Phỏng đoán sự phân bố nhiệt độ và nox trong buồng cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen

12 Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông PHỎNG ĐOÁN SỰ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ NOX TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CHẠY BẰNG BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI HYDROGEN TEMPERATURE AND NOX DISTRIBUTION PREDICTION IN COMBUSTION CHAMBER OF SI ENGINE FUELED WITH BIOGAS ENRICHED HYDROGEN Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; buivanga@ac.udn.vn Tóm tắt - Bài báo phân tích phân bố nhiệt độ cháy và NOx dựa trên mô phỏng phân bố thành phần hỗn hợp khi phun nhiên liệu hòa trộn trước và khi phun riêng rẽ trên động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen. Kết quả cho thấy, với cùng thành phần nhiên liệu và chế độ vận hành của động cơ, phun hỗn hợp biogas-hydrogen thì thành phần hỗn hợp cuối quá trình nén đồng đều hơn phun nhiên liệu riêng rẽ. Cùng phương thức cung cấp và thành phần nhiên liệu thì mức chênh lệch nồng độ nhiên liệu trên mặt cắt ngang càng rộng khi tốc độ động cơ càng cao. Khi tăng hàm lượng hydrogen thì nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và nồng độ NOx đều tăng. Khi phun hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn trước thì nhiệt độ cực đại nằm gần thành xi lanh theo phương x còn nồng độ NOx cực đại nằm gần thành xi lanh theo phương z. Khi phun riêng rẽ thì vùng nhiệt độ cực đại hướng về xú páp thải còn vùng NOx cực đại hướng về xú páp nạp. Abstract - Prediction of temperature and NOx distribution in combustion chamber of SI engine fueled with biogas enriched hydrogen based on simulation of mixture formation via blend injection and dual injection is presented in this paper. The results show that under the same fuel composition and operation conditions, mixture at the end of compression process is more homogenous in case of biogas-hydrogen blend injection compared to dual injection. With the same injection strategy, the difference between maximum fuel concentration and minimum fuel concentration in the cross section is larger at increasing engine speed. Combustion temperature and NOx concentration increase with increasing hydrogen concentration in the fuel mixture. Maximum temperature is found in zones close to the cylinder wall in x direction while maximum NOx concentration is found in zones close to cylinder wall in z direction with blend injection. As dual injection, maximum temperature is close to exhaust valve and maximum NOx concentration is close to inlet valve. Từ khóa - nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydrogen; NOx; phun nhiên liệu. Key words - renewable energy; Biogas; Hydrogen; NOx; fuel Injection. 1. Giới thiệu Sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã làm gia tăng hàm lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính CO2 trong bầu khí quyển, gây biến đổi khí hậu, làm mực nước biển dâng cao, đe dọa đến cuộc sống trên hành tinh. Để đảm bảo sự phát triển bền vững, các nhà khoa học từ lâu đã nghiên cứu phát triển công nghệ ứng dụng các loại nhiên liệu tái tạo có nguồn gốc từ bức xạ mặt trời [1], [2]. Đây là nguồn năng lượng dồi dào và bất tận trong thang đo thời gian của Thái dương hệ. Nguồn năng lượng này phân bố đều khắp trên hành tinh, không phụ thuộc nhiều vào vị trí địa lý như nguồn năng lượng hóa thạch. Theo cảnh báo của các nhà khoa học thì nếu nhiệt độ bầu khí quyển tăng vượt 2⁰C so với nhiệt độ trung bình trong giai đoạn 1850-1950 thì sẽ xảy ra hiện tượng “househot”, khi đó nhiệt độ khí quyển đạt giá trị cao nhất trong hơn 1,5 triệu năm qua và con người không còn khả năng điều chỉnh lại hệ thống khí hậu. Để nhân loại không phải đối mặt với hiện tượng khí hậu cực đoan này, tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu thế giới COP21 năm 2015 tại Paris, đa số các quốc gia đã thống nhất cam kết cùng hành động để từ 2020 trở đi, mức phát thải CO2 trên phạm vi toàn cầu giảm dần, đảm bảo nhiệt độ bầu khí quyển cuối thế kỷ 21 không vượt quá ngưỡng cực đoan 2⁰C so với thời kỳ tiền công nghiệp. 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 vòng 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 vực động cơ đốt trong và phương tiện vận chuyển cơ giới. Ở các nước vùng nhiệt đới, sản xuất nông nghiệp thì biogas và điện mặt trời là nguồn năng lượng dồi dào. Biogas từ lâu đã được dùng để đun nấu, thắp sáng. Với mức độ dồi dào của biogas, việc sử dụng nó làm nguồn nhiên liệu này trên động cơ đốt trong để kéo máy công tác tĩnh tại hay lắp trên phương tiện vận chuyển cơ giới là giải pháp rất hữu hiệu để tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường [3], [4]. Biogas có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức hay động cơ dual fuel [5], [6]. Bên cạnh biogas, điện mặt trời đang được phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây do chi phí đầu tư giảm. Người ta ước tính với tốc độ phát triển của công nghệ hiện nay, giá thành điện mặt trời cứ sau 10 năm sẽ giảm đi một nửa. Kỷ nguyên năng lượng tái tạo đã chính thức ra đời sớm hơn dự kiến của các nhà khoa học trong thế kỷ trước. Một số dự báo lạc quan cho rằng, có thể đến ¾ các nước trên thế giới sử dụng hoàn toàn năng lượng tái tạo trước năm 2050. Khi nguồn điện mặt trời dồi dào thì việc sản xuất hydrogen bằng điện phân nước để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là giải pháp mang tính bền vững. Biogas có chỉ số octane lớn, khoảng 130, nên nó có khả năng chống kích nổ tốt. Vì thế, nó có thể dùng trên động cơ có tỉ số nén cao để cải thiện hiệu suất nhiệt [7], [8], [9]. Tuy nhiên, biogas có chứa CO2, một tạp chất làm giảm tốc ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, Quyển 1 13 độ lan tràn màn lửa và giảm nhiệt trị nhiên liệu, ảnh hưởng đến tính năng của động cơ [10]. Trong khi đó hydrogen là nhiên liệu có tốc độ cháy cao. Tốc độ lan tràn màn lửa của hydrogen đạt 230 cm/s, lớn gần gấp 6 lần tốc độ lan tràn màn lửa của methan CH4 (42 cm/s) nên khi phối hợp với biogas nó sẽ giúp cải thiện chất lượng quá trình cháy của động cơ [11]. Kết quả nghiên cứu của Ilbas et al. [12] cho thấy khi tăng thành phần hydrogen trong hỗn hợp với methan thì tốc độ lan tràn màn lửa tăng và giới hạn cháy mở rộng. Điều này cho phép rút ngắn thời gian từ lúc đánh lửa đến khi áp suất đạt cực đại khiến áp suất cực đại gần điểm chết trên hơn dẫn đến gia tăng tốc độ tỏa nhiệt. Chung et al. [13] nghiên cứu hiệu quả quá trình cháy của hỗn hợp hydrogen/biogas trong động cơ đánh lửa cưỡng bức bằng mô phỏng và thấy rằng, khi tăng hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu thì áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt cực đại đều tăng. Porpatham et al. [14] cũng nhận được kết quả tương tự khi nghiên cứu động cơ cưỡng bức chạy bằng biogas được làm giàu bởi 5%, 10% và 15% hydrogen ở các hệ số tương đương khác nhau. Silvana Di Iorio et al. [15] nghiên cứu quá trình cháy của hydrogen- methane trong động cơ đánh lửa cưỡng bức cỡ nhỏ bằng phương pháp quay phim kỹ thuật số tốc độ cao và thấy rằng áp suất cực đại tăng, tiến gần đến ĐCT, thời gian cháy giảm khi tăng hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu. Về mức độ phát thải ô nhiễm, động cơ chạy bằng biogas có mức độ phát thải ô nhiễm thấp [16]. Động cơ chạy bằng hydrogen có mức độ phát thải ô nhiễm nói chung còn thấp hơn động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống hay nhiên liệu thay thế [17]. Khi pha hydrogen vào biogas thì mức độ phát thải NOx phụ thuộc vào hàm lượng hydrogen. Với hàm lượng hydrogen vừa phải thì NOx giảm nhưng khi hàm lượng hydrogen cao thì NOx lại tăng do tăng nhiệt độ cháy [18], [19]. Mức độ phát thải NOx có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất cực đại trong xi lanh, áp suất cực đại càng cao, mức độ phát thải NOx càng lớn [20]. Khi động cơ làm việc với =1, với hàm lượng hydrogen vừa phải thì tính năng kinh tế, kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ được cải thiện. Tuy nhiên khi hàm lượng hydrogen tăng vượt quá 10% thì lượng nhiệt truyền cho nước làm mát tăng làm giảm hiệu suất nhiệt đồng thời phát thải NOx tăng [21]. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, do hydrogen cho phép mở rộng giới hạn cháy nên cả tính năng kinh tế kỹ thuật lẫn mức độ phát thải NOx đều được cải thiện khi tăng hàm lượng hydrogen [22], [23], [24]. Sự hiện diện của hydrogen trong hỗn hợp với biogas không những làm giảm phát thải ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức mà nó còn góp phần làm giảm phát thải bồ hóng trong khí thải động cơ dual fuel biogas-diesel [25], [26]. Wang et al. [27] đề xuất hàm lượng thể tích hydrogen trong hỗn hợp với methane khoảng 20% là tối ưu cả về hiệu suất nhiệt và mức độ phát thải ô nhiễm. Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng làm việc của động cơ biogas được làm giàu bằng hydrogen [28]. Nói một cách tổng quát, hydrogen có thể xem là một chất pha trộn vào biogas để cải thiện hiệu suất và giảm phát thải ô nhiễm nhờ những đặc tính ưu việt của nó như giới hạn cháy mở rộng, tốc độ cháy cao, hệ số khuếch tán lớn, nhiệt độ đoạn nhiệt cao [29]. Những công trình nghiên cứu về động cơ chạy bằng biogas-hydrogen đã công bố đến nay dường như mới chỉ đề cập đến những kết quả tổng quát ở đầu ra, chưa có những nghiên cứu tường tận hiện tượng diễn ra trong buồng cháy động cơ. Quá trình cung cấp nhiên liệu ảnh hưởng đến sự phân bố nồng độ các chất trong buồng cháy vì thế ảnh hưởng đến chất lượng quá trình cháy và mức độ phát thải ô nhiễm. Việc nghiên cứu bằng thực nghiệm để đo đạc diễn biến tức thời bên trong buồng cháy rất khó có thể thực hiện được. Vì thế nghiên cứu mô phỏng sẽ giúp chúng ta khắc phục được hạn chế này. Trong công trình này chúng tôi nghiên cứu mô phỏng sự phân bố nồng độ các thành phần nhiên liệu trong buồng cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen để trên cơ sở đó phỏng đoán phân bố nhiệt độ và nồng độ NOx. Hai phương án phun nhiên liệu được nghiên cứu so sánh: phun hỗn hợp nhiên liệu đã được hòa trộn trước (blend) và phun nhiên liệu riêng rẽ (dual). Công nghệ phun nhiên liệu khí cho phép điều chỉnh thành phần hỗn hợp nhiên liệu theo chế độ công tác của động cơ chính xác hơn phương pháp cung cấp nhiên liệu qua họng venturi truyền thống [30]. Trong nghiên cứu này, nhiên liệu sử dụng được ký hiệu MaCb/Hc, trong đó MaCb là biogas chứa a% CH4 và b% CO2 tính theo thể tích, Hc là c% thể tích H2 trong hỗn hợp với CH4. Ví dụ nhiên liệu M80C20/H30 là biogas chứa 80% CH4, 20% CO2 được làm giàu bởi 30% H2. 2. Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp Hình 1. Chia lưới không gian tính toán Hình 1 giới thiệu xi lanh, buồng cháy và đường nạp động cơ Honda GX390. Trên đường nạp được lắp bổ sung 2 vòi phun để cung cấp nhiên liệu khí. Vòi phun thứ nhất có đường kính lỗ phun 3mm và vòi phun thứ hai có đường kính lỗ phun 5mm. Động cơ Honda GX390 có đường kính xi lanh D=88mm, hành trình piston S=64mm, tỉ số nén 8,2. Công suất định mức của động cơ là 6,4kW ở tốc độ 3000 vòng/phút khi chạy bằng xăng. D=88mm S = 6 4 m m Vòi phun 1: d=3mm Vòi phun 2: d=5mm 14 Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu khí và tạo hỗn hợp trong động cơ được thực hiện nhờ phần mềm FLUENT với mô hình chảy rối k-. Hệ phương trình đối lưu - khuếch tán được sử dụng liên quan đến hỗn hợp khí gồm các chất N2, O2, CH4, H2 và CO2. Điều kiện biên gồm: (1) áp suất, nhiệt độ, thành phần các chất ở đầu vào đường nạp không khí, (2) áp suất, nhiệt độ, thành phần nhiên liệu đầu vào vòi phun 1, (3) áp suất, nhiệt độ, thành phần nhiên liệu đầu vào vòi phun 2. Thời gian đóng, mở các vòi phun được thiết lập trong event của lưới động với màng ngăn giả định ở trạng thái wall (đóng) và interior (mở). Khi phun hỗn hợn nhiên liệu biogas-hydrogen hòa trộn trước (blend) thì chỉ sử dụng vòi phun 2. Khi phun nhiên liệu riêng rẽ (dual) thì hydrogen được phun qua vòi phun 1 còn biogas được phun qua vòi phun 2. Quá trình cháy không được tính toán trực tiếp trên động cơ này. Mối quan hệ giữa nhiệt độ cháy, thành phần NOx theo hệ số tương đương  ứng với biogas được làm giàu bởi hydrogen với các tỉ lệ khác nhau được nghiên cứu riêng rẽ trong buồng cháy đẳng tích hình cầu. Bảng 1 và Bảng 2 giới thiệu biến thiên nhiệt độ cháy và nồng độ NOx theo  ứng với biogas M80C20 được làm giàu bởi H2 lần lượt với tỉ lệ 10% và 30%. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu cơ bản này, nhóm tác giả xác lập được mối quan hệ giữa nhiệt độ cháy T, nồng độ NOx theo  ứng với các điều kiện nhiên liệu cung cấp khác nhau. Các mối quan hệ này được cài đặt vào phần mềm FLUENT để tính toán dự báo nhiệt độ cháy và nồng độ NOx tại thời điểm bắt đầu đánh lửa. 3. Kết quả và bình luận 3.1. Tạo hỗn hợp trong kỳ nạp Hình 2 giới thiệu trường tốc độ và trường nồng độ CH4 trên mặt cắt đối xứng chứa trục xi lanh và trục đường nạp trong trường hợp phun hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen hòa trộn trước (blend) và phun riêng rẽ (dual) ở hai chế độ tốc độ động cơ n=1000 vòng/phút và n=3000 vòng/phút. Biogas chứa 80% CH4 được làm giàu bởi 30% hydrogen tính theo thể tích trong hỗn hợp với CH4. Khi tăng tốc độ động cơ thì thời gian phun tính theo góc quay trục khuỷu kéo dài. Tốc độ phun nhiên liệu không thay đổi nhưng tốc độ không khí trên đường nạp tăng khi tăng tốc độ động cơ. Khi tốc độ dòng khí trên đường nạp tăng thì nhiên liệu bị hút mạnh vào xi lanh nhưng do lượng nhiên liệu phun trong cùng một góc quay trục khuỷu bé nên nồng độ nhiên liệu trong xi lanh thấp. Kết quá trên cho thấy tại vị trí góc quay trục khuỷu 60⁰CA (độ góc quay trục khuỷu), nồng độ cực đại của CH4 trong xi lanh đạt khoảng 15% với n=1000 vòng/phút, trong khi đó nồng độ này chỉ đạt khoảng 5% với n=3000 vòng/phút. Do chỉ sử dụng 1 vòi phun nên khi phun blend, thời gian phun kéo dài hơn phun dual. Khi n=1000 vòng phút, quá trình phun kết thúc trước 60⁰CA. Nồng độ CH4 trong xi lanh tại một thời điểm góc quay trục khuỷu cho trước ứng với phun dual cao hơn phun blend. Hình 2. Biến thiên tốc độ và nồng độ CH4 khi phun dual và phun blend, tốc độ động cơ 1000 vòng/phút và 3000 vòng/phút ở vị trí góc quay trục khuỷu 60⁰CA (Biogas M80C20 được làm giàu bởi 30% hydrogen, thời điểm bắt đầu phun 30⁰CA) Hình 3a giới thiệu biến thiên nồng độ CH4, H2, O2 và hệ số tương đương  trong xi lanh động cơ khi phun blend ở chế độ tốc độ động cơ 1000 vòng/phút. Đầu kỳ nạp, khi bắt đầu phun nồng độ nhiên liệu tăng nhanh làm tăng hệ số tương đương . Khi kết thúc phun, lượng nhiên liệu cung cấp vào xi lanh cố định trong khi lượng không khí nạp tiếp tục tăng lên đến khi bắt đầu kỳ nén nên nồng độ nhiên liệu giảm cùng với giảm hệ số tương đương . Hệ số tương đương  trung bình trong lanh không thay đổi sau khi xú páp nạp đóng. Hình 3. Biến thiên nồng độ CH4, H2, O2 và hệ số tương đương  khi phun blend với n=1000 vòng/phút (a) và khi phun dual với n=3000 vòng/phút (b) Hình 3b giới thiệu kết quả tương tự trong trường hợp phun dual ở tốc độ động cơ 3000 vòng/phút. Do H2 chiếm tỉ lệ thấp và không chứa tạp chất nên thời gian phun rút ngắn. Trong khi đó, biogas chứa tạp chất CO2 và thành phần CH4 trong hỗn hợp với H2 cao hơn nên thời gian phun kéo dài. Biến thiên nồng độ các chất cũng như  trung bình trong kỳ nạp khi phun dual khác rất nhiều so với phun blend nhưng cuối quá trình nạp, các đại lượng này đạt giá trị ổn định như trường hợp phun blend với tốc độ động cơ 1000 vòng/phút. Điều này cho thấy, khi phun dual, nồng độ các chất đạt ổn định sớm hơn nhiều so với phun blend. 0 4 8 12 16 20 0 60 120 180 240 300 360 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 O2 CH4 H2  (⁰CA)   O 2 , C H 4 , H 2 ( % ) a) 0 4 8 12 16 20 24 0 60 120 180 240 300 360 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 O2 CH4 H2  (⁰CA)   O 2 , C H 4 , H 2 ( % ) b) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, Quyển 1 15 3.2. Tạo hỗn hợp trong kỳ nén Sự hòa trộn nhiên liệu và không khí trong xi lanh chịu ảnh hưởng bởi tốc độ vận động của hỗn hợp khi piston vận chuyển. Hình 4 giới thiệu trường tốc độ và trường nồng độ CH4 của hỗn hợp khí trong xi lanh theo phương x và theo phương z trong quá trình nén. Kết quả cho thấy khi piston đi lên, hỗn hợp có xu hướng bị đẩy về phía xú páp nạp theo phương x. Trong khi đó theo phương z, trường tốc độ có khuynh hướng tạo thành hai vùng xoáy, ở đó hỗn hợp bị đẩy lên ở tâm xi lanh với tốc độ cao và bị đẩy xuống khi vực gần thành xi lanh. Khu vực trung tâm có vận tốc dòng khí lớn nên nhiên liệu và không khí hòa trộn đồng đều. Ngược lại khu vực sát thành xi lanh và thành buồng cháy, do tốc độ dòng khí bé nên sự khuếch tán của nhiên liệu bị hạn chế làm ảnh hưởng đến độ đồng đều của hỗn hợp. Gần cuối quá trình nén, nhiên liệu phân bố tương đối đồng đều hơn theo phương x so với phương z. Hình 4. Biến thiên trường tốc độ và trường nồng độ CH4 trên mặt cắt dọc theo phương x và theo phương z trong quá trình nén (nhiên liệu M80C20/H30, n=2000 vòng/phút, phun blend, =1) Hình 5. Biến thiên đường đồng mức nồng độ CH4 trong quá trình nén ứng với tốc độ động cơ 1000, 2000 và 3000 vòng/phút (Biogas M80C20, được làm giàu 30% H2, phun blend) Hình 5 biểu diễn các đường đồng mức nồng độ CH4 trên mặt cắt ngang tại y=0 ứng với tốc độ động cơ 1000, 2000 và 3000 vòng/phút. Biogas M80C20 được làm giàu 30% H2 phun vào đường nạp động cơ theo phương án blend. Hệ số tương đương tổng quát =1. Kết quả cho thấy khu vực có nồng độ nhiên liệu cao luôn ở sát thành xi lanh; tốc độ động cơ càng cao thì hỗn hợp vùng gần xú páp nạp càng nhạt; mức chênh lệch giữa nồng độ CH4 cực đại và cực tiểu trên mặt cắt ngang càng rộng khi tốc độ động cơ càng cao. Mức chênh lệch này là 1,1%, 2% và 4% lần lượt tương ứng với tốc độ động cơ 1000, 2000 và 3000 vòng/phút. Điều này có thể lý giải khi tốc độ động cơ thấp, thời gian dành cho quá trình nạp kéo dài nên không khí và nhiên liệu có nhiều thời gian để khuếch tán, cải thiện độ đồng đều của hỗn hợp. Tuy nhiên khi đánh giá quá trình cháy cần xét ảnh hưởng đồng thời của mức độ đồng đều hỗn hợp và tốc độ cháy rối khi thay đổi tốc độ động cơ [31]. 3.3. Phân bố nhiệt độ và NOx cục bộ trong buồng cháy Trên cơ sở phân bố thành phần hỗn hợp, chúng ta có thể tính toán dự báo sự phân bố nhiệt độ và nồng độ NOx cục bộ trong buồng cháy dựa vào mối quan hệ đã được thiết lập ở các Bảng 1 và Bảng 2. Hình 6 so sánh biến thiên của , T và NOx trên mặt cắt ngang y=0 ứng với trong trường hợp động cơ chạy bằng biogas M80C20 được làm giàu bởi 10% hydrogen và trong trường hợp biogas M80C20 được làm giàu bởi 30% H2 và động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, cung cấp nhiên liệu bằng cách phun dual. Hệ số tương đương hỗn hợp tổng quát là =1. Kết quả cho thấy biên dạng các đường đồng mức , T, NOx không thay đổi nhiều khi thay đổi thành phần hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu. Thành phần hỗn hợp trên mặt cắt ngang không đồng đều, hệ số tương đương  thay đổi từ 0,7 ở khu vực gần xú páp nạp đến 1,2 ở khu vực gần xú páp thải. Nhiệt độ cháy của hỗn hợp lớn nhất nằm vùng  từ 1 đến 1,1. Trong khi đó vùng có nồng độ NOx cao nhất nằm trong khoảng  biến thiên từ 0,85 đến 0,95. Kết quả cho thấy vùng nhiệt độ cao có dạng chữ V rộng và dịch về phía xú páp thải còn vùng NOx cao có dạng chữ V hẹp và dịch về phía xú páp nạp. Khi biogas M80C20 được làm giàu bởi 30% hydrogen thì nhiệt độ cháy tăng, đạt cực đại 2625K so với 2400K khi động cơ chạy bằng biogas M80C20 được làm giàu bởi 10% hydrogen. Nồng độ cực đại của NOx trên mặt cắt ngang cũng tăng từ 1200ppm lên 2500ppm khi thành phần hydrogen làm giàu biogas tăng từ 10% lên 30%. Hình 7 giới thiệu biến thiên của , T, NOx trên mặt cắt ngang y=0 tại thời điểm đánh lửa trong hai trường hợp phun blend biogas M80C20 được làm giàu 10% và 30% hydrogen với hệ số tương đương  =1, động cơ chạy ở tốc độ 1000 vòng/phút. Chúng ta thấy biến thiên của  nằm trong phạm vi hẹp, trong khoảng từ 0,9 đến 1,15 (M80C20/H10) và trong khoảng 0,9 đến 1,1 (M80C20/H30). Vùng có hỗn hợp đậm nằm gần xú páp thải và xú páp nạp. Khu vực trục xi lanh có hệ số tương đương  xấp xỉ 1. Kết quả này cho thấy hỗn hợp đồng đều hơn trong trường hợp động cơ chạy ở tốc độ động cơ thấp và phun blend. 16 Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Đông Hình 6. Phân bố hệ số tương đương , nhiệt độ và nồng độ NOx trên mặt cắt ngang y=0 khi tốc độ động cơ n=3000 vòng/phút (Biogas M80C20, phun dual, =1, thời điểm bắt đầu phun 30⁰CA) Sự phân bố nhiệt độ đồng dạng với sự phân bố hệ số tương đương. Nhiệt độ đạt giá trị cực đại theo phương x ở khu vực gần xú páp thải và xú páp nạp. Trong khí đó nồng độ NOx đạt cực đại ở khu vực gần thành xi lanh theo phương z. Kết quả của Hình 6 và Hình 7 cho thấy khi nhiên liệu được hòa trộn trước khi phun (phun blend) thì hỗn hợp đồng đều hơn. Sự chênh lệch hệ số tương đương  trong buồng cháy xảy ra do hỗn hợp nhiên liệu không đủ thời gian khuếch tán trong không khí. Khi phun nhiên liệu riêng rẽ thì sự chênh lệch hệ số tương đương do sự khuếch tán của hydrogen vào biogas và của biogas, hydrogen vào không khí nên độ đồng đều của hỗn hợp bị giảm. Khi giảm tốc độ động cơ, các chất khí có thêm thời gian để khuếch tán nên độ đồng đều được cải thiện. Khi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas thì nồng độ NOx tăng ở mọi chế độ vận hành của động cơ dù phun blend hay phun dual. Hình 7. Phân bố hệ số tương đương , nhiệt độ và nồng độ NOx trên mặt cắt ngang y=0 khi tốc độ động cơ n=1000 vòng/phút (Biogas M80C20, phun blend, =1, thời điểm bắt đầu phun 30⁰CA) 4. Kết luận Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra được những kết luận sau: - Với cùng một thời điểm bắt đầu phun và thành phần nhiên liệu biogas-hydrogen thì nồng độ các chất trong hỗn hợp nhiên liệu và hệ số tương đương đạt giá trị ổn định trong kỳ nạp sớm hơn khi phun dual so với khi phun blend. - Trong cùng điều kiện nhiên liệu và chế độ vận hành của động cơ, phun hỗn hợp biogas-hydrogen được hòa trộn trước thì thành phần hỗn hợp cuối quá trình nén đồng đều hơn phun nhiên liệu riêng rẽ. - Cùng phương thức cung cấp nhiên liệu, thành phần hỗn hợp nhiên liệu thì mức chênh lệch giữa nồng độ CH4 cực đại và cực tiểu trên mặt cắt ngang càng rộng khi tốc độ động cơ càng cao. Mức chênh lệch này là 1,1%, 2% và 4% lần lượt tương ứng với tốc độ động cơ 1000, 2000 và 3000 vòng/phút - Khi tăng hàm lượng hydrogen làm giàu nhiên liệu biogas thì nhiệt độ cực đại quá trình cháy và nồng độ NOx đều tăng. - Khi phun blend thì nhiệt độ cực đại nằm gần thành xi lanh theo phương x còn nồng độ NOx cực đại nằm gần thành xi lanh theo phương z. Khi phun dual thì vùng nhiệt độ cực đại hướng về xú páp thải còn vùng NOx cực đại hướng về xú páp nạp Lời cảm ơn: Các tác giả chân thành cám ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo đã tài trợ việc thực hiện công trình này thông qua Chương trình nghiên cứu Khoa học và Công nghệ cấp Bộ CTB2018-DNA. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Truong Le Bich Tram: Engines fueled by biogas: A contribution to energy saving and climate change mitigation. The 6th Seminar on Environment Science and Technology Issues Related to Climate Change Mitigation. Japan- Vietnam Core University Program, Osaka, Japan, 26-28 November 2008. [2] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan: Utilization of biogas engines in rural area: A contribution to climate change mitigation. Colloque International RUNSUD 2010, pp. 19-31, Universite Nice-Sophia Antipolis, France, 23-25 Mars 2010. [3] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Le Minh Tien, Bui Thi Minh Tu: Combustion Analysis of Biogas Premixed Charge Diesel Dual Fuelled Engine. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol. 3 Issue 11, November-2014, pp. 188-194. [4] B.V.Ga, N.V.Hai, B.T.M.Tu, B.V.Hung: Utilization of Poor Biogas as Fuel for Hybrid Biogas-Diesel Dual Fuel Stationary Engine. International Journal of Renewable Energy Research, Vol. 5, No. 4, pp. 1007-1015, 2015. [5] Ga Bui Van, Tung Tran Thanh Hai and Dong Nguyen Van: Simulation and experimental studies of perfomance of 110cc motorcycle engine running on biogas. The 4" AUN/SEED-Net Regional Conference in Mechanical and Aerospace Technology. HoChiMinh City, January 10-11, 2012, pp. 182-190. [6] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung, Le Minh Tien, Le Xuan Thach: Study of Performance of Biogas Spark Ignition Engine Converted from Diesel Engine. The International Conference on Green Technology and Sustainable Development. Hochiminh City, Vietnam, September 29-30, 2012. [7] Sahoo BB., Sahoo N., Saha UK.: Effect of engine parameters and type of gaseous fuel on the performance of dual-fuel gas diesel engines-A critical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009), pp. 1151-1184. [8] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung: A Simulation of Effects of Compression Ratios on the Combustion in Engines Fueled with Biogas with Variable CO2 Concentrations. Journal of Engineering Research and Application www.ijera.com Vol. 3, Issue 5, Sep-Oct 2013, pp.516-523; https://pdfs.semanticscholar.org/fdb4/84a34a91f2491e0a39d3b5e0 a7175ded7c63.pdf [9] Bui Van Ga, Tran Van Nam: Appropriate structural parameters of biogas SI engine converted from diesel engine. IET Renewable Power Generation, Volume: 9, Issue: 3, (2015), pp. 255-261, DOI: 10.1049/iet-rpg.2013.0329 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, Quyển 1 17 [10] Yungjin Kim, Nobuyuki Kawahara, Kazuya Tsuboi, Eiji Tomita: Combustion characteristics and NOx emissions of biogas fuels with various CO2 contents in a micro co-generation spark-ignition engine. Applied Energy 182 (2016), pp. 539-547. [11] K.S. Reddy, S. Aravindhan, Tapas K. Mallick: Investigation of performance and emission characteristics of a biogas fuelled electric generator integrated with solar concentrated photovoltaic system. Renewable Energy 92 (2016), pp. 233-243. [12] Ilbas M, Crayford AP, Yilmaz I, Bowen PJ, Syred N.: Laminar- burning velocities of hydrogen–air and hydrogen–methane– air mixture: an experimental study. International Journal of Hydrogen Energy 31 (2006), pp. 1768-1779. [13] Chung K, Chun KMC.: Combustion Characteristics and Generating Efficiency Using Biogas with Added Hydrogen (No. 2013-01-2506). SAE Technical Paper; 2013. [14] Porpatham E, Ramesh A, Nagalingam B.: Effect of hydrogen addition on the performance of a biogas fuelled spark ignition engine. International Journal of Hydrogen Energy 2007;32(12), pp. 2057-2065. [15] Silvana Di Iorio, Paolo Sementa, Bianca Maria Vaglieco: Analysis of combustion of methane and hydrogen-methane blends in small DI SI (direct injection spark ignition) engine using advanced diagnostics. Energy 108 (2016), pp. 99-107. [16] Ga Van BUI, Tu Thi Minh BUI: Soot Emission Analysis in Combustion of Biogas Diesel Dual Fuel Engine. Environmental Science and Sustainable Development, Vol 1, No 2 (2017), pp.1-9, [17] P.R. Chitragar, Shivaprasad K.V, Vighnesh Nayak, P.Bedar, Kumar G.N: An experimental study on combustion and emission analysis of four cylinder 4-stroke gasoline engine using pure hydrogen and LPG at idle condition. Energy Procedia 90 (2016), pp. 525 -534. [18] Chulyoung Jeong, Taesoo Kim, Kyungtaek Lee, Soonho Song, Kwang Min Chun: Generating efficiency and emissions of a spark- ignition gas engine generator fuelled with biogas-hydrogen blends. International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009), pp. 9620-9627 [19] Demuynck J, Raes N, Zuliani M, De Paepe M, Sierens R, Verhelst S.: Local heat flux measurement in a hydrogen and methane spark ignition engine with a thermopile sensor. International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009), pp. 9857-9868. [20] Darko Kozarac, Ivan Taritas, David Vuilleumier, Samveg Saxena, Robert W. Dibble: Experimental and numerical analysis of the performance and exhaust gas emissions of a biogas/n-heptane fueled HCCI engine. Energy 115 (2016), pp. 180-193. [21] Park C, Park S, Lee Y, Kim C, Lee S, Moriyoshi Y.: Performance and emission characteristics of a SI engine fueled by low calorific biogas blended with hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy 2011;36(16): pp. 10080-10088. [22] Cheolwoong Park, Seunghyun Park, Changgi Kim, Sunyoup Lee: Effects of EGR on performance of engines with spark gap projection and fueled by biogas-hydrogen blends. International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012): pp. 14640-14648. [23] Nagalingam B, Duebel F, Schmillen K.: Performance study using natural gas, hydrogen-supplemented natural gas and hydrogen in AVL research engine. International Journal of Hydrogen Energy 1983; 8(9): pp. 715-720. [24] Ma F, Wang Y, Liu H, Li Y, Wang J, Zhao S. Experimental study on thermal efficiency and emission characteristics of a lean burn hydrogen enriched natural gas engine. International Journal of Hydrogen Energy 2007;32(18):5067-5075. [25] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Quang Trung: Ảnh hưởng của thành phần H2 làm giàu biogas đến tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ dual fuel biogas- diesel. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc lần thứ 20, Cần Thơ, 27-29 tháng 7 năm 2017, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp. HCM, 2018, pp. 238-245. [26] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Bui Thi Minh Tu, Nguyen Quang Trung: Numerical simulation studies on performance, soot and NOx emissions of dual-fuel engine fuelled with hydrogen enriched biogas mixtures. IET Renewable Power Generation: Volume 12, Issue 10, (2018), pp. 1111-1118, DOI: 10.1049/iet-rpg.2017.0559 [27] Wang J, Huang Z, Fang Y, Liu B, Zeng K, Miao H, et al.: Combustion behaviors of a direct injection engine operating on various fractions of natural gas-hydrogen blends. International Journal of Hydrogen Energy 2007;32(15): pp. 3555-3564. [28] Kyungtaek Lee, Taesoo Kim, Hyoseok Cha, Soonho Song, Kwang Min Chun: Generating efficiency and NOx emissions of a gas engine generator fueled with a biogas-hydrogen blend and using an exhaust gas recirculation system. International Journal of Hydrogen Energy 35(2010), pp. 5723-5730. [29] Akansu SO, Dulger Z, Kahraman N, Veziroglu TN.: Internal combustion engines fuelled by natural gas-hydrogen mixtures. International Journal of Hydrogen Energy 29 (2004), pp. 1527-1539. [30] Bui Van Ga, Tran Van Nam: Mixer Design for High Performance Biogas SI Engine Converted from A Diesel Engine. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT, Vol. 3 Issue 1, January - 2014, pp. 2743-2760, high-performance-biogas-si-engine-converted-from-a-diesel- engine#id_fill_verify [31] B. V. Ga, N. V. Dong and B. V. Hung: Turbulent burning velocity in combustion chamber of SI engine fueled with compressed biogas. Vietnam Journal of Mechanics, Volume 37, Number 3, pp 205-216, 2015. (BBT nhận bài: 07/10/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 15/11/2018)