm) 21 𝑁𝑒 Công suất (kW) 22 𝐷 𝑥𝑙 Đường kính xylanh (mm) 23 S Hành trình piston (mm) 24 𝑉𝑡𝑝 Dung tích xylanh (Lít) 25 𝐺𝑒 Lượng nhiên liệu cấp cho động cơ (lít/phút) 26 𝑚 𝑑𝑒𝑙𝑖𝑣𝑒𝑟𝑦 Lượng nhiên liệu phun (g/s) 27 η𝑣 Hệ số nạp 28 𝜌 𝑟𝑒𝑓 Khối lượng riêng không khí (kG/m3) 29 𝑉 𝑑𝑖𝑠𝑝 Thể tích công tác xylanh (m3) 30 (𝐴/𝐹) 𝑒𝑛𝑔𝑖𝑛𝑒 Tỷ lệ A/F của nhiên liệu 31 𝑁 𝑐𝑦𝑙 Số xylanh động cơ 32 Δ𝛼 𝑖𝑛𝑗 Thời gian phun (CAD) vi
33 𝑚 𝐹,𝑒𝑓𝑓 Tổng lưu lượng nhiên liệu phun (kg/s) 34 𝑚 𝐹,𝑖𝑛𝑗 Lưu lượng nhiên liệu phần tia phun (kg/s) Lưu lượng nhiên liệu bám đọng trên thành ống 35 𝑚 𝐹,𝑝𝑢𝑑𝑑𝑙𝑒 (kg/s) Lượng không khí nạp vào trong xylanh động cơ 36 A (g/s) 37 F Khối lượng nhiên liệu cấp (g/s) Tỷ số giữa không khí và nhiên liệu thực tế nạp vào 38 (𝐴/𝐹) 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 xylanh Tỷ số giữa không khí và nhiên liệu tính theo lý 39 (𝐴/𝐹) 𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐ℎ𝑖𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐 thuyết 40 δQ Lượng năng lượng được thêm vào (J) 41 dU Nội năng (J) 42 δW Công (J) 43 P Áp suất (Pa) 44 V Thể tích (m3) 45 m Khối lượng khí (kG) 46 R Hằng số khí 47 T Nhiệt độ (K) 48 hc Hệ số truyền nhiệt 49 Aw Diện tích thành vách buồng cháy (m2) 50 Tw Nhiệt độ thành vách buồng cháy (K) 𝑑𝑄 𝐻 Nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy bởi khí 51 𝑑𝜃 trong xylanh 52 𝜃 Góc quay trục khuỷu 53 𝛾 Hệ số đoạn nhiệt 54 𝐶𝑉 Nhiệt dung riêng đẳng tích (J/kmol.K) 55 𝐶𝑝 Nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kmol.K) Phần khối lượng được đốt cháy tại góc quay trục 56 𝑀𝐹𝐵 𝜃 khuỷu Mức tăng áp suất được hiệu chỉnh do quá trình đốt 57 Δ𝑝 𝑐,𝑖 cháy 58 i Số nguyên của góc quay 59 ign Góc đánh lửa (CA) vii
60 𝑉𝑑 Dung tích xylanh (Lít) 61 𝜃 𝑠, 𝜃 𝑒 Góc quay bắt đầu và kết thúc của quá trình đốt cháy 62 n Chỉ số nén đa biến trung bình 63 t Thời gian phun nhiên liệu (s) 64 D Đường kính ống nạp (mm) 65 𝜌𝑛 Tỷ trọng của hỗn hợp (kG/m3) 66 ⃗⃗⃗⃗⃗𝑚 𝑣 Vận tốc của hỗn hợp (m/s) 67 𝐹 Nội lực của thể tích tính toán (N) 68 𝜇 𝑚 Độ nhớt của hỗn hợp (m2/s) 69 𝛼𝑘 Tỷ lệ khối lượng của pha K trong hỗn hợp 70 𝛼 𝑗,𝑘 Enthalpy của chất j trong pha k 71 ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐽 𝑗,𝑘 Thông lượng khuếch tán của chất j trong pha k 72 𝑘 𝑒𝑓𝑓 Hệ số dẫn nhiệt 73 𝐺𝑘 Động năng rối được tạo ra bởi gradient vận tốc Động năng rối được tạo ra bởi ảnh hưởng của 74 𝐺𝑏 buoyancy Ảnh hưởng của độ giãn nở do dao động trong dòng 75 𝑌𝑚 chảy rối nén được đến hệ số phân tán rối 76 𝐶1 , 𝐶2 , 𝐶3 Hằng số mô hình 77 𝑆𝑟 Swirl ratio 78 𝑇𝑟 Tumble ratio 79 𝐶𝑇 𝑟 Cross tumble ratio Vận tốc góc tức thời của dòng khí nạp với các trục 80 𝑤 𝑥, 𝑤 𝑦, 𝑤 𝑧 x, y, z tương ứng (rad/s) Mô men động lượng của dòng khí nạp ứng với các 81 𝐿 𝑥, 𝐿 𝑦, 𝐿 𝑧 trục x, y, z (kg.m2/s) Mô men quán tính tương ứng với các trục x y z 82 𝐼 𝑥, 𝐼 𝑦, 𝐼 𝑧 (kg.m2) 83 k Động năng rối (m2/s2) 84  Tốc độ tiêu tán 85 h Vị trí đặt vòi phun so với cửa nạp (mm) 86 𝐶𝑂𝑉𝑖𝑚𝑒𝑝 Hệ số đánh giá sự thay đổi áp suất có ích trung bình 87 l Chiều dài đường ống nạp (mm) 88 𝛼 Góc đặt vòi phun (độ) viii
Lưu lượng nhiên liệu tính toán tại vị trí cửa ra ống 89 𝑚 𝑓_𝑜 nạp (g/s) 90 pro_k Production of k (kG/ms3) 91 𝑆 𝑝𝑡𝑏 Tốc độ trung bình piston (m/s) ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Diễn tả 1 A/F Air/ Fuel 2 AFCs Alkaline Fuel Cells 3 AFR Air Fuel Ratio 4 ATDC After Top Dead Center 5 BDC Bottom Dead Center 6 BTE Brake Thermal Efficiency 7 BTDC Before Top Dead Center 8 CNG Compressed Natural Gas 9 CA Crank Angle 10 C Cylinder 11 CL Air Cleaner 12 DI Direct Injection 13 ĐTC Điểm Chết Trên 14 ĐCD Điểm Chết Dưới 15 FCVs Fuel Cell Vehicles 16 E Engine 17 IT Ignition Timing 18 I Injection 19 ICEVs Internal Combustion Engine Vehicles 20 LPG Liquified Petroleum Gas 21 LNG Liquefied Natural Gas 22 MAF Mass Air Flow 23 MFC Mass Flow Controller 24 MBT Max Brake Torque 25 MCFCs Molten Carbonate Fuel Cells 26 MP Measuring Point 27 NG Natural Gas 28 NDIR Non-Dispersive Infra-Red 29 PL Plenum 30 PEMFCs Protons Exchange Membrane Fuel Cells 31 PAFCs Phosphoric Acid Fuel Cells 32 P Pipe x
33 RON Research Octane Number 34 RNG Renewable Natural Gas 35 R Restriction 36 SOFCs Solid Oxide Fuel Cells 37 SOI Start of Injection 38 SI Spark Ignition 39 SB System Boundary 40 TH Throttle 41 TDC Top Dead Center 42 TKE Turbulent Kinetic Energy xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo và điện năm 2015 và 2050 theo lĩnh vực sử dụng [9] ..............................................................................................................4 Hình 1.2. Lượng sản xuất xăng sinh học và diesel sinh học trên thế giới từ 2005 đến 2017 (tỉ tấn) [51] ......................................................................................................9 Hình 1.3. Sơ đồ phản ứng và trao đổi ion của một pin nhiên liệu màng trao đổi proton [73]. .........................................................................................................................7 Hình 1.4. Số lượng phương tiện và trạm nạp nhiên liệu khí thiên nhiên trên thế giới năm 2019 [109]...................................................................................................... 12 Hình 1.5. Các loại bồn lưu trữ nhiên liệu CNG ...................................................... 14 Hình 1.6. Phân loại hệ thống đánh lửa và cấp nhiên liệu động cơ CNG [126] ........ 16 Hình 1.7. Các hệ thống trên động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [127] ............... 17 Hình 1.8. Các hệ thống trên động cơ phun gián tiếp CNG [132] ............................ 18 Hình 1.9. Sơ đồ bộ hòa trộn CNG [133] .................................................................18 Hình 1.10. Ví dụ về các chi tiết của bộ hòa trộn CNG [134] ..................................19 Hình 1.11. Bốn chu trình của động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [151] ............. 21 Hình 2.1. Phân chia quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức .............................. 30 Hình 2.2. Hình ảnh chuyển động của dòng khí theo các trục ..................................36 Hình 2.3. Động cơ S1100....................................................................................... 38 Hình 2.4. Cảm biến CKP và cảm biến CMP........................................................... 39 Hình 2.5. Cảm biến lượng khí nạp và cảm biến vị trí bướm ga............................... 40 Hình 2.6. Bộ điều khiển điện tử ............................................................................. 40 Hình 2.7. Ống nạp và vòi phun điều khiển bằng điện ............................................. 41 Hình 2.8. Bô bin đánh lửa và bugi.......................................................................... 41 Hình 2.9. Bình chứa khí CNG và cụm van giảm áp................................................ 42 Hình 2.10. Thiết bị đo lưu lượng khí thiên nhiên.................................................... 42 Hình 2.11. Hình dạng đỉnh piston sau chuyển đổi .................................................. 43 Hình 2.12. Hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải ................................................. 43 Hình 2.13. Hệ thống khởi động điện ...................................................................... 44 Hình 2.14. Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức .............................. 44 Hình 2.15. Bảng điều khiển của băng thử MP 100S ............................................... 45 Hình 2.16. Đặc tính làm việc của băng thử MP 100S ............................................. 46 Hình 2.17. Mặt trước của máy phân tích khí thải KEG 500CE ............................... 48 Hình 2.18. Mặt sau của máy phân tích khí thải KEG 500CE ..................................49 Hình 2.19. Sơ đồ lắp đặt máy phân tích KEG 500 .................................................. 50 Hình 2.20. Màn hình hiển thị chọn loại nhiên liệu sử dụng ....................................... 51 Hình 2.21. Sơ đồ bố trí thiết bị phục vụ thí nghiệm ................................................ 51 Hình 2.22. Động cơ và thiết bị thí nghiệm ............................................................. 52 Hình 2.23. Kết quả thí nghiệm ban đầu của động cơ sau khi chuyển đổi. ............... 53 Hình 2.24. Kết quả thí nghiệm của NOx và HC ..................................................... 54 Hình 2.25. Kết quả thí nghiệm của CO và CO2 ...................................................... 54 Hình 3.1. Động cơ một xylanh mô phỏng bằng AVL Boost ...................................56 Hình 3.2. Các thông số nhập vào trong mô hình cháy Fractal .................................57 Hình 3.3. Nhập thông sổ điều khiển vòi phun nhiên liệu ........................................ 58 Hình 3.4. Cửa sổ chọn kiểu phun nhiên liệu ........................................................... 58 xii
Hình 3.5. Thông số mô hình truyền nhiệt ............................................................... 59 Hình 3.6. Mô hình ma sát....................................................................................... 59 Hình 3.7. Mô phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent ....................... 60 Hình 3.8. Giao diện Mô-đun Fluid Flow (Fluent) ................................................... 60 Hình 3.9. Giao diện xây dựng mô hình Geometry .................................................. 61 Hình 3.10. Mô hình sau chia lưới ........................................................................... 61 Hình 3.11 Bảng tùy chọn thiết lập chung ............................................................... 62 Hình 3.12. Kích hoạt phương trình năng lượng ...................................................... 62 Hình 3.13. Bảng tùy chọn mô hình rối ...................................................................63 Hình 3.14. Bảng tùy chọn loại mô hình ..................................................................63 Hình 3.15. Bảng chọn chế độ pha .......................................................................... 64 Hình 3.16. Bảng tùy chọn nhiên liệu ...................................................................... 64 Hình 3.17. Bảng nhiên liệu .................................................................................... 65 Hình 3.18. Bảng tùy chọn thành phần khí .............................................................. 65 Hình 3.19. Khai báo đầu vào cho đường nạp.......................................................... 66 Hình 3.20. Khai báo áp suất phun nhiên liệu .......................................................... 66 Hình 3.21. Cài đặt số vòng lặp ............................................................................... 67 Hình 3.22. Kết quả hiệu chuẩn mô hình .................................................................67 Hình 3.23. Hiệu chuẩn mô hình theo khí thải động cơ............................................ 68 Hình 3.24. Mô phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent ..................... 69 Hình 3.25. Mô hình sau chia lưới ........................................................................... 69 Hình 3.26. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ theo độ mở bướm ga........................................................................................................................... 70 Hình 3.27. Sự thay đổi của HC theo thời điểm bắt đầu phun theo độ mở bướm ga .71 Hình 3.28. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO theo độ mở bướm ga........................................................................................................................... 72 Hình 3.29. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx theo độ mở bướm ga................................................................................................................. 72 Hình 3.30. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau ......................................................................................................... 73 Hình 3.31. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx tại các tốc độ động cơ khác nhau ................................................................................................ 74 Hình 3.32. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO tại các tốc độ động cơ khác nhau ................................................................................................ 75 Hình 3.33. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun đến thành phần phát thải HC theo tốc độ động cơ ....................................................................................................... 75 Hình 3.34. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến mô men ........................ 76 Hình 3.35. Ảnh hưởng thời gian phun đến mô men ................................................ 76 Hình 3.36. Ảnh hưởng của thời gian phun đến lamda............................................. 77 Hình 3.37. Ảnh hưởng của thời gian phun đến diễn biến áp suất trong xylanh ....... 78 Hình 3.38. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tổng thời gian cháy của hỗn hợp ....78 Hình 3.39. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tỉ lệ khối lượng cháy của hỗn hợp ..79 Hình 3.40. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tốc độ giải phóng nhiệt .................. 79 Hình 3.41. Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu nạp vào động cơ theo sự thay đổi của đường kính ống nạp khi thay đổi tốc độ động cơ .................................................... 80 Hình 3.42. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp tới mô men theo tốc độ động cơ...81 xiii
Hình 3.43. Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới mô men động cơ ........... 82 Hình 3.44. Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới công suất động cơ ......... 82 Hình 3.45. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải NOx ....................... 83 Hình 3.46. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải CO.......................... 84 Hình 3.47. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải HC.......................... 85 Hình 3.48. Ảnh hưởng của vị trí vòi phun đến vận tốc trung bình của hỗn hợp ...... 86 Hình 3.49. Ảnh hưởng của vị trí vòi phun đến vận tốc trung bình của nhiên liệu ...86 Hình 3.50. Ảnh hưởng của vị trí vòi phun đến động năng rối của hỗn hợp ............. 87 Hình 3.51. Ảnh hưởng của áp suất phun đến lưu lượng phun nhiên liệu ................. 87 Hình 3.52. Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc của dòng nhiên liệu trên đường nạp ......................................................................................................................... 88 Hình 3.53. Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc trung bình của dòng khí........ 89 Hình 3.54. Ảnh hưởng của áp suất phun đến động năng rối của hỗn hợp ............... 89 Hình 3.55. Mô men thay đổi theo tốc độ động cơ ................................................... 90 Hình 3.56. Công suất thay đổi theo tốc độ động cơ của động cơ ............................ 90 Hình 3.57. Khí thải HC theo tốc độ động cơ .......................................................... 91 Hình 3.58. Khí thải CO theo tốc độ động cơ .......................................................... 91 Hình 3.59. Khí thải NOx theo tốc độ động cơ ......................................................... 92 Hình 4.1. Lưu lượng CNG cấp vào xylanh theo mô phỏng..................................... 95 Hình 4.2. Vòi phun khí Hana H2100 ...................................................................... 95 Hình 4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến mô men động cơ................. 96 Hình 4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến công suất của động cơ ........ 97 Hình 4.5. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải CO ....................... 98 Hình 4.6. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải HC ....................... 98 Hình 4.7. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải NOx..................... 99 Hình 4.8. Ảnh hưởng của áp suất phun đến lượng nhiên liệu cung cấp tại các tốc độ động cơ khác nhau ................................................................................................ 99 Hình 4.9. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến hệ số dư lượng không khí lambda ................................................................................................................. 100 Hình 4.10. Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất của động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau ............................................................................................... 101 Hình 4.11. Ảnh hưởng của áp suất phun đến mô men của động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau ........................................................................................................ 101 Hình 4.12. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO ......... 102 Hình 4.13. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải HC ......... 102 Hình 4.14. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải NOx ....... 103 Hình 4.15. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO2 ....... 103 Hình 4.16. So sánh ảnh hưởng của chế độ phun đến mô men ............................... 104 Hình 4.17. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến công suất động cơ ........... 105 Hình 4.18. Ảnh hưởng của chế độ phun đến khí thải NOx ................................... 105 Hình 4.19. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải HC ................... 106 Hình 4.20. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải CO ................... 106 Hình 4.21. So sánh mô men động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng .................. 107 Hình 4.22. So sánh công suất động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng ................ 108 Hình 4.23. So sánh lượng khí thải HC giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng .... 109 Hình 4.24. So sánh lượng khí thải NOx giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng .. 109 xiv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. So sánh đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên với xăng và diesel [110], [111] ...................................................................................................................... 13 Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của động cơ S1100 ............................................... 38 Bảng 2.2. Chức năng điều khiển của băng thử MP 100S ....................................46 Bảng 2.3 Thông số cơ bản của máy phân tích khí thải KEG – 500 CE ............... 47 Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật động cơ sau chuyển đổi nghiên cứu ...................... 52 Bảng 3.1. Các phần tử trong mô hình động cơ ................................................... 57 Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của động cơ sau chuyển đổi ..................................94 xv
MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Tình trạng nóng lên toàn cầu và ô nhiễm không khí đã và đang là một trong những vấn đề lớn nhất thế giới [1]. Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp và sự gia tăng không ngừng của các phương tiện vận tải, việc giảm thiểu khí thải nhà kính luôn nhận được rất nhiều sự quan tâm từ chính phủ cũng như các nhà khoa học [2]. Nguồn gây ô nhiễm vô cùng đa dạng trong đó ô nhiễm do sử dụng nhiên liệu hóa thạch có thể coi là một trong những nguồn chính gây độc hại đến sức khỏe con người. Báo cáo về môi trường có tên gọi là “The Environmental Performance Index” đã chỉ ra Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia có chất lượng không khí thấp gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người [3]. Trên cơ sở tiêu chuẩn cho phép của thế giới về đánh giá chất lượng không khí (Air Quality Index- AQI), nếu mức độ sạch của không khí từ 150 – 200 điểm thì đã bị coi là ô nhiễm, từ 201 – 300 thì coi là cực kỳ cấp bách, sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người dân [4]. Trong khi đó, tại Việt Nam, cụ thể hai khu vực ô nhiễm nhất là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, chỉ số trong ngày lúc nào cũng ở mức 152 – 156 nhưng vào giờ giao thông cao điểm phải lên tới gần 200 điểm. Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục Môi trường Việt Nam lại đưa ra một con số khi đo được tại nhiều trục giao thông lớn như Khuất Duy Tiến, Phạm Hùng, Nguyễn Trãi, Nguyễn Văn Linh… những khu vực đông dân cư, nồng độ bụi thường cao hơn mức cho phép lên đến 11 lần. Chưa kể đến các khí thải như SO2, NO2, CO… Theo số liệu thống kê của Bộ Y tế, các đô thị bị ô nhiễm không khí có tỷ lệ người nhiễm khuẩn hô hấp cao gấp nhiều lần so với các đô thị khác. Chẳng hạn ở thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Hải Phòng, tỷ lệ bệnh nhân lao được phát hiện cao gấp 4 – 5 lần những địa phương có hoạt động công nghiệp ít phát triển như Bắc Kạn, Điện Biên, Lai Châu. Trong những năm gần đây, các bệnh nhân về đường hô hấp có tỷ lệ mắc cao nhất trên toàn quốc, nguyên nhân chủ yếu là do ô nhiễm không khí gây ra. Kết quả thống kê cứ 100.000 dân có đến 4,1% số người mắc các bệnh về phổi; 3,8% viêm họng và viêm Amidan cấp; 3,1% viêm phế quản và viêm tiểu phế quản, riêng ở Hà Nội 72% hộ gia đình có người mắc bệnh do ô nhiễm không khí. Từ các kết quả nghiên cứu và số liệu điều tra trên có thể thấy rằng “Ô nhiễm không khí là một vấn đề đáng báo động ở nước ta”. Nguyên nhân chính dẫn tới tình trạng ô nhiễm này chính là do giao thông đô thị với lưu lượng phương tiện dày đặc, đặc biệt là phương tiện giao thông cá nhân. Lượng phương tiện giao thông ấy thải ra một lượng lớn khí độc hại như SO2, NO2, CO… và tạo ra bụi khí. Hướng tới mục tiêu “Tăng trưởng xanh, tiến tới nền kinh tế các-bon thấp, làm giàu vốn tự nhiên trở thành xu hướng chủ đạo trong phát triển kinh tế bền vững; giảm phát thải và tăng khả năng hấp thụ khí nhà kính dần trở thành chỉ tiêu bắt buộc và quan trọng trong phát triển kinh tế- xã hội”, ngày 25 tháng 09 năm 2012, Thủ Tướng Chính phủ đã ra Quyết định số 1393/QĐ-TTg, về việc “Phê duyệt chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh”. Nội dung của Quyết định có đề cập vấn đề “Thay đổi cơ cấu nhiên liệu trong công nghiệp và giao thông” [5]. Từ các số liệu nghiên cứu trên có thể thấy rằng phát triển nhiên liệu thay thế phục vụ cho các phương tiện giao thông vận tải là hết sức cần thiết, bởi vì thỏa mãn được các yêu cầu về kiểm soát khí thải và giảm được sự phụ thuộc vào nhiên liệu dầu mỏ. Tuy nhiên, để đảm bảo được những yêu cầu này cần thiết phải có các nghiên cứu cơ 1
bản chuyên sâu. Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG” sẽ góp phần giải quyết được ô nhiễm không khí do khí thải động cơ đốt trong thải ra trong quá trình làm việc. ii. Mục tiêu của luận án • Mục tiêu chung Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc và khí thải ở động cơ khí thiên nhiên phun trên đường nạp. • Mục tiêu cụ thể − Đánh giá được ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ CNG thông qua các chế độ vận hành. − Cải thiện chất lượng phát thải của động cơ CNG theo hướng giảm phát thải NOx. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu − Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel một xylanh sau khi chuyển đổi thành động cơ phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp. − Phạm vi nghiên cứu: + Chuyển đổi hệ thống điểu khiển phun nhiên liệu cơ khí sang phun điện tử ở động cơ diesel một xylanh sử dụng nhiên liệu CNG. Đánh giá định lượng ảnh hưởng của một số thông số phun (thời điểm phun, thời gian phun, vị trí đặt vòi phun, áp suất phun nhiên liệu) đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ. + Các nội dung thí nghiệm của luận án được thực hiện trong phạm vi Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long. iv. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp lý thuyết mô hình hóa với thực nghiệm. Trong đó: − Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở thiết kế hệ thống nhiên liệu điện tử phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp và thiết lập các thông số phun cho các chế độ vận hành động cơ CNG. − Nghiên cứu mô phỏng động cơ bằng phần mềm AVL Boost để xem xét ảnh hưởng của các thông số như: Đường kính ống nạp, hệ số dư lượng không khí (λ), thời điểm phun và thời gian phun đến mô men, công suất và khí thải động cơ. − Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng hóa và đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun khí thiên nhiên đến mô men, công suất và khí thải của động cơ. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài − Ý nghĩa khoa học: Luận án đã khảo sát thành công một số thông số phun (đường kính ống nạp, thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, vị trí đặt vòi phun, áp suất phun nhiên liệu), phương pháp phun đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ CNG phun trên đường nạp. − Ý nghĩa thực tiễn: Với áp suất phun, vị trí đặt vòi phun hợp lý đã xử lý được hiện tượng dòng khí ngược trên đường nạp, nhờ vậy đặc tính làm việc và khí 2
thải của động cơ đã được cải thiện. Đây là cơ sở để phát triển thế hệ động cơ CNG mới đạt được hiệu suất nhiệt cao và khí thải thấp. vi. Các điểm mới của luận án − Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ sử dụng khí thiên nhiên phun trên đường nạp bằng phần mềm AVL Boost và Ansys Fluent để khảo sát ảnh hưởng của một số thông số phun (thời điểm phun, thời gian phun, vị trí đặt vòi phun, áp suất phun nhiên liệu) đến tính năng làm việc và phát thải của động cơ. − Kế thừa từ nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel S1100 một xylanh thành động cơ khí thiên nhiên của Trần Thanh Tâm về hình dạng của đỉnh piston và vị trí lắp bugi trên nắp máy, vòi phun điều khiển bằng cơ khí, ɛ = 11,5. NCS đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô đun điều khiển phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa, xác định được vị trí đặt vòi phun và áp suất phun tốt nhất để triệt tiêu dòng khí ngược xuất hiện trên đường nạp. Thêm vào đó, luận án đã thiết lập được hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức, tự động kiểm soát nhiệt độ nước làm mát. Để đảm bảo động cơ làm việc an toàn và giảm thiểu tiếng ồn, tỷ số nén của động cơ đã giảm xuống ɛ = 10; bổ sung thêm hệ thống van giảm áp và ổn định áp suất phun từ 1 ÷ 5 bar trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm. vii. Bố cục của luận án Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau: − Mở đầu − Chương 1: Nghiên cứu tổng quan. − Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu chuyển đổi động cơ. − Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ. − Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. − Kết luận chung và hướng phát triển. 3
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nhiên liệu thay thế Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu và các vấn đề ô nhiễm môi trường đang ngày một tăng, việc tìm ra những nguồn năng lượng mới phải thỏa mãn các yêu cầu như: sạch, có khả năng tái tạo và bền vững hơn để dần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng bị cạn kiệt. Những nguồn năng lượng thay thế này sẽ là nguồn lực cơ bản đáp ứng được nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội của đất nước, đồng thời cũng giảm nhẹ được những thách thức về chính trị và an ninh quốc phòng. Theo báo cáo của “BP Statistical Review of World Energy”, Năng lượng tái tạo đóng góp 15% tổng năng lượng sản xuất trên toàn thế giới, con số này được kỳ vọng tăng lên đến 85% trước năm 2050 [6], [7]. Trong đó, đối với các phương tiện giao thông vận tải nói riêng, nhiên liệu thay thế chiếm khoảng 4% lượng tiêu thụ và được kỳ vọng sẽ đóng góp hơn 50% trong ba thập kỷ tới [8]. Hình 1.1 thể hiện mức tiêu thụ của nhiên liệu tái tạo và năng lượng điện năm 2015 và số liệu dự đoán năm 2050. Rõ ràng rằng, cả năng lượng tái tạo và năng lượng điện đang được kỳ vọng rất nhiều sẽ đóng vai trò chủ đạo cho nguồn năng lượng thế giới trong tương lai. Hình 1.1. Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo và điện năm 2015 và 2050 theo lĩnh vực sử dụng [9] Thuật ngữ nhiên liệu thay thế (alternative fuel) được đưa ra vào cuối những năm 1970 để chỉ những nhiên liệu mới không phải xăng, diesel hay nhiên liệu chuyên dụng cho hàng không [10]. Nhiên liệu thay thế và năng lượng thay thế (alternative energy) thường bị nhầm lẫn với nhau khi cả hai đều không bao gồm các nguồn nhiên liệu hóa thạch và hạt nhân. Năng lượng thay thế thường đến từ các nguồn năng lượng tự nhiên như gió, mặt trời, sóng… được chuyển đổi thành năng lượng điện. Trong khi đó, nhiên liệu tái tạo chủ yếu được biết đến với các nhiên liệu cho phương tiện giao thông và nhà máy điện như nhiên liệu sinh học (Biofuel), ethanol, khí thiên nhiên. Để đảo bảo vấn đề an ninh năng lượng cũng như giảm thiểu phát thải từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch, việc nghiên cứu phát triển và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế là vô cùng quan trọng. 4
Nhiên liệu sinh học (Biofuel) Nhiên liệu sinh học thường được sản xuất từ sinh khối (Biomass) chủ yếu là các sản phẩm của nông nghiệp. Nhiên liệu sinh học bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng, trong đó nhiên liệu sinh học dạng lỏng bao gồm Ethanol sinh học (Bioethanol), Methanol sinh học (Bio methanol), Diesel sinh học (Biodiesel); dạng khí gồm Hydro sinh học (Bio hydro) và Methane sinh học (Biomethane) [11], [12]. Dựa vào nguồn gốc, nhiên liệu sinh học được chia thành bốn thế hệ như sau [13]: Thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhất (First-generation biofuel) được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu từ thực phẩm hay thức ăn như: gạo, ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải đường..., hoặc các loại hạt có dầu như: dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải... hoặc từ mỡ động vật. Các loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất cũng bao gồm: Dầu thực vật, Diesel sinh học, Ethanol sinh học, Khí sinh học (Biogas), nhiên liệu sinh học thể rắn, khí đốt tổng hợp (Syngas) [14]. Với nguồn nguyên liệu sinh học này có thể giảm đáng kể lượng CO2 phát thải ra môi trường nhưng không phát triển bền vững, bởi vì nguyên liệu được sử dụng thường là một phần nguồn thức ăn cho người và động vật nuôi. Nếu gia tăng sử dụng nguồn nguyên liệu nêu trên sẽ làm gia tăng giá cả các loại cây trồng này và bất ổn lương thực, quỹ đất trồng cho các loại cây lương thực bị cạnh tranh gây ảnh hưởng đến an ninh lượng thực quốc gia [15]. Vì vậy cần phải tìm kiếm các loại nhiên liệu thay thế đảm bảo an ninh lương thực và năng lượng quốc gia cũng như cải tiến hơn về mặt công nghệ, đây cũng là lý do để tìm kiếm nguồn nguyên liệu cho thế hệ nhiên liệu sinh học thứ hai ra đời. Nhằm hạn chế những nhược điểm của thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhất, nguồn nguyên liệu sử dụng để tạo ra nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể lấy từ nguồn nguyên liệu phế thải của nông nghiệp hay các cây được trồng trên đất bạc màu, bỏ hoang (sản xuất từ Cellulose), ví dụ như cỏ Switchgrass, cây cọc rào (Jatropha) [16]. Về cơ bản nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể không đe dọa đến an ninh lương thực quốc gia nhưng có thể gây ô nhiễm và cạn kiệt nguồn tài nguyên nước, giảm diện tích rừng, nguy cơ từ sự độc canh, thêm vào đó là chi phí để chuyển hóa Sen-lu- lô thành đường đắt hơn so với chi phí chuyển tinh bột thành đường. Chính vì vậy, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba đã ra đời, được cho là có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề đang tồn tại. Có thể nói nhiên liệu sinh học từ tảo chính là nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba có thể thỏa mãn đồng thời được hai mục tiêu: tạo ra năng lượng và góp phần làm sạch môi trường. Bởi vì mỗi tế bào tảo là một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng quá trình quang hợp để chuyển hóa CO2 và ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong tế bào và tạo ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị cao, hoạt động này có thể tăng gấp nhiều lần trong một ngày [17]. Trong quá trình quang hợp, tảo sẽ sản xuất ra dầu ngay trong tế bào của chúng, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 30 lần so với lượng dầu từ hạt đậu nành ở cùng một đơn vị diện tích. Đồng thời tảo có thể tăng khả năng sản xuất dầu bằng cách bổ sung khí CO2 trong quá trình nuôi trồng chúng hoặc sử dụng các môi trường giàu chất hữu cơ như nước thải để nuôi trồng. Điều này vừa tạo ra nhiên liệu sinh học, vừa làm giảm lượng CO2 cũng như làm sạch môi trường [18]. Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất đối với thế hệ thứ ba là vấn đề về việc sản xuất dầu tảo vẫn có giá thành cao hơn nhiều so với sản xuất nhiên liệu diesel từ dầu mỏ [19]. Ngoài ra, một thế hệ thứ tư của nhiên liệu sinh học đã được đề xuất và phát triển dựa trên sự ứng dụng của ảnh hay điện sinh học [20]. Trong đó, các thiết bị quang – 5