Nghiên cứu ứng dụng biogasdiesel cho động cơ lắp trên phương tiện cơ giới đường bộ phục vụ giao thông nông thôn Việt Nam

1 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Ở Việt Nam, nhu cầu máy nông nghiệp nguồn động lực năm tăng từ 2025%, kèm theo hoạt động sản xuất nông nghiệp phát thải 84,5 triệu chất thải từ trồng trọt, 82,5 triệu từ chăn nuôi, tương đương 65,1 triệu CO2, chiếm 43,1% tổng lượng khí nhà kính nước [71] Dự báo lượng khí thải từ hoạt động nông nghiệp đến năm 2030 tiếp tục tăng lên gần 30% [70] Theo dự báo thời gian lại khai thác dầu khí thiên nhiên nước ta sau năm 2030 [5] Bên cạnh năm sản xuất tỷ m3 biogas Với lý đó, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng biogas-diesel cho động lắp phương tiện giới đường phục vụ giao thông nông thôn Việt Nam” cấp thiết, vừa góp phần giảm thải ô nhiễm môi trường, vừa tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế, góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiêu liệu dùng cho động nhiệt mang lại lợi ích kinh tế góp phần cải thiện đời sống người dân MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Luận án giải hai mục đích chính: Nghiên cứu xác định hệ số tương đương ϕ tối ưu ứng với chế độ làm việc khác biogas có tỷ lệ thành phần CH4 thay đổi Thiết kế điều tốc tích hợp lắp máy kéo K2600 hoạt động đa chế độ sử dụng dual fuel biogas-diesel Luận án hướng tới mục đích góp phần hoàn thiện công nghệ ứng dụng nhiên liệu biogas phương tiện vận chuyển giới phổ biến nông thôn Việt Nam ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Trong luận án này, tác giả chọn động Vikyno EV2600-NB lắp máy kéo K2600 chạy dầu diesel làm đối tượng nghiên cứu, chuyển đổi sang chạy dual fuel diesel-biogas 2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số tương đương ϕ tối ưu động EV2600-NB ứng dụng dual fuel biogas-diesel - Nghiên cứu cải tạo điều tốc cho động EV2600-NB ứng dụng dual fuel biogas-diesel - Nghiên cứu trình tạo hỗn hợpcủa động dual fuel biogas-diesel PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học: Luận án góp phần nghiên cứu chuyên sâu ứng dụng biogas cho động dual fuel biogas-diesel Việt Nam Ý nghĩa thực tiễn: Nước ta có 70,4% (năm 2009) dân số sống khu vực nông thôn Chất thải hữu từ trình sản xuất nông nghiệp phù hợp cho việc sản xuất khí biogas, phù hợp với thiết bị tiêu thụ lượng có công suất nhỏ, động đốt cỡ nhỏ chạy biogas để phục vụ cho sản xuất đời sống nông thôn có nhu cầu lớn Đề tài có ý nghĩa lớn việc giải vấn đề lượng giảm ô nhiễm môi trường, đưa vào thị trường loại phương tiện giao thông vận tải sạch, Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm giao thông nông thôn Việt Nam 1.2 Tổng quan phát triển kinh tế trang trại nông thôn Việt Nam Tính đến năm 2011, nước có 8.642 trang trại trồng trọt, chiếm 43% tổng số trang trại; 6.202 trang trại chăn nuôi, chiếm 30,9%; 4.443 trang trại nuôi trồng thuỷ hải sản, chiếm 22,1%; 737 trang trại tổng hợp, chiếm 3,7% 51 trang trại lâm nghiệp, chiếm 0,3% [77] 1.3 Vấn đề sử dụng phương tiện giới nông thôn Việt Nam 1.3.1 Nhu cầu động phục vụ cho phương tiện vận chuyển giới nông thôn Việt Nam Theo ước tính bình quân, nhu cầu máy nông nghiệp nguồn động lực năm tăng từ 20-25%, sử dụng máy móc sản xuất nông nghiệp ngày lớn số lượng đa dạng chuẩn loại 1.3.2 Các loại phương tiện vận chuyển giới nông thôn Việt Nam 1.4 Trữ lượng biogas nông thôn Việt Nam 1.4.1 Trữ lượng dầu mỏ khí thiên nhiên 1.4.2 Khả sinh khí biogas từ chất thải hữu phụ phẩm nông nghiệp Theo tính toán năm 2011, hoạt động sản xuất nông nghiệp phát thải 84,5 triệu chất thải từ trồng trọt, 82,5 triệu chất thải từ chăn nuôi, tương đương 65,1 triệu CO2, chiếm 43,1% tổng lượng khí nhà kính nước [71] Dự báo lượng khí thải từ hoạt động nông nghiệp đến năm 2030 tiếp tục tăng lên gần 30% [70] 1.4.3 Trữ lượng biogas nông thôn Việt Nam Nếu lấy trung bình 200m3 biogas/tấn nguyên liệu 10% biomass chuyển thành biogas năm sản xuất tỷ m3 biogas Cộng với tỷ m3 biogas sản xuất từ chất thải chăn nuôi, năm sản xuất tỷ m3 biogas [5] 1.5 Các nghiên cứu nước sử dụng biogas động 1.5.1 Kết nghiên cứu giới sử dụng biogas động 1.5.2 Kết nghiên cứu nước sử dụng biogas động 1.6 Kết luận Từ nghiên cứu tổng quan thấy nhu cầu động phục vụ cho phương tiện vận chuyển giới nông thôn Việt Nam nước giới tăng lớn theo năm, kèm theo phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính, nguyên nhân gây biến đổi khí hậu, đe dọa sống nhân loại hành tinh Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng biogas-diesel cho động lắp phương tiện giới đường phục vụ giao thông nông thôn Việt Nam” góp phần tiến trình giải triệt để vấn đề Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL 2.1 Tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu cho động đốt 2.1.1 Các tính chất biogas làm nhiên liệu cho động đốt 2.1.2 Đề xuất tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu cho động đốt Việt Nam Bảng 2.1: Đề xuất tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu động đốt Tiêu chí Chỉ số Wobbe thấp Chỉ số methane MN H2S Giới hạn quy định Đơn vị 21,69-32,04 MJ/nm3 111-121 < 1000 ppmV Từ kết tính toán tiêu chí nhiên liệu biogas kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm sản xuất biogas từ nguồn nguyên liệu khác nhau, đề xuất tiêu chuẩn đơn giản sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động đốt (bảng 2.1) [5] 2.2 Cơ sở lý thuyết hỗn hợp cung cấp cho động dual fuel biogas-diesel 2.2.1 Ảnh hưởng độ đồng hỗn hợp đến trình cháy 2.2.2 Lý thuyết trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước cục 2.3 Thiết kế điều tốc biogas cho động EV2600-NB dual fuel diesel-biogas 2.3.1 Nguyên lý điều khiển động dual fuel biogas-diesel Nguyên lý điều khiển động dual fuel biogas-diesel giới thiệu [21] Động dual fuel biogas-diesel chuyển đổi nhiên liệu diesel-biogas trình hoạt động, không yêu cầu can thiệp kỹ thuật Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển động dual fuel biogas-diesel 2.1.2 Công nghệ chuyển đổi động diesel thành động biogas diesel Bước 1: Cải tạo trục cân động: Bước trình bày hình 2.9 Bước 2: Gia công lại bánh số theo kích thước hình 2.10b Bước 3: Chọn lắp điều tốc biogas: hình 2.11 Bước 4: Cải tạo nắp máy: hình 2.12 Hình 2.9: a) b) Hình 2.10: Hình 2.11: Bước 5: Lắp hệ thống điều khiển: Bao gồm càng, lò xo cấu điều khiển sức căng lò xo Kích thước phận cấu thể Hình 2.12: vẽ chi tiết hình 2.13 2.1.3 Vận hành động dual fuel biogas-diesel sau chuyển đổi 2.4 Tính toán điều tốc biogas 2.4.1 Sơ đồ tính toán thông số chọn Hình 2.13: Khi khớp trượt chuyển vị đoạn Δx [m] văng m [kg] quay quanh tâm góc Δα [rad] lò xo biến dạng đoạn Δy [m] l1, l2 l3 [m]: kích thước điều khiển điều tốc l4 [m]: chiều dài điều khiển bướm ga (hình 2.14) 2.4.2 Các bước tính 2.4.2.1 Tính lực phục hồi Fhp 2.4.2.2 Tính lực trì Fdt 2.4.2.3 Đặc tính cân khớp trượt Hình 2.14: 2.5 Kết luận Kết nghiên cứu đây, kết luận sau: - Tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu cho động đốt đề xuất tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu cho động đốt Việt Nam - Cơ sở lý thuyết hỗn hợp cung cấp cho động dual fuel biogasdiesel - Lập sơ đồ tính toán thông số động lực học điều tốc biogas - Nguyên lý động dual fuel biogas-diesel trình bày công trình áp dụng hầu hết loại động diesel chuyển sang chạy biogas - Quy trình công nghệ cải tạo chuyển đổi lắp đặt hoàn chỉnh điều tốc compact cho động EV2600-NB ứng dụng dual fuel biogasdiesel Chương 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL 3.1 Cơ sở lý thuyết xác định hệ số tương đương ϕ Nếu xem biogas chứa hai thành phần CH4 CO2 hệ số tương đương ϕ xác định theo biểu thức sau:  1600 x.Qbio 23Q air 4 x  11.(100  x) (3.1) Trong đó: Qbio lưu lượng biogas (kg/h); Qair lưu lượng không khí (kg/h); x thành phần CH4 biogas tính theo thể tích 3.2 Mô trình tạo hỗn hợp động dual fuel biogasdiesel 3.2.1 Đặc điểm kết cấu tạo hỗn hợp biogas-không khí 3.2.2 Tính toán kích thước tạo hỗn hợp Theo [22], ta tính thông số hình học tạo hỗn hợp hình 3.5 3.2.3 Mô tạo hỗn hợp phần mềm Ansys® Fluent 3.2.3.1 Xây dựng mô hình hỗn hợp Ansys® Fluent 3.2.3.2 Mô hình mô độ đồng hỗn hợp Ansys® Fluent Để so sánh độ đồng hỗn hợp ứng với cấu hình hệ thống nạp khác nhau, mô thực với trường hợp Các trường hợp cấp biogas qua Hình 3.5: khe hẹp 2mm gồm: (1) buồng tạo hỗn hợp (hình 3.7a), (2) có buồng hòa trộn hình trụ (hình 3.7b), (3) buồng hòa trộn hình trụ có màng đục a) b) c) lỗ 8mm (hình 3.7c), (4) buồng hòa trộn hình trụ có màng đục lỗ 4 (hình 3.7d) Các trường hợp cung cấp biogas qua lỗ 6 gồm: (1) d) e) f) Hình 3.7: Cấu hình hệ thống nạp dùng mô buồng hòa trộn hình cầu (hình 3.7e), (2) buồng hòa trộn hình trụ (hình 3.7f) 3.2.3.3 Chia luới 3.2.3.4 Thiết lập điều kiện biên Ðiều kiện biên chọn gồm: Áp suất dư không khí p_air = [Pa]; Áp suất dư biogas p_bio = 50[Pa]; Áp suất dư hỗn hợp p_mix [Pa] theo bảng 3.3 Bảng 3.3: Kết quả tính toán áp suất dư trung bình theo tốc độ động vị trí đầu hòa trộn venturi n [v/ph] 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 pmix [Pa] -1158 -1668 -2270 -2965 -3753 -4633 -5606 3.2.3.5 Mô trình cháy dual fuel phần mềm Ansys® Fluent 3.3 Kết mô hỗn hợp động dual fuel biogas-diesel 3.3.1 Kết mô tạo hỗn hợp 3.3.2 Kết mô độ đồng tạo hỗn hợp Hình 3.15 giới thiệu kết a) b) c) d) Hình 3.15: Phân bố trường nồng độ CH4 hệ thống nạp buồng hòa trộn (a), có buồng hòa trộn hình trụ (b), buồng hòa trộn có màng đục lỗ (c) có buồng hòa trộn hình cầu (d) tính toán trường nồng độ CH4 tốc độ lưu chất sau màng đồng (hình 3.16) mặt cắt dọc đối xứng Hình 3.16: 10 hệ thống nạp ứng với cấu hình khác nhau, độ đồng CH4 đầu hệ thống nạp không cải thiện nhiều Trên sở nồng độ CH4 nồng độ O2 đầu hệ thống nạp tính toán hệ số tương đương  hỗn hợp ứng với điều kiện biên cho trước Hình 3.17a, b trình bày biến thiên hệ số tương đương  theo phương y z mặt cắt ngang cách miệng thoát đường ống nạp 5mm Chúng ta thấy trường hợp đường nạp buồng hòa trộn hay đường nạp có buồng hòa trộn trụ với màng đục lỗ bên mức độ dao động hệ số tương đương  lớn Hình 3.19a biểu diễn biến thiên tỉ số /max theo phương y z bướm ga mở từ 10 a) b) Hình 3.17: đến 60 so với vị trí đóng hoàn toàn Kết cho thấy bướm ga mở lớn mức độ đồng theo phương y tăng Tuy nhiên mức độ dao động  theo phương z ngược lại, a) bướm ga mở lớn mức độ dao động  cao (hình 3.19b) b) Hình 3.19: 11 3.3 Ảnh hưởng yếu tố vận hành đến tính động dual fuel biogas-diesel 3.3.1 Quan hệ tỉ lệ hỗn hợp f hệ số tương đương ϕ động biogas-diesel Trong tính toán trình cháy người ta định nghĩa tỷ lệ hỗn hợp f (mixture fraction) biểu thức: f   r (3.8) Trong đó: r lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn đơn vị khối lượng nhiên liệu Bảng 3.7: Giá trị f  ứng với biogas M6C4; M8C2 10% diesel 0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 M6C4 0.198958 0.338578 0.484203 0.636229 0.795088 0.96125 1.135232 1.317599 M8C2 0.326495 0.555615 0.794589 1.044068 1.304759 1.577436 1.862945 2.162213 f ϕ 3.3.2 Đánh giá trình cháy nhiên liệu biogas-diesel () 352 355 358 362 365 Tia phun mồi diesel (T0)(a) Tia lửa điện (%CH4)(b) 12 370 90 80 Nén 70 10mg/ct 20mg/ct 375 60 30mg/ct 40mg/ct 50 50mg/ct 40 30 385 20 10 0 60 120 180 240 300 360 Hình 3.22 Hình 3.22 so sánh trình cháy Hình 3.25: khởi động tia phun mồi diesel (hình 3.22a) trình cháy khởi động tia lửa điện (hình 3.22b) Chúng ta thấy trường hợp đánh lửa tia lửa điện, màng lửa có dạng chỏm cầu có tâm làm cực nén đánh lửa Màng lửa lan dần từ điểm khởi động khu vực xa buồng cháy 3.3.3 Tính toán trình cháy diesel động Vikyno EV2600 Hình 3.23 giới thiệu biến thiên nồng độ diesel, oxy hệ số tương đương ϕ buồng cháy động dual fuel biogasdiesel nồng độ CH4 hỗn hợp thấp 1/1000 Trường hợp xem 25 O2 22 ϕ 19 1.8 16 1.2 13 0.6 10 0 60 chất buồng cháy theo góc quay trục 120 vòng/phút Chúng ta thấy nhiệt độ cực đại cao lượng phun chu trình lớn Tuy nhiên lượng phun lớn 40mg/chu 240 300 360 Hình 3.23: 2500 2000 50mg/ct 40mg/ct 30mg/ct 1500 khuỷu động chạy tốc độ 1600 180 φ (độ) trình cháy động diesel Hình 3.24 giới thiệu biến thiên nhiệt độ môi 2.4 C12H23 20mg/ct 1000 500 0 60 120 180 Hình 3.24: 240 300 360 13 trình hỗn hợp bắt đầu 4.2 24 đậm dẫn đến cháy không nhiệt độ bắt đầu giảm giảm (hình 3.25) C12H23 O2 C12H23 fi 2.1 12 12 O2 1.4 6 0.7 0 60 120 180 240 300 360 0 60 120 180 a) 240 25 CH4 25 CH4 2.4 1.8 15 1.8 15 1.2 10 1.2 10 0.6 0.6 0 fi O2 0 60 120 180 240 300 O2 0 360 60 120 180 c) lượng nhiên liệu phun mồi 240 300 d) Các hình 3.28a-e giới 20 C12H23 fi fuel biogas-diesel 3.3.4.1 Ảnh hưởng 25 CH4 2.4 20 C12H23 fi O2 thiệu biến thiên nồng độ 1.8 15 1.2 10 0.6 oxy, diesel, methane 0 60 120 180 240 300 360 hệ số tương đương ϕ theo e) góc quay trục khuỷu Hình 3.28: động chạy tốc độ 1600 vòng/phút với biogas chứa 80% CH4 lượng phun diesel 20 mg/ct Tỉ lệ hỗn hợp f (fraction mixture) 360 20 C12H23 trình cháy động dual 300 b) 2.4 3.3.4 Tính toán 18 fi 2.8 CH4 Điều dẫn đến mức độ tăng áp suất cực đại CH4 18 hoàn toàn nên mức tăng 24 3.5 Hình 3.29: Hình 3.30: 0,1; 0,07; 0,05; 0,04; 0,03 Cùng lượng phun diesel, tỉ lệ hỗn hợp f lên đến 0,07 hệ số tương đương ϕbắt đầu lớn 1, lượng dư nhiên 360 14 liệu hỗn hợp tăng cao Kết tính biến thiên áp suất xi lanh đồ thị công thị trường hợp thể hình 3.29 hình 3.30 Đỉnh đường cong áp suất tăng theo f Tuy nhiên hệ số tương đương xấp xỉ áp suất cực đại xi lanh bắt đầu tăng chậm Hình 3.32 hình 3.33 giới thiệu ảnh hưởng tỉ lệ hỗn hợp f đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu đồ thị công động chạy biogas M8C2 tốc độ 1600 vòng/phút lượng phun diesel 10mg/ct Hình 3.32: Hình 3.33: 3.3.4.2 Ảnh hưởng tốc độ động Hình 3.36 giới thiệu biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu hình 3.37 giới thiệu đồ thị Hình 3.36 Hình 3.37: công động dual fuel biogas-diesel chạy tốc độ 2000 vòng/phút với biogas M8C2 lượng phun diesel 10mg/ct Tỉ lệ hỗn hợp f biến thiên từ 0,03 đến 0,1 15 3.3.5 Đường đặc tính cục động dual fuel biogas-diesel Hình 3.41 giới thiệu biến thiên công thị chu trình động dual fuel chạy biogas với lượng phun mồi diesel 10mg/ct ứng với tỉ lệ hỗn hợp khác Công suất có ích động Hình 3.41: Hình 3.42: tính từ công thị chu trình, tốc độ động hiệu suất giới Trong công trình không đo trực tiếp áp suất thị buồng cháy động nên hiệu suất giới chọn: m=0,82 3.4 Kết luận Kết nghiên cứu kết luận sau: - Giá trị cực đại áp suất cháy phụ thuộc vào hệ số tương đương tổng quát ϕ hỗn hợp đạt giá trị lớn ϕ xấp xỉ Áp suất cực đại xi lanh tăng chậm theo ϕ vùng ϕ thấp tăng nhanh vùng giá trị ϕ cao Khi động làm việc với biogas nghèo, tăng lượng phun diesel làm tăng công thị Tuy nhiên động làm việc với biogas giàu, tăng lượng phun diesel làm cho hỗn hợp tổng quát đậm dẫn đến giảm công thị động Khi tốc độ tăng công thị chu trình động giảm 16 - Trong điều kiện cung cấp biogas, lượng phun diesel tăng đỉnh đường cong áp suất không thay đổi đường dãn nở cao dẫn đến công thị tăng Khi động chạy biogas chứa 80% CH4 với tỉ lệ hỗn hợp f=0,1 lượng diesel phun mồi 10mg/ct công suất có ích động dual fuel biogas-diesel tương đương với công suất động diesel Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Cải tạo máy kéo diesel K2600 thành máy kéo dual fuel biogas-diesel 4.1.1 Các thông số kỹ thuật máy kéo K2600 4.1.2 Động thí nghiệm 4.2 Quy trình cải tạo máy kéo diesel K2600 thành máy kéo dual fuel biogas-diesel 4.2.1 Bố trí lắp đặt hệ thống giá đỡ biogas máy kéo K2600 4.2.2 Lắp đặt bình biogas nén lên máy kéo K2600 4.2.3 Kiểm nghiệm tính ổn định máy kéo sau cải tạo 4.2.3.1 Thông số kỹ thuật máy kéo sử dụng kiểm nghiệm tính ổn định 4.2.3.2 Kiểm nghiệm tính ổn định dọc tĩnh 4.2.3.3 Kiểm nghiệm tính ổn định ngang 4.2.4 Lắp họng venturi cung cấp biogas vào đường nạp động 4.2.5 Qui trình vận hành máy kéo K2600 dual fuel biogas-diesel 4.3 Thực nghiệm đo đạc tính động EV2600-NB dual fuel biogas - diesel 4.3.1 Các thiết bị phục vụ thực nghiệm 4.3.1.1 Băng thử công suất Froude DPX3 4.3.1.2 Card ghi nhận liệu NI-6009 4.3.1.3 Các loại cảm biến ghi nhận số liệu động hoạt động 4.3.1.4 Bình lọc H2S CO2 máy phân tích khí Gas 17 4.3.1.5 Hệ thống đo kết nối với máy tính 4.3.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm động lắp xe tải nhẹ để di động đến nơi sản xuất biogas [22] Hình 4.17 giới thiệu sơ đồ hệ thống thí nghiệm gồm cấu phần chính: (1) phần chuẩn bị nhiên liệu biogas có thành phần theo Hình 4.17: Sơ đồ bố trí thí nghiệm yêu cầu; (2) phần băng thử: băng thử thủy lực Froude DPX3 hệ thống cung cấp nước; (3) phần động thử nghiệm: EV2600-NB; (4) phần cảm biến: cảm biến lấy tín hiệu băng thử động kết nối với máy tính thông qua cạc biến đổi A/D; (5) phần điều khiển: điều khiển động cơ, băng thử đọc/ghi số liệu thí nghiệm 4.4 Kết thí nghiệm điều tốc biogas Biến thiên công suất động theo tốc độ động độ giãn lò xo điều tốc 35,3mm, 39,5mm, 41,3mm Theo tính toán bảng 2.5, với độ giãn lò xo điều tốc tác động 1200 v/ph, 1800 v/ph, 2000 v/ph Tuy nhiên kết thực nghiệm cho thấy điều tốc tác động lầ lượt tốc độ 1300 v/ph, 1750 v/ph, 2100 v/ph, lớn giá trị lý thuyết 100 v/ph, nhỏ giá trị lý thuyết 50 v/ph (hình 4.18) Hình 4.18: Đường đặc tính tốc độ 1300rpm, 1750 rpm and 2100 rpm 18 4.5 Kết luận Kết nghiên cứu kết luận sau: - Thiết kế lắp đặt hoàn chỉnh điều tốc biogas cho động EV2600-NB sử dụng dual fuel biogas-diesel không cải tạo nắp máy - Khi chạy biogas có hàm lượng CH4 70%, động dual fuel biogas-diesel cần lượng phun diesel tối thiểu khoảng 10% lượng phun định mức để đánh lửa đảm bảo đường đặc tính động hybrid cao đường đặc tính động diesel Khi chạy biogas nghèo có hàm lượng CH4 nhỏ 70%, để đảm bảo công suất định mức, lượng phun diesel tăng dần theo tỉ lệ nghịch với hàm lượng CH4 Khi hàm lượng CH4 biogas 60% lượng phun diesel 30% Chương 5: PHÂN TÍCH SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 5.1 Ảnh hưởng hệ thống nạp chế độ vận hành động dual fuel đến hệ số tương đương ϕ 5.1.1 Ảnh hưởng độ mở bướm ga Biến thiên hệ số tương đương ϕ theo độ mở bướm ga ứng với biogas có chứa 1.8  1.6 80% CH4 1.4 1.2 60%, 70%, 80% CH4 động chạy tốc độ 2000 v/ph Để đạt hệ số tương đương ϕ =1 biogas chứa 60% CH4, bướm ga phải mở 75 đến 80%, ứng với biogas chứa 70% CH4, 80% CH4, điều kiện đạt 60% CH4 0.8 70% CH4 0.6 0.4 0.2 20 40 60 Hình 5.1: theo thứ tự ứng với độ mở bướm ga 65% 55% (hình 5.1) 5.1.2 Ảnh hưởng tốc độ động 80 100 % độ mở bướm ga 19 Biến thiên hệ số tương đương 1.6  ϕ theo độ mở bướm ga ứng với tốc độ động 1.4 n=1800 v/ph 1.2 n=1800 v/ph, n=2000 v/ph n=2200 v/ph Chúng ta thấy tốc độ động giảm n=2200 v/ph 0.8 n=2000 v/ph 0.6 hệ số tương đương ϕ tăng nhẹ Khi độ mở 0.4 bướm ga lớn ảnh hưởng tốc độ 0.2 20 40 60 động đến ϕ tăng (hình 5.2) 80 100 % độ mở bướm ga Hình 5.2 5.1.3 Ảnh hưởng công suất động Biến thiên công suất có ích theo hệ Pe(kW) 18 số tương đương ϕ động dual fuel 80% CH4 16 biogas-diesel chạy biogas chứa 14 12 60% CH4, 70% CH4 80% CH4 Kết 70% CH4 10 thực nghiệm cho thấy hàm lượng CH4 60% CH4 biogas cao đỉnh đường  0.2 0.4 0.6 cong dịch vị trí ϕ =1 Có thể lấy giá 0.8 1.2 1.4 1.6 Hình 5.3: trị gần ϕ mà công suất có ích động đạt giá trị cực đại 1,15; 1,10 1,05 tương ứng với biogas chứa 60% CH4, 70% CH4 80% CH4 (hình 5.3) 5.2 Phân tích tính động dual fuel biogas-diesel 5.2.1 Đường đặc tính động dual fuel biogas-diesel 20 thực nghiệm đo động dual fuel sau 18 Đường đặc tính nhả khói đen động diesel 16 16 Pe (HP) đường đặc tính 18 Pe (kW) Kết 14 14 12 Đường đặc tính động diesel 12 10 10 cải tạo Lượng 1000 phun diesel cố định 10% 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 1200 1400 1600 1800 Hình 5.4: 2000 2200 n (rpm) n (vòng/phút) Hình 5.6: 20 lượng phun cực đại Biogas cung cấp cho động có thành phần CH4 thay đổi mức 60%, 70% 80% (hình 5.4) Hình 5.6 trình bày đặc tính động dual fuel biogas-diesel chạy biogas chứa 60% CH4, 70% CH4 80% CH4 so với đường đặc tính nhả khói đen đường đặc tính động diesel Kết cho thấy biogas chứa 60% CH4, công suất cực đại động nhỏ công suất định mức động diesel 5.2.2 Đường đặc tính cục động dual fuel biogas-diesel Đường đặc tính cục động 20 dual fuel chạy biogas nén 16 Pe (HP) chứa 80% CH4 với hệ số tương đương ϕ=0,9; ϕ=0,8 ϕ=0,7 Các hệ số tương 12 đương tương ứng với độ mở van cung cấp biogas 57%, 52% 1000 1400 1800 2200 n (vòng/phút) 46% (hình 5.8) Hình 5.8: 5.2.3 Đường đặc tính điều tốc Thí nghiệm thực với độ giãn lò xo 43,1mm, tương ứng với tốc độ điều tốc tính toán 2200 v/ph Khi bắt đầu thí nghiệm, ta điều chỉnh tải phanh để động chạy ổn 20 18 định tốc độ 1000 v/ph Sau đó, giảm đạt khoảng 2150 v/ph giảm tải cản, công suất động giảm tốc độ động dao động phạm vi hẹp (hình 5.9) 5.2.4 Tiêu hao nhiên liệu diesel để đánh lửa động dual fuel biogas-diesel Pe (HP) 16 tải cản phanh dần tốc độ động 14 12 10 1000 1400 1800 n (vòng/phút) Hình 5.9: 2200 21 Suất tiêu hao nhiên liệu diesel động dual fuel chạy biogas chứa 70% CH4 độ mở bướm ga 60%, 55% 50% Ứng với độ mở bướm ga 60%, suất tiêu hao nhiên liệu diesel thay đổi từ 14% (ở tốc độ thấp) đến 16% (ở tốc độ cao) so với động chạy hoàn Hình 5.12: toàn diesel Khi đóng bướm ga đến 55% mức thay đổi tỷ lệ từ 23% đến 34% Khi độ mở bướm ga 50% suất tiêu hao nhiên liệu diesel động thay đổi từ 30% đến 45% (hình 5.12) 5.2.5 Ảnh hưởng lượng phun diesel Ảnh hưởng lượng phun diesel đến công suất có ích động dual fuel biogas-diesel Kết Pe (kW) 16 14 Đặc tính động diesel 12 cho thấy, động chạy với biogas chứa 60% CH4 để đạt công suất định mức động 10 1200 1400 1600 1800 diesel trước cải tạo phải tăng lượng phun diesel đến 30% 2000 2200 n (rpm) Hình 5.13 lượng phun định mức (hình 5.13) 5.3 Kết luận Kết nghiên cứu kết luận sau: - Ở tốc độ động cho trước, công suất động giảm nhanh theo hệ số tương đương hỗn hợp Công suất động ứng với hệ số tương đương ϕ=0,9; ϕ=0,8 ϕ=0,7 18HP, 22 15HP 10HP so với 19HP động chạy biogas chứa 80% CH4 với ϕ=1,1 - Suất tiêu hao nhiên liệu diesel phụ thuộc vào chế độ công tác động dual fuel Khi động dual fuel làm việc đường đặc tính cục bộ, suất tiêu hao nhiên liệu diesel lớn, ảnh hưởng đến tính kinh tế động KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Động dual fuel biogas-diesel lắp máy kéo có chế độ tốc độ tải chế độ tốc độ thường xuyên thay đổi nên cần tăng độ đồng hỗn hợp biogas-không khí cung cấp cho động để đảm bảo động hoạt động ổn định nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu biogas nén Độ đồng hỗn hợp tăng bổ sung thêm buồng hòa trộn sau chế hòa khí biogas, không phụ thuộc dạng buồng tạo hỗn hợp hình cầu hay hình trụ; bố trí thêm màng đục lỗ kích thước khác không cải thiện độ đồng hỗn hợp; độ mở bướm ga gây ảnh hưởng đến độ đồng hỗn hợp Cùng vị trí độ mở van cung cấp biogas, hệ số tương đương hỗn hợp thay đổi theo thành phần CH4 biogas Để đạt hệ số tương đương ϕ =1 động chạy tốc độ 1000 vòng/phút, độ mở van cung cấp biogas biến thiên từ 87% đến 48% thành phần CH4 biogas biến thiên từ 60% đến 90% Để đảm bảo điều kiện động chạy tốc độ 2200 vòng/phút, van cung cấp biogas mở từ 90% đến 49% Giá trị cực đại áp suất cháy phụ thuộc vào hệ số tương đương tổng quát ϕ hỗn hợp đạt giá trị lớn ϕ xấp xỉ Áp suất cực đại xi lanh tăng chậm theo ϕ vùng ϕ thấp tăng nhanh vùng giá trị ϕ cao Khi động làm việc với biogas 23 nghèo, tăng lượng phun diesel làm tăng công thị Tuy nhiên động làm việc với biogas giàu, tăng lượng phun diesel làm cho hỗn hợp tổng quát đậm dẫn đến giảm công thị động Khi tốc độ tăng công thị chu trình động giảm Trong điều kiện cung cấp biogas, lượng phun diesel tăng đỉnh đường cong áp suất không thay đổi đường dãn nở cao dẫn đến công thị tăng Khi động chạy biogas chứa 80% CH4 với tỉ lệ hỗn hợp f=0,1 lượng diesel phun mồi 10mg/ct công suất có ích động dual fuel biogasdiesel tương đương với công suất động diesel Công suất có ích động biến thiên theo hệ số tương đương thành phần CH4 biogas Công suất có ích động đạt giá trị cực đại tương ứng ϕ biogas chứa 60%CH4, ϕ=1,10 biogas chứa 70%CH4, ϕ=1,05 biogas chứa 80%CH4 Ở tốc độ động cho trước, công suất động giảm nhanh theo hệ số tương đương hỗn hợp Công suất động ứng với hệ số tương đương ϕ=0,9; ϕ=0,8 ϕ=0,7 18HP, 15HP 10HP so với 19HP động chạy biogas chứa 80% CH4 với ϕ=1,1 Có thể tận dụng không khí thừa động diesel để cung cấp thêm biogas chuyển thành động dual fuel biogas-diesel để nâng cao công suất động Công suất động dual fuel giảm 5%, 15% 27% so với động diesel nguyên thủy làm việc với biogas chứa 80%, 70% 60% CH4 Để động dual fuel biogas-diesel lắp máy kéo hoạt động ổn định nhiều chế độ tốc độ khác ta phải bổ sung điều tốc biogas tích hợp bên cấu truyền động động Đây giải pháp công nghệ gọn nhẹ, phù hợp với động lắp phương tiện vận chuyển Với điều tốc thiết kế, động dual fuel biogas- 24 diesel có mức độ dao động tốc độ khoảng 5% so với giá trị tốc độ trung bình HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Ðề tài tiếp tục nghiên cứu theo huớng sau đây: Nghiên cứu phát triển động biogas-diesel compact gồm điều tốc đặt bên động Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển động hybrid biogas-diesel hoạt động theo nguyên lý dual fuel cung cấp biogas có thành phần CH4 khác Đo đạc thực nghiệm tính máy kéo dual fuel biogasdiesel trực tiếp băng thử ô tô Nghiên cứu tăng khả lưu trữ nhiên liệu biogas Nghiên cứu ảnh hưởng tuổi thọ động VIKYNO EV2600-NB sử dụng dual fuel biogas-diesel ảnh hưởng tạp chất khí độc hại gây ăn mòn biogas, H2S [...]... động cơ Công suất động cơ dual fuel giảm 5%, 15% và 27% so với động cơ diesel nguyên thủy khi làm việc lần lượt với biogas chứa 80%, 70% và 60% CH4 7 Để động cơ dual fuel biogas-diesel lắp trên máy kéo hoạt động ổn định ở nhiều chế độ tốc độ khác nhau ta phải bổ sung bộ điều tốc biogas tích hợp bên trong cơ cấu truyền động của động cơ Đây là giải pháp công nghệ gọn nhẹ, phù hợp với động cơ lắp trên phương. .. trên phương tiện vận chuyển Với bộ điều tốc thiết kế, động cơ dual fuel biogas- 24 diesel có mức độ dao động tốc độ khoảng 5% so với giá trị tốc độ trung bình 2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Ðề tài có thể được tiếp tục nghiên cứu theo các huớng sau đây: 1 Nghiên cứu phát triển động cơ biogas-diesel compact gồm 2 bộ điều tốc đặt bên trong động cơ 2 Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển động cơ hybrid... chạy bằng biogas chứa 60% CH4, 70% CH4 và 80% CH4 so với đường đặc tính nhả khói đen và đường đặc tính ngoài động cơ diesel Kết quả này cho thấy khi biogas chứa 60% CH4, công suất cực đại của động cơ nhỏ hơn công suất định mức của động cơ diesel 5.2.2 Đường đặc tính cục bộ của động cơ dual fuel biogas-diesel Đường đặc tính cục bộ của động 20 cơ dual fuel khi chạy bằng biogas nén 16 Pe (HP) chứa 80%... trình của động cơ dual fuel chạy bằng biogas với lượng phun mồi diesel 10mg/ct ứng với các tỉ lệ hỗn hợp khác nhau Công suất có ích của động cơ được Hình 3.41: Hình 3.42: tính từ công chỉ thị chu trình, tốc độ động cơ và hiệu suất cơ giới Trong công trình này do không đo trực tiếp áp suất chỉ thị trong buồng cháy động cơ nên hiệu suất cơ giới được chọn: m=0,82 3.4 Kết luận Kết quả nghiên cứu trên đây... độ động cơ cho trước, công suất động cơ giảm rất nhanh theo hệ số tương đương của hỗn hợp Công suất của động cơ ứng với hệ số tương đương ϕ=0,9; ϕ=0,8 và ϕ=0,7 lần lượt là 18HP, 15HP và 10HP so với 19HP khi động cơ chạy bằng biogas chứa 80% CH4 với ϕ=1,1 6 Có thể tận dụng không khí thừa của động cơ diesel để cung cấp thêm biogas khi chuyển thành động cơ dual fuel biogas-diesel để nâng cao công suất động. .. của động cơ đạt giá trị cực đại là 1,15; 1,10 và 1,05 tương ứng với biogas chứa 60% CH4, 70% CH4 và 80% CH4 (hình 5.3) 5.2 Phân tích các tính năng của động cơ dual fuel biogas-diesel 5.2.1 Đường đặc tính ngoài của động cơ dual fuel biogas-diesel quả 20 thực nghiệm đo ngoài của động cơ dual fuel sau khi 18 Đường đặc tính nhả khói đen động cơ diesel 16 16 Pe (HP) đường đặc tính 18 Pe (kW) Kết 14 14 12 Đường. .. Công suất của động cơ ứng với hệ số tương đương ϕ=0,9; ϕ=0,8 và ϕ=0,7 lần lượt là 18HP, 22 15HP và 10HP so với 19HP khi động cơ chạy bằng biogas chứa 80% CH4 với ϕ=1,1 - Suất tiêu hao nhiên liệu diesel phụ thuộc vào chế độ công tác của động cơ dual fuel Khi động cơ dual fuel làm việc trên đường đặc tính cục bộ, suất tiêu hao nhiên liệu diesel lớn, ảnh hưởng đến tính kinh tế của động cơ KẾT LUẬN VÀ... nhưng đường dãn nở cao hơn dẫn đến công chỉ thị tăng Khi động cơ chạy bằng biogas chứa 80% CH4 với tỉ lệ hỗn hợp f=0,1 và lượng diesel phun mồi 10mg/ct thì công suất có ích của động cơ dual fuel biogasdiesel tương đương với công suất động cơ diesel 5 Công suất có ích của động cơ biến thiên theo hệ số tương đương và thành phần CH4 trong biogas Công suất có ích của động cơ đạt giá trị cực đại tương ứng. .. nghiệm cho thấy bộ điều tốc tác động lầ lượt ở tốc độ 1300 v/ph, 1750 v/ph, 2100 v/ph, lớn hơn giá trị lý thuyết 100 v/ph, nhỏ hơn giá trị lý thuyết 50 v/ph (hình 4.18) Hình 4.18: Đường đặc tính ngoài ở tốc độ 1300rpm, 1750 rpm and 2100 rpm 18 4.5 Kết luận Kết quả nghiên cứu trên đây chúng ta được các kết luận sau: - Thiết kế và lắp đặt hoàn chỉnh bộ điều tốc biogas cho động cơ EV2600-NB sử dụng dual... diesel 12 này cho thấy, khi động cơ chạy với biogas chứa 60% CH4 thì để đạt được công suất định mức của động cơ 10 8 1200 1400 1600 1800 diesel trước khi cải tạo chúng ta phải tăng lượng phun diesel đến 30% 2000 2200 n (rpm) Hình 5.13 lượng phun định mức (hình 5.13) 5.3 Kết luận Kết quả nghiên cứu trên đây chúng ta được các kết luận sau: - Ở một tốc độ động cơ cho trước, công suất động cơ giảm rất nhanh