LỜI CAM ĐOAN ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90) 2015 43 PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐO HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS DIESEL AN EQUIVALENCE RATIO MEA[.]
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 43 PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐO HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS DIESEL AN EQUIVALENCE RATIO MEASUREMENT METHOD FOR BIOGAS DIESEL DUAL FUEL ENGINE Bùi Văn Ga1, Nguyễn Văn Anh3, Nguyễn Việt Hải2, Võ Anh Vũ2, Bùi Văn Hùng2 Bộ Giáo dục Đào tạo; buivanga@dongcobiogas.com Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Trường Cao đẳng Cơng nghiệp Thừa Thiên Huế Tóm tắt - Hệ thống đo hệ số tương đương động dual fuel biogas diesel lắp đặt với cảm biến lưu lượng kiểu sợi nóng động ô tô Mối quan hệ hệ số thực tế nhận nhờ phân tích khí sau tạo hỗn hợp tỉ số điện áp đầu hai cảm biến cho phép ta xác định hệ số chuẩn hệ thống đo Hệ số tương đương phụ thuộc nhiều vào độ mở bướm ga thành phần CH4 biogas, phụ thuộc vào tốc độ động Cơng suất có ích cực đại động đạt ứng với thành phần hỗn hợp giàu Giá trị ứng với cơng suất có ích cực đại dịch chuyển dần phía =1 hàm lượng CH4 biogas tăng Phương pháp đo cơng trình áp dụng để thiết kế hệ thống điều khiển tự động động dual fuel biogas diesel Abstract - A system of measuring equivalence ratio of biogas diesel dual fuel engine is established by hot wire sensors of automobile The relationship between real given by gas analysis in downstream of mixer and ratio of output voltage of the two sensors allows us to determine calibrated coefficient of the system Equivalence ratio strongly depends on the opening level of throttle valve and on CH4 composition in biogas but it slightly depends on engine speed Maximum brake power of the engine is obtained with a slightly rich mixture As CH4 composition in biogas increases, corresponding to maximum brake power moves gradually toward =1 The results of this work can be applied to design an automatic control system for biogas diesel dual fuel engine Từ khóa - biogas; biogas-diesel; động cơ; phương pháp đo; hệ số tương đương Key words - biogas; biogas-diesel; engine; measurement methods; equivalent ratio Giới thiệu Thế giới ngày đối mặt với vấn đề lớn, cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch gia tăng nhiễm mơi trường Sử dụng lượng tái tạo góp phần làm giảm thiểu tác động đồng thời hai vấn đề vừa nêu Biogas nguồn lượng tái tạo có nhiều lợi quốc gia phát triển có sản xuất nơng nghiệp chiếm tỷ trọng lớn Giải pháp sử dụng lượng biogas hiệu với nguồn sản xuất phân tán chuyển thành điện thơng qua động đốt Biogas có khả chống kích nổ cao nên tăng tỷ số nén động để tăng hiệu suất nhiệt [1] nhiên diện CO2 nhiên liệu làm xấu q trình cháy, làm giảm hiệu suất nhiệt động [2] Hầu hết động đốt truyền thống có mặt thị trường chuyển sang chạy biogas Việc chuyển đổi động đánh lửa cưỡng sang chạy biogas đơn giản bổ sung chế hòa khí biogas [3] Đối với động diesel, việc chuyển đổi phức tạp phép động làm việc theo chu trình dual fuel hay chu trình đánh lửa cưỡng [4], [5] Dù làm việc theo chu trình hệ số tương đương hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến tính cơng tác động [6] Vì việc kiểm sốt hệ số tương đương hỗn hợp cung cấp vào động vấn đề cần quan tâm hệ thống tự động điều khiển động biogas Bài báo nghiên cứu hệ thống xác định hệ số tương đương động biogas làm tảng nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tự động động Nguyên lý hệ thống đo hệ số tương đương Nếu xem biogas chứa hai thành phần CH4 CO2 hệ số tương đương xác định theo biểu thức sau: 1600 x.Qbio (1) = 23Q air x + 11.(100 − x) Trong đó, Qbio lưu lượng biogas (kg/s), Qair lưu lượng khơng khí (kg/s), x thành phần CH4 biogas tính theo thể tích Như vậy, để xác định hệ số tương đương ta cần phải đo lưu lượng khơng khí lưu lượng biogas Có nhiều phương án khác để đo lưu lượng lưu chất phương pháp học, phương pháp dựa vào chênh lệch áp suất, phương pháp sợi nóng , phương pháp sợi nóng dựa vào xác định tốc độ dịng khí sử dụng phổ biến thiết bị công nghiệp Nguyên lý lưu lượng kế dựa vào thay đổi nhiệt độ cảm biến thay đổi tốc độ dòng chảy gây Do truyền nhiệt đối lưu, dòng khí qua vật nóng vật nóng nhiệt nên nhiệt độ giảm Dựa nguyên lý này, người ta chế tạo lưu lượng kế kiểu nhiệt gồm vật kim loại sấy nóng điện cảm biến nhiệt để đo chênh lệch truyền nhiệt tĩnh truyền nhiệt dòng chảy gây ra, biết nhiệt dung riêng khối lượng riêng môi chất Tín hiệu vật lý ghi nhận q trình trao đổi lưu chất cảm biến thể dạng nhiệt thông qua thông số nhiệt độ, nhiệt lượng, nhiệt trở Trong nghiên cứu, chúng tơi chọn cảm biến lưu lượng có sẵn tô Mazda để lắp đặt thành hệ thống xác định hệ số tương đương động biogas Hệ thống gồm hai cảm biến lưu lượng: cảm biến lắp đường nạp Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Anh, Nguyễn Việt Hải, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng 44 không khí cảm biến lắp đường cung cấp biogas Do hệ số tương đương phụ thuộc vào tỉ số Qbio/Qair nên ta xác định tỉ số thông qua tỉ số điện áp đầu hai cảm biến mà khơng cần chuẩn xác lưu lượng Lắp đặt chuẩn hệ thống xác định Tín hiệu đầu cảm biến lưu lượng kết nối với máy tính thơng qua card biến đổi A/D Ni 6009 vào phần mềm Labview Động dual fuel biogas diesel thí nghiệm cải tạo từ động diesel Vikyno EV2600NB Hệ thống thí nghiệm thực tế Hình Giao diện hệ thống ghi nhận liệu Hình (ở thí nghiệm ta chọn hàm lượng thấp CH4 biogas 60%) Mặt khác, tính tốn mơ cho phép lựa chọn kích thước đường ống nạp cho thành phần hỗn hợp đồng trước cung cấp vào động Hình giới thiệu biến thiên độ mở bướm ga theo góc mở bướm ga độ ứng với vị trí bướm ga đóng hồn tồn Khi bướm ga mở 60, mặt phẳng bướm ga nằm đường trục ống cấp ga, tiết diện lưu thơng đạt 100% Hình a, b, c giới thiệu trường tốc độ, phân bố nồng độ CH4, nồng độ O2 mặt cắt đối xứng hệ thống nạp cho tính tốn mô Quan sát biểu đồ màu cho thấy phân bố tốc độ nồng độ chất tương đối đồng đầu hệ thống nạp a Hình Hệ thống thí nghiệm b Hình Giao diện hệ thống đo với máy tính % độ mở bướm ga 100 c Hình Kết tính tốn mơ trường tốc độ (a), trường nồng độ CH4 (b) trường nồng độ O2 (c) với biogas chứa 65% CH4 Do lưu lượng lưu chất qua cảm biến hàm số theo điện áp đầu hệ số tương đương hỗn hợp phụ thuộc vào tỉ số Qbio/Qair, nên ta khơng cần chuẩn xác lưu lượng cảm biến, mà cần chuẩn hệ số tương đương theo tỉ số Ebio/Eair điện áp đầu cảm biến Biểu thức (1) viết lại sau: 90 80 70 60 50 =k j(x).Ebio/Eair 40 Trong k hệ số chuẩn, j(x) hệ số phụ thuộc hàm lượng x% CH4 biogas: 1600 x (3) j ( x) = 23 x + 11.(100 − x) 30 20 10 20 30 40 50 60 Góc mở bướm ga () Hình Quan hệ góc mở bướm ga độ mở bướm ga Bộ chế hịa khí biogas cho động dual fuel tính tốn, thiết kế tương tự cho động biogas đánh lửa cưỡng [7] Biogas cung cấp vào động qua khe hẹp họng chế hịa khí Thành phần hỗn hợp điều chỉnh nhờ thay đổi độ mở bướm ga đặt đường ống cung cấp biogas Các thông số chế hịa khí tính tốn mơ phỏng, đảm bảo cho bướm ga mở hoàn tồn hệ số tương đương có giá trị khoảng 1,1 ứng với biogas nghèo (2) Do j(70)= 7,98 j(80)=10.31 Việc chuẩn hệ số tương đương thực cách phân tích trực tiếp hỗn hợp khí sau tạo hỗn hợp: tt = ( yCH / yO ) / 0, 25 (4) Trong đó: yCH4, yO2 nồng độ khối lượng CH4 nồng độ khối lượng O2 sau họng chế hịa khí nhận từ phân tích mẫu thực tế Hệ số chuẩn k xác định theo biểu thức sau: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 k=tt / (j(x) Ebio/Eair) (5) Trong cơng trình này, việc chuẩn hệ số tương đương thực trực tiếp động thí nghiệm với biogas chứa 70% CH4 80% CH4 Mỗi thí nghiệm thực với bướm ga mở vị trí khác Tại vị trí bướm ga ta xác định Ebio Eair cho cảm biến Đồng thời hút mẫu phía sau họng chế hịa khí để phân tích khí xác định nồng độ CH4 nồng độ O2 sở xác định hệ số tương đương thực tế theo biểu thức (3) Vị trí hút mẫu xác định nơi có phân bố nồng độ chất tương đối đồng theo tính tốn mơ (Hình 5) 45 1.6 1.4 1.2 y = -0.003x + 1.373 0.8 20 40 60 80 100 % độ mở bướm ga Hình Biến thiên hệ số chuẩn k theo độ mở bướm ga (: 80% CH4; : 70% CH4) Hình 6a Hình 6b giới thiệu biến thiên j(x) Ebio/Eair tt theo độ mở bướm ga biogas chứa 70% CH4 80% CH4 Hình giới thiệu biến thiên hệ số chuẩn k hệ số tương đương theo độ mở bướm ga Chúng ta thấy k dao động phạm vi hẹp theo hàm lượng CH4 biogas Độ mở bướm ga lớn k bé Quan hệ k độ mở bướm ga biểu diễn gần hàm số bậc sau biogas chứa hàm lượng CH4 khoảng từ 70% đến 80%: Lấy mẫu k = - 0,003 + 1,373 Trong đó, độ mở bướm ga (%) Khi có hệ số chuẩn k, xác định hệ số tương đương hỗn hợp thông qua tín hiệu điện áp đầu cảm biến Từ thiết kế hệ thống điều khiển tự động động dual fuel biogas diesel thơng qua điều chỉnh hệ số tương đương Hình Sơ đồ vị trí lấy mẫu khí 1.4 1.2 (6) tt 0.8 Ảnh hưởng đến tính cơng tác động dual fuel 7,98Ebio/Eair 0.6 0.4 0.2 a 20 40 60 80 100 % độ mở bướm ga 1.6 1.4 Hình giới thiệu biến thiên hệ số tương đương theo độ mở bướm ga ứng với biogas có chứa 60%, 70% 80% CH4 động chạy tốc độ 2000 vòng/phút Kết cho thấy rõ hệ số tương đương hỗn hợp tăng theo hàm lượng CH4 biogas Để đạt hệ số tương đương =1 biogas chứa 60% CH4, bướm ga phải mở 80 đến 80% Trong đó, ứng với biogas chứa 70% CH4, 80% CH4, điều kiện đạt theo thứ tự ứng với độ mở bướm ga 65% 55% tt 1.2 1.8 1.6 80% CH4 1.4 0.8 10,31E /E bio 1.2 air 0.6 60% CH4 0.8 0.4 0.6 b 0.2 0.4 70% CH4 0.2 20 40 60 80 100 % độ mở bướm ga Hình Biến thiên j(x).Ebio/Eair tt theo độ mở bướm ga biogas chứa 70% CH4 (a) 80% CH4 (b) 20 40 60 80 100 % độ mở bướm ga Hình Ảnh hưởng thành phần CH4 biogas đến mối quan hệ hệ số tương đương độ mở bướm ga (n=2000 vòng/phút, Biogas chứa 80% CH4, 70%CH4 60 CH4) Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Anh, Nguyễn Việt Hải, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng 46 CH4 80% CH4 Kết thực nghiệm cho thấy, hàm lượng CH4 biogas cao đỉnh đường cong dịch vị trí =1 Có thể lấy giá trị gần mà cơng suất có ích động đạt giá trị cực đại 1,15; 1,10 1,05 tương ứng với biogas chứa 60% CH4, 70% CH4 80% CH4 1.6 1.4 n=1800 v/ph 1.2 n=2200 v/ph 0.8 Kết luận Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: n=2000 v/ph 0.6 0.4 0.2 20 40 60 80 100 % độ mở bướm ga Hình Ảnh hưởng tốc độ động đến quan hệ hệ số tương đương độ mở bướm ga biogas chứa 70% CH4 (n=1800 vịng/phút, 2000 vịng/phút 2200 vịng/phút) Hình giới thiệu biến thiên hệ số tương đương theo độ mở bướm ga ứng với tốc độ động cơ, n=1800 vòng/phút, n=2000 vòng/phút 2200 vòng/phút Chúng ta thấy tốc độ động giảm hệ số tương đương tăng nhẹ Khi độ mở bướm ga lớn ảnh hưởng tốc độ động đến tăng Trong trình vận hành động dual fuel biogasdiesel, việc điều chỉnh công suất thực thông qua điều chỉnh lưu lượng biogas cung cấp cho động cơ, tức điều chỉnh hệ số tương đương Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy công suất cực đại động đạt hệ số tương đương hỗn hợp đạt giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết nghĩa =1 Pe(kW) 18 80% CH4 16 14 12 70% CH4 10 60% CH4 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 Hình 10 Biến thiên cơng suất có ích động dual fuel biogas diesel theo chạy biogas chứa 60% CH4, 70% CH4 80% CH4 Trong trường hợp động dual fuel biogas diesel, cần xác định biến thiên cơng suất có ích động theo hệ số tương đương thực tế làm sở để xây dựng đường đặc tính ngồi động Hình 10 giới thiệu biến thiên cơng suất có ích theo hệ số tương đương động dual fuel biogas diesel cải tạo từ động Vikyno EV2600-NB, chạy biogas chứa 60% CH4, 70% • Có thể chế tạo hệ thống đo hệ số tương đương động dual fuel biogas diesel cảm biến lưu lượng kiểu sợi nóng tơ • Hệ số chuẩn k hệ thống đo dao động phạm vi hẹp theo hàm lượng CH4 biogas biểu diễn hàm số bậc theo độ mở bướm ga • Hệ số tương đương biến thiên mạnh theo độ mở bướm ga theo hàm lượng CH4 biogas, bị ảnh hưởng tốc độ động • Cơng suất có ích động đạt giá trị cực đại ứng với hỗn hợp giàu Khi hàm lượng CH4 biogas lớn vị trí ứng với cơng suất có ích cực đại dịch phía =1 • Có thể áp dụng hệ thống xác định kiểu sợi nóng để điều khiển tự động động động dul fuel biogas diesel TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Klaus von Mitzlaff, Engines for biogas, Published by Friedr, Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft GmbH; 1988 [2] Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Tiến, Phạm Đình Long, Ảnh Hưởng CO2 đến trình cháy biogas buồng cháy đẳng tích hình cầu, Tạp chí Giao thơng Vận tải, số 11/2010, pp 3034 [3] Dương Việt Dũng, Bùi Văn Ga, Nhan Hồng Quang, Lê Minh Tiến, Nghiên cứu thực nghiệm tính động Toyota 3Y chạy biogas, Hội nghị Cơ học Thủy khí tồn quốc, Nha Trang, 2628/7/2012 [4] 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 [5] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến, Nguyễn Việt Hải, Nghiên cứu thực nghiệm tính động nhiên liệu kép biogasdiesel, Hội nghị Cơ học Thủy khí tồn quốc, Nha Trang, 2628/7/2012 [6] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Văn Đông, Mô ảnh hưởng yếu tố vận hành đến trình cháy động đánh lửa cưỡng sử dụng nhiên liệu biogas, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số đặc biệt 01, 10-2011, pp 4-9 [7] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Mixer Design for High Performance SI Engine Converted From A Diesel Engine, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT, http://www.ijert.org), Vol Issue 1, January - 2014, pp 2743-2760 (Impact Factor 1,76), http://www.ijert.org/view.php?id=7757&title=mixer-design-for-ahigh-performance-biogas-si-engine-converted-from-a-dieselengine#id_fill_verify (BBT nhận bài: 20/05/2015, phản biện xong: 27/05/2015)