TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008
HỆ THỐNG CUNG CẤP BIOGAS CHO
ĐỘNG CƠ DUAL-FUEL BIOGAS/DIESEL
BIOGAS SUPPLYING SYSTEM FOR BIOGAS/DIESEL DUAL-
FUEL ENGINE

BÙI VĂN GA - LÊ MINH TIẾN
NGUYỄN VĂN ĐÔNG
Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN VĂN ANH
Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế

Tóm tắt
Một động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/diesel đã được chuyển đổi từ động cơ
diesel Kubota nguyên thủy. Bộ chuyển đổi bao gồm bộ hòa trộn và bộ điều tốc
điện tử điều khiển van bướm cơ khí. Nguồn năng lượng chính của động cơ được
cung cấp từ biogas. Một lượng nhỏ diesel khoảng 5% lượng phun tối đa được
phun để khởi động quá trình cháy. Động cơ tiêu thụ 1m
3
biogas/ 1kWh điện. Khí
thải động cơ không có bồ hóng. Dao động điện áp của máy phát nhỏ hơn 5% khi
tải bên ngoài thay đổi. Thời gian ổn định điện áp nhỏ hơn 5s
Abstract:
A dual-fuel biogas/diesel engine has been transformed from original Kubota
Diesel engine. The conversion kit is composed of mixture chamber and electronic
speed regulator via a mechanical throttle valve. The main power of the engine is
supplied by biogas. A small quantity of diesel about 5% formal injection is
supplied for ignition. The engine consumes 1m
3
biogas/1kWh electricity. No soot
component is found in exhaust gas. The fluctuation of generator tension is less

tốc của động cơ dual-fuel được cải tạo từ động cơ diesel để kéo máy phát điện có công
suất 5kW. Hệ thống động cơ-máy phát sử dụng trong nghiên cứu này được bố trí như hình
1.
Động cơ Kubota GX125-2X-NB-GE có tỉ số nén 24, đường 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. Kết quả tính toán nhiệt cho thấy nếu động cơ chạy hoàn toàn bằng biogas
thì công suất của nó đạt 7,69kW ở tốc độ 2000 vòng/phút. Nếu hiệu suất truyền động của
cả hệ thống là 0,75 thì công suất động cơ khi chạy bằng biogas thỏa mãn yêu cầu kéo máy
phát điện 5kW. Động cơ làm việc ở tốc độ định mức 2000 vòng/phút trong khi tốc độ định
mức của máy phát là 1500 vòng/phút do đó bộ buli có đường kính 120mm và 160mm
được chọn lắp lần lượt trên động cơ và máy phát điện để đảm bảo tỉ số truyền động.
2. Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas
Động cơ dual-fuel biogas/diesel có đặc điểm cung cấp nhiên liệu như sau:
- Biogas: là nhiên liệu chính quyết định công suất của động cơ. Lưu lượng
biogas được cung cấp vào động cơ thay đổi theo chế độ tải.
- Diesel: là nhiên liệu để đốt mồi (thay thế bugi đánh lửa) được phun vào bên
trong buồng cháy động cơ với lượng phun cố định.
Do đặc điểm như vậy, lượng hòa khí (gồm không khí và biogas) được chuẩn bị
trước trên đường nạp trước khi cung cấp vào trong buồng cháy động cơ. Lượng diesel
phun vào không làm ảnh hưởng đến quá trình cung cấp nhiên liệu biogas. Trong công
trình nghiên cứu này, chúng tôi khống chế lượng nhiên liệu diesel phun làm mồi là 5%
lượng nhiên liệu diesel ở chế độ toàn tải. Do đó lưu lượng nhiên liệu diesel mồi là
m
D
=0,106kg/h. Lưu lượng biogas cung cấp cho động cơ để đảm bảo công suất điện 5kW
là V
biogas
=3,304m
3
/h. Lưu lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn lượng diesel và

Hình 2: Sơ đồ tính toán hệ
thống cung cấp hỗn hợp
biogas/không khí
Trong đó: μ
h
là hệ số lưu lượng của họng, ta có
thể chọn μ
h
=0,85; f
h
=πd
h
2
/4 là tiết diện của họng; W
kk

tốc độ của dòng không khí đi qua họng thường được
chọn khoảng 30m/s; khối lượng riêng của không khí
ρ
kk
=1,15.
Từ đó ta tính được đường kính họng là
d
h
=20mm.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008
Độ chân không tại họng là:

Pa685
2

b
=0,8808kg/m
3
. Tốc độ của
dòng biogas qua van tiết lưu được xác định theo
biểu thức:

()
Bh
B
B
pp
2
W +Δ
ρ
=
(3) Hình 3: Van tiết lưu
Với Δp
h
là độ chân không tại họng và p
B

là áp suất của biogas p
B
=35mmH
2
O.

làm cho mặt côn của van tiết lưu thay đổi vị trí so với
đế van dẫn đến thay đổi tiết diện lưu thông của đường
19
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008

20
cung cấp biogas.
Vi điều khiển được chọn là chip AT89C52. Chip này thuộc họ MSC-51 của hãng
Intel. Đây là một mạch tích hợp có thể lập trình được dùng để điều khiển hoạt động của
một hệ thống. Theo lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông
tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng hoặc mở các cơ cấu đã được xác định
trước. Đặc điểm cơ bản của chíp AT89C52 như sau:
• 8 KB ROM
• 256 byte RAM
• 4 cổng xuất nhập (I/O) 8-bit
• 3 bộ định thời 16-bit
• Mạch giao tiếp nối tiếp

• 64 KB không gian bộ nhớ chương trình mở
rộng
• 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng
• Một bộ xử lý bit thao tác trên các bit đơn
• 210 vị trí nhớ đã được định địa chỉ, mỗi
địa chỉ 1-bit
• Tần số hoạt động 1 MHz

B
Ắ
T Đ
Ầ

SYSTEM_RUN=1
Đ
Đi
ề
u khi
ể
n van ti
ế
t lưu
Xác định tốc độ điều khiển
S
S

Hình 6: Chương trình điều khiển

Hình 5: Sơ đồ mạch điện điều khiển van tiết lưu

Thông tin tình trạng hoạt động được hiển thị lên một màn hình tinh thể lỏng LCD.
Cảm biến được sử dụng là một bộ led phát và led thu hồng ngoại được bố trí đối diện nhau
so với vành đục lỗ gắn trên bánh đà (hình 4).
Hình 5 giới thiệu sơ đồ mạch điện điều khiển van tiết lưu và hình 6 sơ đồ logic
hoạt động điều khiển van tiết lưu của mạch.
Thuật toán của chương trình điều khiển:
a. Chương trình khởi tạo các biến chứa các giá trị mặc định ban đầu bao gồm: tốc
độ làm việc, tốc độ tăng tốc, tốc độ vượt tốc, bộ đếm tốc độ động cơ
b. Khởi động các bộ định thời, ngắt thời gian và ngắt ngoài. Mỗi thao tác ngắt,
mạch xử lý các phần:
+ Ngắt bộ định thời 0:
- Điều khiển tốc độ động cơ DC điều chỉnh van tiết lưu bằng phương pháp
thay đổi độ rộng xung.

thống thí nghiệm. Khí biogas sau khi lọc H
2
S được
cung cấp cho động cơ thông qua van tiết lưu. Để
tạo tải cho máy phát, thí nghiệm sử dụng 4 bóng
đèn có công suất mỗi bóng là 500W và hai máy
bơm nước có công suất mỗi máy là 1500W. Do đó,
chúng ta có thể tạo ra tải định mức 5kW cũng như
sự thay đổi tải ở các mức 500W, 1000W, 1500W,
2000W
Hình 8 giới thiệu điện áp của máy phát ở
chế độ không tải. Sau khi khởi động khoảng 7s ,
điện áp máy phát trở nên ổn định quanh giá trị 220
volts. Van tiết lưu của bộ điều tốc gần như đứng
yên ở vị trí ổn định.
Hình 9 giới thiệu biến thiên điện áp của máy phát điện khi thay đổi tải bên ngoài
bằng cách bật hay tắt các bóng đèn. Khi bật lần lượt các bóng đèn 500W, điện áp tức thời
tụt xuống khoảng 10 volts (khoảng 5% điện áp định mức). Khoảng 5s sau đó, mạch điều
khiển xoay van tiết lưu về phía tăng tiết diện lưu thông, lượng khí biogas đi qua van nhiều
hơn, điện áp trở lại vị trí ổn định ban đầu. Khi tắt lần lượt các bóng đèn để giảm tải, điện
áp tức thời tăng lên khoảng 10 volts và trở về vị trí ổn định sau khoảng 5s.
Khi công suất điện lên đến 4500kW, van tiết lưu gần như mở hoàn toàn. Nếu bật
thêm một bóng đèn 500W nữa điện áp của máy phát giảm xuống còn khoảng 200volts. Do
21
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008

22
trong hệ thống thí nghiệm này không sử dụng CO
2
nên hàm lượng CH

biogas rất thấp, khoảng 35mmH
2
O.
• Bộ điều tốc kiểu điện tử với chip AT89C52 hoạt động tin cậy, điện áp trong giai đoạn
chuyển tiếp tăng, giảm khoảng 5% so với điện áp định mức và thời gian ổn định
khoảng 5s.
• Động cơ dual-fuel tiêu thụ khoảng 1m
3
biogas ứng với 1kWh điện; khí thải của nó
hầu như không có chứa bồ hóng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] BUI VAN GA, NGO VAN LANH, NGO KIM PHUNG: Tinh luyện khí biogas để
chạy động cơ đốt trong. Khoa học và Phát triển, Đà Nẵng 4-2007
[2] BUI VAN GA, NGO VAN LANH, NGO KIM PHUNG, VENET CEDERIC: Thử
nghiệm khí biogas trên động cơ xe gắn máy. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại
học Đà Nẵng, số 1(18), pp. 1-5, 2007
[3] Bui Van Ga, Nhan Hong Quang, Truong Le Bich Tram: Small Power Engine Fueled
with Biogas. The 4th Seminar on Environment Science and Technology Issues
Related to the Sustainable Development for Urban and Coastal Areas, pp. 257-263.
Japan-Vietnam Core University Program, Danang 27-28 September 2007
[4] Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trương Hoàng Thiện, Lê Minh Tiến : Hệ thống
cung cấp khí biogas cho động cơ cỡ nhỏ. Tuyển tập Hội Nghị Cơ học Thủy khí toàn
quốc, Huế, 26-28/7/2007