Các giải pháp đã được nghiên cứu và báo cáo bao gồm: 1 giảm ô nhiễm từ nguồn bằng cách sử dụng các loại nhiên liệu xăng, diesel sạch hoặc chuyển đổi sang sử dụng các loại nhiên liệu xan
PHẦN MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Bản tổng kết môi trường toàn cầu năm 2009 do Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP) công bố cho thấy, TP Hà Nội và TP Hồ Chí Minh (TP.HCM) đều có tên trong danh sách 06 thành phố bị ô nhiễm không khí nghiêm trọng nhất trên thế giới Theo Tổng cục Bảo vệ môi trường (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Việt Nam đối mặt với tất cả các vấn đề được nêu trong báo cáo Về nồng độ bụi, TP Hà Nội và TP HCM chỉ đứng sau Bắc Kinh, Thượng
Hải (Trung Quốc), New Delhi (Ấn Độ) và Dhaka (Bangladesh) Mối đe doạ tiềm tàng này chắc chắn sẽ cản trở quá trình phát triển hơn nữa của 02 thành phố này Trong đó, 70% ngu ồ n ô nhi ễ m là do khí th ả i t ừ các ph ươ ng ti ệ n tham gia giao thông Vì vậy, luận văn mong muốn trình bày khái lược về mối liên hệ giữa phương tiện giao thông (đặc biệt là xe gắn máy) và sự gia tăng ô nhiễm không khí không ngừng tại các thành phố lớn của Việt Nam
S ự gia t ă ng ô nhi ễ m môi tr ườ ng không khí cùng v ớ i phát tri ể n đ ô th ị
Cũng như các thành phố lớn khác trong khu vực ASEAN, sự gia tăng về số lượng phương tiện giao thông đô thị tại Hà Nội và TP.HCM nêu trên là hệ quả của quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa, đặc biệt là tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh chóng mà chưa có sự phát triển đồng bộ của cơ sở hạ tầng Điều này dẫn đến tình trạng ùn tắc và ô nhiễm môi trường không khí trong giao thông đô thị như hiện nay Trong đó, giao thông là một trong những nguồn gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng ở các đô thị hiện nay Đặc biệt ô nhiễm do các phương tiện tham gia giao thông gây ra tác động trực tiếp lên người đi đường, mang đến những hậu quả không nhỏ cho sức khỏe Trong khi đó, với mật độ phương tiện giao thông lớn nhưng chất lượng các loại phương tiện kém, cộng với hệ thống đường giao thông chưa tốt làm thải lượng ô nhiễm không khí từ giao thông đang có xu hướng gia tăng
Phương tiện tham gia giao thông đô thị tại TP.HCM và Hà Nội hiện nay được chia thành hai nhóm chính: (1) nhóm ph ươ ng ti ệ n v ậ n t ả i hành khách công c ộ ng (Xe buýt và taxi) và (2) nhóm ph ươ ng ti ệ n cá nhân (xe đạ p, xe máy và ô tô
2 cá nhân) Theo các báo cáo gần đây của Bộ Giao thông vận tải, số lượng các phương tiện giao thông ngày càng tăng nhanh tại hai thành phố này Tại Hà Nội, năm 2001, thành phố có gần 01 triệu xe máy và hơn 100.000 ô tô Cuối năm 2010, con số này đã tăng gấp ba, với khoảng 3,2 triệu xe máy và 310.000 ô tô Tốc độ phát triển của các phương tiện giao thông giai đoạn 2001-2010 là 14% - 16%/năm đối với xe ô tô, 15%/năm đối với xe máy Theo số liệu thống kê từ Sở Giao thông vận tải TP.HCM năm 2010, s ố l ượ ng xe máy là 4,5 tri ệ u chi ế c, xe ô tô là 450.000 chi ế c và m ỗ i ngày có thêm 106 xe ô tô và trên 1000 xe g ắ n máy đượ c c ấ p đă ng ký m ớ i
Hình 1.2 Sự gia tăng xe gắn máy tại TP Hà Nội và TP.HCM
Mô-tô và xe g ắ n máy đ ang đượ c xem ngu ồ n gây ô nhi ễ m không khí chính c ủ a các đ ô th ị l ớ n Số liệu thống kê trên cho thấy xe gắn máy chiếm tỷ lệ khá lớn trong tổng số các phương tiện giao thông lưu hành tại Việt Nam Tính riêng tại TP HCM, lượng xe gắn máy chiếm trên 90% Theo Ông Chu Mạnh Hùng, Vụ trưởng
Vụ Môi trường (Bộ GTVT) cho biết, ước tính có khoảng 50-60% mô tô, xe gắn máy không đạt tiêu chuẩn khí thải, là nguồn gây ô nhiễm không khí chính ở các đô thị lớn [http://www.vfej.vn/vn/chi_tiet/31193/Xe-may-nguon-gay-o-nhiem-chinh-o- do-thi/]
TP Hồ Chí Minh nói riêng và các đô thị lớn nói chung đều tập trung rất nhiều phương tiện lưu thông cá nhân mà mô tô, xe gắn máy là chủ lực Bên cạnh đó là hàng vạn xe từ các tỉnh lưu thông vào TP hằng ngày Số lượng xe gắn máy sẽ còn tiếp tục tăng lên để đáp ứng nhu cầu đi lại, nhưng đường sá thì không phát triển theo kịp nên xảy ra ùn tắc triền miên càng làm gia tăng ô nhiễm
Mặt khác, hiện có số lượng xe cũ, xe đã sử dụng nhiều năm không đạt tiêu chuẩn môi trường chiếm tỷ lệ lớn Theo ông Chu Mạnh Hùng, Vụ trưởng Vụ Môi trường (Bộ GTVT) cho biết, ước tính có khoảng 50-60% mô tô, xe g ắ n máy không
4 đạ t tiêu chu ẩ n khí th ả i, là ngu ồ n gây ô nhi ễ m không khí chính ở các đ ô th ị l ớ n
Theo Vụ Môi trường, kết quả phân tích ở nhiều báo cáo đánh giá tác động môi trường cho thấy, hiện hầu hết các đô thị lớn của Việt Nam đều bị ô nhiễm bụi, nhiều nơi bị ô nhiễm trầm trọng, ở mức báo động
Tại các TP lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ… bụi trong không khí trung bình gấp từ 200 tới 300% lần tiêu chuẩn cho phép Thống kê của Bộ GTVT năm 2010 cũng cho thấy, ô nhiễm không khí ở đô thị do các hoạt động giao thông vận tải chiếm tỷ lệ khoảng 70%
Vụ Môi trường nhận định, suy thoái chất lượng môi trường không khí là nguy cơ dễ nhận thấy trong thời gian ngắn sắp tới, đặc biệt là ở các đô thị, dọc các tuyến giao thông quan trọng và trong các cảng biển lớn Tỷ lệ phương tiện giao thông cá nhân quá cao khiến thực trạng giao thông ở các đô thị ngày càng xấu, biểu hiện qua sự gia tăng ùn tắc giao thông, ô nhiễm môi trường và tai nạn Sự phát triển của GTVT dẫn đến ô nhiễm không khí, tiếng ồn, gia tăng lượng nhiên liệu cũng như diện tích đất sử dụng…Điều này đặt ra sự cần thiết phải có những điều chỉnh tạo ra định hướng mới cho ngành GTVT để đạt sự phát triển bền vững
Hình Số lượng xe máy liên tục tăng ở hai TP lớn Hà Nội và TP.HCM
(Nguồn: Cục Đăng kiểm Việt Nam)
Như đã trình bày ở trên, việc tìm kiếm giải pháp giảm ô nhiễm môi trường không khí tại TPHCM là rất quan trọng và cần thiết Một số giải pháp có tính khả thi đã được đề xuất như sau:
Gi ả i pháp x ử lý trên đườ ng th ả i Theo ước tính, khoảng 80% khí CO, 60%
HC, và 40% NOx trong khí quyển hiện nay là do khí thải của động cơ đốt trong (và ô tô) gây ra Chính vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp cắt giảm các thành phần khí thải trên là rất quan trọng và cần thiết Các giải pháp đã được nghiên cứu và báo cáo bao gồm: (1) giảm ô nhiễm từ nguồn bằng cách sử dụng các loại nhiên liệu xăng, diesel sạch hoặc chuyển đổi sang sử dụng các loại nhiên liệu xanh và sạch (như sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, khí nén thiên nhiên CNG, khí H2 nén,…), nhiên liệu sinh học (biodiesel, biogas,…), (2) giảm ô nhiễm bằng cách lắp thêm các thiết bị xử lý khí thải trên đường thải (thiết bị hồi lưu khí thải EGR, thiết
6 bị lọc hạt bụi diesel DPF, thiết bị xử lý xúc tác giảm NOx,…), và (3) giảm ô nhiễm bằng cách tối ưu hóa quá trình cháy và kết cấu buồng cháy động cơ Một trong những giải pháp khả thi được đề xuất là ứng dụng khí sinh học (biogas) làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu chính của Luận văn này là đánh giá và phân tích thực nghiệm đặc tính của động cơ (công suất, tiêu hao nhiên liệu, khí thải,…) theo sự thay đổi của các thông số vận hành như: tốc độ, hệ số dư lượng không khí (lamda hoặc tỷ lệ A/F), và tải;
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1 Đố i t ượ ng nghiên c ứ u: Đối tượng nghiên cứu chính trong Luận văn này là động cơ (xe gắn máy 110 cm 3 ) sử dụng nhiên liệu xăng được chuyển đổi sử dụng khí biogas sinh học và xăng A92
Hình ảnh và thông số kỹ thuật tiêu biểu của xe gắn máy (Honda Wave 110S) được dùng trong thực nghiệm:
Hình Xe gắn máy và động cơ 110 cm 3 được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm
Trọng lượng bản thân 100 kg
Dài x Rộng x Cao 1.925mm x 710mm x 1.090mm
Khoảng cách trục bánh xe 1.225mm Độ cao yên 770 mm
Khoảng cách gầm so với mặt đất 140 mm
Dung tích bình xăng 3,7 lit
Dung tích nhớt máy 1 lít khi rã máy / 0.8 lít khi thay nhớt
Phuộc trước Ống lồng, giảm chấn thủy lực
Phuộc sau Lò xo trụ, giảm chấn thủy lực
Loại động cơ Xăng, 4 kỳ, 1 xy-lanh, làm mát bằng không khí
Dung tích xi lanh 109,1 cm3 Đường kính x hành trình pít tông 50mm x 55.6mm
Công suất tối đa 6,08 kW/8.000 vòng/phút
Mô men cực đại 8,32 N.m/6.000 vòng/phút
Hộp số Cơ khí, 4 số tròn
Hệ thống khởi động Điện / Đạp chân
Luận văn giới hạn nghiên cứu thiết lập thực nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành đến đặc tính động cơ xe gắn máy 110 cm 3 sử dụng khí biogas và nhiên liệu xăng;
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Hộp số Cơ khí, 4 số tròn
Hệ thống khởi động Điện / Đạp chân
Luận văn giới hạn nghiên cứu thiết lập thực nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành đến đặc tính động cơ xe gắn máy 110 cm 3 sử dụng khí biogas và nhiên liệu xăng;
1) Tổng quan về thực trạng ô nhiễm không khí và sự phát thải ô nhiễm từ xe gắn máy tại Tp Hồ Chí Minh;
2) Khái lược về động cơ đốt trong sử dụng biogas;
3) Thiết lập sơ đồ và thông số thực nghiệm cho động cơ xe gắn máy 110 cm 3 sử dụng xăng và biogas;
4) Nghiên cứu thực nghiệm và phân tích đánh giá đặc tính động cơ xe gắn máy sử dụng biogas và so sánh với khi sử dụng xăng;
5) Kết luận và các kiến nghị;
1.4 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
1) Nghiên cứu thành công đề tài sẽ góp phần nâng cao tính khả thi trong việc ứng dụng nhiên liệu khí sinh học (biogas) trên động cơ đốt trong (nguồn động lực chính của tấc cả các loại phương tiện giao thông hiện nay tại Việt Nam) Đây cũng là những lĩnh vực mà các nước trên thế giới đang tiến hành nghiên cứu nhằm đẩy mạnh việc sử dụng năng lượng tái tạo và sử dụng năng lượng hiệu quả;
2) Trình bày được mối quan hệ giữa sự thay đổi của thông số vận hành và thông số đổi đặc tính của động cơ xe gắn máy sử dụng biogas và sử dụng xăng
1) Kết quả nghiên cứu của đề tài làm cơ sở tin cậy cho việc triển khai ứng dụng nhiên liệu khí sinh học (biogas) trên xe gắn máy tại Việt Nam Các kết quả thử nghiệm từ đề tài được mong đợi sẽ góp phần quan trọng giúp nhà nghiên cứu, cá nhân, các đơn vị hiệu chỉnh động cơ cho phù hợp khi sử dụng biogas;
2) Kết quả nghiên cứu trong Luận văn sẽ giúp thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu tìm kiếm nguồn nhiên liệu sinh học (sạch) thay thế nhiên liệu truyền thống (xăng, diesel), là các loại nhiên liệu gây ô nhiễm chính trên động cơ đốt trong và ô tô;
3) Đề tài mong muốn góp phần nâng cao chất lượng môi trường sống, và nâng cao ý thức người dân trong vấn đề bảo vệ môi trường đất, nước và không khí, nhất là khu vực xung quanh các trang trại chăn nuôi;
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SỬ DỤNG KHÍ BIOGAS
Tổng quan
Hiện nay, các nước trên thế giới và đặc biệt là các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam, để phục vụ nhu cầu phát triển công nghiệp, giao thông vận tải,… nhu cầu tiêu thụ năng lượng/nhiên liệu và các sản phẩm có nguồn gốc từ hoá thạch: dầu mỏ, than đá,… ngày càng tăng, nhưng khả năng cung cấp bị giới hạn, điều đó dẫn đến giá năng lượng, nhiên liệu tăng nhanh trong thời gian gần đây,
Hình 2.1, ảnh hưởng nặng nề đến đời sống và sự phát triển của xã hội
Hình 2.1 Diễn biến giá dầu thô trên thế giới trong thời gian 1978 đến tháng 6/2011
Bên cạnh đó, sự phát minh ra động cơ nhiệt đã góp phần làm thế giới loài người phát triển mạnh mẽ hơn bất cứ phát minh nào của nhân loại Các loại động cơ nhiệt này là nguồn động lực trong công nghiệp, giao thông vận tải,… nhưng đồng thời là những tác nhân chính dẫn đến sự ô nhiễm trầm trọng môi trường sống của con người và góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính dẫn đến sự biến đổi khí hậu trên phạm vi toàn cầu Như đã phân tích trong chương 1, tình hình ô nhiễm không khí từ phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu truyền thống (xăng, dầu) trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng ngày một gia tăng Sự gia tăng các nồng độ các chất ô nhiễm trong bầu khí quyển kể từ khi nhân loại bước vào thời kỳ công nghiệp đã đặt ra những vấn đề hết bức xúc về môi trường Thủ phạm chính gây ra các chất
12 ô nhiễm trong bầu không khí là sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt )
Trong khí thải có những chất trực tiếp gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người như CO, HC, NOx, SO2, bồ hóng và những chất gây tác động xấu đến môi trường, đặc biệt là CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất Nhiều hội nghị cấp cao quốc tế và khu vực đã bàn giải pháp giảm thiểu CO2 trong sản xuất và đời sống và người ta đã đạt được những thỏa thuận quan trọng trong các công ước quốc tế Kyoto, LaHaye và Việt Nam cũng đã cam kết thực hiện Theo các Công ước này các quốc gia cần áp dụng các giải pháp rút giảm mức độ phát thải CO2 bằng cách nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, sử dụng các nguồn năng lượng sạch, sử dụng năng lượng tái sinh Năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng lý tưởng nhất
Một trong những giải pháp giảm ô nhiễm không khí là tìm và sử dụng các loại nhiên liệu sạch thay thế các loại nhiên liệu truyền thống trên Nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh từ lâu đã được các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt là từ sau khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng dầu mỏ năm 1973 Cuộc khủng hoảng sau đó được khắc phục, tuy nhiên nguy cơ của nó vẫn luôn rập rình Những năm gần đây, giá dầu thô liên tục gia tăng, có lúc đã vượt ngưỡng 140USD/thùng trong năm 2008 Mặc dù các nước xuất khẩu dầu mỏ đã sử dụng hết công suất hiện có để sản xuất nhưng cũng rất khó khăn mới có thể làm hạ nhiệt cơn sốt giá dầu thô Với mức khai thác như hiện nay, trữ lượng dầu thô trong lòng đất sẽ cạn kiệt trong tương lai không xa Việc chuyển dần sang sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng lượng của nhiều quốc gia phát triển
Những thách thức trên là bài toán nan giải cho toàn ngành năng lượng - nhiên liệu, cũng như ngành động cơ đốt trong và ô tô Để giải quyết những vấn đề trên, các nhà khoa học trên thế giới đang có những hướng nghiên cứu sau:
1) Nghiên cứu chế tạo những thiết bị - động cơ nhiệt loại mới sử dụng nguồn năng lượng thiên nhiên dồi dào, hoặc chế tạo ra những động cơ có hiệu suất
13 nhiệt cao và thải ít khí độc: pin năng lượng mặt trời, turbine gió, động cơ stirling, fuel-cell, động cơ hybrid, động cơ HCCI, động cơ GDI, động cơ DISC, …
2) Nghiên cứu, điều chế, và phát hiện những loại nhiên liệu mới thay thế nhiên liệu có nguồn gốc hoá thạch: nhiên liệu khí (khí Hydro, khí thiên nhiên nén – CNG, khí thiên nhiên hoá lỏng – LNG, khí hoá lỏng – LPG, và khí carbon monoxide – CO), và nhiên liệu sinh học (dầu động thực vật, dầu sinh học – biodiesel, nhiên liệu cồn – methanol, ethanol, khí sinh học – biogas)
H ướ ng nghiên c ứ u th ứ nh ấ t hiện đang được các nhà khoa học trên thế giới, đặc biệt là các nhà khoa học tại các nước phát triển (các nước EU, Mỹ, Nhật, Hàn Quốc…) quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này đang gặp phải những khó khăn nhất định về công nghệ và hiểu biết của nhân loại Mặc dù vậy, hướng nghiên cứu này hứa hẹn những bước đột phá trong tương lai và những phát minh của con người trong hướng nghiên cứu này sẽ làm biến đổi sâu sắc xã hội loài người trong tương lai
H ướ ng nghiên c ứ u th ứ hai , đó là hướng nghiên cứu thích hợp và chi phí thấp cho những mục tiêu ngắn và trung hạn khi dựa trên những hiểu biết về khoa học – kỹ thuật – công nghệ đã phát triển vài trăm năm của con người Tuy nhiên, có một số khó khăn gặp phải khi phát triển theo những hướng này: những khó khăn về công nghệ và an toàn khi ứng dụng những nhiên liệu khí (khí Hydro, khí thiên nhiên nén – CNG, khí thiên nhiên hoá lỏng – LNG, khí hoá lỏng – LPG, và khí carbon monoxide – CO), và những vấn đề chính trị – xã hội (giảm quỹ đất cho chương trình lương thực: điều này dẫn đến tình trạng giá lương thực tăng lên, đói nghèo cùng với bạo động và tệ nạn xã hội diển ra) khi phát triển nhiên liệu sinh học (dầu động thực vật, dầu sinh học – biodiesel, nhiên liệu cồn – methanol, và ethanol) Tuy nhiên, khí sinh học – biogas, với thành phần chủ yếu là CH4 và CO2, là một “ứng cử viên” sáng giá với những ưu điểm nổi bật của nhiên liệu sinh học: sự phân bố đều khắp trên toàn thế giới, chi phí khai thác-chế biến rẻ, có thể sử dụng trực tiếp trên thiết bị - động cơ nhiệt hoặc trên thiết bị - động cơ nhiệt hiện hữu với một số điều
14 chỉnh nhỏ, góp phần cải tiến hiệu suất cháy và giảm khí thải từ các thiết bị-động cơ nhiệt,…; còn có những ưu điểm mà không nhiên liệu sinh học nào có được: à Sử dụng nguyên liệu là những chất thải từ rác sinh hoạt, phân động vật, phế phẩm hữu cơ từ công nghiệp … à Công nghệ sản xuất và ứng dụng biogas khá đơn giản và rất phù hợp cho những vùng xa xôi – hẻo lánh à Giảm khí thải (CO2, CH4, NH3, …) và mùi từ rác sinh hoạt, phân động vật, xác động thực vật, phế phẩm hữu cơ từ công nghiệp … à Tăng nguồn thu nhập cho những trang trại, hộ chăn nuôi gia súc,… bằng cách giảm chi phí sử dụng
Biogas thường được dùng để chỉ khí sinh học được sản xuất từ sự phân hủy kỵ khí hay lên men của chất hữu cơ bao gồm chất thải gia súc, rác thành phố, các chất thải phân rã sinh học khác trong điều kiện thiếu không khí Biogas cơ bản chứa methane (CH4) và khí carbonic (CO2)
Biogas chứa methane là chất khí có giá trị dùng để sản sinh năng lượng trên ô tô (động cơ đốt trong) hay nhà máy điện Nó cũng có thể được sử dụng trực tiếp để đun nấu, sấy, sưởi, thắp sáng hay làm lạnh bằng máy lạnh hấp thụ
Thành phần khí biogas thay đổi theo nguồn gốc của quá trình phân hủy kỵ khí Biogas từ bãi chôn lấp rác có thành phần methane khoảng 50% Với công nghệ xử lý rác hiện đại, thành phần biogas có thể đạt 55-75% CH4
Cũng như dầu thực vật, khí biogas là nhiên liệu trung hòa CO2 trong khí quyển Biogas là kết quả phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí Các chất hữu cơ (cây cối, rơm rạ, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực phẩm ), các chất thải từ quá trình chăn nuôi Biogas chứa chủ yếu methane (50-70%) và CO2 (25-50%) và các tạp chất khác như H2S CH4 được mệnh danh là nhiên liệu “sạch”, có nhiệt trị cao
Theo tính toán, 1m 3 CH4 khi cháy tỏa ra một nhiệt lượng tương đương với
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ sử dụng biogas làm nhiên liệu
Các động cơ thiết kế chuyên dùng cho biogas thường có giá thành cao hơn nhiều so với động cơ sử dụng xăng dầu truyền thống Gần đây, công ty Yanmar (Nhật) đã thương mại hóa máy phát điện chạy bằng biogas công suất 25 kW có giá 106.000 USD Giá máy phát điện từ 120-500 kW của hãng Shandong Shendong Power Machinery (Trung Quốc) là từ 52.000 – 137.000 USD, đắt gấp 3 lần so với máy phát điện chạy bằng diesel cùng loại Do đó, mục tiêu của các nhà nghiên cứu máy phát điện trong nước là thực hiện chuyển đổi các máy phát điện sử dụng xăng hoặc dầu diesel sang sử dụng biogas để giảm giá thành
Các nghiên cứu chuyển đổi động cơ đốt trong/máy phát điện đã được thực hiện ở Việt Nam bao gồm các dạng phổ biến sau:
1) Độ ng c ơ đố t trong/máy phát đ i ệ n x ă ng/biogas (Hình 2.6) Nhìn chung, nhiều nhóm nghiên cứu đã cải tạo động cơ kéo máy phát điện chạy xăng sang chạy bằng biogas; cải tạo động cơ xăng kéo máy phát điện sang chạy bằng biogas dùng để chiếu sáng cho sinh hoạt gia đình; đã thiết kế xây dựng như hệ thống hầm biogas gồm ống dẫn chất thải hữu cơ vào bể nạp, hố gas, hố xả, ống dẫn khí ra Đầu ra khí sinh học có thể đun nấu bình thường, nhưng để làm nhiên liệu chạy máy phát điện cần phải qua quy trình công nghệ lọc chất độc hại và điều áp, tạo kết cấu áp lực đầu vào của gas thấp
Máy phát điện chạy bằng khí sinh học có cấu tạo như máy phát điện chạy bằng xăng nhưng có thay đổi ở hệ thống đánh lửa và có lắp đặt thêm một bộ phối trộn với khí sinh học vào bộ chế hoà khí Động cơ máy phát điện chạy khí sinh học là loại động cơ 4 thì, có công suất 1,5kW với vòng quay khoảng 3000 vòng/phút và đường kính xi lanh 60mm, hành trình pitton 46mm Động cơ chạy khí sinh học đã vận hành ổn định với công suất 650W và nghiên cứu chuyển đổi động cơ máy phát điện chạy bằng xăng sang chạy bằng khí biogas đã qua xử lý nhằm khai thác nguồn nhiên liệu sẵn có, giá rẻ và không bao giờ cạn kiệt ở nông thôn
Hình 2.6 Động cơ Biogas/xăng công suất nhỏ được cải tạo từ động cơ tĩnh tại được phát triển bởi trường ĐH Bách khoa Đà Nẵng
Hình 2.7 Ước lượng hiệu quả kinh tế của động cơ biogas/xăng cỡ nhỏ Ước lượng hiệu quả kinh tế của động cơ biogas/xăng cỡ nhỏ trình bày trong
Hình 2.7 và của động cơ biogas/xăng cỡ lớn trình bày trong Hình 2.8
Hình 2.8 Ước lượng hiệu quả kinh tế của động cơ biogas/xăng cỡ lớn
Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ biogas/xăng (1) Cơ cấu điều tốc kiểu ly tâm, (2) Bướm ga, (3) Van biogas, (4) Vít chỉnh, (5)Bầu van
2) Độ ng c ơ đố t trong/máy phát đ i ệ n diesel/biogas Đây là dạng động diesel được chuyển đổi sang sử dụng song song diesel và biogas theo tỷ lệ thích hợp nhằm đảm bảo công suất đầu ra của động cơ hoặc máy phát điện Tuy nhiên, các nhóm nghiên cứu trên chỉ thực hiện chuyển đổi nhiên liệu trên những động cơ riêng lẻ dựa trên kinh nghiệm cá nhân, chưa thực hiện nghiên cứu một cách có hệ thống cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm nhằm thiết lập những nguyên lý cơ bản của việc cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ để trên cơ sở đó chế tạo các bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu biogas/nhiên liệu lỏng cho động cơ tĩnh tại Tồn tại quan trọng của các nghiên cứu trên đây là chưa xử lý được bộ điều tốc, đặc biệt là bộ điều tốc của động cơ dual-fuel được chuyển đổi từ động cơ diesel sang chạy bằng biogas Vì vậy các kết quả nghiên cứu trên đây chưa được ứng dụng rộng rãi trong thực tế Đối với dạng động cơ sử dụng song song biogas/diesel – không khí đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu của Đại học Bách khoa Đà Nẵng và được trình bày trong Hình 2.10, ước tính hiệu quả kinh tế của loại máy phát điện này được trình bày trong Hình 2.11
Hình 2.10 Động cơ biogas/diesel cỡ trung được cải tạo từ động cơ diesel tĩnh tại
Hình 2.11 Hiệu quả kinh tế của động cơ biogas/xăng cỡ lớn so sánh giữa các loại nhiên liệu
Hình 2.12 Động cơ biogas/diesel cỡ trung được cải tạo từ động cơ diesel tĩnh tại
Hình 2.13 Động cơ biogas/diesel cỡ lớn được cải tạo từ động cơ diesel tĩnh tại tăng áp
Hình 2.14 Động cơ biogas/diesel cỡ lớn được cải tạo từ động cơ diesel tĩnh tại tăng áp
Hình 2.15 Động cơ biogas/diesel cỡ lớn được cải tạo từ động cơ diesel tĩnh tại tăng áp Theo các nghiên cứu của GS TS Bùi Văn Ga, với phạm vi công suất bé (khoảng dưới 15 kVA), mức độ tiết kiệm của động cơ biogas/xăng và động cơ biogas/diesel không chênh lệch nhiều Khi công suất của máy phát điện càng tăng, mức độ tiết kiệm của động cơ biogas/xăng càng cao hơn so với động cơ biogas/diesel Đối với phạm vi công suất lớn nên sử dụng động cơ đánh lửa cưỡng bức theo hai phương án chuyển đổi: (1) chuyển đổi động cơ xăng thành động cơ biogas; (2) cải tạo động cơ diesel thành động cơ đánh lửa cưỡng bức
3) Độ ng c ơ 100% biogas Đây là các dạng động cơ diesel kéo máy phát điện công suất nhỏ, tỷ số nén cao đã được chuyển đổi thành công sang sử dụng 100% biogas (Hình 2.16) Loại động cơ này giúp tăng công suất so với loại động cơ chuyển đổi từ xăng, nhưng gặp khuyết điểm ở tỷ số nén cao, có khả năng gây kích nổ khi vận hành ở chế độ tải cao
Hình 2.16 Động cơ 100% biogas được cải tạo từ động cơ diesel tĩnh tại
Ngoài ra, trong khuôn khổ dự án Hợp tác kỹ thuật Việt Nam – Nhật Bản giữa trường Đại học Bách khoa và địa phương tỉnh Bình Dương (JICA-SUPREM-HCMUT, Batch 2), các nhà nghiên cứu của PTN Trọng điểm Động cơ đốt trong, khoa Kỹ thuật Giao thông đã nghiên cứu và phát triển thành công máy phát điện công suất trung bình, sử dụng bộ trộn biogas-không khí phù hợp, đánh lửa cưỡng bức (Hình 2.17) Kết quả nghiên cứu của đề tài đã được báo cáo và công bố tại nhiều Hội nghị chuyên ngành trong nước và Quốc tế Động cơ này có thể sử dụng một trong các loại nhiên liệu biogas/xăng/LPG hoặc sử dụng song song hai trong ba loại trên
Trong giai đoạn 3 của dự án (Batch 3, 2011-2012) phòng thí nghiệm trọng điểm động cơ đốt trong, đang tiến hành nghiên cứu và phát triển động cơ sử dụng 100% biogas công suất trung bình và cao (Hình 2.18) chuyển đổi từ động cơ diesel Trong các nghiên cứu này, hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ đã được thay thế bằng hệ thống đánh lửa điện tử thông minh, tự động thay đổi thời điểm đánh lửa theo tốc độ động cơ và chế độ tải Trong đó, một hệ thống cung cấp biogas được điều khiển điện tử cũng được phát triển thay thế phương pháp cung cấp nhiên liệu biogas kiểu truyền thống (mixer) hiện có Hệ thống cung cấp biogas điện tử này được dùng giúp thay đổi tỉ lệ biogas-không khí nhằm giúp đạt được tỷ lệ không khí – nhiên liệu tối ưu đáp ứng được chế độ vận hành của động cơ và chế độ tải hoạt động Đây là đề tài nghiên cứu khoa học trong khuôn khổ dự án JICA giai đoạn 3 (Batch 3, 2011-2012)
Hình 2.17 Động cơ Biogas/xăng công suất trung bình được phát triển trong khuôn khổ dự án JICA SUPREM-HCMUT (Khoa KT Giao thông, trường ĐH Bách khoa
Hình 2.18 Động cơ 100% biogas được cải tạo từ động cơ diesel công suất lớn, đang được thực hiện trong khuôn khổ dự án JICA-SUPREM-HCMUT giai đoạn 3 (2011-
Tính chất của biogas khi làm nhiên liệu động cơ đốt trong
Thành phần của khí biogas tại một số hầm biogas tại trang trại Tân lập, Tân Uyên liệt kế theo Bảng 2.1
Bảng 2.2 Thành phần khí biogas tính theo thể tích tại Tân Uyên, Bình Dương
CH4% CO2% H2S (ppm) O2% Còn lại %
Hai tạp chất quan trọng trong khí biogas là H2S và CO2 H2S sau khi cháy sẽ tạo ra SOx gây ăn mòn các chi tiết kim loại của động cơ và làm ô nhiễm môi trường không khí Sự hiện diện của khí CO2 trong biogas làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu Ngoài ra trong biogas còn có một số tạp chất khác nhưng hàm lượng của chúng bé, gây ảnh hưởng không đáng kể đến quá trình cháy, tuổi thọ của động cơ Vì vậy để
33 có thể sử dụng khí biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, chúng ta cần khử hai chất H2S và CO2
Việc lựa chọn công nghệ xử lý biogas phụ thuộc vào thành phần và mục đích sử dụng của nó Các tạp chất như H2S, hơi nước là tác nhân gây ăn mòn trong khi các khí như CO2, N2 làm giảm nhiệt cháy của biogas Do đó nhiệm vụ của xử lý biogas là loại các khí gây ăn mòn, loại các khí làm giảm nhiệt cháy, hoặc thực hiện kết hợp cả hai việc trên
H2S có thể được tách loại bằng các quá trình ướt hoặc các quá trình khô Quá trình ướt sử dụng những dung môi hấp thụ khác nhau để tách loại H2S, nhưng phần lớn cũng tách loại đồng thời CO2 một cách không cần thiết Trong khi đó, quá trình khô chỉ tách khí H2S nên kinh tế hơn, được sử dụng rộng rãi hơn
2.3.2 Tính chất của khí sinh học khi làm nhiên liệu động cơ:
Biogas chứa nhiều thành phần khác nhau, mỗi thành phần có một nhiệt trị khác nhau, tuy nhiên nhiệt trị của biogas được quyết định bởi lượng khí chiếm đa số
CH4 chứa trong biogas Lượng khí CH4 chiếm thể tích càng cao thì biogas có nhiệt trị cao Nhiệt trị của biogas có thể xác định theo những ví dụ bên dưới đây
Xác đị nh nhi ệ t tr ị c ủ a biogas có thành ph ầ n và thông s ố ban đầ u nh ư sau:
CH4 = 70% thể tích và CO2 = 30% thể tích, những thành phần khác có thể bỏ qua
Tại nhiệt độ: T = 298 K (25°C) Áp suất khí quyển: pa = 950 mbar Áp suất tương đối của biogas: pbiogas = 20 mbar
Bước 1: xác định áp suất tuyệt đối của biogas pbiogas = 950 + 20 = 970 mbar
Bước 2: xác định khối lượng riêng của biogas Xác định khối lượng riêng của biogas có 2 phương pháp:
Phương pháp 1: xác định theo phương trình khí lý tưởng bên dưới:
T p p biogas tc CH tc CH biogas tc CH biogas =ρ = ρ
Trong đó: ρ biogas (kg/m 3 ): khối lượng riêng biogas tại áp suất tuyệt đối pbiogas
(mbar) và nhiệt độ tuyệt đối Tbiogas ( o K). ρ CH 4 tc = 0,72 (kg/m 3 ): khối lượng riêng CH4 tại điều kiện tiêu chuẩn (áp suất tuyệt đối = 1013 mbar và nhiệt độ tuyệt đối = 273K). tc p CH
Phương pháp 2: xác định bằng đồ thị 3.1 Từ kết quả áp suất tuyệt đối của biogas ở bước 1, ta đối chiếu trong đồ thị 3.1 theo áp suất và nhiệt độ biogas sẽ thu được khối lượng riêng của biogas biogas ρ (kg/m 3 )
Hình 2.19 Khối lượng riêng của CH4 theo nhiệt độ và áp suất
Bước 3: xác định nhiệt trị của biogas có 2 phương pháp:
Phương pháp 1: xác định theo phương trình bên dưới:
CH biogas tc CH biogas = ρ = =
H biogas (kJ/m 3 ): Nhiệt trị của biogas tại áp suất tuyệt đối pbiogas
(mbar) và nhiệt độ tuyệt đối Tbiogas ( o K).
H CH 4 tc = 50.000 (kJ/kg) = 36.000 (kJ/ m 3 ): Nhiệt trị của CH4 tại điều kiện tiêu chuẩn (áp suất tuyệt đối = 1013 mbar và nhiệt độ tuyệt đối = 273K). tc p CH 4 tc
Phương pháp 2: xác định bằng đồ thị trên Hình 2.20 Từ kết quả khối lượng riêng của biogas ở bước 2, ta đối chiếu trong đồ thị Hình 2.20 theo khối lượng riêng và % thể tích CH4 trong biogas sẽ thu được kết quả nhiệt trị của biogas biogas ρ
Hình 2.20 Nhiệt trị của biogas theo khối lượng riêng và % thể tích CH4 trong biogas
Trong phần tính toán ở trên, chúng ta đã bỏ qua ảnh hưởng của thành phần hơi nước trong biogas Lượng hơi nước này làm giảm nhiệt lượng phát ra khi đốt cùng một lượng biogas như nhau ở cùng điều kiện Do đó khi tính toán cần phải quan tâm đến lượng hơi nước này, và nhiệt trị thực tế của biogas được xác định tại áp suất:
(mbar): áp suất tuyệt đối của biogas khi xét đến thành phần hơi nước trong biogas
(mbar): áp suất tuyệt đối của biogas khi bỏ qua thành phần hơi nước và được xác định như trong ví dụ 1 biogas p
(mbar): áp suất chênh lệch khi xét đến thành phần hơi nước trong biogas, áp suất này phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của biogas, áp suất này xác định theo đồ thị 3.3 p ∗
Xác đị nh nhi ệ t tr ị c ủ a biogas có thành ph ầ n và thông s ố nh ư sau: CH4 70% thể tích và CO2 = 30% thể tích, những thành phần khác có thể bỏ qua
Tại nhiệt độ: T = 313 K (40°C) Độ ẩm: = 100% Áp suất khí quyển: pa = 950 mbar Áp suất biogas (áp suất tương đối): pp = 20 mbar
Xác định áp suất tuyệt đối của biogas khi không xét đến ảnh hưởng của hơi nước trong biogas: pbiogas = 950 + 20 = 970 mbar
Xác định áp suất chênh lệch khi xét đến ảnh hưởng của hơi nước, xác định từ đồ thị 3.3 p ∗ = 70 mbar
Xác định áp suất tuyệt đối của biogas khi xét đến ảnh hưởng của hơi nước trong biogas:
Hình 2.21 Áp suất chênh lệch phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của biogas
Bước 2: xác định khối lượng riêng của biogas được thực hiện giống như bước 2 ở ví dụ 1
Phương pháp 1: xác định theo phương trình khí lý tưởng bên dưới:
T p p biogas tc CH tc CH biogas tc CH biogas =ρ ∗ = ρ
Phương pháp 2: xác định bằng đồ thị Hình 2.19
Bước 3: xác định nhiệt trị của biogas được thực hiện giống như bước 3 ở ví dụ
Phương pháp 1: xác định theo phương trình bên dưới:
CH biogas tc CH biogas = ρ = =
Phương pháp 2: xác định bằng đồ thị Hình 2.20
Giới hạn cháy của biogas là giới hạn dưới và giới hạn trên hàm lượng biogas (% thể tích biogas) trong hỗn hợp biogas/không khí mà hỗn hợp có thể cháy Biogas là một hỗn hợp các chất khí với thành phần chủ yếu là CH4, cho nên giới hạn cháy của biogas phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng CH4 trong biogas, sự phụ thuộc này thể hiện trong Hình 2.22
Hình 2.22 Giới hạn cháy phụ thuộc vào % thể tích CH4, và hơi nước trong biogas
Từ đồ thị trên ta thấy rằng, hàm lượng CH4 trong biogas tăng thì giới hạn cháy của biogas sẽ giảm, giới hạn cháy là một thông số quan trọng trong việc thiết kế hệ thống hòa trộn biogas với không khí của thiết bị - động cơ nhiệt, cũng như hệ thống chống cháy biogas
Nhiệt độ cháy (hay nhiệt độ ngọn lửa cháy trong điều kiện tự nhiên) của hỗn hợp biogas/không khí là một thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt, nhiệt độ của thiết bị - động cơ nhiệt, và hàm lượng NOx trong khí thải của các
40 thiết bị - động cơ nhiệt sử dụng biogas Nhiệt độ cháy phụ thuộc các thành phần trong biogas thể hiện trong đồ thị Hình 2.23
Hình 2.23 Nhiệt độ cháy phụ thuộc vào % thể tích CH4, hơi nước chứa trong biogas
Từ đồ thị trên ta thấy rằng, hàm lượng CH4 trong biogas tăng thì nhiệt độ cháy của biogas sẽ tăng, bên cạnh đó hàm lượng hơi nước cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ cháy Nhiệt độ cháy là một thông số quan trọng trong việc thiết kế kết cấu buồng cháy, hệ thống giải nhiệt, hệ thống thải khí, … của thiết bị - động cơ nhiệt
Tốc độ cháy của hỗn hợp biogas/không khí là vận tốc lan truyền màng lửa trong hỗn hợp biogas/không khí Thông số này quyết định đến kết cấu buồng cháy của thiết bị cháy, thời điểm đánh lửa hoặc thời điểm phun nhiên liệu mồi Vận tốc ngọn lửa phụ thuộc vào % thể tích CH4 trong hỗn hợp biogas/không khí, và % thể tích CO2 trong biogas thể hiện trong đồ thị Hình 2.24
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm
Như đã trình bày trong Chương 2, khí biogas đã được nghiên cứu từng bước ứng dụng để làm nhiên liệu cung cấp cho máy phát điện công suất nhỏ Các loại động cơ đốt trong kéo máy phát điện sử dụng biogas được cải tạo hoặc chuyển đổi từ động cơ Diesel hoặc động cơ xăng tương ứng Các sản phẩm này đã được thương mại hóa tại Việt Nam bởi một số nhà cung cấp
Tuy nhiên, các thông tin công bố về đặc tính động cơ biogas, mức độ ổn định điện áp cung cấp cho mục tiêu sử dụng hoặc tính bền vững của hệ thống máy phát điện ( hoặc động cơ biogas) tại Việt Nam là rất ít và có độ tin cậy không cao bởi các nguyên nhân sau đây: à Các nhóm nghiên cứu khi thiết kế và chế tạo máy phát điện sử dụng biogas thường dựa trên thông tin thiết kế động cơ dựa trên nguồn tài liệu nước ngoài (như Châu Âu, Úc, Ấn Độ) với biogas (từ chất thải chăn nuôi ngựa, bò) có tính chất và thành phần không giống với tính chất và thành phần biogas được sản xuất tại Việt Nam (từ chất thải chăn nuôi heo là chính); quan trọng nhất là
% methane và CO2 trong biogas; à Các nhóm nghiên cứu thường dựa trên kinh nghiệm thiết kế và chế tạo động cơ đốt trong truyền thống sử dụng xăng/dầu Diesel Các đặc tính quan trọng của biogas (như tốc độ cháy, thời gian cháy, nhiệt trị thấp, khối lượng riêng, thời điểm đánh lửa thích hợp cho biogas,…) chưa được xem xét một cách cẩn trọng khi thiết kế chuyển đổi động cơ xăng/dầu Diesel sang sử dụng biogas nên đã không lường trước hết sự thay đổi về đặc tính của động cơ sau cải tiến Điều này đã dẫn đến sự kém ổn định của hệ thống máy phát điện biogas
48 à Thiếu các thiết bị nghiên cứu chuyên sâu dùng trong đo đạc đặc tính và thông số vận hành nên các kết quả công bố thường mang tính chất định tính, chưa thể hiện rõ bản chất vật lý của kết quả và về mặt định lượng của kết quả à Thiếu sự thử nghiệm đánh giá tính ổn định đặc tính của hệ thống máy phát điện/ động cơ biogas Các thử nghiệm (nếu có) chỉ mang tính hình thức với các phụ tải là các thiết bị sử dụng điện thô sơ (như bóng đèn) Thử nghiệm đánh giá độ sáng của bóng đèn chưa đủ cơ sở để đánh giá và có độ tin cậy thấp.
Mục đích thử nghiệm
Vì những lý do nêu trên, luận văn này mong muốn thử nghiệm trên bệ thử động cơ với các thiết bị đo tiên tiến, độ chính xác cao nhằm đánh giá đặc tính động cơ xe gắn máy sử dụng xăng chuyển đổi sang sử dụng biogas Các kết quả thu được bước đầu sẽ là cơ sở đánh giá sự thay đổi về mặt đặc tính của động cơ sử dụng xăng và biogas theo sự thay đổi của tốc độ và tải Từ đó, đề xuất các biện pháp cải tiến hoặc lưu ý trong quá trình phát triển động cơ biogas công suất nhỏ, đánh lửa cưỡng bức tại Việt Nam.
Nội dung thử nghiệm
Nội dung thử nghiệm trong luận văn này sẽ bao gồm:
1) Thử nghiệm và đo đạc các thông số đặc tính (công suất, hiệu suất nhiệt, tiêu hao nhiên liệu, phát thải,…) của động cơ xe gắn máy sử dụng xăng trên bệ thử động cơ công suất nhỏ khi có sự thay đổi của tốc độ và tải;
2) Thử nghiệm và đo đạc các thông số đặc tính (công suất, hiệu suất nhiệt, tiêu hao nhiên liệu, phát thải,…) của động cơ xe gắn máy sử dụng biogas trên bệ thử động cơ công suất nhỏ khi có sự thay đổi của tốc độ và tải;
3) Dựa trên các thông số thu nhận được trong quá trình thử nghiệm, tính toán các thông số đặc tính chính của động cơ sử dụng biogas và xăng Các kết quả này sẽ được dùng để phân tích và đánh giá sự thay đổi đặc tính của động cơ khi sử dụng biogas, so sánh với nhiên liệu xăng;
Thiết bị thử nghiệm
3.4.1 B ă ng th ử độ ng c ơ xe g ắ n máy và độ ng c ơ th ử nghi ệ m: Trong nghiên cứu này, như đã phân tích trong chương 1 và 2, tác giả chọn loại động cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu xăng, dung tích 110 cm 3 Đây là loại động cơ được dùng trên dòng xe gắn máy phổ biến tại TPHCM (chiếm hơn 70%)
Thiết bị AVL đo tốc độ động cơ Thiết bị kích từ
Phanh điện Động cơ thử nghiệm
Thiết bị đo khí thải Hesbon
Hình 3.1 Sơ đồ thực nghiệm bệ thử động cơ xe gắn máy sử dụng xăng tại PTN trọng điểm động cơ đốt trong, khoa Kỹ thuật Giao thông, trường ĐH Bách khoa
Bảng 3.1 Thông số đặc tính của động cơ thử nghiệm
Loại động cơ Xăng, 4 kỳ, 01 xy-lanh Đường kính x Hành trình, mm 50 x 55,6
Công suất cực đại/số vòng quay (kW/vòng/phút) 6,08/8000
Mô-men cự đại/số vòng quay (N.m/vòng/phút) 8,32/6000
Dung tích xy-lanh (cm 3 ) 109,1
Phương pháp làm mát trên bệ thử Gió, cưỡng bức
Hộp số Cơ khí, 4 số
Khởi động Điện/đạp chân
Bộ tạo tải (hay phanh điện) được trình bày trong Hình 3.1, có tác dụng tiêu hao công suất do động cơ tạo ra đồng thời cho phép ta điều chỉnh để giữ cho động cơ chạy ở một tốc độ mong muốn bằng cách tạo ra mô-men ngược với mô-men của động cơ tạo ra Bộ tạo tải sử dụng trong thực nghiệm này cho phép đo công suất lên đến 5 kW
Các tính năng chính của thiết bị được liệt kê như sau:
- Cho phép xác định điện áp (U) của mỗi pha/3 pha
- Cho phép xác định cường độ dòng điện (I) của mỗi pha/3 pha
- Các giá trị U và I đo được cho phép tính toán giá trị công suất của máy phát
Công suất có ích của động cơ sẽ được tính qui đổi tương đương thông qua hiệu suất truyền của băng thử
3.4.3 Thi ế t b ị kích t ừ và b ả ng đ i ề u khi ể n, hi ể n th ị U và I:
Thiết bị kích từ là thiết bị để cài đặt điện áp kích từ (Ukt) trong quá trình thử nghiệm Thiết bị này cho phép xác lập ngưỡng tối đa của công suất động cơ cần đo đạt nhằm tránh trường hợp quá tải dẫn đến hư hỏng động cơ Điện áp kích từ tăng tỷ lệ với tốc độ và công suất của máy phát (hay tốc độ và công suất của động cơ) Dựa trên thông số của động cơ xe gắn máy và chế độ vận hành ổn định khi kiểm tra bộ kích từ, trong thực nghiệm này, điện áp kích từ được cài đặt tại 15V
Hình 3.2 Thiết bị kích từ và bảng hiển thị kết quả điện áp và dòng điện
3.4.4 S ơ đồ h ệ th ố ng cung c ấ p biogas và thi ế t b ị l ọ c CO 2 và H 2 S trong biogas thô:
Sơ đồ hệ thống cung cấp biogas và thiết bị lọc CO2 và H2S trong biogas thô được trình bày trong Hình 3.3 Biogas thô từ hầm ủ sinh khí sẽ đấu nối trực tiếp qua thiết bị lọc CO2 và H2S (tự phát triển trong đề tài) Biogas sau lọc sẽ dẫn đến thiết bị chống cháy ngược, qua thiết bị đo lưu lượng biogas, qua bộ lọc tách ẩm (hơi nước) và đến họng nạp của động cơ (lắp trên băng thử)
Bộ đo lưu lượng biogas Biogas thô từ hầm ủ
Biogas sau lọc Đến họng nạp động cơ Đến thiết bị chống cháy ngược
Hệ thống lọc CO 2 và
Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xe gắn máy dùng biogas
Hình 3.4 Mặt cắt hệ thống lọc CO2 và H2S trong biogas sử dụng thực nghiệm
Nguyên lý c ủ a h ệ th ố ng l ọ c CO 2 và H 2 S : Hệ thống lọc biogas cải tiến trong nghiên cứu này hấp thụ biogas thô từ hầm ủ qua 3 giai đoạn bao gồm: biogas thô (hàm
53 lượng CO2 và H2S cao) từ hầm ủ ặ (1) loại bỏ H2S và CO2 ặ (2) loại bỏ H2S ặ (3) loại bỏ hơi nước ặ (4) khử mựi biogas ặ biogas sạch (giảm CO2 và H2S)
(a) Giai đoạn 1: Tách H2S và CO2: H2S và CO2 sẽ được dẫn qua dung dịch
NaOH tại bình số 1 Tại đây, các chất này sẽ được hấp thụ theo các phản ứng hóa học
(b) Giai đoạn 2: Tách H2S: Trong bình số 2 (nằm ngang), phôi sắt đã oxi-hóa
(Fe2O3) được lắp vào để hấp thụ một phần H2S còn lại theo phương trình sau :
(c) Giai đoạn 3: Tách hơi nước: hơi nước sẽ được hấp thụ bằng than hoạt tính trong bình số 3 (thẳng đứng)
(d) Khử mùi biogas: biogas sau khi loại bỏ một phần H2S và CO2 sẽ được khử mùi bằng long não tại bình số 3 nhằm loại bỏ các mùi khó chịu (có thể H2S dư) để thu được biogas sạch
Bảng 3.2 Thành phần khí biogas sau khi qua lọc
Thành phần Trước Sau lọc
Khác (%) 1,6 2,4 Áp suất hầm (mbar) 999 999
3.4.5 Thi ế t b ị ch ố ng cháy ng ượ c biogas:
Một thiết bị chống cháy ngược biogas trên đường nạp từ động cơ về hầm ủ đã được thiết kế và chế tạo Biogas sau lọc được dẫn qua thiết bị này và ổn định áp trong bình có thể tích khoảng 20 lít với áp suất ổn định Biogas sau đó được cung cấp đến bộ đo lưu lượng, bộ tách ẩm và đi vào họng nạp động cơ Trong trường hợp có sự cháy bất thường hoặc cháy ngược, thiết bị này có thể giúp dập tắt ngọn lửa cháy ngược trong đường ống biogas với lượng nước chứa sẳn trong thùng
Biogas cung cấp đến họng nạp động cơ
Biogas từ hệ thống lọc Bình chứa
Hình 3.5 Thiết bị chống cháy ngược
3.4.6 Cân đ i ệ n t ử dùng để đ o m ứ c tiêu hao nhiên li ệ u:
Cân điện tử (Hình 3.6) hiển thị cho ta biết khối lượng tức thời của nhiên liệu có trong bình Như vậy nếu kết hợp với một chiếc đồng hồ bấm thời gian ta hoàn toàn có thể đo được lượng nhiên liệu tiêu thụ trong khoảng thời gian đó Từ đó ta có thể tính được lượng tiêu hao nhiên liệu tính theo giờ Ge (g/s hoặc kg/h) Giá trị của Ge sẽ được
55 dùng để tính suất tiêu hao nhiên liệu riêng ge (g/kW.h) khi đo được giá trị công suất đầu ra của động cơ
Hình 3.6 Cân điện tử dùng đo lượng tiêu hao xăng
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của thiết bị cân điện tử
Khả năng chịu tải tối đa (g) 6100 (6,1 kg)
Vật liệu Thép không rỉ Đơn vị đo g Độ chính xác (g) ± 0.1g
Thời gian đáp ứng (s) 1.5 Độ tuyến tính (g) < ±1g
Hiển thị Màn hình kỹ thuật số
- Để cân điện tử lên trên mặt phẳng cân bằng
- Chỉnh cho đồng hồ cân điện tử về số 0.0
- Ghi nhận số liệu đồng hồ cân điện tử báo khối lượng bình nhiên liệu lúc ban đầu
- Ghi nhận số liệu đồng hồ cân điện tử báo khối lượng bình nhiên liệu bị giảm đi sau thời gian 120 giây
3.4.7 Thi ế t b ị đ o khí th ả i độ ng c ơ :
Hình 3.7 Cân điện tử dùng đo lượng tiêu hao xăng
Thiết bị đo khí thải (Hesbon 5GA) được trình bày trong Hình 3.7 Để kiểm tra và đo đạc các thông số phát thải ô nhiễm từ động cơ, các thí nghiệm sử dụng thiết bị đo và phân tích khí thải Hesbon 5GAS HG-520 Thiết bị này cho phép xác định các (5) thành phần chính của khí thải động cơ như: CO, CO2, NOx, HC, lambda/Oxi
Trình tự thao tác đo:
1) Bật công tắc máy đo, cho máy khởi động với thời gian khoảng 30 phút
2) Cài đặt máy đúng với chủng loại động cơ và nhiên liệu sử dụng
3) Gắn ống dẫn khí xả từ máy đo vào ống thải động cơ
4) Để một thời gian cho các thông số khí xả cần đo ổn định và ghi nhận số liệu
3.4.8 Thi ế t b ị đ o l ư u l ượ ng không khí: Để xác định sự thay đổi của lưu lượng không khí nạp, thiết bị đo lưu lượng chuyên dùng Flowmeter của hãng AVL và thiết bị hiển thị Sensyflow của ABB Các thiết bị này trình bày trong Hình 3.8 Thiết bị đo lưu lượng không khí nạp được gắn trên đường nạp của động cơ Đơn vị đo được tính là kg/h a/ Thiết bị hiển thị lưu lượng khí nạp b/ Thiết bị đo lưu lượng không khí nạp
Hình 3.8 Thiết bị đo lưu lượng không khí nạp
3.4.9 Máy đ o thành ph ầ n biogas (BIOGAS CHECK ANALYZER) (Hình 3.9)
Hình 3.9 Thiết bị đo và phân tích thành phần khí biogas
− Máy đo khí CH4 và CO2 bằng hai bước sóng của sensor hồng ngoại Sensor đo khí O2, H2S kiểu điện hóa
− Thông số và dải đo:
− Độ chính xác CH4: 0 – 5% thể tích: ±0.5%
− Độ chính xác CO2: 0 – 5% thể tích: ±0.5%
Trình tự và phương pháp thí nghiệm
− Độ chính xác O2: 0 – 5% thể tích: ±1%
− Dãy đo áp suất biogas: 700 – 1200 mbar
− Độ ẩm tương đối: 0 – 95 % không ngưng tụ
− Nguồn điện sử dụng pin sạc có khả năng sử dụng liên tục 10 giờ, thời gian sạc khoảng 2 giờ
− Màn hình hiển thị LCD
Thành ph ầ n chính c ủ a máy : Biogas, các sensor CH4, CO2, O2, H2S (0 – 5000 ppm), giấy chứng nhận nguồn gốc (C.O.), chứng chỉ hiệu chuẩn, ống lấy mẫu, in-line water trap, pin xạc, bao máy
3.5 Trình tự và phương pháp thử nghiệm:
3.5.1 Ch ế độ đ o khi thay đổ i s ố vòng quay: a Th ự c nghi ệ m v ớ i nhiên li ệ u x ă ng: Đo ở chế độ cầm chừng (1500 vòng/phút)
- Cho động cơ xe gắn máy chạy không tải ở số vòng quay 1500 vòng/phút
- Để máy chạy ổn định với các thông số cài đặt trong thời gian 5 phút
- Lấy thiết bị đo khí thải đưa vào ống thải động cơ xe gắn máy
- Tiến hành ghi nhận kết quả đo (điện áp, dòng điện, lưu lượng biogas, lưu lượng không khí nạp, thành phần khí thải)
- Cài đặt điện áp kích từ Ukt = 15V tại tay số 4 Đo khi có tải:
- Lần lượt tiến hành đo ở các số vòng quay 2000, 2500, 3000, 3500 vòng/phút
- Để máy chạy ổn định với các thông số cài đặt trong thời gian 5 phút
- Lấy thiết bị đo khí thải đưa vào ống thải động cơ xe gắn máy
- Tiến hành ghi nhận kết quả đo b Th ự c nghi ệ m v ớ i nhiên li ệ u biogas: Đo ở chế độ cầm chừng (1500 vòng/phút)
- Cho động cơ xe gắn máy chạy không tải ở số vòng quay 1500 vòng/phút
- Để máy chạy ổn định với các thông số cài đặt trong thời gian 5 phút
- Lấy thiết bị đo khí thải đưa vào ống thải động cơ xe gắn máy
- Tiến hành ghi nhận kết quả đo
- Cài đặt điện áp kích từ Ukt = 15V tại tay số 4 Đo khi có tải:
- Lần lượt tiến hành đo ở các số vòng quay 2000, 2500, 3000, 3500 vòng/phút
- Để máy chạy ổn định với các thông số cài đặt trong thời gian 5 phút
- Lấy thiết bị đo khí thải đưa vào ống thải động cơ xe gắn máy
- Tiến hành ghi nhận kết quả đo
3.5.2 Ch ế độ đ o khi đ i ệ n áp kích t ừ thay đổ i: a Th ự c nghi ệ m v ớ i biogas:
- Cho động cơ xe gắn máy chạy ở tay số 4, có tải ở số vòng quay 2000 vòng/phút
- Lần lượt tiến hành cài đặt Ukt = 3, 6, 9, 12, 15 V (5 điểm đo)
- Để máy chạy ổn định với các thông số cài đặt trong thời gian 5 phút
- Lấy thiết bị đo khí thải đưa vào ống thải động cơ xe gắn máy, ứng với mỗi chế độ Ukt
- Tiến hành ghi nhận kết quả đo ặ Tiến hành thực nghiệm tương tự cỏc bước tại tốc độ 2500 vũng/phỳt;
- Cho động cơ xe gắn máy chạy ở tay số 4, có tải ở số vòng quay 2500 vòng/phút
- Lần lượt tiến hành cài đặt Ukt = 3, 6, 9, 12, 15 V (5 điểm đo)
- Để máy chạy ổn định với các thông số cài đặt trong thời gian 5 phút
- Lấy thiết bị đo khí thải đưa vào ống thải động cơ xe gắn máy, ứng với mỗi chế độ Ukt
- Tiến hành ghi nhận kết quả đo.
Các thông số đặc tính tiêu biểu cần đánh giá
Công suất có ích đầu ra động cơ được tính theo điện áp và dòng điện đo tại đầu ra của mỗi pha:
P η , W Trong đó, η (%), hiệu suất truyền tổng của băng thử;
U, I điện áp và dòng điện tại mỗi pha;
3.6.2 Suất tiêu hao nhiên liệu riêng g e (g/kW.h): Suất tiêu hao nhiên liệu riêng là tỷ số giữa lượng tiêu hao nhiên liệu tính theo giờ trên công suất đầu ra
Ge (kg/h): Lượng tiêu hao nhiên liệu tính theo giờ;
3.6.3 Hiệu suất nhiệt (%): Hiệu suất nhiệt được tính theo công suất sau:
LHV (MJ/kg) : Nhiệt trị thấp của nhiên liệu; mf (kg/h): Lưu lượng nhiên liệu cung cấp;
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Đánh giá so sánh đặc tính của động cơ xe gắn máy sử dụng biogas và xăng
Để đánh giá so sánh đặc tính của động cơ xe gắn máy sử dụng xăng và so sánh khi chuyển sang sử dụng biogas, tốc độ động cơ được thay đổi từ 1500 vòng/phút đến 3500 vòng/phút, ứng với mỗi bước là 500 vòng/phút Tổng cộng có 5 điểm đo (1500, 2000, 2500, 3000, 3500 vòng/phút) Điện áp kích từ được cài đặt tại 15V Động cơ vận hành ở chế độ đo tương ứng với 75% tải
Các thông số ghi nhận tại mỗi điểm đo bao gồm:
- Điện áp và dòng điện ứng với mỗi pha;
- Lưu lượng không khí nạp;
- Lưu lượng xăng / biogas cung cấp;
Hình 4.1: Biến thiên công suất động cơ theo sự thay đổi tốc độ tại UktV Trong nghiên cứu thực nghiệm này, động cơ xe gắn máy được lắp đặt trên bệ thử nghiệm động cơ xe gắn máy 1 xy-lanh Công suất có ích của động cơ được đo
64 và điều khiển với thiết bị kích từ máy phát công suất Thực nghiệm được thực hiện tại các điều kiện giống nhau khi thí nghiệm với xăng và biogas Theo Hình 4.1, khi tốc độ động cơ tăng từ 1500 vòng/phút đến 3500 vòng/phút công suất động cơ sử dụng biogas và xăng tăng tương ứng Về mặt lý thuyết, công suất có ích của động cơ khi sử dụng xăng cao hơn khi sử dụng biogas do xăng có nhiệt trị thấp cao hơn (43 MJ/kg so với 27 MJ/kg) Tuy nhiên, trong trường hợp nghiên cứu này, công suất đầu ra của động cơ (xác định thông qua công suất đo trên băng thử) được giữ không đổi với điện áp kích từ không đổi (15V) Trong cùng điều kiện so sánh ở cùng công suất khi tốc độ động cơ thay đổi, ta sẽ đánh giá sự thay đổi của suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt và mức phát thải ô nhiễm
Hình 4.2 Biến thiên lưu lượng không khí nạp và lưu lượng biogas theo tốc độ động cơ
Sự thay đổi của lưu lượng không khí nạp theo tốc độ động cơ được trình bày trong Hình 4.2 Khi tăng tốc độ động cơ, lưu lượng không khí nạp và lưu lượng biogas tăng tương ứng Biến thiên về tỷ lệ A/F của hỗn hợp không khí và biogas là
65 khá tương đồng Vì vậy, động cơ được vận hành ở cùng chế độ hòa trộn hỗn hợp hay ở λ không đổi tại mỗi điểm đo thực nghiệm Ở số vòng quay không tải, tốc độ
1500 vòng/phút, tỉ lệ A/F của biogas là khoảng 0,37 Hỗn hợp không khí-nhiên liệu tại điểm này đậm, do biogas có thành phần tạp chất cao (CO2 chiếm hơn 20%) nên động cơ khó khởi động và khó giữ ổn định ở chế độ tải thấp khi chạy trực tiếp bằng biogas Lúc này, động cơ cần đóng nhỏ bướm gió để giảm lượng không khí nạp Khi tăng tốc độ động cơ lên trên 2000 vòng/phút, động cơ vận hành êm dịu hơn và lưu lượng không khí nạp và biogas tăng tuyến tính Đây là nguyên nhân làm tăng công suất đầu ra của động cơ (Hình 4.1)
Hình 4.3 Biến thiên lưu lượng không khí nạp và lưu lượng xăng theo tốc độ động cơ
Xu hướng biến thiên và nguyên nhân của lượng không khí nạp và nhiên liệu xăng cung cấp trên Hình 4.3 là khá giống với lượng không khí nạp và biogas thể hiện trên Hình 4.2 So sánh Hình 4.2 và Hình 4.3, ta thấy lượng biogas cung cấp là cao hơn so với lượng xăng ở cùng điều kiện thí nghiệm (phát ra cùng một công suất ở mỗi điểm đo) Điều này chứng tỏ động cơ xe gắn máy khi vận hành với biogas tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn khi vận hành với xăng Nói cách khác, động cơ sử
66 dụng hỗn hợp biogas-không khí có cháy ở chế độ đậm hơn động cơ khi sử dụng hỗn hợp xăng-không khí khi phát ra cùng một công suất Nguyên nhân chính, như đã trình bày ở trên, là do nhiệt trị thấp của biogas thấp nên sự cháy hỗn hợp biogas- không khí không thể phát ra công suất tương tương với nhiên liệu xăng Điều này thể hiện rõ trên Hình 4.4
4.1.3 Su ấ t tiêu hao nhiên li ệ u riêng:
Hình 4.4 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu riêng của hai nhiên liệu với sự thay đổi của tốc độ động cơ
Nhìn vào Hình 4.4 ta thấy rõ tại mỗi điểm tốc độ động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu khi vận hành với xăng là thấp hơn khi vận hành với biogas Tại tốc độ cầm chừng 1500 vòng/phút (không tải), lượng tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng xăng và biogas là gần giống nhau do chưa tiêu tốn cho tải động cơ Khi tăng tốc độ từ
2000 vòng/phút đến 3500 vòng/phút, chênh lệch về suất tiêu thụ nhiên liệu là khoảng 40%
Hình 4.5 Biến thiên của hiệu suất nhiệt và tốc độ động cơ trong hai trường hợp
Theo lý thuyết, hiệu suất nhiệt của động cơ tỉ lệ nghịch với suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt trị thấp của nhiên liệu đó Nghĩa là suất tiêu hao nhiên liệu càng cao thì hiệu suất nhiệt của động cơ càng thấp Hình 4.4 đã cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ biogas cao hơn suất tiêu hao nhiên liệu động cơ xăng Vì vậy, hiệu suất nhiệt của biogas (Hình 4.5) tìm được luôn luôn thấp hơn hiệu suất nhiệt của động cơ xăng Nguyên nhân là do biogas khi đưa vào sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ còn nhiều tạp chất không có lợi (CH4 = 70%, CO2 = 24,4%, O2 = 1%, H2S 0,17%, thành phần khác = 4,43%) làm giảm công suất có ích của động cơ và vì vậy giảm hiệu suất nhiệt Ngoài ra, hiệu suất nhiệt của biogas thấp là do nhiệt trị thấp của xăng cao hơn nhiệt trị thấp của biogas
4.1.5 N ồ ng độ khí CO, CO 2 :
Hình 4.6 Biến thiên của nồng độ CO và CO2 theo tốc độ động cơ biogas
Nồng độ khí thải CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp và chịu phụ thuộc mạnh vào thành phần hỗn hợp Thực nghiệm cho thấy khi tốc độ tăng từ 1500 vòng/phút đến 3500 vòng/phút, nồng độ khí CO giảm từ 0,47% xuống còn 0,05%, chênh lệch khoảng 9,4 lần Điều này chứng tỏ quá trình cháy trong động cơ diễn ra rất tốt, chuyển hóa CO thành CO2
Khi so sánh với Quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với phương tiện giao thông cơ giới đường bộ (Quyết định số 249/2005/QĐ-TTg ngày 10/10/2005) thì nồng độ khí CO sinh ra cao nhất 0,47% tại tốc độ 1500 vòng/phút vẫn thấp hơn nồng độ khí thải được quy định là 4,5% Theo Hình 4.6, ta thấy tốc độ càng tăng, nồng độ khí thải CO có xu hướng càng giảm, điều này chứng minh ưu điểm của động cơ sử dụng nhiên liệu biogas
Trong khi đó nồng độ CO2 lại tăng từ 3,7% lên đến 9,43% khi tốc độ động cơ tăng từ 1500 vòng/phút đến 3500 vòng/phút, nguyên nhân là do CO2 là thành phần có sẵn trong biogas cộng với CO2 sinh ra trong quá trình cháy
Th ự c nghi ệ m v ớ i nhiên li ệ u x ă ng:
Hình 4.7 Biến thiên của nồng độ CO và CO2 theo tốc độ động cơ sử dụng xăng
Xu hướng thay đổi của thành phần CO và CO2 trong trường hợp động cơ sử dụng xăng (Hình 4.7) không giống hoàn toàn với trường hợp vận hành với biogas (Hình 4.6)
Khi tốc độ tăng từ 1500 vòng/phút đến 3500 vòng/phút, nồng độ CO và CO2 tăng như nhau từ 0,5% lên đến 2,25%, tức là quá trình cháy chưa tốt Xăng là nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch, thành phần hóa học C8H15 nên nồng độ CO tăng theo thành phần C trong nhiên liệu
Đặc tính động cơ xe gắn máy sử dụng biogas khi thay đổi điện áp kích từ
4.2.1 Ảnh hưởng của điện áp kích (tải) đến đặc tính động cơ:
4.2.1.1 L ư u l ượ ng biogas khi thay đổ i đ i ệ n áp kích t ừ :
Hình 4.12 Ảnh hưởng của tải lên lưu lượng biogas cung cấp tại 2000 và 2500 vòng/phút Ảnh hưởng của tải lên lưu lượng biogas cung cấp trình bày trên Hình 4.12 Tại thời điểm Ukt = 3V, công suất là 42W, lưu lượng biogas cung cấp ở tốc độ 2000 vòng/phút là 0,39 kg/h, còn ở tốc độ 2500 vòng/phút, lượng biogas cung cấp là 0.59 kg/h tăng khoảng 1,5 lần Tại thời điểm Ukt = 6V, công suất có ích là 172W, lượng biogas cung cấp ở tốc độ 2000 vòng/phút là 0,42 kg/h, còn tốc độ 2500 vòng/phút, lượng biogas cần là 0,61 kg/h Ở mỗi thời điểm điện áp kích từ tăng, tải cũng tăng tuyến tính theo trong khoảng 1,2 – 1,5 lần, để đáp ứng được tải thì công suất động cơ tăng lên, do đó động cơ càng sử dụng nhiên liệu nhiều hơn
Trong một chu trình động cơ, quá trình hút hòa khí diễn ra một lần như vậy với tốc độ càng cao chu trình động cơ diễn ra càng nhanh, do đó động cơ sẽ hút nhiều hơn thì lượng nhiên liệu cấp vào sẽ nhiều hơn
4.2.1.2 Su ấ t tiêu hao nhiên li ệ u:
Hình 4.13 Ảnh hưởng của tải đến suất tiêu hao nhiên liệu riêng
Theo lý thuyết, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ được tính bằng lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây chia cho công suất có ích của động cơ Hình 4.13 cho thấy lượng nhiên liệu biogas cung cấp ở tốc độ 2500 vòng/phút cao hơn lượng nhiên liệu cung cấp ở tốc độ 2000 vòng/phút, thực nghiệm cũng đã chứng minh suất tiêu hao nhiên liệu tại tốc độ 2500 vòng/phút cao hơn suất tiêu hao nhiên liệu ở tốc độ 2000 vòng/phút trong khoảng 1,2 -1,5 lần
Hình 4.14 Ảnh hưởng của tải đến hiệu suất nhiệt
Hình 4.14 trình bày ảnh hưởng của điện áp kích từ đến hiệu suất nhiệt của động cơ Hiệu suất nhiệt của động cơ tỉ lệ nghịch với suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt trị thấp của nhiên liệu đó Nghĩa là suất tiêu hao nhiên liệu càng cao thì hiệu suất nhiệt của động cơ càng thấp Tại thí nghiệm này, tuy ở tốc độ động cơ khác nhau 2000 vòng/phút và 2500 vòng/phút, Ukt thay đổi tại các điện áp kích từ 3V đến 15V (khoảng cách giữa các bước là 3V), điều này có nghĩa sẽ làm thay đổi công suất của động cơ tại tốc độ 2000 vòng/phút và 2500 vòng/phút
Tuy nhiên khi so sánh hiệu suất nhiệt của hai chế độ tốc độ động cơ này, lại chọn công suất có ích cao nhất để làm đơn vị so sánh hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao nhiên liệu và các đặc tính khác vì công suất cao mới đáp ứng được tải cao (động cơ làm việc ở chế độ nặng nhất) Hình 4.13 suất tiêu hao nhiên liệu tại tốc độ 2500 vòng/phút cao hơn suất tiêu hao nhiên liệu tại tốc độ 2000 vòng/phút, Hình 4.14 cũng đã chứng minh hiệu suất nhiệt ở tốc độ 2500 vòng/phút thấp hơn hiệu suất nhiệt ở tốc độ 2000 vòng/phút
4.2.1.4 N ồ ng độ khí CO, CO 2 :
Hình 4.15 Ảnh hưởng của tải đến nồng độ CO và CO2
Hình 4.15 trình bày hiệu suất nhiệt tại tốc độ 2500 vòng/phút thấp hơn hiệu suất nhiệt ở tốc độ 2000 vòng/phút, có nghĩa là quá trình cháy ở tốc độ 2500 vòng/phút kém hơn, nhiên liệu cháy không sạch, nên nồng độ khí CO sản sinh ra cao hơn so với tốc độ 2000 vòng/phút Nồng độ CO cao thì CO2 sẽ thấp do lượng
CO được đốt cháy tạo thành CO2 Tại cùng thời điểm Ukt = 12V, công suất có ích là 719W, nồng độ CO ở tốc độ 2500 vòng/phút cao hơn nồng độ CO ở tốc độ 2000 vòng/phút khoảng 94%, trong khi đó nồng độ CO2 ở tốc độ 2500 vòng/phút thấp hơn nồng độ CO2 ở tốc độ 2000 vòng/phút khoảng 4%
Hình 4.16 Ảnh hưởng của tải đến nồng độ HC và NOx Ảnh hưởng của tải đến nồng độ HC và NOx trình bày Hình 4.16 Động cơ hoạt động ở tốc độ cao, công suất lớn, quá trình cháy diễn ra khó khăn, nên xảy ra hiện tượng cháy không sạch nhiên liệu Quá trình cháy ở tốc độ 2500 vòng/phút kém hơn quá trình cháy ở tốc độ 2000 vòng/phút nên nồng độ HC sinh ra cao hơn Khi tăng công suất, nhiệt độ cháy tăng cao nên nồng độ NOx sinh ra cũng tăng theo
4.2.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi tải khi sử dụng hai loại nhiên liệu tại 2500 vòng/phút:
Hình 4.17 Ảnh hưởng của tải đến lưu lượng không khí nạp tại 2500 vòng/phút
Trong trường hợp động cơ sử dụng biogas: Trong khoảng công suất từ 0 –
600W lưu lượng không khí và nhiên liệu đều tăng để giúp tăng công suất Từ 600W – 1200W, lưu lượng không khí bắt đầu giảm nhưng lượng nhiên liệu vẫn tiếp tục tăng để giúp tăng công suất Hỗn hợp biogas-không khí trong trường hợp này là đậm
Trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng: Trong khoảng công suất từ 0 – 1200W thì lượng không khí và lượng nhiên liệu cùng tăng đều để đáp ứng được công suất tăng Trong khoảng công suất từ 0-1200W lượng biogas sử dụng cao hơn lưu lượng của xăng nhưng lưu lượng không khí ngược lại tức là hỗn hợp của biogas giàu hơn của xăng
Hình 4.18 Ảnh hưởng của tải đến lưu lượng nhiên liệu cung cấp Ảnh hưởng của tải đến lưu lượng nhiên liệu cung cấp được trình bày trong
Hình 4.18 Khi công suất tăng từ 46(W) đến 1150 (W) thì lưu lượng biogas cung cấp cho động cơ cao hơn lưu lượng xăng Có nghĩa là, ở công suất càng lớn thì hỗn hợp cháy phải giàu để đáp ứng được
4.2.2.3 Su ấ t tiêu hao nhiên li ệ u:
Hình 4.19 Ảnh hưởng của tải đến suất tiêu hao nhiên liệu riêng.
Hình 4.19 thể hiện sự ảnh hưởng của tải đến sự thay đổi của suất tiêu hao nhiên liêu riêng Suất tiêu hao nhiên liệu riêng là tỉ lệ nghịch với công suất có ích
Vì vậy, khi tăng công suất thì suất tiêu hao nhiên liệu giảm cho cả hai trường hợp xăng và biogas Suất tiêu hao nhiên liệu biogas lớn hơn suất tiêu hao nhiên liệu xăng ở cùng 1 thời điểm công suất vì nhiệt trị thấp của biogas (Qtk = 27514 kJ/kg) nhỏ hơn nhiệt trị thấp của xăng (Qtk = 43000 kJ/kg) nên cần nhiều biogas cung cấp cho quá trình cháy và cũng có nghĩa là mật độ năng lượng khi đốt hỗn hợp biogas- không khí thấp hơn hỗn hợp xăng-không khí Tại điểm công suất động cơ biogas thấp, dẫn đến công tổn hao cơ giới cao nên suất tiêu hao nhiên liệu của biogas tăng lên
Hình 4.20 Ảnh hưởng của thay đổi tải đến biến thiên của hiệu suất nhiệt.
Hình 4.20 trình bày ảnh hưởng của tải đến biến thiên của hiệu suất nhiệt Công suất tăng, suất tiêu hao nhiên liệu giảm nên hiệu suất nhiệt sẽ tăng cho cả hai trường hợp biogas và xăng Hiệu suất nhiệt tỷ lệ nghịch với lượng tiêu hao nhiên liệu Trong trường hợp này, suất tiêu hao nhiên liệu xăng nhỏ hơn suất tiêu hao nhiên liệu biogas nên hiệu suất nhiệt của xăng lớn hơn hiệu suất nhiệt của biogas
Tại điểm công suất có ích khoảng 762 W, độ chênh lệch lớn nhất giữa hiệu suất nhiệt biogas và xăng là 41,3% Khi công suất tăng từ 46W đến 1150W thì độ chênh lệch lớn nhất công suất giữa biogas và xăng là 25 lần
4.2.2.5 N ồ ng độ khí th ả i CO, CO 2 :
Hình 4.21 Ảnh hưởng của gia tăng tải đến mức phát thải nồng độ CO và CO2.
Hình 4.21 trình bày ảnh hưởng của sự thay đổi tải đến mức phát thải nồng độ
