Việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sạch cho động cơ đốt trong là cần thiết phù hợp với xu thế chung hiện nay Do vậy nghiên cứu một cách cơ bản thiết kế chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng biogas – hydrogen để thay thế phần lớn nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu biogas sẽ góp phần giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiêm môi trường Đề tài này tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biogas hydrogen Bộ điều tốc này tích hợp bên trong cơ cấu truyền động của động cơ Khi chạy bằng biogas lò xo điều tốc diesel thả lỏng ở chế độ không tải Tốc độ động cơ được giữ ổn định nhờ bộ điều tốc biogas Bộ điều tốc này sử dụng bộ phận cảm ứng tốc độ của động cơ diesel nguyên thủy Với bộ điều tốc này thiết kế này động cơ dual fuel biogas diesel có mức độ dao động tốc độ khoảng 100 vòng phút tức khoảng 5 so với tốc độ trung bình
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ HỮU TUYÊN C C R L T THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ DU DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ HỮU TUYÊN THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ C C DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN R L T DU Chuyên Ngành Mã số : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Người hướng dẫn khoa học: TS PHAN MINH ĐỨC Đà Nẵng – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết tơi trình bày luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn C C LÊ HỮU TUYÊN DU R L T THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN Học viên: Lê Hữu Tuyên Chuyên ngành: Kỹ thuật Động nhiệt Mã số: 85.20.11.6 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt- Việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu cho động đốt cần thiết, phù hợp với xu chung Do vậy, nghiên cứu cách bản, thiết kế chuyển đổi động diesel sang sử dụng biogas – hydrogen để thay phần lớn nhiên liệu diesel nhiên liệu biogas góp phần giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch giảm ô nhiêm môi trường Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế điều tốc động diesel sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen Bộ điều tốc tích hợp bên cấu truyền động động Khi chạy biogas, lò xo điều tốc diesel thả lỏng chế độ không tải Tốc độ động giữ ổn định nhờ điều tốc biogas Bộ điều tốc sử dụng phận cảm ứng tốc độ động diesel nguyên thủy.Với điều tốc thiết kế này, động dual fuel biogas-diesel có mức độ dao động tốc độ khoảng 100 vịng/phút, tức khoảng 5% so với tốc độ trung bình C C R L T Từ khóa – Nhiên liệu tái tạo; Biogas; động lưỡng nhiên liệu biogas/diesel; Động biogas, điều tốc động DU DESIGN CREATION THE SPEED GOVERNOR FOR DIESELEN GINE USING BIOGAS-HYDROGEN FUEL Abstract – Research and application of clean fuels for internal combustion engines is needed, consistent with the current general trend Therefore, basic research, designing a conversion of diesel engine using biogas - hydrogen to replace most of diesel fuel with biogas will contribute to reducing dependence on fossil fuels and reducing Environmental pollution The thesis focus on the study, design of the diesel speed governor using biogas-hydrogen fuel This governor is integated into the engine mechanism When running on the biogas fuel, the spring of diesel governor is zero at idle regime The speed engine is kept constand by the biogas governor This governor uses the speed sensor of the original diesel engine With the governor’s study, The dualfuel biogas-diesel engine has speed fluctuation of about 100 rpm, or about 5% of the average speed Key words - Renewable fuels; Biogas; dualfuel biogas/diesel engine; Biogas engines, governor engine MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 5.1 Ý nghĩa khoa học C C R L T 5.2 Ý nghĩa thực tiễn CẤU TRÚC LUẬN VĂN DU Chương - TỔNG QUAN 1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG 1.1.1 Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu 1.1.2 Hiểm họa xảy Việt Nam 1.1.3 Vấn đề ô nhiễm môi trường nguồn lượng hóa thạch gây 1.2 SỰ CẦN THIẾT PHẢI CÓ NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ 1.3 ƯU THẾ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS 1.4 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HYDROGEN 1.4.1 Đặc điểm khí Methane 1.4.2 Đặc điểm khí Sunfua hydro 1.4.3 Đặc điểm khí Cacbon dioxyt 1.4.4 Đặc điểm khí hydrogen 10 1.4.5 Yêu cầu biogas sử dụng động đốt 11 1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 12 1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas Hydrogen cho động đốt giới 12 1.5.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas Hydrogen cho động đốt Việt Nam 15 1.6 KẾT LUẬN 18 Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỘ ĐIỀU TỐC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL 20 2.1 TỔNG QUAN ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ 20 2.1.1 Tính ổn định động 20 2.1.2 Những điều kiện làm việc động cần lắp điều tốc 21 2.1.3 Giới thiệu loại điều tốc phổ biến 24 2.1.4 Bộ điều tốc trực tiếp nhiều chế độ 25 2.1.5 Các điều tốc gián tiếp 27 2.2 TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP 30 2.3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ NHIÊN LIỆU KÉP 31 2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 32 2.4.1 Cơ sở lý thuyết 32 2.4.2 Phương pháp tính tốn 36 C C 2.5 KẾT LUẬN 37 Chương 3- THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG BIOGAS-HYDROGEN 38 R L T DU 3.1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 38 3.2 MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ơ NHIỄM ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-HYDROGEN 38 3.2.1 Thiết lập mơ hình tính tốn 38 3.2.2 Kết mô 40 3.3 KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ EV2600NB 44 3.3.1 Công dụng phân loại điều tốc 44 3.3.2 Phân loại[10] 44 3.3.3 Cấu tạo điều tốc động EV2600 44 3.3.4 Nguyên lý làm việc 45 3.4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ EV2600-NB DUAL FUEL DIESEL-BIOGAS 45 3.4.1 Nguyên lý điều khiển động dual fuel biogas-diesel 45 3.4.2 Phương án chuyển đổi động diesel thành động dualfuel biogas-diesel 46 3.5 TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS 50 3.5.1 Sơ đồ tính tốn thơng số chọn 50 3.5.2 Các bước tính 52 3.6 KẾT LUẬN 54 Chương 4- THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ VỚI BỘ ĐIỀU TỐC MỚI 55 4.1 MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU 55 4.1.1 Mục đích 55 4.1.2 Yêu cầu 55 4.2 HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 55 4.2.1 Bố trí hệ thống thí nghiệm 55 4.2.2 Các thiết bị phục vụ thí nghiệm 56 4.2.3 Qui trình thực nghiệm 56 4.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 57 4.4 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .60 C C DU R L T DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 Hiểm họa gia tăng nhiệt độ trái đất Hình Nguồn: Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ Hình Cơng thức phân tử methane Hình Cơng thức phân tử H2S .8 Hình Cơng thức phân tử CO2 10 Hình Tính ổn định động .21 Hình 2 Chế độ khơng tải động Diesel(a) động Xăng(b) 22 Hình Động quay chân vịt tàu thủy .23 Hình Sơ đồ điều tốc khí trực tiếp chế độ (a), chế độ làm việc động (b) .24 C C Hình Sơ đồ điều tốc giới hạn (a) chế độ àm việc động .25 Hình Sơ đồ điều tốc nhiều chế độ Đặc tính động Diesel lắp điều tốc nhiều chế độ 26 R L T Hình Sơ đồ điều tốc chân không nhiều chế độ 27 DU Hình Sơ đồ điều tốc tác dụng gián tiếp khơng có liên hệ ngược(a); có liên hệ ngược nối cứng (b) liên hệ ngược nối mềm(c) 29 Hình Chế độ làm việc động gắn điều tốc .31 Hình 10 Nguyên lý cấp biogas tự động điều tốc ly tâm 32 Hình 11 Phần tử cảm biến khí 33 Hình 12 Xác định nhân tố ổn định phần tử cảm biến khí 34 Hình 13 Độ khơng nhạy điều tốc khí 35 Hình Mơ hình tính tốn mơ 39 Hình Diễn biến đồng mức nồng độ nhiên liệu HC, diesel, nhiệt độ T, CO, NOx, nồng độ thể tích bồ hóng fv trường tốc độ dịng khí buồng cháy động dualful biogas-hydrogen/diesel .41 Hình 3 Diễn biến áp suất xi lanh động theo gọc quay trục khuỷu tốc độ 2400 vòng/phút; M7C3; 20% Hydrogen; fi77-86 fi=0,77 trước phun mồi diesel fi=0,86 sau phun mồi diesel 41 Hình Ảnh hưởng hệ số tương đương đến nồng độ NOx động hoạt động tốc độ 2400 vòng/phút; M7C3; 20% Hydrogen .42 Hình Ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên nồng độ CO theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3 pha 20% hydrogen; n=2400 vong/phút) 43 Hình ảnh hưởng hệ số tương đương đến nồng độ HC theo góc quay trục khuỷa 43 Hình Kết cấu điều tốc 44 Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển động dual fuel biogas-diesel .46 Hình Cắt bớt đầu trục cân động 47 Hình 10 Gia cơng lại bánh số 48 Hình 11 Vị trí lắp điều tốc biogas 48 Hình 12 Vị trí lắp trục cần điều khiển .50 Hình 13 Hệ thống điều khiển 50 Hình 14 Sơ đồ tính tốn điều tốc điều chỉnh van tiết lưu biogas dạng cánh bướm 51 Hình 15 Quan hệ tốc độ động độ giãn dài lò xo 54 Hình Bố trí lắp đặt thử nghiệm .55 Hình Thiết bị gây tải .56 Hình Đường đặc tính tải tốc độ 3000 v/p ứng với 60%Biogas 58 C C DU R L T DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Một số tính chất CH4 [10], [11], [15] Bảng tính chất quan trọng H2S Bảng Một số tính chất SO2 [10], [11], [15] .10 Bảng Tính chất vật lý Hydro 11 Bảng Thông số động Vikyno EV2600-NB 38 Bảng Quan hệ độ giãn lò xo điều tốc biogas tốc độ động .45 Bảng 3 Các thông số đo điều tốc biogas 51 Bảng 3.4: Tốc độ làm việc động độ giãn dài lò xo điều tốc chạy biogas có 60% CH4 53 Bảng Công suất động kéo máy phát điện 57 C C DU R L T 63 biogas/diesel duel-fuel engine, Renewable Energy, Vol (6), pp 10071010 [29] Solomon Susan (2007), Climate change 2007-the physical science basis: Working group I contribution to the fourth assessment report of the IPCC 4, Cambridge University Press [30] Stephen P Marshall, Richard Stone, Crina Heghes, Trevor J Davies, Roger F Cracknell (2010), High pressure laminar burning velocity measurements and modelling of methane and n-butane, Combustion Theory and Modelling, 14(4), pp 519-540 [31] V Deri G Mancini (1990), Development of medium-speed and high- C C speed diesel engines to burn natural gas, biogas and lean gas on stationary plants, Proceedings - Society of Automotive Engineers, pp R L T 837-847 Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH DU C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... cứu, thiết kế điều tốc động diesel sử dụng nhiên liệu biogas- hydrogen Bộ điều tốc tích hợp bên cấu truyền động động Khi chạy biogas, lò xo điều tốc diesel thả lỏng chế độ không tải Tốc độ động. .. lớn nhiên liệu diesel nhiên liệu biogas góp phần giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch giảm nhiêm mơi trường Vì đề tài ? ?Thiết kế chế tạo điều tốc động diesel sử dụng nhiên liệu biogas- hydrogen? ??... cấp nhiên liệu cho động diesel, động diesel kéo máy phát điện; Chương 3: Nghiên cứu giải pháp điều tốc cho động diesel dùng nhiên liệu biogas – hydrogen; Thiết kế chế tạo điều tốc cho động diesel