TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008
22
TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH CUNG CẤP BIOGAS
CHO ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI SỬ DỤNG
HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS-DẦU MỎ
OPTIMAL BIOGAS SUPPLYING SYSTEM FOR
BIOGAS-PETROLEUM BI-FUEL STATIONARY ENGINES

BÙI VĂN GA - TRẦN VĂN QUANG -
TRƢƠNG LÊ BÍCH TRÂM
Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN PHI QUANG
Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế

TÓM TẮT
Các thông số cơ bản cũng như qui luật vận hành của van cung cấp biogas được
nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu cho các động cơ tĩnh tại
chạy bằng hai nhiên liệu biogas-dầu mỏ. Kết quả tính toán van sai lệch so với kết quả
thực nghiệm khoảng 10%. Mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ giảm 100 lần đối với
CO và 10 lần đối với HC so với tiêu chuẩn khí thải động cơ xe cơ giới. Hệ thống cung
cấp nhiên liệu nguyên thủy của động cơ không thay đổi.
ABSTRACT
The basic parameters and law of function of biogas supplying valve is studied for an
optimal fuel supplying to biogas-petroleum bi-fuel stationary engines. The difference
between theoretical calculation of the valve and experiment is about 10%. CO emission
is 100 times and HC emission is 10 times lower than that of regulation for vehicle
engines. Original fuel supplying of engine is unchanged.

1. Giới thiệu
Biogas là nhiên liệu khí thu đƣợc từ phân hủy các chất hữu cơ trong môi trƣờng
thiếu không khí. Biogas là nhiên liệu tái sinh, vì vậy việc sử dụng nó làm nhiên liệu

cho động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu biogas-nhiên liệu lỏng.
2. Tính toán quá trình cung cấp biogas cho động cơ
2.1. Cơ sở lý thuyết
Để động cơ tĩnh tại làm việc đƣợc bằng hai nhiên liệu, hệ thống cung cấp nhiên
liệu nguyên thủy của động cơ phải đƣợc giữ nguyên. Vì vậy trong phần này chúng ta
cần tính toán hệ thống cung cấp biogas trên cơ sở hệ thống nhiên liệu xăng hay diesel có
sẵn.
Động cơ tự cháy do nén chạy bằng biogas đƣợc cải tạo từ động cơ diesel làm
việc theo nguyên lý: công suất chính do quá trình cháy biogas sinh ra, một lƣợng diesel
tối thiểu đƣợc phun mồi để đánh lửa hỗn hợp. Lƣợng diesel phun mồi này đƣợc chỉnh ở
mức thấp nhất. Ở tốc độ động cơ bé, khi kiểm tra tia phun ngoài khí trời, chúng ta
không thấy tia nhiên liệu. Tuy nhiên khi tốc độ động cơ tăng cao do tiết lƣu, một lƣợng
nhiên liệu bé vẫn đƣợc cung cấp vào buồng cháy. Năng lƣợng do lƣợng nhiên liệu
diesel tỏa ra đƣợc xem nhƣ không đáng kể.
Động cơ đánh lửa cƣỡng bức có thể chuyển sang chạy hoàn toàn bằng biogas
hoặc có thể sử dụng xăng khi khởi động (trong trƣờng hợp biogas nghèo). Việc điều
chỉnh công suất động cơ đƣợc thực hiện bằng cách điều chỉnh đồng thời lƣu lƣợng hỗn
hợp và lƣu lƣợng biogas để đảm bảo cho thành phần hỗn hợp cố định. Vì vậy bộ điều
tốc động cơ đánh lửa cƣỡng bức chạy bằng biogas phức tạp hơn bộ điều tốc động cơ
diesel.
Với hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết =1, chúng ta cần 20g không khí cần thiết
để đốt cháy hoàn toàn 1g CH
4
. Ở điều kiện thƣờng tỉ lệ này về mặt thể tích là
20/1,293=15,5 lít và 1/16/22,4=1,4 lít, hay nói cách khác, tỉ lệ thể tích không khí-nhiên
liệu A/F=11 đối với hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết. Giả sử biogas chỉ chứa CH
4
và
CO
2

nap
thì tốc độ dòng
khí đi qua đƣờng nạp là V
nap
=q
nap
/(.d
2
nap
/4). Độ chân không trung bình trên đƣờng nạp
p
nap
=1/2V
2
nap
. Áp suất biogas đƣợc giữ ổn định ở p
gas
. Vậy chênh áp trƣớc và sau
vòi phun biogas trong giai đoạn nạp là p
nap
+p
gas
. Tốc độ biogas ra khỏi vòi phun
trong kỳ nạp:
nap gas
gas,nap
gas
2 p p
V
  

nap
(V
gas,nap
+ 3V
gas
) = q
gas

Từ đó ta tính đƣợc tiết diện lƣu thông của vòi phun biogas ứng với các điều kiện
vận hành khác nhau của động cơ.
Công suất của động cơ do quá trình cháy của methane sinh ra. Nhiệt trị thấp của
methane ở điều kiện thƣờng là Q
LHV
= 35.570 kJ/m
3
. Nếu hiệu suất có ích của động cơ
là  thì công suất của động cơ là:
4
e CH LHV
n
P .q .Q .
120

(kW)
2.2. Tính toán van cung cấp biogas
cho động cơ diesel
Van cung cấp biogas đƣợc mô
tả trên hình 1. Đầu vào và đầu ra của
van có đƣờng kính D
v

25
kim côn tại mặt cắt đế van. Trong quá trình thí nghiệm kim côn đƣợc kéo dọc trục và vị
trí của nó đƣợc xác định nhờ thƣớc đo chuẩn trên van. Động cơ diesel sử dụng trong thí
nghiệm này là động cơ Kubota
GX125-2X-NB-GE có tỉ số nén
24, đƣờng kính xi lanh 94mm,
hành trình piston 90mm, công
suất của động cơ khi chạy bằng
diesel là 8,5kW ở tốc độ 2200
vòng/phút. Động cơ diesel kéo
máy phát điện 5kW (hình 2). Ở
tốc độ cố định, lƣợng hỗn hợp
đi vào xi lanh động cơ không
đổi. Khi tải bên ngoài thay đổi
thì van cung cấp biogas có
nhiệm vụ điều chỉnh lƣu lƣợng
biogas để thay đổi hệ số đậm
đặc dẫn đến thay đổi momen
cung cấp. Hình 3 giới thiệu biến thiên công suất động cơ theo thành phần hỗn hợp tổng
quát ứng với khí biogas có thành phần CH
4
60% và 80%. Khác với động cơ đánh lửa
cƣỡng bức, động cơ biogas đánh lửa bằng diesel mồi có thể làm việc với hỗn hợp tổng
quát rất nghèo. Thực nghiệm cho thấy thành phần hỗn hợp nhỏ nhất có thể đạt đến 0,1.
Khi thành phần CH
4
trong biogas thấp, do lƣợng CO
2
trong nhiên liệu nạp vào xi lanh
tăng nên cùng một giá trị  cho trƣớc, công suất động cơ giảm. Khi sử dụng biogas có


60%CH
4

Hình 4: Quan hệ giữa đường kính
kim côn Dc và thành phần hỗn hợp

Pe (kW)
80%CH
4

60%CH
4


Hình 3: Quan hệ giữa công suất
động cơ và thành phần hỗn hợp

Hình 2: Động cơ hai nhiên liệu biogas-diesel
sử dụng trong thí nghiệm
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008
26
2.3. Tính toán van cung cấp biogas cho động cơ xăng
Thí nghiệm sử dụng cụm động cơ-máy phát điện có dung tích xi lanh 135cm
3
,
tốc độ động cơ 3000 vòng/phút, kéo máy phát điện 2,3 KW (hình 5). Công suất động cơ
xăng có thể đƣợc điều chỉnh bằng hai cách:
hoặc cố định vị trí bƣớm ga và thay đổi thành
phần hỗn hợp  (điều chỉnh theo chất), hoặc

theo độ mở bướm ga ứng với các

khác nhau
D
c
(mm)

% tải


Hình 8: Quan hệ giữa độ mở bướm ga và
đường kính kim côn D
c
ứng với các độ đậm
đặc khác nhau của hỗn hợp

Hình 5: Động cơ hai nhiên liệu
biogas-xăng dùng trong thí nghiệm
Pe (kW)

100% tải
75% tải
50% tải
25% tải
Hình 6: Quan hệ giữa công suất động cơ và thành phần
hỗn hợp

ứng với các độ mở bướm ga khác nhau
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008
27

S bằng oxit sắt giảm từ 98% lúc ban đầu đến còn
80% khi lƣợng biogas qua lọc đạt 1400 lít. Trong thực tế, chúng tôi sử dụng cột lọc H2S
có đƣờng kính 300mm và chiều cao 2000mm [4]. Chất lƣợng biogas sau khi lọc đủ tiêu
chuẩn để chạy động cơ đốt trong [6]. Khí biogas sau khi qua lọc đƣợc dùng để cung cấp
cho động cơ biogas đƣợc cải tạo từ động cơ diesel thí nghiệm.

Hình 10 và hình 11 giới thiệu kết quả thí nghiệm loại trừ CO
2
và H
2
S bằng cột
lọc tổ hợp. Kích thƣớc cột lọc tƣơng tự nhƣ cột lọc sử dụng oxit sắt vừa nêu. Nồng độ
CO
2
chứa trong khí biogas gần nhƣ ổn định ở 37% thể tích còn nồng độ H
2
S dao động
trong khoảng 1400ppmV đến 1600ppmV. Hiệu quả lọc ban đầu rất cao, đạt gần 100%
đối với CO
2
và 98,5% đối với H
2
S. Khi lƣợng biogas đi qua lọc 1000 lít thì hiệu quả lọc
của hai chất này lần lƣợt là 97% và 96%. Nồng độ CO
2
trong khí đầu ra nhỏ hơn 2% và
nồng độ H
2
S nhỏ hơn 100ppmV sau khi có 1000 lít biogas đi qua lọc. Để kéo dài thời
gian sử dụng lọc, trong thực tế thể tích lọc và khối lƣợng CaO và oxit sắt đƣợc tính toán

S đầu ra
Hiệu suất xử lý H
2
S
Hình 9: Lọc H
2
S trong biogas bằng oxit sắt
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008
28
theo nhu cầu lƣu lƣợng biogas đi qua lọc. Trong thực tế, chúng tôi sử dụng cột lọc có
chiều cao 2000mm và đƣờng kính 300mm. Khí biogas qua lọc đƣợc cung cấp cho động
cơ bigas cải tạo từ động cơ xăng.
3.2. Trình tự thí nghiệm
Thiết bị gây tải là 4 bóng đèn công suất 500W mỗi bóng và hai máy bơm công
suất 1500W mỗi máy. Các bóng đèn và máy bơm đƣợc bật lần lƣợt để tăng tải cản.
Đối với động cơ diesel, sau khi khởi động và chuyển sang chạy bằng biogas và
điều chỉnh van cung cấp biogas để điện áp máy phát đạt khoảng 100V. Ứng với một chế
độ tải bên ngoài, ta dịch chuyển van côn về phía mở rộng van cho đến khi điện áp máy
phát đạt 220V và ghi nhận vị trí của van lúc đó.
Đối với động cơ xăng, bƣớm ga đƣợc cố định tại 4 vị trí chia đều từ 1/4 đến mở
hoàn toàn. Sau khi cho động cơ chạy bằng biogas, đầu tiên ta bật bóng đèn 500W, chỉnh
bƣớm ga sang vị trí 1/4 đồng thời chỉnh van biogas để điện áp động cơ khoảng 100V.
Cố định vị trí bƣớm ga và mở dần van côn đến khi điện áp động cơ đạt đƣợc 220V và
ghi nhận vị trí van côn lúc đó. Tiến hành thí nghiệm tƣơng tự cho các giá trị tải 1000W,
1500W và 2000W.

Pe (W)
CO (%)
Hình 14: Biến thiên nồng độ CO
trong khí thải động cơ diesel khi chạy bằng

(mm)
Lý thuyết
Thực nghiệm
Hình 13: So sánh kết quả cho bởi lý thuyế
và thực nghiệm D
c
=f(P
e
) đối với động cơ diesel
7
7,5
8
8,5
9
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Series1
Series2
Series3
Series4
Series5

25% tải
50% tải
75% tải
100% tải
Thực nghiệm
Pe (kW)
D
c
(mm)

với tốc độ động cơ ổn định ở 2200 vòng/phút. Đƣờng kính van côn D
v
=14mm. Hàm
lƣợng CH
4
trong khí biogas sau khi qua lọc là 60%. So sánh kết quả cho bởi lý thuyết và
thực nghiệm đƣợc trình bày trên hình 13. Tƣơng tự nhƣ động cơ xăng, ở chế độ tải thấp,
đƣờng cong thực nghiệm gần với đƣờng cong lý thuyết. Ở chế độ tải lớn, sai lệch cực
đại giữa lý thuyết và thực nghiệm đối với đƣờng kính kim côn D
c
nhỏ hơn 10%. Sai số
này có thể giải thích bởi hai lý do. Trƣớc hết hệ số tiết lƣu của van côn do không xác
định đƣợc nên chúng ta chọn bằng đơn vị trong tính toán nên lƣu lƣợng biogas đi qua
van theo lý thuyết lớn hơn thực nghiệm. Mặt khác, do quá trình cháy không hoàn toàn
nên để đảm bảo cùng công suất tính toán, trong thực tế lƣợng nhiên liệu cung cấp cho
động cơ lớn hơn.
Kết quả so sánh trên đây phù hợp với kết quả phân tích khí thải động cơ diesel ở
các chế độ thực nghiệm tƣơng ứng với hình 13. Ở vùng công suất thấp, hỗn hợp tổng
quát của động cơ rất nghèo vì vậy nồng độ CO và HC trong khí thải đều rất thấp (hình
14 và hình 15). Nếu so sánh với tiêu chuẩn khí thải của động cơ xe cơ giới (4,5% CO và
1200ppm HC) thì nồng độ CO trong khí thải động cơ biogas nhỏ hơn 100 lần và nồng
độ HC nhỏ hơn 10 lần. Ở vùng công suất cao, hỗn hợp đậm hơn theo tính toán lý thuyết
nên thành phần CO và HC đều tăng.
5. Kết luận
Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra đƣợc những kết luận sau:
1. Có thể sử dụng van cung cấp biogas kiểu côn để điều chỉnh quá trình cung cấp
nhiên liệu tối ƣu cho động cơ tĩnh tại. Kích thƣớc của kim côn theo tính toán lý
thuyết hơn kích thƣớc thực tế 10% ở khu vực tải lớn.
2. Để động cơ có thể sử dụng đƣợc hai nhiên liệu, đối với động cơ xăng, có thể kết
hợp bộ điều tốc có sẵn để điều chỉnh van cung cấp biogas; đối với động cơ

LUONG: Biogas-Gasoline Hybrid Engine. Tạp chí Khoa học-Công nghệ, Đại học
Đà Nẵng, số 3(26), pp. 40-48, 2008