Thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ tĩnh tại kéo máy phát điện

Mục đích thực hiện đề tàiĐể đáp ứng nhu cầu đa dạng của việc ứng dụng biogas trên động cơ đốt trong, giảipháp công nghệ chuyển đổi động cơ truyền thống sang sử dụng biogas cần thỏa mãn

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CẤP VÀ BỘ HÒA TRỘN NHIÊN LIỆU

Lựa chọn phương án cấp biogas cho động cơ

Trước khi bắt đầu công việc chế tạo ta cần phải lên kế hoạch và chọn các phương án cấp nhiên liệu cho động cơ một cách hợp lí và hiệu quả nhất Dưới đây là 1 số các phương án cấp nhiên liệu cho động cơ phổ biến nhất hiện nay cũng như tùy thuộc vào mục đích và nhu cầu sử dụng mà chọn loại phù hợp nhất cho loại động cơ đó.

3.1.1 Dùng bộ chế hòa khí và bộ hòa trộn biogas

Việc sử dụng BCHK cho động cơ đánh lửa cưỡng bức cũng có nhiều ưu điểm như vẫn cung cấp được hòa khí cho động cơ đúng với tỉ lệ yêu cầu, việc hòa trộn trước cũng cũng giúp cho hòa khí được đồng đều hơn, giá thành sản phẩm thấp, dễ lắp đặt sử dụng và sửa chữa, điều khiển vận hành dễ dàng Nhưng nó có nhược điểm sau: vì cung cấp biogas dưới dạng khí nên công suất giảm, nếu không kích thước khá lớn mới đảm bảo công suất yêu cầu tương đương với động cơ xăng nguyên thủy Mong muốn BCHK đảm bảo tất cả các chế độ rất khó khăn, không giống như phun biogas Để sử dụng trên các phương tiện giao thông thì BCHK phải đảm bảo được tất cả các mạch cấp biogas cho động cơ ở các chế độ và động cơ chuyên dùng cho nhiên liệu biogas.

Vì vậy, sử dụng BCHK biogas phù hợp cho các động cơ tĩnh tại vì khi đó nó chỉ cấp biogas theo tải mà thôi.

Sử dụng bộ hòa trộn cho động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng nhiên liệu biogas cũng có ưu điểm như: giúp cho nhiên liệu được hòa trộn với không khi tốt hơn, tơi hơn khi đưa vào động cơ khi chuyển đổi từ động cơ nguyên thủy sử dụng nhiên liệu xăng trở thành động cơ sử dụng nhiên liệu biogas hoặc sử dụng lưỡng nhiên liệu, chi tiết gọn gàng không chiếm quá nhiều không gian bố trí của các bộ phận khác, chi phí đầu tư cho bộ trộn này rẻ hơn những loại cấp và trộn nhiên liệu hiện đại khác Nhưng nhược điểm của những bộ hòa trộn này chế tạo cũng khá là phức tạp, gia công khó.

3.1.1.1 Phương án thiết kế bộ cấp từng loại nhiên liệu cho động cơ

Hình 3 1 Sơ đồ thiết kế bộ cấp từng loại nhiên liệu cho động cơ

Trong phương án thiết kế bộ cấp từng loại nhiên liệu cho động cơ này, mỗi loại nhiên liệu được cấp qua các van điều khiển và bộ hòa trộn riêng biệt trước khi cấp vào động cơ

Phương án này có ưu điểm:

- Đơn giản, dễ thiết kế, chế tạo.

- Vận hành ổn định, độ tin cậy cao.

- Ứng dụng được các phụ kiện có sẵn.

Nhược điểm chính của phương án này là khó khăn trong việc bố trí thêm nhiều phụ kiện, làm cho máy cồng kềnh, thiếu tính thẩm mỹ

3.1.1.2 Phương án thiết kế bộ cấp đa nhiên liệu cho động cơ

Trong phương án thiết kế bộ cấp đa nhiên liệu cho động cơ này, ta thiết kế một họng cấp chung biogas và xăng cho bộ hòa trộn chung được tính toán sao cho phù hợp cả hai nhiên liệu biogas, xăng trước khi cấp vào động cơ.

Phương án này có ưu điểm:

- Giảm được số lượng phụ kiện nhưng vẫn đảm bảo được các tính năng yêu cầu.

- Tiết kiệm được không gian bố trí, tăng tính thẩm mỹ của máy.

Hình 3 2 Sơ đồ thiết kế bộ cấp chung đa nhiên liệu cho động cơ.

Nhược điểm chính của phương án này là biogas có thành phần không ổn định, khó khăn trong việc tính toán thiết kế và điều chỉnh van cấp chung biogas.

3.1.2 Điều khiển cung cấp nhiên liệu bằng bộ điều khiển ECU

3.1.2.1 Phun biogas trên đường nạp động cơ Đã có nhiều công trình nghiên cứu thiết kế hệ thống nhiên liệu sử dụng biogas cho động cơ bằng phương pháp phun trên đường nạp và cũng đã đưa ra sử dụng thực tiễn Hệ thống bao gồm các cảm biến và ECU tính toán quá trình phun, vòi phun, hệ thống các bình chứa biogas, van giảm áp và đường ống cao áp, thấp áp… Với việc hòa trộn trước trên đường nạp giúp cho hòa khí được hòa trộn đều hơn, hỗn hợp đồng nhất hơn (đặc biệt biogas được phun dưới dạng khí) Do nhiệt ẩn của biogas lớn nên trong quá trình bay hơi trên đường nạp làm cho nhiệt độ trên đường nạp giảm giúp cho mật độ không khí tăng lên, công suất có tăng thêm (tổng công suất vẫn giảm hơn so với các động cơ xăng có cùng dung tích) Với việc cung cấp nhiên liệu bằng phương pháp phun giúp cho quá trình cháy được kiểm soát tốt hơn làm giảm tiêu hao nhiên liệu và

Hình 3 3 Sơ đồ hệ thống phun biogas trên đường nạp động cơ Đây là hệ thống (hình 3.3) cung cấp lưỡng nhiên liệu cho các động cơ đốt cháy cưỡng bức Với khả năng sử dụng 2 hệ thống độc lập giúp động cơ làm việc có tính linh hoạt hơn Nhưng việc sử dụng 2 ECU và các hệ thống cảm biến làm cho giá thành sản phẩm tăng lên đáng kể, bù lại thì nó có tính đa năng trong việc lựa chọn nhiên liệu.

3.1.2.2 Phun trực tiếp biogas vào buồng cháy động cơ

Phun nhiên liệu biogas trực tiếp vào buồng cháy động cơ là phương pháp tạo hỗn hợp nhiên liệu/không khí ngay tại buồng cháy Tổ chức quá trình cháy và hoàn thiện chu trình công tác ảnh hưởng đến quá trình phun của động cơ phun nhiên liệu trực tiếp Hệ thống có thể làm việc tốt ở hỗn hợp nghèo và giảm suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Các kết quả nghiên cứu cho thấy những yếu tố chính ảnh hưởng đến tính năng của động cơ phun nhiên liệu trực tiếp gồm: thời gian phun, áp suất phun, sự hướng dòng của tia phun, sự xoáy lốc của khí nạp, hệ thống đánh lửa và dạng buồng cháy Bên cạnh những đề tài phun xăng trực tiếp, các nhà khoa học đã nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật cháy phân lớp Trường hợp động cơ ở chế độ tải thấp sự hình thành hỗn hợp nhiên liệu phân lớp để khống chế trường dòng chảy hình thành hỗn hợp phân lớp xung quanh bugi, người ta phối hợp sử dụng phương pháp xoáy lốc mạnh và dòng chảy rối của tia nhiên liệu Trường hợp ở chế độ tải cao, dòng nhiên liệu chảy nhào trộn kết hợp với dòng xoáy lốc tạo ra hỗn hợp đồng nhất Phương pháp này chỉ mới thực hiện trong phòng thí nghiệm Hệ thống phun nhiên liệu ở dạng lỏng hay khí có ưu điểm ngăn chặn sự bốc cháy của hỗn hợp trên đường nạp, hiệu suất của động cơ được nâng cao và mức độ gây ô nhiễm giảm Tuy nhiên khi sử dụng vòi phun cấp nhiên liệu biogas vào buồng cháy làm giảm thời gian tạo hỗn hợp và mật độ nhiên liệu trong hỗn hợp sẽ không đồng nhất sẽ có nguy cơ tăng nồng độ CO trong khí thải Đặc biệt, việc phun trực tiếp và phun biogas vào động cơ giúp tăng công suất động cơ

Phun kết hợp biogas trực tiếp vào động cơ giúp cho quá trình sử dụng nhiên liệu linh hoạt hơn Không những giúp cho các muội than sau khi sử dụng xăng bay sạch ra khỏi buồng cháy mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường Sơ đồ hệ thống như hình 3.4.

Hình 3 4 Sơ đồ hệ thống phun biogas trực tiếp vào buồng cháy động cơ

Nhưng việc phun trực tiếp biogas vào động cơ đòi hỏi kĩ thuật cao làm cho giá thành của sản phẩm cao, bù lại nó giúp cho quá trình cháy hoàn thiện hơn hay tiết kiệm nhiên liệu hơn, giảm thiểu ô nhiễm môi trường Tương lai chúng ta sẽ áp dụng công nghệ này.

Dựa trên những phân tích ưu nhược điểm của các phương án thiết kế hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ ta chọn phương án “thiết kế bộ cấp chung đa nhiên liệu cho động cơ” Đây là phương án khả thi cho việc áp dụng và triển khai Có nhiều ưu điểm truyền thống xăng, có độ ổn định khá cao, dễ lắp đặt, ít can thiệp sâu vào kết cấu động cơ nguyên thủy và có giá thành thấp.

Lựa chọn bộ hòa trộn nhiên liệu biogas

3.2.1 Yêu cầu của bộ hòa trộn Đảm bảo cung cấp một tỷ lệ không khí/nhiên liệu tối ưu với mọi chế độ làm việc của động cơ.

Có thể điều chỉnh được số lượng và chất lượng của hỗn hợp không khí – biogas

Kết cấu không quá phức tạp để dễ dàng cho việc chế tạo, lắp đặt.

Phù hợp với kết cấu của động cơ nguyên thủy mà không phải thay đổi kết cấu của động cơ.

Tuổi thọ cao, giá thành phù hợp.

3.2.2 Kết cấu của một số bộ hỗn hợp

Bộ trộn Venturi có tác dụng như một bộ chế hòa khí tiêu chuẩn Loại này có các dạng kết cấu sau: a) Loại đường cấp biogas xuyên qua nhiều lỗ khoan:

* Loại các lỗ khoan bố trí xung quanh họng:

Nguyên lý làm việc: Nhiên liệu được cấp vào không gian xung quanh họng bộ hỗn hợp qua một đường gas chính, trên đó có bố trí van điều khiển bằng tay để điều chỉnh lượng biogas cung cấp Trên họng bộ hỗn hợp có các lỗ phun nhỏ phân bố đều theo chu vi họng để dẫn biogas vào bên trong họng. Ưu điểm: Nhiên liệu sẽ hòa trộn tốt với không khí.

Nhược điểm: Kết cấu tương đối phức tạp, khó gia công.

Hình 3 5 Kết cấu bộ trộn Venturi với lỗ khoan bố trí xung quanh họng

Khí hỗn hợp Không khí a) b)

Hình 3 6 Sơ đồ nguyên lý bộ hòa trộn hỗn hợp venturi 1 đường cấp xuyên qua nhiều

C1 - Vận tốc tại cửa nạp; Cv - Vận tốc tại họng venturi; dlỗ i - Đường kính của bộ trộn; dv - Đường kính của họng venturi; Ci - Vận tốc của hỗn hợp tại đường nạp của động cơ.

* Loại các lỗ phun nằm trên đỉnh vòi phun:

Khí hỗn hợp Khí biogas

Không khí c) Hình 3 7 Bộ trộn Venturi loại các lỗ phun bố trí trên đỉnh

- Đối với bộ hỗn hợp (a) loại này có thể điều chỉnh cho phù hợp giữa lượng khí gas và không khí bằng cách thêm hoặc bớt các lỗ phun.

- Đối với loại (b): nhằm tăng diện tích điều chỉnh các lỗ phun.

- Đối với loại (c): loại này có diện tích điều chỉnh các lỗ lớn, mặt khác do đầu có dạng hình chóp nên tạo được sự xoáy của dòng khí, giúp hòa trộn giữa không khí và khí biogas tốt hơn. b) Loại một đường gas vào: Bao gồm các loại sau:

Hình 3 8 Kết cấu Họng Venturi với một đường biogas vào loại cùng chiều

1 – Bầu lọc gió; 2 –Đường ống dẫn khí biogas; 3 – Bướm ga; 4 – Họng cấp biogas

Hình 3 9 Sơ đồ nguyên lý bộ hòa trộn hỗn hợp venturi với một đường biogas vào loại cùng chiều Nguyên lý làm việc: Dạng này dùng họng Venturi nguyên thủy của động cơ xăng. Gas được một đường ống dẫn tới vùng chân không của họng, ống này có thể dẫn theo đường trục bằng cách khoan xuyên qua thành bộ chế hòa khí. Ưu điểm của dạng cải tạo này là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp Khả năng hòa trộn không khí với nhiên liệu tốt

Nhược điểm là đường ống dẫn gas đặt theo đường trục của bộ chế hòa khí nên gây ra tổn thất dòng khí gây ra tổn thất dòng khí và hệ số nạp bị giảm.

Hình 3 10 Họng Venturi với một đường biogas vào loại trực giao Ưu điểm: Kết cấu khá đơn giản, thuận tiện cho việc gia công lắp đặt.

Nhược điểm: Sự hòa trộn sẽ không tốt bằng loại vòi phun.

Không khí Khí hỗn hợp

3.2.2.2 Van hỗn hợp điều khiển áp suất loại màng

Các van hòa trộn khí điều khiển áp suất thường được dùng cho động cơ phương tiện vận tải hoạt động bằng biogas Chúng được sản xuất trong một phạm vi rộng và trong các kích cỡ và chủng loại khác nhau cho các kích cỡ động cơ khác nhau

Khi động cơ làm việc trên đường nạp sẽ có độ chân không, vì không gian M thông với không gian sau màng R nên màng sẽ được hút lên trên, lò xo (3) bị nén lại đồng thời mở tiết diện lưu thông để không khí từ ống nạp không khí (7) đi vào không gian M Lúc này biogas cũng qua van côn (4) đi vào không gian M để hòa trộn với không khí Ưu điểm: Lượng hỗn hợp sẽ thay đổi tương ứng với độ chân không trên đường nạp động cơ

Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, khó chế tạo, giá thành cao.

Hình 3 11 Sơ đồ mặt cắt thể hiện van hòa trộn khí

1 – Bướm ga; 2 – Màng ngăn; 3 – Lò xo; 4 – Van côn gas; 5 –Vít điều chỉnh hỗn hợp; 6 – Điều chỉnh đường vòng không khí; 7 – Ống nạp không khí; 8 – Đường nạp của động cơ; 9 – Lỗ khoan tạo áp suất hút; M - không gian dòng chảy hỗn hợp vào đường nạp động cơ, R - không gian sau màng, nối với màng M theo lỗ khoan (9)

3.2.2.3 Bộ chế hòa khí dạng Modul hóa

Hình 3 12 Kết cấu bộ chế hòa khí dạng Modul hóa

1 – Bướm ga; 2 – Đường ống dẫn gas; 3 – Cơ cấu điều khiển; 4 – Vít điều chỉnh. Nguyên lý hoạt động: Khí gas được hút vào phía sau bướm ga sau khi modul hóa lưu lượng nhờ một bộ định lượng Khi sử dụng hệ thống này trên các động cơ khác nhau chỉ cần thay đổi bộ định lượng và giclơ tiêu chuẩn Hệ thống này cho phép động cơ làm việc lưỡng nhiên liệu xăng - gas Bộ chế hòa khí xăng được lắp trước họng gas. Nhưng có nhược điểm là chất lượng hòa khí không thay đổi kịp theo các hoạt động của động cơ.

3.2.3 Lựa chọn bộ hỗn hợp

Sau khi phân tích và tìm hiểu những bộ trộn hỗn hợp trên thì ta chọn bộ trộn Venturi với lỗ khoan bố trí xung quanh họng như (Hình 3.5 và 3.6) để thiết kế, chế tạo Vì loại này giúp cho việc hòa trộng nhiên liệu biogas với không khí được đều hơn nhờ bố trí đều các lỗ cấp xung quang họng nạp, và không làm ảnh hưởng hoặc giảm hệ số nạp không khí cũng như nhiên liệu, Kết cấu ít rờm rà, nhỏ gọn hơn so như các bộ hòa trộn khác.

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU

Tính toán, thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn

Mục đích tính toán các kích thước này là để xác định các kích thước đường ống phun khí biogas, kích thước các lỗ phun, kích thước họng bộ hỗn hợp và kích thước buồng hỗn hợp Để có thể biết được lượng nhiên liệu cấp vào đúng với kích thước của đường cấp. d h d b d c

Hình 4 1 Sơ đồ tính toán các kích thước của bộ hỗn hợp

4.1.1 Tính toán bộ hòa trộn

* Tính đường kính bộ hỗn hợp:

(4-1) Trong đó: an – Hệ số dao động của dòng chảy, phụ thuộc vào số xi lanh dùng chung một buồng hỗn hợp.

Vh – Thể tích công tác của một xi lanh (dm 3 ). i – Số xi lanh dùng chung một buồng hỗn hợp. n – Số vòng quay của động cơ (v/ph).

Bảng 4 1 Bảng chọn hệ số dao động của dòng chảy

Vì động cơ GX160 có 1 xi lanh nên ta chọn hệ số dòng chảy an= 24,2

* Kiểm nghiệm tốc độ không khí qua buồng hỗn hợp:

Tốc độ trung bình của dòng khí qua buồng hỗn hợp tính theo công thức:

* Chiều dài buồng hỗn hợp:

4.1.1.2 Xác định kích thước họng

* Xác định sơ bộ đường kính: Đường kính họng được quyết định bởi lưu lượng không khí qua họng và tốc độ thực tế không khí qua họng trong giới hạn theo thực nghiệm.

Chọn sơ bộ đường kính của họng dh theo kinh nghiệm.

* Độ chân không tại họng:

Chú ý rằng: Δph không phải là hằng số theo thời gian, dao động của Δph càng lớn khi số vòng quay động cơ càng thấp và số xilanh càng ít

* Tốc độ không khí thực tế qua họng:

* Lưu lượng không khí qua họng:

* Đường kính chính xác của họng:

4.1.1.3 Xác định kích thước đường cấp biogas có tải

* Tốc độ nhiên liệu: v nl = √ 2 ρ ΔP nl h (4-9) ρ nl : Khối lượng riêng của nhiên liệu , ρ nl =1,061 (Kg/m3). v nl : Tốc độ dòng nhiên liệu qua lỗ.

* Tiết diện lỗ phun biogas chính: Δp h =1.2

120 1,2=0.0044(kg/s) v nl =√ 2.336 1 , 061 , 504 = 25 , 185(m / s ) fc= G nl v nl ρ nl (m 2 )

Gnl: Lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giờ ứng với công suất cực đại:

* Đường kính lỗ phun chính: d c =√ 4 π f c (m) (4-11) d c =√ 4.9 , 919.10 Π −6 =0.00494( m) d c = 4.9499(mm)

4.1.1.4 Xác định kích thước đường cấp biogas không tải

Ta không tính toán đường kính vòi cấp biogas không tải mà lấy theo kinh nghiệm (lấy theo đường kính của vòi cấp có tải) Để thay đổi lượng biogas cấp vào ở chế độ không tải ta dùng giclơ điều chỉnh của van tiết lưu không tải để có thể thay đổi đường kính trong khác nhau để dễ thay thế cũng như thích hợp với mức hoạt động ở chế độ không tải mà ta mong muốn trong quá trình thử nghiệm động cơ.

4.1.2 Thiết kế bộ hòa trộn

Dựa vào các thống số ở mục 4.1.1 đã tính toán thì dựa vào các kích thước cơ bản đó ta sẽ làm tròn các kích thước để dễ dàng trong việc chế tạo cũng như mô phỏng chi tiết nhờ vào phần mềm

Solidworks để biết trước được hình dạng chi tiết trước khi chế tạo

* Tính đường kính bộ hỗn hợp:

* Đường kính của họng: = 14.81(mm)

* Đường kính lỗ phun chính: = 4.9499(mm)

4.1.2.1 Thiết kế bản vẽ bộ hòa trộn

Hình 4 2 Bản vẽ chi tiết bộ hòa trộn

1 –Họng bộ hòa trộn; 2 – nữa trên bộ hòa trộn; 3 – Nữa dưới bộ hòa trộn; 4 – Đường cấp biogas.

Hình 4 3 Bản vẽ chi tiết vòi cấp có tải

4.1.3 Chế tạo bộ hòa trộn và vòi cấp

Sau khi đã có được bản vẽ thiết kế thì bắt đầu tiến hành chế tạo bộ hòa trộn và vòi cấp có tải Bộ hòa trộn và vòi cấp này sẽ được chế tạo bằng vật liệu nhôm và được gia công tỉ mỉ dựa vào các thông số trong bản vẽ.

Tính toán, thiết kế, chế tạo bộ phụ kiện cung cấp biogas

4.2.1 Bầu chân không điều khiển điều tiết nhiên liệu

Dựa vào áp suất chân không đã tính ở trước đó thì ta không cần tính lại nữa Và

1 – Bầu chân không; 2 – Đường nạp; 3 – Bộ chế hòa khí

Bầu chân không này sẽ được làm kín xung quanh và chỉ được thông ra ngoài nhờ vào 1 đường hút không khí như hình 4.5 trên Phía dưới đáy bầu chân không vẫn được làm kín nhưng thay vì dùng nguyên khối thì sẽ được lắp vào 1 màng cao su dày 1mm và có đường kính 35mm và hành trình co dãn lên xuống là 12mm.

Hình 4 6 Màng chân không Giữa tâm màng có 1 khoảng trống để gắn dây dẫn kim điều tiết dịch chuyển lên xuống theo hàng trình co dãn của màng chân không và được gắn rất kín để không khí không bị lọt vào bên trong bầu chân không.

4.2.2 Bộ van kim điều tiết cung cấp nhiên liệu

Phần điều tiết nhiên liệu ứng với từng mức tải là nhờ vào 2 chi tiết này đó là kim điều tiết và màng kim điều tiết Do tiết diện tiếp xúc của 2 chi tiết này là hình nón nên khi dịch chuyển sẽ thay đổi được lượng nhiên liệu đi qua Màng kim được chế tạo bằng nhựa dẻo (TPU) bằng phương pháp in 3d và kim điều tiết được chế tạo từ nhôm bằng phương pháp gia công cơ khí.

Kim điều tiết sẽ là chi tiết dịch chuyển di động lên xuống để đóng mở tiết diện ở đầu phía trên sẽ được gắn với dây dẫn điều tiết, đầu phía dưới được gắn với lò xo để hồi lại sau khi giảm mức tải để giảm lượng nhiên liệu đi vào.

Hình 4 7 Kim điều tiết Màng kim điều tiết là chi tiết được cố định ở thân của bộ phụ kiện, và được làm kín xung quanh không để khi biogas lọt qua giúp chi tiết được hoạt động đúng chế độ để điều tiết đúng với mức tải theo yêu cầu.

Hình 4 8 Màng kim điêu tiết.

4.2.3 Lắp ráp hoàn thiện phụ kiện cung cấp biogas

Trước khi lắp ráp để hoàn thiện bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu thì nhóm đã tiến hành thiết kế hình dáng cũng như các đường cấp để có thể có cái nhìn tổng quan hơn về van cấp cũng như dựa vào đó để có thể đi vào bước tiếp theo là chế tạo và lắp ráp van Ở phần thiết kế này sẽ dùng phần mềm solidworks

Hình 4 9 Thiết kế hình dạng 3d cho van cấpSau khi có được các chi tiết của bộ phụ kiện cũng như dựa vào mẫu thiết kế 3d,lắp ráp các chi tiết này lại với nhau để hoàn thiện bộ phụ kiện này như hình 4.10

Hình 4 10 Lắp ráp bộ phụ hiện cung cấp nhiên liệu biogas

Gia công chế tạo đường nạp buồng hỗn hợp

* Chiều dài buồng hỗn hợp:

Chi tiết này được gia công bằng vật liệu nhôm được gia công với các lỗ kích thước chính xác giúp cho việc lắp vào chi tiết khác được kín và đúng vị trí đường nạp nhất. l b =( 0,8−1.8 ) d b =1,5.18 ,537' , 806( mm )

Hình 4 11 Đường nạp buồng hỗn hợpTrên đường nạp này sẽ gia công 2 lỗ tròn có kích thước là 5mm, 1 lỗ dùng để nối với vòi cấp có tải và lỗ còn lại được nối với đầu ra hút chân không.

Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas

4.4.1 Giới thiệu chung về hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas

Hệ thống cấp nhiên liệu biogas đã được nhóm nghiên cứu chế chế và thử nghiệm triển khai sử dụng thử trên động cơ GX160 của máy phát điện honda EP-2500CX Đây là hệ thống cung nhấp nhiên liệu thuần cơ khí, hoạt động khá ổn định Ưu điểm của bộ Van là đơn giản, dễ dàng lắp đặt và sử dụng có thể điều chỉnh bằng tay, chi phi cũng khá thấp hơn so với các loại cấp nhiên liệu hiện đại như điện tử , vật liệu chế tạo dễ tìm kiếm Nhưng nó cũng tồn tại nhược điểm là khó có khả năng cung cấp lượng hòa khí đảm bảo chính xác nhất cho động cơ ở các chế độ khác nhau vì quy luật cấp nhiên liệu cho động cơ khó có thể đáp ứng khi chúng ta điều khiển thuần cơ khí Đặc biệt là khi các biến ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của động cơ càng lớn thì quy luật cấp nhiên liệu càng khó khăn Cũng như là kích thước khá lớn chiếm không gian bố trí lớn phù hợp cho các kiểu bố trí ngoài động cơ như máy phát điện để không ảnh hưởng đến không gian bố trí chi tiết khác.

4.4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ phụ kiện cũng như hệ thống cấp nhiên liệu biogas.

Hình 4 12 Cấu tạo bên trong của bộ phụ kiện.

1 – Đường cấp không tải; 2 – thanh cố định lò xo hồi vị; 3 – thanh cố định lò xo; 4 – Đường cấp nhiên liệu biogas từ bình chứa;

5 – Kim điều tiết; 6 – Dây dẫn kim; 7 – Màng chân không; 8 – Bình chân không; 9 – Đường chân không; 10 – Đường cấp nhiên liệu có tải; 11 – Màng kim điều tiết;

12 – Bóng cao su; 13 – Bướm gió; 14 – Bướm ga; 15 – Bộ chế hòa khí.

Nguyên lý hoạt động của van cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ được dựa vào hình 4.12 ở trên Nhiên liệu biogas được cấp từ bình chứa qua dây dẫn đến đường dẫn nhiên liệu (4) ở đầu đường ống dẫn liệu (4) sẽ có van tổng để đóng ngắt nhiên liệu Khi hoạt động nhiên liệu đi từ bình qua đường dẫn (4) để vào các đường dẫn của van Ở chế độ không tải (chế độ garanti) vì lúc này động cơ không có tải nên không cần nhiều nhiên liệu để đưa vào động cơ nên xylanh sẽ được cấp một lượng nhiên liệu vừa đủ để cầm chừng được sự hoạt động qua đường cấp không tải (1) và tại đầu ra của đường cấp không tải (1) này sẽ có 1 van tiết lưu để điều chỉnh được lượng nhiên liệu cần cấp cho mức không tải (đã được nhóm đo và điều chỉnh đủ lượng nhiên liệu cấp không tải) Cũng như ở mức không tải nên động cơ sẽ không có lực hút không khí mạnh nên độ chân không ở trong họng đuờng nạp yếu do đó lực kéo của màng cao su

(7) trong bầu chân không (8) lúc này yếu và độ chân không này không thể thắng được lực kéo của lò xo (2), kéo màng chân không (7) ở vị trí ban đầu và cũng kéo kèm theo kim điều tiết (5) đóng kín thành kim (11) ở đường cấp nhiên liệu có tải

Khi động cơ thay đổi tải (theo hướng tăng tải dần) thì lúc này lực hút không khí của động cơ mạnh dần, hút màng chân không cũng dần lớn nên lúc này lượng không khí trong bầu chân không được hút ra tăng lên Tạo ra độ chênh lệch chân không cũng tăng theo, do chênh lệch chân không nên màng chân không (7) sẽ bị dịch chuyển hút lên phía trên và kéo theo dây dẫn kim (6) nhiên liệu làm cho kim nhiên liệu (5) cũng dịch chuyển đi lên theo màng chân không (7) Do kim nhiên liệu và thành kim được khoảng trống và đi qua đường cấp có tải (10) đi vào bộ chế hòa khí (15) và cấp vào động cơ. Ở mức tải càng nhiều thì động cơ hút không khí càng mạng thì độ chân không càng lớn, độ chân không càng lớn thì sẽ làm nhấc kim điều tiết nhiên liệu (5) và làm hở khoảng trống cấp nhiên liệu vào đường có tải càng nhiều phù hợp với từng mức tải của động cơ.

Khi động cơ dần giảm tải thì lúc này lực hút không khí của động cơ cũng giảm dần nên độ chênh lệch chân không trong bầu chân không (8) cũng giảm theo làm cho lực kéo của lò xo (2) kéo kim nhiên liệu xuống (qua dây dẫn cũng kéo màng chân không (7) xuống làm cho khoảng trống cấp nhiên liệu qua đường có tải (10) giảm xuống để giảm lượng nhiên liệu cấp vào động cơ không bị dư thừa. Ở đường cấp có tải sẽ được lắp thêm 1 quả bóng cao su (12), có nhiệm vụ cấp đủ nhiên liệu cho lúc tăng tải đột ngột Khi thực hiện tăng tải ở thởi điển bắt đầu tăng,động cơ lập tức cần gấp 1 lượng nhiên liệu để hoạt động rồ lên trong khoảng 1-2 giây sau đó sẽ hạ xuống đúng với vức tải hoạt động Lúc tăng tải thì độ chênh lệch chân không tăng đột ngột làm cho kim điều tiết (5) hở lên đột ngột sau đó giảm xuống ứng với mức tải, khi kim điều tiết hở lên đột ngột làm cho một lượng nhiên liệu đi qua nhanh chóng và đi vào đường cấp có tải đi sau đó đi qua bóng cao su (12), tại đây vì bóng cao su có tính đàn hồi nên đột ngột có thêm lượng nhiên liệu cấp vào làm giãn bóng ra sau đó bóng sẽ co lại và đẩy lượng nhiên liệu này nhanh nhất có thể đi vào động cơ để kịp bù cho đủ lượng nhiên liệu khi lên tải đột ngột.

Mô phỏng sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas chính và hệ thống

Sau khi chế tạo xong, ta sẽ mô phỏng bố trí lắp đặt các chi tiết cũng như hệ thống cung cấp nhiên liệu để có phần tổng quan hơn, giúp ta có thể hình dung được cụ thể các đầu nối cũng như vị trí lắp đặt sao cho phù hợp trước khi lắp đặt. Ở phần thiết kế sơ đồ lắp đặt 2d này, nhóm đã dùng phầm mềm autocad để thiết kế và mô phỏng lại vị trí đường lắp đặt các chi tiết bộ phận trước khi qua phần lắp đặt.

Hình 4 13 Sơ đồ lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas và xăng cho động cơ

1 – Bình chứa biogas; 2 – Khóa an toàn; 3 – Bộ phụ kiện cung cấp biogas; 4 – Đường ống bầu chân không; 5 –Đường ống cấp chính; 6 – Van tiết lưu; 7 – Đường không khí vào; 8 – Bướm gió; 9 – Bướm ga; 10 – Xupap nạp; 11 – Bugi; 12 – Đường ra khí thải;

13 – Xupap thải; 14 – Buồng đốt; 16 – Đường cấp không tải; 17 – Bộ hòa trộn; 18 –

Bình xăng; 19 – Bóng chứa biogas

LẮP ĐẶT - THÍ NGHIỆM

Lắp đặt

Lắp bộ phụ kiện vào động cơ ở vị trí thích hợp, và gần bộ chế hòa khí bằng bộ gá để thuận tiện điêu chỉnh khi cần thiết cũng như cố định bộ phụ kiện được chắc chăn hơn.

Khoan lỗ ϕ5 sau bướm ga, taro lỗ M6 ở đường nạp buồn hỗn hợp và gắn vòi cấp nhiên liệu không tải vào đường nạp đã khoan.

Tiếp tục khoan lỗ ϕ5 sau bướm ga, taro lỗ M6 và gắn vòi hút chân không vào lỗ đã khoan Tiếp tục gắn ống dẫn hút không khí ở miệng bầu chân không với vòi đã gắn.

Mở bầu lọc gió, lắp bộ hòa trộn vào trước đường nạp của bộ chế hòa khí (Lưu ý: Giữa điểm tiếp xúc nên bỏ thêm vòng cao su để làm kín). Ở đường cấp có tải sẽ gắn 1 quả bóng chất liệu bằng cao su, từ đầu ra của bóng cao su sẽ nối với đầu nạp của lưu lượng kế, đầu còn lại sẽ được gắn vào đường cấp bộ hòa trộn.

Cố định các chi tiết đúng với vị trí lắp đặt bằng dây rút.

Hình 5 1 Bố trí lắp đặt các phụ kiện lên máy phát điện

Sau khi lắp đặt xong các chi tiết quan trọng thì tiếp tục lắp đường dẫn nhiên liệu từ bình nhiên liệu vào bộ phụ kiện Và cuối cùng là bố trí cố định các đướng ống dẫn cho gọn gàng lại với nhau.

Quy trình thí nghiệm

Việc đánh giá quá trình hoạt động của động cơ khi thiết kế một hệ thống mới là vô cùng quan trọng và cần thiết Vì vậy, máy phát điện chuyển đổi sang sử dụng biogas cần đưa ra những thông số cụ thể Do đó, thử nghiệm vận hành đối với máy phát điện sử dụng biogas nhằm đạt các mục đích sau:

- Đánh giá khả năng làm việc của máy phát điện khi sử dụng nhiên liệu biogas, cũng như khả năng hoạt động của bộ phụ kiện nói riêng cũng như hệ thống cung cấp nhiên liệu nói chung cho động cơ GX160.

- Xem xét, đánh giá chất lượng quá trình hoạt động của động cơ GX160 trên máy phát điện khi sử dụng biogas thông qua công suất có ích và lượng tiêu hao nhiên liệu.

5.2.2 Các thông số cần đo Đối với máy phát điện sử dụng khí biogas thì mục đích đo và các thông số cần đo bao gồm các thông số sau:

- Tiêu hao nhiên liệu: Nhằm xác định khối lượng nhiên liệu biogas tiêu hao trong một khoảng thời gian ở các mức tải khác nhau của động cơ.

- Công suất động cơ: Xác định thông qua công suất điện của máy phát bằng cách đo điện áp và dòng điện của phụ tải khi thay đổi tải ở các mức khác nhau.

5.2.3 Trang thiết bị thí nghiệm

Nhằm phục vụ cho việc xác định các thông số cần đo, trang thiết bị phục vụ thí nghiệm bao gồm thiết bị đo hiển thị dòng điện, điện áp,… lưu lượng kế, đồng hồ đo tốc độ vòng quay, thiết bị gây tải.

5.2.3.1 Các thiết bị đo lường

Thiết bị đo lường về điện sẽ hiển thị bao gồm: dòng điện (I), điện áp (V), công suất (P),… Thiết bị đo lưu lưu lượng nhiên liệu (lưu lượng kế), máy đo tốc độ vòng

Hình 5 2 Các thiết bị đo lường

A – Thiết bị hiển thị các giá trị điện; B – Lưu lượng kế; C – Máy đo tốc độ động cơ

Thiết bị được dùng để gây tải cho động cơ là 4 bóng đèn Halogen và 10 bóng đèn sợi đốt có công suất danh nghĩa lần lược là 1000W và 60W Công suất thực tế đo được mỗi bóng halogen khoảng 540W ở điện áp hoạt động 230V và mỗi bóng đèn sợi đốt 60W ở điện áp 230V Hệ thống gây tải sử dụng những bóng được nối song song, mỗi bóng được đóng ngắt bằng một công tắc Đóng hoặc ngắt từng công tắc ở mỗi bóng để thực hiện việc tăng hoặc giảm tải.

Hình 5 3 Thiết bị gây tải

Quy trình thí nghiệm được xây dựng nhằm đảm bảo số liệu thu thập được chính xác, có độ tin cậy Thu thập được các thông số: cường độ dòng điện và điện áp máy phát, lưu lượng nhiên liệu tiêu hao Đánh giá trạng thái làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu biogas.

Các bước thay đổi tải được chọn như sau:

+ 0W ở vị trí bướm ga đóng hoàn toàn (Không sử dụng bóng đèn gây tải)

+ 360W ở vị trí bướm ga mở 20% (Sử dụng 10 bóng đèn sợi đốt)

+ 900W ở vị trí bướm ga mở 40% (Sử dụng 10 bóng đèn sợi đốt + 1 bóng đèn halogen)

+ 1440W ở vị trí bướm ga mở 60% (Sử dụng 10 bóng đèn sợi đốt + 2 bóng đèn halogen)

+ 1980W ở vị trí bướm ga mở 80% (Sử dụng 10 bóng đèn sợi đốt + 3 bóng đèn halogen)

+ 2520W ở vị trí bướm ga mở 100% (Sử dụng 10 bóng đèn sợi đốt + 4 bóng đèn halogen)

5.2.4 Bố trí thí nghiệm Đầu tiên trước khi vào bước thực tế như mọi khi nhóm sẽ mô phỏng hệ thống lắp đặt nhờ vào phần mềm solidworks để mô phỏng vị trí lắp đặt của các chi tiết, thiết bị hệ thống và dựa vào đó để bố trí và lắp đặt thí nghiệm thực tế được dễ dàng hơn.

Quá trình thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm xưởng ô tô.

Việc bố trí thí nghiệm sao cho quá trình điều chỉnh, ghi nhận số liệu được thuận tiện, số liệu thí nghiệm có độ tin cậy An toàn trong quá trình thí nghiệm và phòng chống cháy nổ Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực tế như hình.

Hình 5 5 Bố trí thiết bị thí nghiệm

1 – Băng tải; 2 – Máy phát điện; 3 – Lưu lượng kế; 4 – Bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu; 5 – Bình nhiên liệu nén biogas.

Quá trình thử nghiệm được thực hiện qua các bước:

Bước 1: Chuẩn bị thử nghiệm

Van khóa được đóng kín bình gas biogas, bộ chế hòa khí cung cấp xăng được giữ nguyên trên vị trí ban đầu của máy phát điện Vệ sinh sạch sẽ và gắn vòi cấp biogas từ bình vào đầu nạp của bộ phụ kiện.

Lắp lưu lượng kế vào đường nạp có tải.

Cắm giắc điện của băng tải vào đầu ra của máy phát điện.

- Mở van khóa bình biogas, đảm bảo không bị rò rỉ khí biogas ra ngoài, điều chỉnh đồng hồ áp suất ở mức 1kg/cm 2

- Khởi động động cơ máy phát điện ở chế độ không tải (Bướm ga đóng hoàn toàn).

+ Quan sát và ghi lại các số liệu ở mức không tải.

- Tiến hành tăng mức tải lên lần 1 (10 bóng đèn sợi đốt) đồng thời ứng với độ mở bướm ga là 20%.

+ Quan sát và ghi lại các số liệu.

- Tiến hành tăng mức tải lên lần 2 (10 bóng đèn sợi đốt + 1 bóng đèn halogen) đồng thời ứng với độ mở bướm ga là 40%.

+ Quan sát và ghi lại số liệu.

- Tiến hành tăng mức tải lên lần 3 (10 bóng đèn sợi đốt + 2 bóng đèn halogen) đồng thời ứng với độ mở bướm ga là 60%.

+ Quan sát và ghi lại số liệu.

- Tiến hành tăng mức tải lên lần 4 (10 bóng đèn sợi đốt + 3 bóng đèn halogen) đồng thời ứng với độ mở bướm ga là 80%.

+ Quan sát và ghi lại số liệu.

- Tiến hành tăng mức tải lên lần 5 (10 bóng đèn sợi đốt + 4 bóng đèn halogen) đồng thời ứng với độ mở bướm ga là 100%.

+ Quan sát và ghi lại số liệu.

- Sau khi chạy thí nghiệm xong lần lược giảm tải động cơ và mức bướm ga về trị trí ban đầu, sau đó tắt máy, khóa van an toàn của bình gas biogas lại để đảm bảo an toàn.

Sau khi tiến hành thí nghiệm, các thông số đo đạc được bao gồm: cường độ dòng điện và điện áp của tải tiêu thụ công suất điện, lưu lượng nhiên liệu tiêu hao Từ đó xây dựng được bảng đồ thị công suất động cơ theo từng mức phụ tải khác nhau với khoảng tiêu hao nhiên liệu.

10 bóng đèn sợi đốt sẽ được kí hiệu bằng SĐ và đèn halogen sẽ được kí hiệu bằng HG

Bảng 5 1 Công suất động cơ kéo máy phát điện sử dụng nhiên liệu biogas

Lần đo Số bóng đèn Độ mở bướm ga (%)

Thông số đo Tốc độ động cơ (Vòng/ph) Điện áp: U (V)

Lưu lượng nhiên liệu tiêu hao:

Từ những thông số đo được ta sẽ lập được bảng đồ thị đặt tính của động cơ sử dụng nhiên liệu biogas như hình 5.6

2178 ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH TẢI ĐỘNG CƠ BIOGAS

Hình 5 6 Đồ thị đặt tính tải động cơ biogas

Từ thông số công suất đo được thì ta có thể so sánh được công suất đo được thực tế sử dụng biogas với công suất tính toán lý thuyết và công suất ban đầu của động cơ nguyên thủy sử dụng xăng.

- Độ chênh lệch công suất đo được thực tế so với lý thuyết tính toán

2.248 100%= 96.88 %(5-1) Như vậy công suất của động cơ đo thực tế giảm đi 3.12%.

- Độ chênh lệch công suất đo được thực tế so với công suất của động cơ xăng ban đầu

2.5 100 %= 87.12% (5-2)Như vậy công suất của động cơ sử dụng biogas so với công suất của động cơ xăng ban đầu giảm đi 12.88%.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.