TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 1 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VAN CUNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL NHIỀU XI LANH CỠ LỚN CALCULATION OF A BIOGAS-SUPPLYING VALVE FOR LARGE- SIZED BIOGAS/DIESEL DUAL FUEL MULTI-CYLINDER ENGINES Bùi Văn Ga – Lê Minh Tiến – Trương Lê Bích Trâm Đại học Đà Nẵng Trần Thanh Hải Tùng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Mục đích của nghiên cứu này là xác định kích thước của hệ thống cung cấp biogas để cải tạo các động cơ Diesel nhiều xi lanh cỡ lớn sang chạy bằng hai nhiên liệu. Dựa vào phân tích áp suất trên đường nạp động cơ, giản đồ kích thước van cung cấp biogas theo các thông số của động cơ và của nguồn nhiên liệu được xác lập. Kết quả cho thấy có thể thiết kế một van cung cấp cho phép động cơ tương ứng làm việc với nguồn biogas có phạm vi thay đổi rộng về hàm lượng CH 4 và áp suất. Nghiên cứu cũng nêu bật sự khác biệt về biên dạng của van cung cấp biogas giữa động cơ nhiều xi lanh và động cơ một xi lanh. ABSTRACT The purpose of this study is to determine the biogas-supplying valve dimension for converting large-sized multi-cylinder diesel engines into dual-fuel engines. Basing on the intake pressure analysis, the charts of the biogas-supplying valve dimension concerning the function of the engine and fuel parameters are established. The results show that a biogas-supplying valve can be designed to allow a corresponding engine to run with a wide range of CH 4 concentration and pressure change of biogas. The research also deals with the differences between the valve profiles of multi-cylinder engines and mono-cylinder ones. 1. Giới thiệu Nước ta có gần 80% dân số sống ở nông thôn. Hoạt động sản xuất và sinh hoạt ở khu vực này đòi hỏi một nguồn năng lượng rất lớn. Sự gia tăng giá xăng dầu và giá điện trong thời gian gần đây đã gây rất nhiều khó khăn đối với vùng nông thôn. Nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng tại chỗ để phát đ iện nhằm giảm chi phí năng lượng đã trở nên rất bức xúc, đặc biệt ở những nơi sản xuất nông nghiệp tập trung, các trại chăn nuôi có sẵn hầm biogas. Động cơ chuyên dùng chạy bằng biogas đã được sản xuất và thương mại trên thế giới như động cơ của Hãng GE Energy Jenbacher, Úc, có công suất từ 330kW đến 3MW hoặc động cơ của Hãng Jinan Diesel Engine Co., Ltd. Trung Quốc có công suất từ 150-660kW. Các động cơ chuyên dùng này thường có giá thành cao hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng xăng dầu truyền thống (thường đắt hơn 3 lần [1], [2]). Nhiên liệu biogas sử dụng cho động cơ này phải thỏa mãn một số điều kiện như thành phần nhiên liệu, áp suất cung cấp Mặt khác các động cơ này có nhược điểm quan trọng là chỉ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 2 chạy được bằng biogas, không chạy được bằng nhiên liệu lỏng. Các động cơ biogas có mặt trên thị trường thế giới như trên không phù hợp với điều kiện sử dụng ở Việt Nam. Thật vậy do nguồn điện cung cấp không ổn định nên tất các các đơn vị sản xuất đều phải trang bị máy phát điện dự phòng. Việc đầu tư thêm một máy phát điện chỉ chạy bằng biogas với giá cao hơn rất nhiều so với máy phát điện chạy bằng diesel như trên đã trình bày là không kinh tế. Yêu cầu của người sử dụng là làm sao chỉ một máy phát điện dự phòng có sẵn người ta có thể một mặt, tận dụng nguồn biogas để phát điện nhằm tiết kiệm nhiên liệu và mặt khác, vẫn có thể chạy bằng dầu mỏ khi hết biogas và mất điện lưới. Vì vậy động cơ dự phòng này bắt buộc phải chạy được bằng biogas và dầu mỏ. Giải pháp phù hợp cho vấn đề này là cải tạo động cơ diesel có sẵn thành những động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel. Trong những công trình nghiên cứu trước đây, chúng tôi đã đề xuất các giải pháp công nghệ để chuyển đổi động cơ cỡ nhỏ chạy bằng xăng hay diesel sang chạy bằng biogas. Đây là những động cơ 1 xi lanh có công suất dưới 10kW, phù hợp với qui mô phát điện phục vụ sinh hoạt. Đối với các trang trại sản xuất, nhu cầu chuyển đổi động cơ diesel có công suất từ vài chục đến vài trăm kW là rất lớn. Trên cơ sở nguyên lý của hệ thống cung cấp biogas cho động cơ cỡ nhỏ đã được giới thiệu trong những công trình trước [3], [4], [5], trong bài báo này chúng tôi giới thiệu kết quả nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tế đối với cải tạo động cơ diesel cỡ lớn nhiều xi lanh sang chạy bằng biogas. 2. Nghiên cứu lý thuyết Bài toán đặt ra trong thực tế là xác định kích thước của van cung cấp biogas để cải tạo động cơ diesel nguyên thủy có công suất hữu ích Pe(kW), số xi lanh n xl , tốc độ n (vòng/phút), đường kính ống nạp D nap (mm) sang chạy bằng biogas/diesel với nguồn biogas có hàm lượng X CH4 % methane và áp suất P biogas . Từ mối quan hệ lưu lượng không khí (m 3 /s), chúng ta có thể tính được dung tích xi lanh (m 3 ). Lưu lượng hỗn hợp biogas-không khí nạp vào một xi lanh tại một vị trí góc quay trục khuỷu cho trước là: (m 3 /s) (1) Trong các biểu thức trên, A/F là tỉ lệ khối lượng không khí trên khối lượng nhiên liệu trong điều kiện cháy hoàn toàn lý thuyết, Q LHV là nhiệt trị thấp của nhiên liệu diesel, là hiệu suất có ích của động cơ, air là khối lượng riêng của không khí và n xl là số xi lanh của động cơ. Lưu lượng hỗn hợp đi qua đường nạp tại một thời điểm cho trước là: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 3 (m 3 /s) (2) Độ chân không trên đường nạp tại một thời điểm cho trước là: (Pa) (3) Hình 1. Sơ đồ van cung cấp biogas cho động cơ dual fuel biogas/diesel Sau khi ra khỏi lọc tạp chất, áp suất biogas đi vào van cung cấp là P biogas (Pa). Do đó tốc độ biogas ra khỏi lỗ cung cấp là: (m/s) (4) Nếu gọi D max là đường kính cực đại của lỗ cung cấp biogas thì lượng biogas cung cấp cho động cơ trong một chu trình là: (m 3 ) (5) Trong các biểu thức trên bio (kg/m 3 )là khối lượng riêng của biogas, (rad/s) là tốc độ góc của động cơ. Lượng biogas này chính bằng lượng biogas có thể cháy hoàn toàn với lượng không khí cực đại nạp vào tất cả các xi lanh trong một chu trình: Không khí Biogas D nap D max D con TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 4 (m 3 ) (6) Từ (5) và (6) ta suy ra được đường kính cực đại của lỗ nạp biogas D max . 3. Kết quả tính toán Hình 2. Biến thiên tốc độ biogas theo góc quay trục khủy động cơ 1 xi lanh Hình 3. Biến thiên tốc độ biogas theo góc quay trục khủy động cơ 2 xi lanh Hình 4. Biến thiên tốc độ biogas theo góc quay trục khủy động cơ 4 xi lanh Hình 5. Biến thiên tốc độ biogas theo góc quay trục khủy động cơ 6 xi lanh Hình 6. Biến thiên đường kính cực đại của lỗ phun biogas theo số xi lanh động cơ (D nap =60mm, P bio =100Pa, X CH4 =60%, công suất mỗi xi lanh 10kW) Hình 7. Ảnh hưởng của số xi lanh đến đường kính lỗ nạp biogas ứng với động cơ có công suất khác nhau (D nap =60mm, X CH4 =60%, P biogas =100Pa) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 5 Kết quả tính toán được áp dụng đối với các động cơ 1,2, 4 và 6 xi lanh. Giả sử các xi lanh có cùng dung tích và các động cơ có cùng tốc độ 1500 vòng/phút. Công suất có ích của mỗi xi lanh là 10kW. Thành phần CH 4 trong biogas sử dụng là 60% với áp suất biogas là 100Pa. Biogas phun vào đường nạp động cơ là do chênh lệch áp suất giữa nguồn cung cấp và áp suất trên đường nạp. Khi xi lanh thực hiện kỳ nạp, độ chân không trên đường nạp tăng, tạo ra xung vận tốc biogas. Trong phần còn lại của chu trình, dù không phải là kỳ nạp, biogas vẫn được cung cấp do áp suất của nguồn lớn hơn áp suất không khí. Hình 2, 3, 4 và 5 giới thiệu diễn biến tốc độ phun biogas ứng với các động cơ 1, 2, 4 và 6 xi lanh. Khi số xi lanh tăng lên thì mức độ mạch động của vận tốc giảm vì có những giai đoạn cả hai xi lanh cùng thực hiện quá trình nạp. Lưu lượng biogas cung cấp tỉ lệ với công suất động cơ. Do đó công suất động cơ có mối quan hệ bậc 2 với đường kính lỗ cung cấp biogas. Cùng một điều kiện về chất lượng, áp suất biogas và đường kính đường ống nạp, mối quan hệ bậc 2 này được thể hiện trên hình 6 khi công suất của động cơ tỉ lệ với số xi lanh. Với các động cơ có số xi lanh khác nhau nhưng cùng công suất và đường kính đường ống nạp, đường kính lỗ nạp biogas cực đại cũng khác nhau. Động cơ càng ít xi lanh, đường kính lỗ cung cấp biogas càng bé vì tốc độ biogas cung cấp lớn hơn do độ chân không trên đường nạp tăng mạnh trong quá trình nạp (hình 7). Trên cơ sở tính toán trên đây, chúng ta có thể xác định đường kính lỗ cung cấp biogas cục đại ứng với các kiểu và cỡ động cơ khác nhau. Hình 8 giới thiệu biểu đồ lựa Hình 9. Biên dạng của kim côn van cung cấp biogas cho động cơ 1 xi lanh theo áp suất biogas (X CH4 =60%) Hình 10. Biên dạng của kim côn van cung cấp biogas cho động cơ 6 xi lanh theo áp s uất bio g as ( X CH4 =60% ) Hình 8. Lựa chọn đường kính lỗ nạp biogas cực đại theo công suất động cơ, đường kính ống nạp không khí và á p suất bio g as ( Độn g cơ 6 xi lanh, X CH4 =60% ) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 6 chọn đường kính lỗ nạp biogas đối với động cơ 6 xi lanh có đường kính ống nạp thay đổi từ 40 đến 80mm và áp suất biogas thay đổi từ 100Pa đến 200Pa. Đối với động cơ dual fuel được cải tạo từ động cơ diesel, công suất động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi lượng biogas cung cấp trong hành trình nạp. Do đó bộ điều tốc động cơ phải tác động làm thay đổi vị trí của kim côn so với đế van biogas (hình 1). Biên dạng của kim côn được tính toán theo tiết diện lưu thông cần thiết của van cung cấp ứng với mỗi giá trị công suất động cơ. Hình 9 giới thiệu biên dạng của kim côn động cơ 1 xi lanh công suất cực đại 10kW ứng với áp suất biogas cung cấp thay đổi từ 100 đến 300Pa và hình 10 giới thiệu biên dạng kim côn của động cơ 6 xi lanh, công suất cực đại 60kW với áp suất biogas cung cấp thay đổi tương tự. Chúng ta thấy sự khác biệt rất rõ ở đây là kim côn động cơ 1 xi lanh có dạng lồi, trong khi đó kim côn của động cơ nhiều xi lanh có dạng lõm. Do nguồn biogas thường có chất lượng không ổn định nên khi tính toán van cung cấp biogas chúng ta cần dự kiến khả năng làm việc của nó ở các nguồn biogas có chất lượng khác nhau. Hình 11 cho thấy nếu kim côn được tính toán với nguồn biogas tốt (ví dụ 80% CH 4 ) thì khi làm việc với các nguồn biogas có chất lượng thấp hơn (như 60% hay 40% CH 4 ) thì động cơ không thể phát hết công suất. Vì vậy để công cơ có thể làm việc với công suất tối đa ứng với các nguồn biogas khác nhau, kim côn được thiết kế với nguồn biogas nghèo nhất (ví dụ 40% CH 4 ). Khi làm việc với các nguồn biogas giàu hơn, kim côn chỉ dịch chuyển một phần hành trình của nó. Tuy nhiên khi đó độ dốc của kim côn tăng, khả năng giữ tốc độ động cơ ổn định khó hơn. Giải pháp phù hợp nhất trong trường hợp này là thiết kế kim côn ứng với chất lượng biogas trung bình (ví dụ 60% CH 4 ). Khi làm việc với nguồn biogas nghèo hơn, kim côn được kéo ra khỏi đến van. Khi đó chúng ta cần bố trí thêm van hạn chế lưu lượng biogas cực đại ở đầu ra của van cung cấp. Khi làm việc với biogas có chất lượng tốt hơn, hành trình của kim côn ngắn hơn nhưng độ dốc của mặt côn không lớn lắm, đảm bảo khả năng duy trì tốc độ ổn định của động cơ. 4. K ết quả ứng dụng Kết quả nghiên cứu lý thuyết trên đây được ứng dụng để tính toán van cung cấp biogas cho động cơ 6 xi lanh, kéo máy phát điện công suất 60kW được cải tạo từ động cơ diesel tại Trại chăn nuôi Hòa Phú, Đà Nẵng. Khí biogas từ hầm sinh khí được dẫn tới hầm lọc H 2 S trước khi cung cấp cho động cơ (hình 12). Hàm lượng CH 4 trong biogas sau khi lọc dao động từ 40 đến 70%. Giá trị trung bình của hàm lượng CH 4 trong biogas Hình 11. Biên dạng của kim côn van cung cấp biogas cho động cơ 6 xi lanh theo chất lượng biogas (P biogas =100Pa, D nap =60mm) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 7 là 60% được sử dụng trong tính toán kim côn của van cung cấp (hình 13). Kim côn của van được dẫn động bởi bộ điều tốc. Do kim côn được tính toán với giá trị trung gian của chất lượng biogas nên để động cơ có thể làm việc với công suất cực đại khi hàm lượng CH 4 trong biogas giảm, chúng ta bố trí thêm van hạn chế lưu lượng cực đại biogas giữa đầu ra của van cung cấp và đường nạp động cơ (hình 14). Kết quả cho thấy động cơ vận hành ổn định khi chế độ tải bên ngoài tăng hay giảm đột ngột. Tốc độ động cơ được giữ ổn định một cách tự động. Dao động điện áp của máy phát điện không quá 5% điện áp định mức. 5. Kết luận Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra được những kết luận sau đây: Công suất động cơ có quan hệ bậc 2 với đường kính cực đại của lỗ nạp biogas. Khi hai động cơ có cùng công suất và cùng đường kính ống nạp, đường kính cực đại của lỗ nạp biogas tỉ lệ thuận với số xi lanh. Biên dạng kim côn của van cung cấp biogas có dạng lồi đối với động cơ 1 xi lanh, chuyển sang dạng lõm đối với động cơ nhiều xi lanh. Có thể thiết kế van cung cấp biogas ứng với chất lượng trung bình của nhiên liệu kèm theo van hạn chế lưu lượng biogas cực đại để cho phép động cơ làm việc với các nguồn biogas có thành phần CH 4 và áp suất thay đổi trong phạm vi rộng. Hình 13. Van cung cấp biogas cho đ ộ n g cơ 6 xi lanh Hình 14. Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ 6 xi lanh H H ầ ầ m m b b i i o o g g a a s s H H ầ ầ m m l l ọ ọ c c H H 2 2 S S Hình 12. Hệ thống cung cấp biogas tại T r ạ i chăn nuôi H òa Phú TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 8 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.sdxsgs.com [2] http://www.vatgia.com [3] Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trương Hoàng Thiện, Lê Minh Tiến, Hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ cỡ nhỏ, Tuyển tập Hội Nghị Cơ học Thủy khí toàn quốc, Huế, 26-28/7/2007, pp. 159-168. [4] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trương Lê Bích Trâm, Engines fueled by biogas: A contribution to energy saving and climate change mitigation, The 6th Seminar on Environment Science and Technology Issues Related to Climate Change Mitigation. Japan-Vietnam Core University Program, Osaka, Japan, 26-28 November 2008. [5] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu biogas-diesel. Tạp chí Giao Thông Vận Tải, pp 23-26, 12-2008. . [5], trong bài báo này chúng tôi giới thiệu kết quả nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tế đối với cải tạo động cơ diesel cỡ lớn nhiều xi lanh sang chạy bằng biogas. 2. Nghiên cứu lý thuyết. Bích Trâm Đại học Đà Nẵng Trần Thanh Hải Tùng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Mục đích của nghiên cứu này là xác định kích thước của hệ thống cung cấp biogas để cải tạo. diesel có sẵn thành những động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel. Trong những công trình nghiên cứu trước đây, chúng tôi đã đề xuất các giải pháp công nghệ để chuyển đổi động cơ cỡ nhỏ chạy