Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel trên cơ sở động cơ diesel một xy lanh tĩnh tại
Lê Minh Tiến BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Đà Nẵng - Năm 2013 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH TĨNH TẠI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Lê Minh Tiến BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Đà Nẵng - Năm 2013 Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT Mã số: 62 52 34 01 Người hướng dẫn khoa học I: PGS.TS. Trần Văn Nam Người hướng dẫn khoa học II: GS.TSKH. Bùi Văn Ga NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH TĨNH TẠI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT - 3 - LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Lê Minh Tiến - 4 - MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN - 3 - MỤC LỤC - 4 - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - 8 - 1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH: - 8 - 2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP: - 8 - 3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT: - 9 - DANH MỤC CÁC BẢNG - 10 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - 11 - MỞ ĐẦU 1 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2 3. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 2 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 3 6. CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN 3 7. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN 4 Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 5 1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG 5 1.1.1. Nhiên liệu hóa thạch và sự bùng nổ khí hậu 5 1.1.2. Nhiên liệu thay thế có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời 9 1.2. NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 10 1.2.1. Tính chất biogas 10 1.2.2. Yêu cầu chất lượng biogas để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 12 1.2.3. Công nghệ lọc tạp chất trong biogas tại Việt Nam [4] 14 1.2.4. Chỉ số mêtan của biogas 16 1.3. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 16 1.3.1. Nghiên cứu và ứng dụng biogas trên thế giới 16 1.3.2. Nghiên cứu và ứng dụng biogas tại Việt Nam 21 1.4. NHU CẦU ĐỘNG CƠ BIOGAS CỠ NHỎ TẠI VIỆT NAM 25 1.4.1. Nhu cầu công suất kéo máy phát điện và máy công tác 25 - 5 - 1.4.2. Đặc điểm của công nghệ hai nhiên liệu biogas/diesel Gatec-20 27 1.4.3. Lựa chọn động cơ nghiên cứu phát triển phù hợp 28 1.5. KẾT LUẬN 29 Chương 2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL 31 2.1. CÁC GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI 31 2.1.1. Giải pháp động cơ đánh lửa cưỡng bức 31 2.1.2. Giải pháp động cơ nhiên liệu kép 32 2.2. TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIOGAS 33 2.2.1. Động cơ sử dụng biogas đánh lửa cưỡng bức 33 2.2.2. Động cơ nhiên liệu kép 37 2.3. CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL 38 2.3.1. Phạm vi sử dụng của động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel 38 2.3.2. Yêu cầu thiết kế chuyển đổi 38 2.3.3. Xác định phương án nghiên cứu tính toán thiết kế 39 2.4. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 45 2.4.1. Thông số động cơ 45 2.4.2. Kích thước 46 2.4.3. Đặc tính động cơ 47 2.5. KẾT LUẬN 47 Chương 3 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KÉP BIOGAS/DIESEL 49 3.1. LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KHÍ 49 3.1.1. Lý thuyết cháy của hỗn hợp không hòa trộn trước 50 3.1.2. Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước 58 3.1.3. Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ 64 3.2. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY 70 3.2.1. Thiết lập mô hình tính toán trong Ansys® Fluent 70 3.2.2. Đánh giá quá trình cháy nhiên liệu kép 73 3.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến tính năng động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel 75 3.3. KẾT LUẬN 87 Chương 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL - 6 - VIKYNO EV2600-NB-BIO TRÊN CƠ SỞ MẪU ĐỘNG CƠ VIKYNO EV2600-NB 89 4.1. THIẾT KẾ BỘ TẠO HỖN HỢP 89 4.1.1. Tính toán thành phần hỗn hợp qua bộ tạo hỗn hợp 89 4.1.2. Tính toán các thông số của bộ tạo hỗn hợp 90 4.1.3. Thiết kế bộ tạo hỗn hợp 93 4.1.4. Tính toán mô phỏng bằng phần mềm Ansys® Fluent 93 4.1.5. Các thông số chọn và kết quả tính toán điều kiện biên 95 4.1.6. Kết quả tính toán: Trường áp suất, thành phần CH 4 , O 2 , vector tốc độ 98 4.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS 108 4.2.1. Đặc điểm 108 4.2.2. Xác định phương án lắp đặt bộ điều tốc biogas lên cơ cấu chuyển động quay sẵn có trên động cơ 108 4.2.3. Định vị cơ cấu điều tốc lên trục cân bằng trên 109 4.2.4. Đo xác định kích thước nắp máy 111 4.2.5. Thiết kế nắp máy và các cơ cấu điều khiển 112 4.2.6. Tính toán bộ điều tốc biogas 113 4.2.7. Chế tạo lắp đặt nắp máy, càng điều khiển và cơ cấu điều tốc 119 4.3. KẾT LUẬN 121 Chương 5 THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ 122 5.1. THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ 122 5.1.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 122 5.1.2. Các phương án lắp đặt động cơ biogas lên băng thử công suất 123 5.1.3. Vít hạn chế lượng phun tối thiểu 124 5.1.4. Các thiết bị phục vụ thực nghiệm chính 125 5.1.5. Bảng thông số thiết bị 127 5.1.6. Các bước tiến hành thực nghiệm 128 5.1.7. Đo đạc tính năng của động cơ tại nguồn khí 128 5.2. SO SÁNH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 132 5.2.1. Phạm vi so sánh 132 5.2.2. So sánh ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp 133 5.2.3. So sánh ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến đường đặc tính ngoài động cơ 135 - 7 - 5.3. KẾT LUẬN 137 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 139 1. KẾT LUẬN 140 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 143 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 - 8 - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH: - V h [m 3 ] Dung tích xi lanh - V c [m 3 ] Thể tích buồng cháy - S [m] Hành trình piston - D [m] Đường kính xi lanh - n [vòng/phút] Số vòng quay - d b [m] Đường kính buồng hỗn hợp - d h [m] Đường kính họng - a n Hệ số dao động của dòng chảy - v tb [m] Tốc độ trung bình của dòng khí - l b [m] Chiều dài buồng hỗn hợp - p h [Pa] Độ chân không tại họng - i Số xi lanh - W i [J] Công chỉ thị - f Hệ số thành phần hỗn hợp - f fuel Thành phần nhiên liệu trong hỗn hợp - f sec Thành phần nhiên liệu thứ cấp trong hỗn hợp - f ox Thành phần chất oxy hóa trong hỗn hợp - p sec Giá trị tương đối của thành phần hỗn hợp thứ cấp - S m Đại lượng nguồn chỉ do truyền chất từ các hạt nhiên liệu lỏng hay các hạt phản ứng vào pha khí - S user Đại lượng nguồn do người sử dụng định nghĩa 2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP: - : [độ] Góc quay trục khủy - s : [độ] Góc đánh lửa sớm (góc phun diesel mồi) - Tỉ số nén - 9 - - Số kỳ - h Hệ số lưu lượng của họng - biogas [kg/m 3 ] Khối lượng riêng của biogas - air [kg/m 3 ] Khối lượng riêng của không khí - λ Hệ số dư lượng không khí - Hệ số tương đương - v Hệ số nạp 3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT: - C Carbon - ĐCT: Điểm chết trên - SVEAM: CÔNG TY TNHH MTV ĐỘNG CƠ VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP MIỀN NAM - TBN Chỉ số kiềm tổng (Total Base Number) - MN Chỉ số mêtan (Methane Number) - 10 - DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần trung bình các thành phần của biogas [74] 11 Bảng 1.2: Sản lượng CH 4 theo lý thuyết [74] 12 Bảng 1.3: Sản lượng CH 4 với nguồn nguyên liệu khác nhau [74] 12 Bảng 1.4: Thời gian sử dụng động cơ biogas theo số lượng lợn và công suất động cơ 25 Bảng 2.1: Thông số động cơ Vikyno EV2600-NB 46 Bảng 2.2: Kích thước và thông số cơ bản của động cơ Vikyno EV2600-NB 47 Bảng 3.1: Giá trị của các hệ số của phương trình (3.42) 67 Bảng 3.2: Giá trị các hệ số của phương trình (3.44) 68 Bảng 3.3: Tương quan giữa f và ϕ (biogas chứa 60% thể tích CH 4 ) 77 Bảng 4.1: Hệ số dao động của dòng chảy 91 Bảng 4.2: Các thống số chọn và kết quả tính toán khối lượng hỗn hợp giả định 95 Bảng 4.3: Kết quả tính toán áp suất chân không trung bình theo tốc độ động cơ 96 Bảng 4.4: Bảng thông số chọn và kết quả tính lượng phun mồi 96 Bảng 4.5: Lượng không khí cần để đốt kiệt lượng diesel mồi theo tốc độ động cơ . 96 Bảng 4.6: Thông số chọn để tính công suất động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel dựa trên khả năng cung cấp của bộ hòa trộn 96 Bảng 4.7: Thông số nhiên liệu biogas với các thành phần khác nhau 97 Bảng 4.8: Quan hệ góc mở và % độ mở bướm ga 97 Bảng 4.9: Vị trí bướm ga để ϕ=1 khi n=1000 vòng/phút 105 Bảng 4.10: Vị trí bướm ga để ϕ=1 khi n=2200 vòng/phút 105 Bảng 4.11: Các thông số đo được của bộ điều tốc biogas. 114 Bảng 4.12: Chiều dài càng bướm ga theo từng loại nhiên liệu 116 Bảng 4.13: Tốc độ làm việc của động cơ theo biến dạng ban đầu của lò xo điều tốc. 116 Bảng 5.1: Thông số các thiết bị thí nghiệm 127 Bảng 5.2: Bảng nội dung thực nghiệm 128 [...]... trang trại Vì vậy việc nghiên cứu một cách cơ bản, thiết kế một động cơ sử dụng biogas để chế tạo hoàn thiện cung cấp cho thị trường để người sử dụng có thể mua về và sử dụng được ngay với chi phí hợp lý và độ tin cậy của thiết bị cao là nhu cầu cấp thiết Do vậy Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/ diesel trên cơ sở động cơ diesel một xi lanh tĩnh tại là đề tài có ý nghĩa... nhiều chủng loại động cơ khác để tạo ra sản phẩm công nghiệp mới, góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường 3 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu nâng cấp thiết kế động cơ diesel Vikyno EV2600-NB thành động cơ hai nhiên liệu biogas/ diesel với các nội dung chính: - Nghiên cứu quá trình cháy hai nhiên liệu biogas/ diesel; - Nghiên cứu chế tạo bộ tạo hỗn hợp biogas/ không khí;... tốc biogas; so sánh kết quả cho bởi mô hình hóa và thực nghiệm Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa và thực nghiệm chúng ta nghiên cứu nâng cấp thiết kế động cơ diesel Vikyno EV2600-NB thành động cơ compact hai nhiên liệu biogas/ diesel 5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 5.1 Ý NGHĨA KHOA HỌC Đề tài đã góp phần nghiên cứu chuyên sâu về động cơ hai nhiên liệu sử dụng biogas/ diesel. .. KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/ DIESEL VIKYNO EV2600-NB-BIO Chương 5: THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7 NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN - Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/ diesel Động cơ có thể sử dụng lại diesel khi cần thiết Phương án này rất phù hợp đối với những nơi có nguồn cung cấp biogas hạn chế; - Mô... NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi động cơ diesel nguyên thủy thành động cơ hai nhiên liệu biogas- diesel mẫu, compact, có thể áp dụng được trong thực tiễn Động cơ này có thể chạy bằng biogas theo phương thức nhiên liệu kép, đánh lửa bằng tia phun mồi diesel; hoặc chạy bằng diesel như thiết kế truyền thống Công nghệ chuyển đổi động cơ này có thể được áp dụng trên nhiều chủng loại động. .. lĩnh vực động cơ đốt trong, hiện nay một số quốc gia trên thế giới đã sản xuất và thương mại hóa các động cơ biogas chuyên dụng Tuy nhiên, các động cơ này thường có giá thành cao hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng xăng dầu truyền thống Bên cạnh đó, nhiên liệu biogas sử dụng cho những động cơ này phải thỏa mãn một số điều kiện như thành phần nhiên liệu, áp suất cung cấp… và chỉ chạy được bằng biogas, ... tại Việt Nam 5.2 Ý NGHĨA THỰC TIỄN Đề tài đã góp phần tạo ra một sản phẩm thiết thực, đáp ứng kịp thời nhu cầu của đời sống kinh tế xã hội 6 CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN MỞ ĐẦU Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Chương 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL 4 THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/ DIESEL Chương 3: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KÉP BIOGAS/ DIESEL Chương 4: THIẾT KẾ CHẾ... ngoài động cơ 129 Hình 5.13: So sánh đặc tính ngoài của động cơ diesel và động cơ nhiên liệu kép sử dụng nhiên liệu biogas có thành phần CH4 thay đổi ở các chế độ tốc độ khác nhau 130 Hình 5.14: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến đường đặc tính động cơ nhiên liệu kép (Biogas chứa 65% CH4) 131 Hình 5.15: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến đường đặc tính động cơ nhiên liệu kép (Biogas. .. hỗn hợp và khí thải đã được nghiên cứu và các thông số khác nhau như tốc độ xe tối đa, khả năng tăng tốc và tốc độ động cơ tối đa đều được xét đến [30] Trong khi việc chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bước sang sử dụng biogas là dễ dàng hơn thì động cơ hai nhiên liệu cho thấy một số ưu điểm Sau thập niên 90, động cơ diesel được chuyển đổi thành động cơ hai nhiên liệu biogas/ diesel [26], [21] V Deri và... độ động cơ tăng Đối với biogas giàu, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm theo thành phần CH4 trong nhiên liệu; - Thiết kế chuyển đổi động cơ diesel VIKYNO EV2600-NB thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas- diesel với bộ điều tốc biogas được lắp bên trong động cơ và nắp máy được cải tạo phù hợp 5 Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG 1.1.1 Nhiên liệu hóa thạch và sự bùng . BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Đà Nẵng - Năm 2013 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/ DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH TĨNH TẠI LUẬN ÁN TIẾN SĨ. hướng dẫn khoa học II: GS.TSKH. Bùi Văn Ga NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/ DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH TĨNH TẠI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT - 3 - . sử dụng được ngay với chi phí hợp lý và độ tin cậy của thiết bị cao là nhu cầu cấp thiết. Do vậy Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/ diesel trên cơ sở động cơ