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 vò ... u 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)