ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ ANH VŨ

NGHIÊN CỨU Q TRÌNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI
Ơ NHIỄM ĐỘNG CƠ HYBRID BIOGAS-XĂNG

Chun ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số:

9520116

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - 2022


Cơng trình được hồn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học :
1. GS. TSKH. Bùi Văn Ga
2. PGS. TS. Dương Việt Dũng

Phản biện 1 : ………………………………………………….
Phản biện 2 : ………………………………………………….
Phản biện 3 : ………………………………………………….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp
cơ sở tại Trường Đại học Bách Khoa, vào lúc : … giờ …..

ngày ….. tháng ……năm 2021.

Có thể tìm luận án tại :
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Học liệu và Truyền thông, ĐHBK ĐHĐN


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Biogas là nhiên liệu tái tạo dồi dào ở những quốc gia vùng
nhiệt đới. Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
khơng làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển. Biogas có khí trơ
CO2 nên nhiệt trị của nhiên liệu thấp, tốc độ cháy bị hạn chế. Những
tính chất này ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ biogas và làm giảm
công suất của động cơ. Tuy nhiên chỉ số octane của biogas cao nên
nó có tính chống kích nổ tốt. Việc sử dụng kết hợp biogas và xăng
giúp khắc phục những hạn chế của biogas, phát huy ưu điểm của nó,
góp phần phát triển ứng dụng nhiên liệu tái tạo trên động cơ đốt
trong nói chung và động cơ đốt trong của phương tiện giao thơng nói
riêng. Vì vậy, luận án: “Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải ô
nhiễm động cơ hybrid biogas-xăng” có ý nghĩa rất thiết thực.
Luận án này thực hiện các nghiên cứu nền tảng ban đầu cho
việc ứng dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng trên động cơ ô tô kiểu
phun xăng điện tử. Nội dung luận án tập trung xử lý 3 vấn đề chính:
(1) mơ phỏng q trình nạp và q trình cháy động cơ sử dụng nhiên
liệu hybrid biogas-xăng, (2) giải pháp cung cấp nhiên liệu hybrid
biogas-xăng cho động cơ phun xăng điện tử, (3) thử nghiệm tính
năng và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ ô tô chạy bằng nhiên
liệu hybrid biogas-xăng để đánh giá kết quả mô phỏng.
3. Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu tổng quát: Phát triển giải pháp công nghệ ứng dụng hiệu
quả biogas trên động cơ ô tô.
- Mục tiêu cụ thể: Tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu và tổ chức
quá trình cháy động cơ ô tô bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng
nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm mức độ phát thải
các chất ô nhiễm.
1
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ DA465QE lắp trên ô
tô tải nhẹ Trường Hải Towner.
- Phạm vi nghiên cứu:
Thực hiện các nghiên cứu cơ bản, làm nền tảng ban đầu định
hướng phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng
trên động cơ ô tô. Với phạm vi nghiên cứu này, luận án tập trung
nghiên cứu các nội dung chính sau đây:
- Về lý thuyết:
Nghiên cứu hệ phương trình tổng qt của cơ học thủy khí áp
dụng cho q trình cháy rối. Mơ hình rối để khép kín hệ phương
trình đối lưu-khuếch tán. Mơ hình cháy để đơn giản hóa phương trình
bảo tồn phần tử. Động học phản ứng sản sinh NOx và cơ chế hình
thành các chất ô nhiễm khác.
- Về mô phỏng:
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm Fluent để tính tốn, mơ
phỏng q trình cung cấp nhiên liệu lỏng (xăng) và nhiên liệu khí

(biogas) cho động cơ. Nghiên cứu sử dụng phần mềm Fluent để tính
tốn q trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng lưỡng
nhiên liệu hybrid biogas-xăng.
- Tính tốn mức độ phát thải các chất ô nhiễm CO, HC và NOx.
- Thiết lập mơ hình tính tốn và xác lập các điều kiện biên.
- Về thực nghiệm:
- Cải tạo đường nạp động cơ xăng nghiên cứu để thích nghi với
nhiên liệu hybrid biogas-xăng. Giải pháp vận chuyển, cung cấp biogas
trên động cơ thí nghiệm. Lắp đặt động cơ thí nghiệm băng thử công suất
động cơ AVL. Đo công suất có ích của động cơ trên đường đặc tính
2
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


ngoài khi thay đổi hàm lượng xăng trong nhiên liệu hybrid và phân tích
các chất ơ nhiễm CO, HC, NOx ở chế độ vận hành tương ứng. So sánh
kết quả thí nghiệm với kết quả mơ phỏng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Lý thuyết
để định hướng việc sử dụng các mơ hình toán học trong xử lý bài
toán phức tạp của quá trình cháy rối. Mơ phỏng là phương pháp
chính sử dụng trong nghiên cứu này. Thực nghiệm được tiến hành ở
một số chế độ vận hành xác định của động cơ để đánh giá kết quả mô
phỏng. Sự phù hợp giữa kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm
cho phép rút ra những kết luận mang tính tổng quát.
5. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được chia
làm 4 chương: Chương 1. Tổng quan; Chương 2. Cơ sở lý thuyết;

Chương 3. Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu và quá trình
cháy động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng; Chương 4. So
sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm động cơ sửu dụng
nhiên liệu hybrid biogas-xăng.
6. Đóng góp mới của luận án
- Xây dựng mơ hình và chương trình tính tốn q trình cung cấp
nhiên liệu và q trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng.
- Thiết kế hệ thống nạp động cơ phun xăng điều khiển điện tử
thành hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng.
- Xác định thành phần xăng tối ưu trong nhiên liệu hybrid
biogas-xăng để đạt được sự hài hịa tính năng kỹ thuật và mức độ
phát thải ô nhiễm của động cơ.
- Xác lập các qui luật biến thiên của công chỉ thị chu trình,
nồng độ các chất ơ nhiễm theo thành phần nhiên liệu, góc đánh lửa
sớm và tốc độ động cơ.
3
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Sự cần thiết của việc sử dụng năng lượng thay thế
Trong các nguồn phát thải CO2 thì động cơ đốt trong là thủ
phạm chính. Vì thế để đạt được mục tiêu COP21, thì trong vịng 3
thập niên tới, nhiên liệu thay thế/tái tạo sử dụng trên động cơ đốt
trong phải chiếm ít nhất 60% tổng năng lượng sử dụng so với mức
10% hiện nay. Đây là một thách thức rất lớn đối với các nhà khoa
học trong lĩnh động cơ đốt trong và phương tiện vận chuyển cơ giới.
1.2. Nhiên liệu sinh học

1.2.1. Các thế hệ nhiệu liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học đã trải qua 3 thế hệ:
- Thế hệ thứ nhất;
- Thế hệ thứ hai;
- Thế hệ thứ ba;
1.2.2. Biogas
1.3. Động cơ Biogas
1.3.1. Động cơ Biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ
xăng
1.3.2. Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ
diesel
1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng động cơ biogas thế giới và
Việt Nam
1.4.1. Các công trình nghiên cứu ứng dụng động cơ biogas trên thế giới
1.4.2. Các cơng trình nghiên cứu phát triển động cơ biogas ở Việt Nam
1.5. Kết luận
Giải pháp nhiên liệu hybrid biogas-xăng có thể khắc phục
những vướng mắc nêu trên. Giải pháp này cho phép động cơ chạy
4
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


hoàn toàn bằng xăng hoặc hoàn toàn bằng biogas hoặc bằng biogas
phối hợp với xăng với tỉ lệ linh hoạt. Biogas thay thế một phần nhiên
liệu hóa thạch. Điều này phù hợp với khả năng lưu trữ nhiên liệu trên
ô tô và cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu hiện có.
Để ứng dụng hiệu quả nhiên liệu hybrid biogas-xăng chúng ta
cần xác định hàm lượng tối ưu của xăng trong biogas cũng như ảnh

hưởng của nó đến tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm
của động cơ. Đây là vấn đề cịn mới mẻ, chưa có nghiên cứu tường
tận được công bố.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN
HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1. Hệ phương trình cơ bản
2.1.1. Các phương trình tổng qt
Hệ thống phương trình cổ điển mơ tả dịng chảy chất lỏng
đang diễn ra phản ứng hóa học được viết một cách tổng qt như
sau:
- Phương trình bảo tồn vật chất:


+ div U = 0
t

( )

(2.1)

- Phương trình bảo toàn động lượng:




U
+ U . grad U = − grad P + div  + F
t

(2.2)


- Phương trình bảo tồn enthalpic toàn phần:




→
n
h
P
+  .U . grad U =
+ div(U .  ) + div(.gradT +  D h grad C j ) − Q ray
t
t
 =1

(2.3)

Phương trình này khơng có đại lượng biểu diễn nhiệt phản ứng

vì trong enthalpic đã hàm chứa năng lượng tạo thành.
- Phương trình bảo toàn phần tử:


C
t

)

(


+ U .gradC = div .D gradC +  R



(2.4)

5
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


2.1.2. Phân tích Reynolds
2.1.3. Trung bình kiểu Favre

2.1.4. Khép kín của hệ phương trình
Hệ phương trình viết theo đại lượng trung bình kiểu Favre và
xấp xỉ lớp biên (2.13) – (2.16) được sử dụng trong cơng trình này.
Mơ hình k- thường được biểu diễn bởi các chương trình (2.22),
(2.23) phù hợp với vùng ngọn lửa hồn tồn phát triển.
2.2. Mơ hình cháy khơng đồng nhất
2.2.1. Các mơ hình cháy khơng đồng nhất
Xấp xỉ đại lượng bảo tồn là mơ hình cháy dùng nhiều nhất
hiện nay trong việc đồng dạng ngọn lửa rối khuếch tán. Trong mơ
hình này, người ta giả sử tất cả các phần tử có cùng một hệ số
khuếch tán. Giả thiết về động học phản ứng nhanh được sử dụng, vì
trong phần lớn các trường hợp, tốc độ phản ứng rất cao so với tốc độ
hòa trộn hỗn hợp. Từ đó, trạng thái nhiệt hóa học của hỗn hợp chẳng
hạn như nồng độ các chất, khối lượng riêng, nhiệt độ có thể được xác

định qua trung gian của đại lượng bảo tồn mà phương trình mơ tả
nó không chứa đại lượng sản sinh. Tỉ lệ hỗn hợp thường được chọn
6
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


là đại lượng bảo tồn.
2.2.2. Mơ hình cháy khơng đồng nhất thơng qua đại lượng bảo tồn
2.3. Mơ hình cháy hỗn hợp đồng nhất
2.3.1. Thiết lập hệ phương trình cháy
Trong q trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước, nhiên liệu và
chất oxy hóa được giả định hịa trộn đồng đều ở kích cỡ phân tử
trước khi đánh lửa. Q trình cháy bắt đầu tại vị trí đánh lửa và lan
dần ra khu vực hỗn hợp chưa cháy. Mơ hình hóa q trình cháy hỗn
hợp hịa trộn trước khó hơn nhiều so với q trình cháy của hỗn hợp
khơng hịa trộn trước. Lý do là q trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước
diễn ra trong màng lửa mỏng di động và chịu ảnh hưởng bởi q
trình rối. Đối với dịng chảy dưới âm, tốc độ lan tràn màng lửa tổng
quát được xác định đồng thời bởi tốc độ màng lửa chảy tầng và mức
độ rối. Tốc độ màng lửa chảy tầng được xác định bởi tốc độ khuếch
tán của phần tử và nhiệt ở thượng nguồn dòng chảy vào các chất
tham gia phản ứng và cháy. Để xác định được tốc độ màng lửa chảy
tầng chúng ta phải biết cấu trúc bên trong màng lửa cũng như chi tiết
động hóa học và quá trình khuếch tán phân tử. Vì trong thực tế bề
dày của màng lửa chảy tầng khoảng mm hay nhỏ hơn, những yêu cầu
đối với nghiệm số thường không phải chăng.
2.3.2. Lan tràn màng lửa
2.3.2.1. Tốc độ lan tràn màng lửa

2.3.2.2. Các công thức thực nghiệm tốc độ cháy cơ bản
2.4. Mơ hình cháy đồng nhất cục bộ
Hệ thống quá trình cháy đồng nhất cục bộ là những ngọn lửa
với thành phần hỗn hợp (hệ số tương đương) không đồng nhất hồn
tồn do q trình hịa trộn khơng hồn hảo. Mơ hình này phù hợp
động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid.
2.6. Kết luận
Để đơn giản hóa bài tốn phản ứng trong môi trường chảy rối,
các nhà khoa học đã đưa ra các mơ hình cháy phù hợp với sự tương
tác giữa nhiên liệu và chất oxy hóa. Hai mơ hình cơ bản, đó là cháy
của hỗn hợp khơng đồng nhất và cháy của hỗn hợp đồng nhất. Đối với
7
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid thì mơ hình cháy hỗn hợp đồng
nhất cục bộ phù hợp với bản chất của q trình cung cấp nhiên liệu.
Mơ hình cháy đồng nhất cục bộ là mơ trình trung gian giữa
cháy hỗn hợp không đồng nhất và cháy của hỗn hợp đồng nhất. Q
trình cháy được biểu diễn thơng qua hai đại lượng bảo tồn, đó là
thành phần hỗn hợp f và diễn tiến q trình cháy c. Vị trí màng lửa
và các các thơng số đặc trưng của q trình cháy có thể được xác
định thơng qua hai thơng số này.
CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG Q TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ
Q TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN
LIỆU HYBRID BIOGAS-XĂNG
3.1. Mục tiêu, đối tượng mơ phỏng
Tính tốn mơ phỏng q trình cung cấp nhiên liệu và quá trình

cháy để định hướng việc cải tạo động cơ và nghiên cứu thực nghiệm.
Mô phỏng được thực hiện trên động cơ DA465QE khi sử dụng nhiên
liệu hybrid biogas-xăng.
3.2. Mơ hình hình học của động cơ và điều kiện biên mô phỏng
Để động cơ có thể chạy được bằng biogas-xăng, đường nạp
động cơ được bổ sung thêm một họng venturi và vòi phun biogas. Mơ
hình khơng gian tính tốn bao gồm xi lanh có thể tích thay đổi theo sự
vận động của piston, buồng cháy và đường nạp vào xi lanh khảo sát,
đường nạp và buồng cháy tại ĐCT (vị trí góc quay =0oTK) (hình
3.1). Mơ phỏng được thực hiện nhờ phần mềm ANSYS FLUENT.

Hình 3.1: Các mặt cắt khảo sát trên đường nạp
8
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


3.3. Kết quả mơ phỏng q trình cung cấp nhiên liệu hybrid
biogas-xăng
Hình 3.14 giới thiệu engine map của động cơ DA465QE chạy
bằng biogas-xăng. Động cơ nhận tín hiệu tốc độ và độ mở bướm ga
để tính tốn (nội suy) thời gian mở vịi phun xăng từ đó điều khiển
vịi phun xăng cung cấp lượng nhiên liệu bổ sung theo yêu cầu.
Thơng số áp suất trung bình tại mặt cắt số 3 dùng để kiểm sốt chế
độ cơng tác của động cơ. Ví dụ ở chế độ khơng tải tốc độ động cơ có
thể tăng cao nhưng độ chân khơng tại mặt cắt số 3 thấp.

Hình.1.14: Engine Map
của động cơ chạy bằng biogasxăng được cung cấp nhiên liệu

theo phương thức hybrid

3.4. Mơ phỏng q trình cháy và phát thải ơ nhiễm động cơ
DA465QE Towner sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng
3.4.1. Ảnh hưởng của hệ số tương đương
(b)
(a)

Hình 3.21: Biến thiên nhiệt độ và phát thải ô nhiễm (a), biến thiên
công chỉ thị chu trình và cơng suất động cơ (b) theo hệ số tương
9
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


đương (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, s=20oTK)
Các kết quả trên cho thấy để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên
liệu và giảm phát thải ơ nhiễm thì chúng ta cần phối hợp nhiên liệu
và tổ chức quá trình cháy sao cho hệ số tương đương tối ưu càng gần
giá trị cháy hồn tồn lý thuyết càng tốt.
3.4.2. So sánh tính năng động cơ khi chạy bằng biogas/xăng

Hình 3.23: So sánh cơng chỉ thị chu trình và cơng suất động cơ khi
chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau
Chúng ta thấy khi chạy bằng methane (M100) thì cơng chỉ thị
chu trình giảm 13% do giảm hệ số nạp như đã giải thích trên đây.
Khi chạy bằng biogas M6C4 thì cơng chỉ thị chu trình giảm 27% so
với xăng, giảm 17% so với methane và giảm 10,5% so với biogas
M8C2.


Hình 2.25: So sánh phát thải ô nhiễm khi động cơ chạy bằng các loại
nhiên liệu khác nhau ở tốc độ 3000 v/ph, hệ số tương đương =1,
10
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


góc đánh lửa sớm s=20oTK
3.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas
3.4.3.1. Biogas M6C4
Hình 3.28: Ảnh hưởng
của hàm lượng xăng đến
biến thiên tốc độ tỏa nhiệt
và áp suất trong xi lanh
theo góc quay trục khuỷu

3.4.3.2. Biogas M7C3

(b)
(a)
Hình 3.33: Biến thiên cơng chỉ thị chu trình, nhiệt độ và nồng độ
các chất ô nhiễm theo hàm lượng xăng trong biogas M7C3
3.4.4. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ

(a)
(b)
Hình 3.35: Biến thiên cơng chỉ thị chu trình (a), nhiệt độ và nồng độ
11

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


các chất ô nhiễm (b) theo tốc đô động cơ (M7C3-30G, =1,
s=25oTK)
Như vậy, để cải thiện tính năng và giảm phát thải ô nhiễm
chúng ta cần đánh lửa sớm hơn khi tăng tốc độ động cơ.
3.4.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

280
270
260
250

n(rpm)
 : 2000
▪ : 3000
 : 4000
 : 5000

280

12000
10000
8000

----: NOx
: Wi


2000

230
20

30

40

n(rpm)
: 2000
: 3000
 : 4000
 : 5000

240

0

----: NOx
: Wi

1600

s(CA)

180
10


(a)

6400

3200

200

50

8000

4800


▪

6000
220

s(CA)
10

260

4000

240

NOx (ppm)


Wi (J/cycle)

290

Wi (J/cycle)

NOx (ppm)

(a)
(b)
Hình 3.37: Biến thiên cơng chỉ thị chu trình và cơng suất động cơ
(a), biến thiên nồng độ các chất ơ nhiễm theo góc đánh lửa sớm
(nhiên liệu M8C2-20G, =1, n=3000 vòng/phút, BG=0)
Wi-NOx_NOx-T_M7C3-30HHO_Vf3_vs-fis_function-n
Wi-NOx_M7C3-0HHO_Vf2_vs-fis_function-n
3.5. Hài hòa giữa Wi và NOx

20

30

40

0
50

(b)

Hình 3.41: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên của Wi và

NOx theo s khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M7C3-30G (a) và khi
chạy bằng biogas M7C3 (b) ( = 1, đầy tải)
3.6. Kết luận
Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra được
những kết luận sau:
- Hệ số tương đương  của hỗn hợp giảm mạnh khi tăng tốc độ
12
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


động cơ hoặc/và khi mở rộng bướm ga. Giải pháp cấp ga bằng một
van chân không phổ biến hiện nay không phù hợp với việc cung cấp
biogas nghèo cho động cơ. Với giải pháp này, nếu điều chỉnh hỗn
hợp hợp lý ở tốc độ thấp thì ở tốc độ cao hỗn hợp quá loãng; nếu
điều chỉnh hỗn hợp hợp lý ở tốc độ cao thì ở tốc độ thấp hỗn hợp quá
đậm.
- Khi động cơ chạy bằng biogas-xăng với hệ số tương đương
trong khoảng 0,9-1,15 thì nhiệt độ cháy chỉ thay đổi nhẹ, nồng độ
NOx đạt giá trị cực đại, trong khi đó nồng độ CO, HC tăng rất mạnh
khi >1. Cơng chỉ thị chu trình và cơng suất của động cơ đạt giá trị
cực đại ứng với hệ số tương đương tối ưu khoảng =1,1.
- Khi chạy bằng methane (M100) thì cơng chỉ thị chu trình
giảm 13% so với khi động cơ chạy bằng xăng. Khi chạy bằng biogas
M6C4 thì cơng chỉ thị chu trình giảm 27% so với xăng, giảm 17% so
với methane và giảm 10,5% so với biogas M8C2.
- Khi động cơ chạy bằng methane thì phát thải HC và CO bé
nhất, khi động cơ chạy bằng xăng thì phát thải NOx cao nhất cịn khi
động cơ chạy bằng biogas M6C4 thì phát thải CO cao nhất nhưng

phát thải NOx thấp nhất. Việc phối hợp sử dụng xăng/biogas, tức
phối hợp xăng/methane/carbonic có thể giúp cho động cơ đạt được
sự hài hịa giữa tính năng kỹ thuật và phát thải ơ nhiễm.
- Cơng chỉ thị chu trình và nồng độ NOx tăng rất nhanh trong
khi phát thải CO, HC giảm mạnh theo hàm lượng xăng pha vào
biogas khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30%. Sau giá trị này, mức độ cải
thiện tính năng động cơ khơng đáng kể. Hàm lượng xăng tối ưu trung
bình để pha vào tất cả các loại biogas là 30%.
- Khi tăng tốc độ từ 2000 v/ph lên 5000 v/ph thì cơng chỉ thị
chu trình giảm 25%, phát thải CO tăng 3,9 lần, phát thải HC tăng 2,5
lần, phát thải NOx giảm 7 lần đối với nhiên liệu M7C3-30G. Để cải
thiện tính năng kỹ thuật và giảm phát thải ơ nhiễm, góc đánh lửa sớm
của động cơ cần được điều chỉnh khi thay đổi tốc độ động cơ.
- Ứng với một tốc độ động cơ và nhiên liệu cho trước thì cơng
13
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


chỉ thị chu trình cực đại ứng với góc đánh lửa sớm tối ưu. Trong
trường hợp động cơ chạy bằng biogas-xăng, góc đánh lửa sớm tối ưu
nằm trên đường bao của các đường cong Wi-NOx, dao động trong
phạm vi 28TK -35TK khi động cơ chạy ở tốc độ 5000 vòng/phút
và được cung cấp nhiên liệu biogas bất kỳ pha 30% xăng. Góc đánh
lửa sớm tối ưu này giảm 3TK so với khi động cơ chạy bằng biogas.
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU
HYBRID BIOGAS-XĂNG
4.1. Mục đích và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm

Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm trong chương này là
nhằm đánh giá lại kết quả cho bởi mơ phỏng về tính năng kỹ thuật và
mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng nhiên liệu hybrid
biogas-xăng.
Thực nghiệm được tiến hành trên động cơ DA465QE được cải
tạo để có thể sử dụng xăng và biogas. Đường nạp của động cơ được
bổ sung thêm họng venturi và van cung cấp nhiên liệu khí. Thực
nghiệm trên động cơ DA465QE sử dụng góc đánh lửa sớm ngun
thủy, khơng can thiệp góc đánh lửa sớm của động cơ.
Các thơng số đo đạc thực nghiệm gồm công suất động cơ trên
đường đặc tính ngồi, nồng độ các chất ơ nhiễm CO, HC, NOx theo
tốc độ động cơ, thành phần biogas và hàm lượng xăng. Thiết bị thí
nghiệm gồm băng thử cơng suất động cơ AVL, máy phân tích khí
thải ơ tô MGT 5 và các thiết bị phục vụ chuẩn bị nhiên liệu biogas.
4.2. Đặc điểm hệ thống nhiên liệu của động cơ DA465QE
Hệ thống phun xăng điện tử của động cơ DA465QE là loại DEFI (loại điều khiển theo áp suất đường ống nạp), sử dụng cảm biến
áp suất khí nạp MAP trên đường ống nạp để phát hiện lượng khơng
khí nạp theo tỉ trọng khơng khí nạp.
4.3. Thiết kế hệ thống cung cấp hybrid biogas-xăng
4.3.1. Nguyên lý cấp ga liên tục và gián đoạn

14
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Trong cơng trình này hai phương án cung cấp nhiên liệu khí
kiểu hút chân khơng đã được đề xuất: phương án cấp nhiên liệu gián
đoạn (hình 4.3a) và cung cấp nhiên liệu liên tục (hình 4.3b).


Hình 4.3: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) và van cấp gas liên tục (b)
4.3.2.
Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ DA465QE
pres-section_bioseul_n2000_permanent
0

30

60

90

 (TK)
150 180

120

0

S2

-5000

S1

-10000

-20000


p (Pa)

-15000

S4

-25000
-30000

S3

(b)
(a)
Hình 4.4: Biến thiên áp suất trung bình tại các mặt cắt ngang khảo
sát khi cung cấp biogas liên tục (a) và khi cấp biogas gián đoạn.
Khi cấp ga liên tục, đường cong áp suất biến thiên đều đặn như
khi không cấp ga. Xung áp suất chỉ xuất hiện tại thời điểm mở và đóng
van cấp ga. Trong trường hợp cấp ga gián đoạn, áp suất dao động rất
mạnh. Giá trị của độ chân không tại các đỉnh xung lớn hơn giá trị độ
chân khơng trung bình tại mặt cắt tương ứng khi cấp ga liên tục.
4.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động cơ
DA465QE
-35000

Không khí
6

7

9


10

8

Khơng khí
ECU
5

8

Biogas

11

7

Xăng

Biogas

Hình 4.6: Sơ đồ hệ thống cung cấp biogas kiểu 2 van chân không
15
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Nguyên lý cung cấp biogas cho động cơ như phương án trên.
Do phối hợp hai nhiên liệu nên hệ thống điều khiển bướm ga được

kết nối theo nguyên lý bướm ga biogas mở góc lớn hơn bướm ga
xăng khi đạp ga. Tỉ lệ góc mở các bướm ga này phụ thuộc vào tỉ lệ
xăng/biogas cần cung cấp cho động cơ.
Khi động cơ chạy ở chế độ toàn tải, bướm ga biogas đã mở
hoàn toàn mà hỗn hợp vẫn chưa đạt được hệ số tương đương cháy
hồn tồn lý thuyết thì cảm biến oxygen sẽ tác động để ECU điều
khiển vòi phun xăng cung cấp thêm nhiên liệu. Nhờ vậy thành phần
hỗn hợp luôn đạt giá trị tối ưu và động cơ có thể phát cơng suất
tương đương với khi chạy bằng xăng khi làm việc trên đường đặc
tính ngồi
4.5. Kết cấu tổ hợp van chân không cung cấp biogas
4.6. Giới thiệu hệ thống thực nghiệm
4.6.1. Tổng quan về băng thử cơng suất động cơ
Nghiên cứu thực nghiệm tính năng động cơ biogas-xăng được
thực hiện tại phịng thí nghiệm động cơ đốt trong AVL của trường Đại
học Bách Khoa-Đại học Đà Nẵng. Sơ đồ bố trí thí nghiệm được giới
thiệu trên hình 4.7. Đây là phịng thí nghiệm được trang bị thiết bị
đồng bộ của Hãng AVL.
4.6.2. Băng thử công suất APA 204/08
Trong thí nghiệm này chúng tơi khơng đo áp suất trong buồng
cháy, chỉ đo momen đầu ra trục khuỷu và tốc độ động cơ ở các chế
độ làm việc khác nhau.
Băng thử công suất động cơ APA 204/E/0943 do Hãng AVL,
Cộng hịa Áo sản xuất, có cơng suất cực đại 220 kW, mô men quay
cực đại 934 Nm và số vịng quay cực đại 8000 v/ph. Đường đặc tính
của băng thử cơng suất động cơ được trình bày trên hình 4.8.
4.6.3. Thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu 733S
4.6.4. Thiết bị AVL 553
16
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


4.6.5. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp
4.6.6. Máy tính điều khiển
Tất cả thông số đo từ PUMA được kết nối với máy tính điều
khiển. Giao diện trên màn hình máy tính như hình 4.19.
4.6.7. Thiết bị phân tích khí thải MGT 5
4.7. Nghiên cứu thực nghiệm động cơ chạy nhiên liệu hybrid
biogas-xăng
4.7.1. Bố trí hệ thống thí nghiệm
Hình 4.12 giới thiệu sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm động cơ
DA465QE chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng. Động cơ thử
nghiệm sau khi đã cải tạo đường nạp và hệ thống cung cấp nhiên liệu
như đã mô tả ở phần trên được lắp lên băng thử công suất AVL. Việc
gá đặt động cơ thử nghiệm được thực hiện theo đúng qui trình kỹ
thuật theo hướng dẫn của phịng thí nghiệm động cơ.
4.7.2. Chuẩn bị nhiên liệu
Do phịng thí nghiệm cách xa nơi sản xuất biogas nên biogas
được nén vào bình áp lực để vận chuyển. Biogas được lọc H2S bằng
bentonite. Thành phần trung bình của biogas sau khi lọc là 60% CH4
và 40% CO2 khi không loại bỏ CO2. Để làm giàu biogas chúng tôi
tiến hành lọc CO2 bằng NaOH. Trong trường hợp này, biogas đạt
thành phần trung bình 70% CH4 và 30% CO2.
4.7.3. Lắp đặt động cơ thí nghiệm lên băng thử cơng suất

Hình 4.15: Lăp đặt động cơ DA465QE trên băng thử AVL
4.7.4. Chế độ thí nghiệm
17

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Như đã trình bày ở đầu chương này, thí nghiệm được thực hiện
giới hạn trên đường đặc tính ngồi (đối với biogas). Chế độ thử
nghiệm thay đổi theo tốc độ, thành phần biogas và hàm lượng xăng.
Hàm lượng xăng phối hợp biogas được xác định theo thành
phần mol. Sau mỗi loạt phép đo ổn định, ta xác định được thể tích
biogas tiêu thụ và khối lượng xăng tiêu thụ. Trên cơ sở đó chúng ta
tính được số mol xăng và số mol biogas, từ đo xác định hàm lượng
xăng.
4.8. Kết quả thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng
4.8.1. So sánh tính năng động cơ
Kết quả hình 4.20 cho thấy momen đạt cực đại tại vị trí tốc độ
động cơ khoảng 3500 vòng/phút. Điều này phù hợp với số liệu do
nhà chế tạo cơng bố. Kết quả thí nghiệm tại hầu hết các điểm đo đều
nhỏ hơn kết quả mơ phỏng trung bình khoảng 10%. Điều này là do
q trình cháy trong thực tế khơng diễn ra một cách lý tưởng như
điều kiện giả định khi mô phỏng. Góc đánh sửa sớm trong thực tế do
nhà chế tạo cài đặt sẵn vào ECU đối với nhiên liệu xăng, khơng hồn
tồn phù hợp với biogas và biogas phối hợp với xăng. Mặt khác diễn
biến áp suất trên đường ống nạp phức tạp cũng không được đưa vào
điều kiện mô phỏng một cách chính xác nên dẫn đến sai số giữa mô
phỏng và thực nghiệm.

18
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


(b)

(a)

Hình 4.20: So sánh đường đặc tính
ngồi mơ men và cơng suất cho bởi
mơ hình và thực nghiệm khi động cơ
chạy bằng xăng (a), biogas M7C3 (b)
và nhiên liệu M7C3-30G (: Cơng
suất thực nghiệm, • : Momen thực
nghiệm)

(c)
4.8.2. So sánh phát thải các chất ô nhiễm cho bởi mô phỏng và thực
nghiệm

(b)

(a)

19
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


(c)

Hình 4.22: So sánh ảnh hưởng của tốc độ đến phát thải CO (a), HC (b) và
NOx (c) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (M7C3-30G, =1, s=25oTK,
n=3000 v/ph, ━: Mơ phỏng, •: Thực nghiệm)

Kết quả hình 4.22 cho thấy kết quả mô phỏng phù hợp với
thực nghiệm ở vùng tốc độ cao do tác động cơ yếu tố nhiệt độ đến sự
hình thành NOx giảm nhẹ. Ở vùng tốc độ thấp, nồng độ NOx cho bởi
thực nghiệm nhỏ hơn giá trị cho bởi mơ phỏng trung bình khoảng
15%. Điều này là do tác động của nhiệt độ đến sự hình thành NOx
đáng kể hơn khi thời gian hỗn hợp tồn tại ở nhiệt độ cao kéo dài.
4.9. Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng động cơ hybri
Kết quả hình 4.33 thể hiện rất rõ mối tương quan giữa các
thơng số của q trình cháy khi sử dụng các nhiên liệu trên. Chúng ta
thấy khi động cơ chạy hồn tồn bằng xăng thì năng lượng nhiên liệu
mang vào xi lanh cho mỗi chu trình lớn nhất nên công chỉ thị sinh ra
lớn nhất. Một điểm lợi nữa khi động cơ chạy bằng xăng là phát thải
CO, HC cũng thấp nhất trong 3 nhiên liệu sử dụng. Điểm yếu của
nhiên liệu xăng là phát thải NOx cao nhất.

20
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Hình 4.23: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến tính năng động cơ hybrid
Hệ số
Pe-tổng (kW)

34


CO (%)

0,36

HC (%)

0,1

NOx (ppm)

3500

Hình 4.24: Ảnh hưởng của tốc độ vận hành đến tính năng và phát
thải ô nhiễm của dộng cơ sử dụng nhiên liệu hybrid
Chúng ta thấy khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 v/ph thì phát
thải CO giảm 80%, phát thải HC giảm 90% nhưng phát thải NOx
tăng 90% cịn cơng suất động cơ giảm 75% so với khi động cơ chạy
ở tốc độ 5000 v/ph.
Như đã phân tích ở phần trên, khi động cơ chạy bằng nhiên
liệu hybrid thì ở một chế độ tốc độ cho trước, phát thải CO, HC đều
thấp hơn khi chạy bằng biogas. Mặt khác, khi động cơ chạy ở tốc độ
cao thì phát thải NOx giảm như hình 4.24. Vì vậy khi sử dụng nhiên
liệu hybrid, động cơ có thể chạy ở tốc độ cao để tăng công suất và
giảm phát thải NOx đồng thời không làm tăng CO, HC so với khi
động cơ chạy bằng biogas.
21
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



4.10. Kết luận
Kết quả nghiên cứu của chương này cho phép chúng ta rút ra
được những kết luận sau:
- Tổ hợp van chân không gồm một van cấp ga liên tục và một
van cấp ga gián đoạn qua họng venturi lắp song song với đường nạp
của hệ thống nhiên liệu xăng cho phép điều chỉnh được hệ số tương
đương thích nghi với các chế độ công tác khác nhau của động cơ
chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng.
- Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả thí nghiệm tính năng
động cơ trên băng thử cơng suất AVL và phân tích khí thải chun
dùng. Những chênh lệch giữa kết quả mơ phỏng và thực nghiệm là
logic, phù hợp với lý luận và thực tiễn.
- Kết quả thực nghiệm đo đồng độ CO, HC trong khí thải cao
hơn kết quả cho bởi mô phỏng; ngược lại nồng độ NOx cho bởi thực
nghiệm thấp hơn kết quả mô phỏng là do điều kiện nạp và cháy trong
thực thế không diễn ra lý tưởng như trong tính tốn mơ phỏng, gây ra
hiện tượng cháy khơng hồn tồn cục bộ, dẫn đến nhiệt độ q trình
cháy thực tế thấp hơn lý thuyết.
- Kết quả thực nghiệm khẳng định lại các kết luận rút ra từ tính
tốn mơ phỏng. Cơng chỉ thị chu trình của động cơ chạy bằng nhiên
liệu hybrid biogas-xăng tăng theo hàm lượng xăng trong hỗn hợp
nhiên liệu. Khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30% thì mức độ tăng cơng
chỉ thị chu trình theo hàm lượng xăng cao hơn nhiều so với khi hàm
lượng xăng lớn hơn 30%.
- Cùng chế độ vận hành động cơ, phát thải CO và HC giảm
trong khi phát thải NOx tăng theo hàm lượng xăng trong hỗn hợp
nhiên liệu. Khi hàm lượng xăng lớn hơn 30% thì mức độ phát thải
các chất ơ nhiễm ít bị ảnh hưởng bởi thành phần nhiên liệu.

- Cùng thành phần nhiên liệu, khi tốc độ động cơ tăng thì cơng
22
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


chỉ thị chu trình giảm cùng với giảm phát thải NOx trong khi phát
thải CO và HC tăng. Khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 v/ph thì phát
thải CO giảm 80%, phát thải HC giảm 90% nhưng phát thải NOx
tăng 90% cịn cơng suất động cơ giảm 75% so với khi động cơ chạy
ở tốc độ 5000 v/ph.

23
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ