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

Header Page of 145 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN ANH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS-DIESEL CHO ĐỘNG CƠ LẮP TRÊN PHƢƠNG TIỆN CƠ GIỚI ĐƢỜNG BỘ PHỤC VỤ GIAO THÔNG NÔNG THÔN VIỆT NAM TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2016 Footer Page of 145 Header Page of 145 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn I: GS.TSKH Bùi Văn Ga Người hướng dẫn II: PGS.TS Dƣơng Việt Dũng Phản biện 1: PGS TS Lê Anh Tuấn Phản biện 2: GS TS Vũ Đức Lập Phản biện 3: TS Lê Văn Tụy Luận án bảo vệ Hội đồng bảo vệ Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Động nhiệt họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 10 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Trung tâm Thông tin - Tư liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 145 Header Page of 145 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh: “Hệ thống cung cấp biogas cho động dual - fuel biogas/diesel” Tạp chí Khoa học - Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 2(25).2008, pp 17-22 Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh, Nguyễn Thế Anh, Hồ Tấn Quyền: “Xe gắn máy chạy biogas nén” Tuyển tập Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc Đà Nẵng 22-25/7/2009, pp 147-156 Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh, Trương Lê Bích Trâm: “Nghiên cứu hệ thống cung cấp biogas nén cho xe gắn máy” Tạp chí Giao thông Vận tải, số 12/2009, pp 79-82, 2009 Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Anh: “Ảnh hưởng yếu tố khác đến trình đánh lửa hỗn hợp biogas không khí lửa mồi diesel” Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc Cửa Lò - Nghệ An, 21-23/7/2011, pp 117-124 Trần Thanh Hải Tùng, Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ: “Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ số nén thành phần nhiên liệu biogas đến trình cháy động cơ” Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc Nha Trang, 26-28/7/2012, pp 747-756 Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ: “Mô trình cháy động dual fuel biogas - diesel” Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc Ninh Thuận, 26-28/7/2014, pp 164173 Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng: “Phân tích biến thiên áp suất động dual fuelbiogas-diesel cho mô thực nghiệm” Tạp chí Khoa học - Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 1(86).2015, pp 24-29 Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Bùi Văn Hùng: “Động hybrid Biogas-Diesel” Tạp chí Khoa học - Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 03(88).2015, pp 26-29 Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Anh, Nguyễn Việt Hải, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng: “Phát triển phương pháp đo hệ số tương đương ϕ động dual fuel biogas diesel” Tạp chí Khoa học - Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 05(90).2015, pp 43-46 Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh: “Mô trình cháy phát thải CO động dual fuel biogas-diesel” Tạp chí Giao thông Vận tải, số 4/2016, pp 6770, 2016 Footer Page of 145 Header Page of 145 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 Footer Page of 145 Header Page of 145 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 Footer Page of 145 Header Page of 145 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 Footer Page of 145 Header Page of 145 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 Footer Page of 145 Header Page of 145 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 Thiế t kế bô ̣ điề u tố c biogas cho đô ̣ng 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 Footer Page of 145 Hình 2.9: Header Page of 145 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 Footer Page of 145 Header Page 10 of 145 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 - 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:  1600x.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 biogas- Footer Page 10 of 145 Header Page 13 of 145 10 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 b) Hình 3.19: mức độ dao động  cao (hình 3.19b) 3.3 Ảnh hưởng yếu tố vận hành đến tính động dual fuel biogas-diesel Footer Page 13 of 145 Header Page 14 of 145 11 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 () Tia phun mồi diesel (T0)(a) 352 355 358 362 365 370 375 Footer Page 14 of 145 Tia lửa điện (%CH4)(b) Header Page 15 of 145 12 385 Hình 3.22 Hình 3.22 so sánh trình cháy 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 biogas-diesel nồng độ CH4 25 hỗn hợp thấp 1/1000 Trường hợp 22 O2 2.4 C12H23 ϕ 19 1.8 16 1.2 13 0.6 xem trình cháy động diesel Hình 3.24 giới thiệu biến thiên nhiệt độ môi chất buồng cháy 10 0 60 120 180 240 300 theo góc quay trục khuỷu động chạy tốc độ 1600 360 φ (độ) Hình 3.23: 90 2500 80 vòng/phút Nén 70 10mg/ct 2000 20mg/ct 60 Chúng ta 50mg/ct 40mg/ct 30mg/ct 30mg/ct 40mg/ct 50 1500 50mg/ct 20mg/ct 40 thấy nhiệt độ 1000 30 20 cực đại 500 10 0 cao 60 120 180 240 300 360 60 120 180 240 lượng phun Footer Page 15 of 145 Hình 3.25: Hình 3.24: 300 360 Header Page 16 of 145 chu trình lớn Tuy 13 4.2 24 nhiên lượng phun lớn hỗn hợp bắt đầu đậm dẫn đầu giảm Điều dẫn 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 cực đại giảm (hình 25 CH4 2.4 25 CH4 2.4 1.8 15 1.8 15 1.2 10 1.2 10 0.6 0.6 0 C12H23 60 120 180 fi 240 300 O2 0 360 60 120 180 c) 240 300 d) trình cháy động dual 20 C12H23 fi 3.3.4 Tính toán 25 CH4 2.4 20 C12H23 fi fuel biogas-diesel 3.3.4.1 Ảnh hưởng O2 lượng nhiên liệu phun mồi 1.8 15 1.2 10 0.6 0 60 120 180 240 300 360 Các hình 3.28a-e giới e) thiệu biến thiên nồng độ Hình 3.28: oxy, diesel, methane hệ số tương đương ϕ theo góc quay trục khuỷu động chạy tốc độ vòng/phút 1600 với biogas chứa 80% CH4 lượng phun diesel 20 mg/ct Tỉ lệ hỗn hợp f (fraction Footer Page 16 of 145 360 20 3.25) 300 b) O2 đến mức độ tăng áp suất 18 fi 2.8 CH4 đến cháy không hoàn toàn nên mức tăng nhiệt độ bắt CH4 18 40mg/chu trình 24 3.5 Hình3.32: 3.29: Hình Hình Hình3.30: 3.33: 360 Header Page 17 of 145 14 mixture) 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 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 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 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 Footer Page 17 of 145 Header Page 18 of 145 15 với tỉ lệ hỗn hợp khác Công suất có ích động tính từ công thị chu trình, tốc độ động hiệu suất giới Trong công trình không đo trực tiếp áp suất thị buồng Hình 3.41: Hình 3.42: 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 - 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 Footer Page 18 of 145 Header Page 19 of 145 16 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 Lắp họng venturi cung cấp biogas vào đường nạp động 4.2.4 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 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 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 Footer Page 19 of 145 Header Page 20 of 145 17 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 Hình 4.17: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 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 4.5 Ảnh hưởng hệ thống nạp chế độ vận hành động dual fuel đến hệ số tương đương ϕ 4.5.1 Ảnh hưởng độ mở bướm ga Biến thiên hệ số tương đương ϕ theo độ mở bướm ga ứng với biogas có chứa 60%, 70%, 80% CH4 động chạy tốc độ 2000 v/ph Để đạt hệ số tương đương ϕ =1 biogas chứa 60% CH4, Footer Page 20 of 145 Header Page 21 of 145 18 bướm ga phải mở 75 đến 80%, ứng với 1.8  biogas chứa 70% CH4, 80% CH4, điều 1.6 kiện đạt theo thứ tự ứng với độ 1.2 mở bướm ga 65% 55% (hình 4.19) 0.8 4.5.2 Ảnh hưởng tốc độ động 0.4 80% CH4 1.4 60% CH4 70% CH4 0.6 0.2 Biến thiên hệ số tương đương 20 40 ϕ theo độ mở bướm ga ứng với tốc độ động n=1800 v/ph, n=2000 v/ph n=2200 v/ph Chúng ta thấy tốc độ động 1.4 n=1800 v/ph 1.2 n=2200 v/ph 0.8 n=2000 v/ph tốc độ động đến ϕ tăng (hình 4.20) 0.6 0.4 4.5.3 Ảnh hưởng công suất động 0.2 20 Biến thiên công suất có ích theo hệ 40 số tương đương ϕ động dual fuel thực nghiệm cho thấy hàm lượng CH4 biogas cao đỉnh đường cong dịch vị trí ϕ =1 Có thể lấy giá trị gần ϕ mà công suất 100 1.6 độ mở bướm ga lớn ảnh hưởng 60% CH4, 70% CH4 80% CH4 Kết 80 % độ mở bướm ga  giảm hệ số tương đương ϕ tăng nhẹ Khi biogas-diesel chạy biogas chứa 60 Hình 4.19: 60 80 100 % độ mở bướm ga Hình 4.20: Pe(kW) 18 80% CH4 16 14 12 70% CH4 10 60% CH4  0.2 0.4 có ích động đạt giá trị cực đại 0.6 0.8 1.2 1.4 Hình 4.21: 1,15; 1,10 1,05 tương ứng với biogas chứa 60% CH4, 70% CH4 80% CH4 (hình 4.21) 4.6 Phân tích tính động dual fuel biogas-diesel 4.6.1 Đường đặc tính động dual fuel biogas-diesel Kết thực nghiệm đo đường đặc tính động dual fuel sau cải tạo Lượng phun diesel cố định 10% lượng Footer Page 21 of 145 1.6 Header Page 22 of 145 phun cực đại có thành phần CH4 thay đổi mức 60%, 70% 80% (hình Hình 18 Đường đặc tính nhả khói đen động diesel Pe (kW) cung cấp cho động 4.22) 20 18 16 16 Pe (HP) Biogas 19 14 14 12 Đường đặc tính động diesel 12 10 10 8 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 1200 2400 1400 1600 1800 2000 2200 n (rpm) n (vòng/phút) Hình 4.22: Hình 4.23: 4.23 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 4.6.2 Đường đặc tính cục động dual fuel biogas-diesel Đường đặc tính cục động 20 dual fuel chạy biogas nén ϕ=0,9; ϕ=0,8 ϕ=0,7 Các hệ số tương 16 Pe (HP) chứa 80% CH4 với hệ số tương đương 12 đương tương ứng với độ mở van cung cấp biogas 57%, 52% 1000 20 Thí nghiệm thực với độ thí nghiệm, ta điều chỉnh tải phanh để động chạy ổn định tốc độ 1000 v/ph Sau đó, giảm tải cản phanh dần Footer Page 22 of 145 2200 Hình 4.24: 4.6.3 Đường đặc tính điều tốc 18 16 Pe (HP) điều tốc tính toán 2200 v/ph Khi bắt đầu 1800 n (vòng/phút) 46% (hình 4.24) giãn lò xo 43,1mm, tương ứng với tốc độ 1400 14 12 10 1000 1400 1800 n (vòng/phút) Hình 4.25: 2200 Header Page 23 of 145 20 tốc độ động đạt khoảng 2150 v/ph giảm tải cản, công suất động giảm tốc độ động dao động phạm vi hẹp (hình 4.25) 4.6.4 Tiêu hao nhiên liệu diesel để đánh lửa động dual fuel biogas-diesel 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 4.26: 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 4.26) 4.6.5 Ảnh hưởng lượng phun diesel Ảnh hưởng lượng phun dual fuel biogas-diesel Kết 16 Pe (kW) diesel đến công suất có ích động 14 Đặc tính động diesel cho thấy, động chạy với biogas chứa 60% CH4 để đạt công suất định mức động 12 10 diesel trước cải tạo phải tăng lượng phun diesel đến 30% lượng phun định mức (hình 4.27) Footer Page 23 of 145 1200 1400 1600 1800 2000 n (rpm) Hình 4.27: 2200 Header Page 24 of 145 21 4.7 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% - 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 - 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 Footer Page 24 of 145 Header Page 25 of 145 22 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 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 Footer Page 25 of 145 Header Page 26 of 145 23 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 biogasdiesel 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 Footer Page 26 of 145 Header Page 27 of 145 24 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 Footer Page 27 of 145 ... 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 Footer... 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... [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