Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ honda GX120

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

1 TỔNG QUAN VỀ BIOGAS 5

1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY 5

1.2 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA BIOGAS 5

1.2.1 Ngoài nước 5

1.2.2 Trong nước 6

1.2.3 Kết luận 7

1.3 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BIOGAS 8

1.3.1 Tính chất của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 8

1.3.2 Yêu cầu của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 9

1.3.3 Công nghệ xử lý Biogas 10

1.4 ỨNG DỤNG CỦA BIOGAS 12

2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN ÐỔI ÐỘNG CƠ CỠ NHỎ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNGSANG SỬ DỤNG BIOGAS 13

2.1 ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG 13

2.1.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống nhiên liệu động cơ xăng 13

2.1.2 Phân loại hệ thống nhiên liệu động cơ xăng dùng chế hòa khí 13

2.1.3 Phân loại bộ chế hòa khí 14

2.1.4 Các hệ thống trong bộ chế hòa khí điều khiển cơ khí 15

2.2 LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ CHUYỂN ĐỔI 17

2.2.1 Yêu cầu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu Biogas 17

2.2.2 Lựa chọn động cơ chuyển đổi: 17

2.3 GIỚI THIỆU ÐẶC TÍNH KỸ THUẬT ÐỘNG CƠ HONDA GX120 18

2.3.1 Các thông số của động cơ 19

2.3.2 Ðặc điểm hệ thống nhiên liệu của động cơ 20

3 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT CỦA ÐỘNG CƠ 23

3.1 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ DÙNG XĂNG 23

3.1.1.Cơ sở tính toán 23

4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU BIOGAS 41

4.1 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG ÁN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU 41

4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU CHỈNH THÀNH PHẦN HỖN HỢP 41

4.3 ĐẶC TÍNH CỦA BỘ CHẾ HÒA KHÍ 42

4.3.1 Xác định Gk qua bộ chế hòa khí đơn giản 43

4.3.2 Xác định Gnl qua bộ chế hòa khí đơn giản 44

4.3.3 Đặc tính bộ chế hòa khí đơn giản 46

4.4 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ HỖN HỢP 48

4.4.1 Yêu cầu của bộ hỗn hợp 48

5.1.2 Vòi phun không tải 60

5.1.3 Gíclơ không tải 60

6.2 CÁC THÔNG SỐ CẦN ĐO 64

6.2.1 Công suất động cơ: P[KW] 64

6.2.2 Đo tiêu hao nhiên liệu: Ve[m3/h] 66

6.2.3 Đo mức độ phát thải ô nhiễm 66

6.3 XÂY DỰNG CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH 71

6.3.1 Cơ sở lý thuyết 71

6.3.2 Trình tự đo 72

6.4 KẾT QUẢ THỬ 73

6.4.1 Nhiên liệu Biogas 73

6.4.2 Nhiên liệu Xăng 75

6.5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 78

7 KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80CÁC BẢN VẼ:

- Bản vẽ mặt cắt động cơ HONDA GX120 (A3)

- Bản vẽ bộ chế hòa khí động cơ HONDA GX120 (A3) - Bản vẽ đồ thị công (A3)

- Bản vẽ các phương án cung cấp Biogas (A3)

- Bản vẽ sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu Biogas (A3)

- Bản vẽ bộ hỗn hợp dùng lưỡng nhiên liệu Xăng – Biogas (A3)- Bản vẽ chế tạo các chi tiết trong bộ hỗn hợp (A3)

- Bảng kết quả thử nghiệm (A3).

LỜI NÓI ĐẦU

Trong chương trình đào tạo của các trường Đại học Kỹ thuật hiện nay, mộtsố môn học chuyên ngành sau khi học xong phần lý thuyết sinh viên sẽ phải làm đồán môn học Thông qua việc làm đồ án giúp sinh viên củng cố lại kiến thức đã họcvà vận dụng để giải quyết một vấn đề cụ thể nào đó.Vào kỳ cuối, những sinh viênnào đủ điều kiện sẽ được nhận đồ án tốt nghiệp Đề tài tốt nghiệp có ý nghĩa quantrọng trong việc đánh giá học lực của sinh viên và quyết định sinh viên có đủ điềukiện tốt nghiệp hay không.

Là một sinh viên năm cuối Khoa Cơ Khí Giao Thông – Trường Đại họcBách khoa, cũng như các bạn sinh viên khác trong trường em đã được các thầy côgiáo cung cấp những kiến thức hết sức quan trọng về đại cương cũng như chuyênngành để làm hành trang cho mình sau này sẽ vận dụng vào cuộc sống Sau khiđược xét đủ điều kiện nhận tốt nghiệp cùng với sự định hướng của Thầy giáo Chủ

nhiệm TS Trần Thanh Hải Tùng - người đã hướng dẫn em tận tình và xuyên suốt

đề tài này - em đã chọn cho mình đề tài “Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu

Biogas cho động cơ Honda GX120” Trong thời gian thực hiện đề tài em đã luôn

luôn cố gắng vận dụng những kiến thức chuyên môn, sưu tầm tài liệu và cộng tácvới Phân Viện bảo hộ lao động & Bảo vệ môi trường khu vực Miền Trung – Tây

Nguyên, cùng với sự giúp đỡ của Thầy giáo Phùng Minh Nguyên trong quá trìnhchế tạo, lắp đặt, chạy thử động cơ cuối cùng em cũng đã hoàn thành đề tài của

mình Mặc dù đề tài đã hoàn thành nhưng sẽ còn một số vấn đề chưa được giảiquyết triệt để Vì vậy em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô để đề tài của emcó thể hoàn thành tốt hơn nữa !

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn và gửi lời chúc sức khỏe đến các thầycô giáo!

Đà Nẵng, ngày 2 tháng 6 năm 2007 Sinh viên thực hiện

NGUYỄN VĂN TRIỀU

1 TỔNG QUAN VỀ BIOGAS

1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển như vũ bão như ngày nay thì nhucầu về năng lượng là rất cần thiết, trong khi các nguồn năng lượng dự trữ như thanđá, dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn khiến cho nhân loạicó nguy cơ đứng trước việc thiếu năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồnnăng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gío,năng lượng mặt trời … là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch pháttriển năng lượng Khắp nơi trên thế giới, dân số ngày càng tăng khiến cho nhu cầutiêu thụ năng lượng phục vụ sinh hoạt cũng tăng lên, bên cạnh việc nghiên cứu sửdụng các nguồn năng lượng mới nói trên thì lĩnh vực về khí sinh học (Biogas) đãđược triển khai và đạt được một số thành tựu đáng kể ở nhiều nước nhất là các nướcđang phát triển Châu Á.

1.2 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA BIOGAS

Có thể nói rằng, Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia có sự phát triển nhanhchóng về công nghệ xây dựng các bể lên men mêtan

* Ấn Độ

Công nghệ khí sinh học bắt đầu ở Ấn Độ bắt đầu từ năm 1897 Ban đầu, cáctrạm Biogas chỉ có quy mô hộ gia đình Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đìnhẤn Độ chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng Biogas Năm 1985, ẤnĐộ có khoảng 1 triệu bể với chi phí xây dựng khoảng 55 triệu đô la Tính tới năm1999 đã có tới 2,9 triệu công trình hầm khí sinh học gia đình và 2700 công trình

hầm khí tập thể xử lý phân người được xây dựng Ước tính số công trình này hàngnăm tiết kiệm 3 triệu tấn củi và 0,7 triệu tấn Urê Tháng 3 năm 2000, Ấn Độ có 3triệu công trình hầm khí sinh học

* Trung Quốc

Lịch sử phát triển khí sinh học ở Trung Quốc bắt đầu từ cuối thế kỷ XIX.Năm 1978 đã xây dựng 7,5 triệu bể với hàng năm tạo ra khoảng 2,5 tỷ m3 khímêtan, tương đương 1,5 triệu tấn dầu mỏ Cho đến năm 1979, trên lãnh thổ TrungQuốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng khí Biogas Riêng ở tỉnh Sichuan cáctrạm này có tổng công suất là 1.500kW Đến 1985, Trung Quốc đã xây dựng được70 triệu bể khí mêtan Từ những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trước, người ta đãtính toán đến việc sử dụng năng lượng sinh học để thay thế các dạng năng lượng sửdụng nhiên liệu hoá thạch và Biogas đã trở thành đối tượng cho chương trìnhnghiên cứu năng lượng phục vụ nông thôn của Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụngNăng lượng và Công nghệ mới - Bộ Nông nghiệp Trung Quốc (1994) Cuối năm2003, Trung Quốc có hơn 9,7 triệu hầm cho các hộ gia đình trên toàn quốc Trên90% hầm đang hoạt động tốt, sản xuất ra khoảng 2.980.000 m3/năm Biogas chủ yếuđược sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng và chạy các động cơ phát điện

1.2.2 Trong nước

Công nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từnhững năm 1960 Lịch sử phát triển công nghệ khí sinh học ở Việt Nam chia thành4 thời kỳ chính.

* Thời kỳ 1960 – 1975:

Đã tiến hành thí nghiệm biện pháp sản xuất khí Mêtan từ phân động vậtnhưng cuối cùng cũng không thành công Nguyên nhân là do nhập cảnh ồ ạt các loạikhí đốt Butan, Propan và phân hóa học.

* Thời kỳ 1976 – 1980:

Chế tạo thiết bị sản xuất khí sinh học loại nắp nổi bằng tôn, bể phân hủy xâybằng gạch và cổ bể có gioăng nước để giữ kín khí được tích trong nắp chứa khí Tuynhiên, việc thử nghiệm trên bị thất bại do kỹ thuật và quản lý

Nói chung toàn quốc có khoảng 2000 công trình Đa số các công trình đềuhoạt động tốt, với thể tích khoảng 2200 m3

* Thời kỳ 1991 tới nay:

Những năm 1999 trở lại đây nhiều nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu,triển khai nhiều công trình xử lý chất thải bằng hệ thống khí sinh học Biogas (môhình hình cầu của Viện năng lượng với thể tích 5m3, 7m3, 8m3, 10m3, 15m3, mô hìnhNL-6…) đã tạo ra một nguồn phân bón đáng kể, khả năng giải quyết nguồn nănglượng sạch tại chỗ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Ở miền Trung, Tây Nguyên,hàng loạt các mô hình bể Biogas cũng được áp dụng cho các hộ chăn nuôi gia súc,các nông trường chăn nuôi trên địa bàn như mô hình của Trung tâm Năng lượngmới (Sở KHCN TP Đà Nẵng, mô hình bể Biogas phá váng tự động của Phân ViệnBHLĐ và Bảo vệ Môi trường miền Trung, Tây nguyên (Đề tài 203-02/VBH) Nhiềutổ chức quốc tế đang quan tâm phát triển công nghệ ở Việt Nam: họ tổ chức nhiềuhội thảo, tài trợ nhiều dự án phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta Các dự ánNLSK có cơ hội tận dụng cơ chế phát triển sạch (CDM) để thu hút vốn đầu tư.Nhiều công nghệ đã được hoàn thiện, ứng dụng thương mại nên Việt Nam có thểnhập và ứng dụng, tránh được rủi ro về công nghệ.

1.2.3 Kết luận

Chất thải của quá trình sản xuất như một nguồn năng lượng, đó là một môhình lý tưởng cho xã hội Việc sử dụng nguồn năng lượng này ở những dạng khácnhau phải hết sức cẩn thận, phụ thuộc vào điều kiện khí hậu từng địa phương, mậtđộ dân số, nguồn đất sẵn có, điều kiện thổ nhưỡng, thời tiết và nhiều nhân tố khác.

Nguồn năng lượng sinh khối từ nhiên liệu tái tạo chiếm một vị trí quan trọng

Bảng 1.1 Một số tính chất của Biogas

trong nguồn năng lượng tổng số nhưng chỉ mới được tận dụng một phần Nhiều cơhội còn tiềm ẩn, nhiều chương trình đã được triển khai, nhiều dự án đã được lên kếhoạch nhằm sử dụng triệt để nguồn năng lượng này

Trong xu thế này, chúng ta là những người trong lĩnh vực khoa học kỹ thuậtnói chung, ngành Động Lực nói riêng cần phải phát huy vai trò của mình nghiêncứu cặn kẽ hơn nữa về nguồn năng lượng này để ứng dụng nó làm nguồn nănglượng cho động cơ đốt trong Điều này không những giải quyết được về vấn đềnăng lượng đang có nguy cơ thiếu hụt hiện nay mà còn góp phần giải quyết vấn đềmôi trường Mặt khác cũng mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của động cơ đốttrong đối với thực tiễn

1.3 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BIOGAS

1.3.1 Tính chất của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

Tính chất vật lý và hoá học của Biogas có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọncông nghệ sử dụng cho việc xử lý và đốt cháy Biogas Thành phần chính củaBiogas là CH4 và CO2 Các tính chất vật lý liên quan đến chúng và sẽ được liệt kêsau đây:

Các tính chất vật lýMethane (CH4)Carbon Dioxide (CO2)

Tỷ lệ cháy hoàn toàn

trong không khí 0,0581 Khối lượng0,0947 Thể tích

* Nhiệt trị của nhiên liệu:

Giá trị nhiệt cao của methane, chất cháy cơ bản trong Biogas, là 1012 Btu/ft3

(37,71.103KJ/m3) Giá trị nhiệt thấp được định nghĩa bằng giá trị nhiệt cao trừ đinăng lượng cần thiết để làm bay hơi nước trong nhiên liệu và sản phẩm cháy Đốivới methane giá trị nhiệt thấp là 912 Btu/ft3(33,98.103KJ)

* Các chất cơ bản trong Biogas:

Ngoài hai thành phần chính là CH4 và CO2 còn có các tạp chất cơ bản dạngkhí có mặt trong Biogas được liệt kê dưới đây:

- Hydrogen sulfide H2S - Hơi nước H2O

1.3.2 Yêu cầu của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

Vấn đề đáng quan tâm và cần được nghiên cứu tiếp là làm sao có thể nângcao hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khí thải động gây ra Tabiết rằng trong Biogas có một lượng đáng kể hydrogen sulfide H2S (khoảng10.000ppm thậm chí sau khi qua các thiết bị xử lý vẫn còn khoảng 200-400ppmH2S) là một khí rất độc tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khi Biogas được sử dụnglàm nhiên liệu, khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết của động cơ, sản phẩm của nó làSOx cũng là một khí rất độc cho con người (TCVN cho phép là 0,3mg/m3) Vì thế,hoàn thiện quá trình cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas là vấn đề đặt rađể có thể vừa kéo dài tuổi thọ động cơ vừa giảm thiểu ô nhiễm trong khí thải độngcơ Hàm lượng của các chất này không được vượt quá mức cho phép.

Mặc dù không phải là chất chiếm nhiều trong Biogas như carbon dioxide,nhưng hơi nước có thể có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc trưng của quá trình cháyBiogas Dù hàm lượng nhỏ nhưng hơi nước đã ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas.

Ngoài ra nó làm tăng nguy cơ ăn mòn thiết bị, do đó cần thiết phải giảm lượng hơinước có trong Biogas Phụ thuộc vào nhiệt độ thông thường Biogas lấy ngay từ hầmphân huỷ có hàm lượng ẩm khoảng 50 mg/l, gần với nồng độ bão hoà

1.3.3 Công nghệ xử lý Biogas

Khử acide là quá trình tách các khí acide (CO2 và H2S) ra khỏi thành phầnkhí Biogas Thông thường loại bỏ H2S yêu cầu triệt để hơn vì vấn đề sức khỏe conngười, môi trường và yêu cầu của việc vận chuyển

Bao gồm hai phương pháp: Hấp thụ hóa học và hấp thụ vật lý.b) Hấp phụ trong rắn

Hấp phụ là quá trình hút khí bằng chất rắn.

Bao gồm hai phương pháp: Hấp phụ hóa học và phương pháp hấp phụ vật lý.Quá trình hấp phụ triệt để hơn, nó được ứng dụng trong những trường hợpkhông thể dùng hấp thụ được Cụ thể là khi hỗn hợp khí loãng quá nếu dùng hấp thụthì hiệu suất rất thấp và không kinh tế, hay là khi tính chất các cấu tử gần giốngnhau cũng không thể hấp thụ được Trong những trường hợp này nếu dùng hấp phụthì kinh tế hơn

1.3.3.2 Các phương pháp xử lý thay thế:

a) Xử lý H2S tại chỗ (ngay trong hầm phân hủy)

Phương pháp: Cho ngay các Ion clorides, phosphates và các oxide vào tronghầm nhằm kết hợp với H2S để hình thành kết tủa Sulfides sắt.

Ưu điểm: Có thể tách khí H2S có nồng độ cao.

Nhược điểm: Thường phải kết hợp với công nghệ xử lý khác để giảm hàmlượng H2S xuống còn dưới 10 ppm Các vấn đề nảy sinh là sự tích lũy sulfide sắt kếttủa cũng có thể gây đầy hầm phân hủy.

Ưu điểm: Ở quy mô lớn, hiệu quả xử lý có thể loại được 80-95% Hàm lượngH2S giảm xuống đến 20-100 ppm, khi bơm khoảng 5% không khí vào hầm

Nhược điểm: Sẽ xuất hiện một lớp váng lưu huỳnh đóng trên bề mặt thoángcó khả năng ăn mòn thiết bị Ngoài ra, cần chú ý tránh tạo thành hỗn hợp khí nổ khisử dụng phương pháp này.

1.3.3.3 Loại bỏ H2S bằng phương pháp sinh học:

Đây là phương pháp được lựa chọn Chất hấp phụ là phân bò, loại nguyênliệu sẵn có và rẻ tiền.

Nguyên lý: Khí Biogas từ hầm sau khi lọc bụi, điều áp, điều nhiệt và gia ẩmđược đưa qua cột hấp phụ từ phía đáy cột Bên trong cột hấp phụ có một lớp đệmsinh học, tại đây các vi khuẩn sẽ phân hủy các hợp chất hóa học Khí ra khỏi cột từphía đỉnh cột là khí đã được xử lý.

Lớp đệm sinh họcVi khuẩn hoạt động phân huỷ các hợp chất hoá học

KhíKhí từ hầm

Lọc bụi

Điều áp

Tuần hoàn

Hệ thống phân Bổ sung nước, chất

dinh dưỡng, điều chỉnh pH

Nước, chất dinh dưỡng, điều chỉnh pHLấy mẫu

Khí sau xử lý

Tạo nănglượngCông suất

trên trục Vận tảiQuạt

BơmMáy nén

Phát nhiệtĐiện

Xe tảiMáy kéo

Cấp nhiệt, làm lạnh

Máy phát thuỷlực

Phát điện

2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN ÐỔI ÐỘNG CƠ CỠ NHỎ SỬ DỤNG NHIÊNLIỆU XĂNG SANG SỬ DỤNG BIOGAS

2.1 ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG

2.1.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống nhiên liệu động cơ xăng

2.1.2 Phân loại hệ thống nhiên liệu động cơ xăng dùng chế hòa khí

Hiện nay đối với hệ thống nhiên liệu động cơ xăng có hai loại chính.

+ Dùng bộ chế hoà khí điều khiển điện tử.

Sơ đồ hệ thống cưỡng bức dùng trên động cơ ôtô được thể hiện trên hình 2.1.

Nguyên lý làm việc:

Xăng chứa trong bình (1) và được bơm chuyển (4) đưa vào bộ chế hòa khí(5) Nhờ bầu phao và van kim trong bộ chế hòa khí nên mức xăng luôn luôn đượcgiữ ở mức nhất định Không khí được hút vào qua lọc không khí (6), họng bộ chếhòa khí có tiết diện thu hẹp dần nên tốc độ không khí tại họng rất lớn tạo ra độ chânkhông để hút xăng vào họng qua vòi phun Tại đây nhiên liệu được hòa trộn với

không khí tạo thành hỗn hợp không khí – nhiên liệu để đi vào đường nạp (7) củađộng cơ và cung cấp cho động cơ trong kỳ nạp.

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ có chế hòa khí dùng trên ôtô.

1 - Bình xăng; 2 - Ống dẫn xăng; 3 - Lọc xăng; 4 - Bơm xăng; 5 - Bộ chế hòa khí; 6 - Lọc không khí; 7 - Đường ống nạp; 8 - Đường ống thải; 9 - Ống tiêu âm.

2.1.3 Phân loại bộ chế hòa khí

2.1.3.1 Phân loại theo nguyên tắc cung cấp xăng vào hệ thống phun chính:

+ Bộ chế hòa khí không có buồng phao: Có hai loại: loại phun và loại hút.+ Bộ chế hòa khí có buồng phao: Là bộ chế hòa khí kiểu hút Bộ chế hòa khíkiểu hút chia làm 3 loại:

- Lọai hút xuống.- Loại hút lên.- Loại hút ngang.

2.1.3.1 Phân loại theo số họng trên buồng hỗn hợp:

+ Bộ chế hòa khí một họng.+ Bộ chế hòa khí hai họng.

2.1.3.1 Phân loại theo số buồng hỗn hợp:

+ Loại một buồng.

+ Loại hai buồng.

2.1.3.1 Phân loại theo phương pháp điều khiển:

+ Điều khiển cơ khí.+ Điều khiển điện tử.

2.1.4 Các hệ thống trong bộ chế hòa khí điều khiển cơ khí

2.1.4.1 Hệ thống phun chính:

Hệ thống phun chính có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu chính cho mọi chế độlàm việc của động cơ đảm bảo cho hỗn hợp được nhạt dần khi tăng độ mở bướm ga.Gồm các loại:

- Hệ thống phun chính điều chỉnh độ chân không sau giclơ chính.- Hệ thống phun chính có giclơ bổ sung.

- Hệ thống phun chính thay đổi độ chân không tại họng.

- Hệ thống phun chính điều chỉnh tiết diện giclơ chính kết hợp với hệ thốngkhông tải.

- Hệ thống chính điều khiển tiết diện gíclơ chính: theo phương pháp dẫnđộng người ta chia làm 2 loại:

+ Dẫn động cơ khí.+ Dẫn động chân không.

2.1.4.2 Hệ thống phụ:

* Hệ thống làm đậm:

Hệ thống làm đậm cung cấp thêm một lượng nhiện liệu làm đậm hỗn hợp tớimức cần thiết ( = 0,8 ÷ 0,9), để động cơ phát ra công suất cực đại khi mở hoàntoàn bướm ga.

Theo phương pháp dẫn động có thể chia 2 loại: dẫn động bằng cơ khí và dẫnđộng bằng chân không.

Phương án dẫn động cơ khí đơn giản nhưng thời điểm bắt đầu làm việc củahệ thống làm đậm chỉ phụ thuộc vào vị trí bướm ga, không phụ thuộc vào số vòngquay.

* Hệ thống không tải:

Khi động cơ làm việc ở chế độ không tải Ne = 0, chỉ cần phát ra công suất đủthắng sức cản bản thân động cơ ở số vòng quay nhỏ (Ni = Nm) Vì vậy chỉ cần lượnghỗn hợp nhỏ nên bướm ga đóng nhỏ, khi đó tốc độ không khí qua họng và độ chânkhông ở họng Δpph nhỏ không đủ hút nhiên liệu ra khỏi vòi phun chính, mặt kháchỗn hợp khí chạy không tải phải đậm (thường  = 0,6) Cần phải có một hệ thốngcung cấp hỗn hợp cho động cơ khi chạy không tải

* Hệ thống khởi động:

Khi khởi động, số vòng quay của động cơ rất nhỏ (thường n = 50 ÷ 100v/ph), nên tốc độ không khí và do đó độ chân không ở họng rất nhỏ, nhiên liệu phun

vào rất ít, chất lượng phun kém Mặt khác khi khởi động lạnh nhiên liệu khó bayhơi khiến hỗn hợp rất loãng không thể khởi động được.

Để khởi động được dễ dàng cần phải cung cấp một lượng nhiên liệu để cóhỗn hợp đậm ( = 0,3 ÷ 0,4).

Hệ thống khởi động thường dùng bướm gió: Khi khởi động đóng bướm gió(lúc đó bướm ga mở lớn), độ chân không ở toàn bộ không gian sau bướm gió rất lớnnên cả hệ thống phun chính và hệ thống không tải đều hoạt động làm cho hỗn hợpđược đậm theo yêu cầu.

2.1.4.3 Các cơ cấu hiệu chỉnh:

* Hiệu chỉnh theo độ cao.

* Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ.* Hiệu chỉnh không tải nhanh.* Cơ cấu hạn chế số vòng quay.

2.2 LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ CHUYỂN ĐỔI

2.2.1 Yêu cầu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu Biogas

Để sử dụng được nhiên liệu Biogas thì động cơ phải thỏa mãn một số yêucầu sau đây:

- Tỷ số nén lớn để có thể hoạt động được với nhiên liệu khí.

- Có khả năng sử dụng lưỡng nhiên liệu để khi nhiên liệu thay thế không đủcung cấp thì có thể chuyển sang hoạt động với nhiên liệu truyền thống

- Độ giảm công suất khi sử dụng nhiên liệu Biogas so với nhiên liệu xăngkhông lớn quá

- Lượng tiêu thụ Biogas phù hợp với năng suất sinh khí của hầm Biogas.- Mức độ phát thải ô nhiễm phải thấp hơn động cơ xăng.

- Tuổi thọ cao, giá thành phù hợp.

2.2.2 Lựa chọn động cơ chuyển đổi:

Câu hỏi đặt ra khi chọn một động cơ là nên dùng loại nào thì tốt hơn, phùhợp hơn Ở đây ta chọn loại động cơ chuyển đổi là động cơ xăng có công suất nhỏvì có những ưu điểm sau:

- Có thể sử dụng lưỡng nhiên liệu xăng - Biogas Điều này phù hợp với điềukiện sản xuất Biogas ở nông thôn Việt Nam hiện nay là không liên tục đặc biệt làkhu vực Miền Trung - Tây Nguyên

- Chi phí lắp đặt không cao nhưng có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng củangười dân

Tuy nhiên, bên cạnh đó cũng có nhược điểm là tốc độ, công suất và hiệu suấtsẽ giảm so với trường hợp sử dụng nhiên liệu nguyên thủy của động cơ hay động cơchế tạo riêng để sử dụng nhiên liệu Biogas Điều này sẽ thấy rõ trong phần tính toánnhiệt động cơ

Sau khi tìm hiểu ta chọn động cơ áp dụng là Honda GX120.2.3 GIỚI THIỆU ÐẶC TÍNH KỸ THUẬT ÐỘNG CƠ HONDA GX120

Động cơ HONDA GX120 (OHV) ở đây được lắp cho máy phát điệnSH2000.

Thông số của máy phát:

Hình 2.3 Động cơ HONDA GX120

1 - Bulông xả nhớt; 2 - Cần khởi động; 3 - Thân máy; 4 - Lọc xăng; 5 - Chén đựngxăng; 6 - Lọc gió; 7 - Bình đựng xăng; 8 - Nắp bình đựng xăng; 9 - Công tắc điện;10 - Đế máy.

2.3.1 Các thông số của động cơ

Bảng 2.1 Các thông số động cơ

GX 120HONDA

4.0

Chiều quay trục khuỷu Cùng chiều kim đồng hồ

2.3.2 Ðặc điểm hệ thống nhiên liệu của động cơ

2.3.2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ HONDA GX120:

Hệ thống nhiên liệu dùng trên động cơ HONDA GX120 thuộc loại tự chảy.+ Không có bơm xăng

+ Bình chứa nhiên liệu được đặt cao hơn bộ chế hòa khí.

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ HONDA GX120

1 - Bình đựng xăng; 2 - Lọc thấm; 3 - Ống dẫn xăng; 4 - Lọc lắng; 5 - Bộ chế hòakhí; 6 - Đường ống thải; 7 - Ống tiêu âm; 8 - Đường ống nạp; 9 - Lọc không khí.

2.3.2.2 Các hệ thống trong bộ chế hòa khí động cơ HONDA GX120:

- Hệ thống phun chính kết hợp với hệ thống không tải.- Hệ thống khởi động bằng bướm gió.

3

Hệ thống phun chính làm việc khi có tải tức là khi kết thúc hệ thống không tải,cung cấp nhiên liệu chính cho động cơ.

Không khí đi qua họng bộ chế hòa khí (5), do họng có tiết diện thu hẹp dầnnên tốc độ tăng lên và áp suất giảm tạo độ chân không tại họng Mặt khác, khôngkhí theo đường (6) đi qua các lỗ khoan trên thân vòi phun vào bên trong vòi phun,kết quả là hỗn hợp được tạo thành tại đây Hỗn hợp sẽ được hút vào họng qua vòiphun chính (4) Do tốc độ không khí lớn nên hỗn hợp sẽ được xé tơi ra thành sươngvà tiếp tục đi vào đường nạp động cơ

Hình 2.5 Hệ thống phun chính

: Đường không khí : Đường xăng

: Hỗn hợp không khí – nhiên liệu

1 – Xăng trong bầu phao; 2 – Giclơ chính; 3 – Hỗn hợp không khí – nhiên liệu; 4 –Vòi phun chính; 5 – Họng bộ chế hòa khí; 6 – Đường không khí định lượng chính;7 – Bướm ga; 8 – Bướm gió.

b) Hệ thống không tải:

6

Hình 2.6 Hệ thống không tải

: Đường không khí : Đường xăng

: Hỗn hợp không khí – nhiên liệu

1 – Xăng trong bầu phao; 2 – Giclơ chính; 3 – Đường xăng; 4 – Lỗ không khíkhông tải; 5 – Họng bộ chế hòa khí; 6 – Bướm ga; 7 – Giclơ không khí không tải;8,9 – Các lỗ không tải; 10 – Vít chỉnh không tải.

Nguyên lý làm việc:

Khi bướm ga mở nhỏ thì lượng không khí đi qua họng rất ít nên độ chânkhông tại họng nhỏ không đủ hút nhiên liệu qua lỗ phun vào họng Vì vậy, khôngkhí sẽ theo đường không khí không tải, qua giclơ không khí không tải (7) Xăng sẽđược hút lên theo đường (3) và tạo thành hỗn hợp đi qua các lỗ không tải (8) và (9).Vít (10) có tác dụng điều chỉnh lượng hỗn hợp không tải

11

3 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT CỦA ÐỘNG CƠ

Mục đích phần tính toán nhiệt động cơ là:

- Tính toán các quá trình nhiệt trong động cơ (nạp, nén, cháy, giãn nở vàthải)

- Xác định được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và kiểm nghiệm các kích thướccơ bản của động cơ

- Xây dựng được đồ thị công lý thuyết của động cơ.

Kết quả tính toán trong phần tính toán nhiệt động cơ sẽ là nền tảng trong quátrình tính toán thiết kế bộ hòa trộn.

Để thuận lợi và nhanh chóng ta sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6.0để xây dựng chương trình tính toán nhiệt Như thế khối lượng công việc tính toán sẽgiảm đi rất nhiều Vì vậy ở đây ta chỉ trình bày phương pháp tính toán và kết quả 3.1 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ DÙNG XĂNG

(3-1)+ Tính hệ số nạp v:

+ Tính nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta (K):

(3-3)+ Tính số mol không khí để đốt cháy một kg nhiên liệu M0 (kmolKK/kgnl):

+ Tính số mol khí nạp mới M1:nl



Bước 4: Tính quá trình nén:

+ Tỷ nhiệt của không khí mCvkk (kJ/kmol.K):

+ Tỷ nhiệt của hỗn hợp cháy m Cv (kJ/kmol.K):

m  .

(3-8)Có thể viết dưới dạng: mCabvT

Trong đó:

;

+ Tính chỉ số nén đa biến trung bình n1:

Chọn trước n1, thế vào phương trình sau, giải bằng phương pháp mò nghiệm.

Khi sai số hai vế nhỏ hơn 0,001 thì lấy giá trị n1 đã chọn + Tính nhiệt độ cuối kỳ nén Tc (K):

nacp

1324  

+ Tính số mol sản phẩm cháy M2 (kmol/kgnl):

+ Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết.

+ Hệ số biến đổi phân tử thực tế.

+ Hệ số biến đổi phân tử tại z.

+ Tính hệ số toả nhiệt xz tại z:

 <1 thì  QH = 120000.(1-).M0 (động cơ đánh lửa cưỡng bức) Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại z.

C

+ Nhiệt độ cực đại của chu trình Tz (K):

 r vcczvzz

(động cơ đánh lửa cưỡng bức)Đưa về dạng phương trình bậc hai: AT2BTz C0

+ Kiểm nghiệm lại trị số n2:

Chọn trước n2, tính lặp n2 theo công thức:

  vzz  zbb



+ Áp suất cuối quá trình giãn nở pb (MN/m2):

+ Kiểm nghiệm lại nhiệt độ khí sót:

Bước 7: Tính toán các thông số chỉ thị:

+ Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết (MN/m2):

+ Áp suất chỉ thị trung bình (MN/m2):

âii p.

+ Hiệu suất chỉ thị động cơ i:

 

+ Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi (g/kw.h):

Bước 8: Tính toán các thông số có ích:

+ Tổn thất cơ giới pm (MN/m2 ):Theo công thức kinh nghiệm:

arm

+ Hiệu suất cơ giới (%):

+ Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (g/kw.h):

+ Hiêu suất có ích (%):

ime 

+ Thể tích công tác của động cơ (dm3):

Nếu sai lệch D Dt  D 0,1mmthì đạt nếu không thì phải tính lại.+ Công suất tính toán Net (kw):

3.1.2 Kết quả tính toán * Quá trình nạp:

+ Số mol không khí để đốt cháy một kg nhiên liệu Mo(Kmolkk/

* Các thông số chỉ thị:

3.2 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ DÙNG BIOGAS

%H S

H SM

Thành phần các chất trong sản vật cháy:

MH2O =  m/2(CnHmOr) =0,177 [m3/m3khí biogas]MCO2 = n(CnHmOr) = 0,132 [m3/m3khí biogas]MN2 = 0,79  M0 + N2 = 4,511 [m3/m3khí biogas]

4

N2 : là thành phần N2 trong khí biogas

Bước 5: Tính quá trình cháy:

(3-45)M2 = M1+ΔpM

QH = ( 12,8CO + 10,8 H2 + 35,8CH4 + 56C2H2 + ) [MJ/m3]+ Tổn thất nhiệt trong quá trình cháy khi <1:

120000.(1 ) [ / ]22, 4

Bước 8: Tính toán các thông số có ích:

+ Suất tiêu hao nhiên liệu có ích:

(3-50)+ Công suất động cực đại của động cơ Biogas:

.30.

p i nVN



+ Hệ số khí sót r=0,07-0,12: 0,058

+ Lượng không khí để đốt cháy một m3 nhiên liệu Mo

* Quá trình giãn nở:

+ Kiểm nghiệm lại n2=1,23-1,34: 1,272

* Các thông số chỉ thị:

+ Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị Vi =210-340(m3/kw.h): 0,466

17ĐỒ THỊ BRICK

10118 975

0,100 0,124

1,614 c2

III b

56 7

p=0,04[MN/m2.mm]

với xăng và áp suất, nhiệt độ cuối kỳ nén của Biogas (pc=1,614; Tc=7890K) cao hơnso với xăng (pc=1,607; Tc=7840K).

Quá trình cháy:

- Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết, thực tế và tại z của Biogas nhỏ hơn 1 doΔpM<0 (0=0,998; =0,998; z=0,998) Còn của xăng lớn hơn 1 (0=1,076; =1,072;z=1,071)

- Nhiệt trị của Biogas (QH=20045 KJ/m3 tương đương 18898 KJ/kg) thấp hơnso với xăng (QH=43995 KJ/kg) đây là sự khác nhau cơ bản nhất cần phải chú ý khitính toán bộ hòa trộn, kích thước của đường cấp nhiên liệu Biogas sẽ lớn hơn so vớixăng.

- Tổn thất nhiệt trong quá trình cháy của Biogas ΔpQH= 0 do hệ số dư lượngkhông khí >1 Còn của xăng ΔpQH= 4914 KJ/kg.

- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại z (mCv” ) của Biogas (26,468KJ/kmol0K) thấp hơn so với xăng (29,030 KJ/kmol0K).

- Áp suất cuối quá trình cháy pz của Biogas (5,545 MN/m2) thấp hơn so vớixăng (5,819 MN/m2) nhưng nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz của Biogas (27170K)cao hơn so với xăng (26480K).

Thông số chỉ thị, thông số có ích:

- Áp suất chỉ thị pi của Biogas (0,847) thấp hơn so với xăng (0,941)

- Áp suất có ích trung bình pe (0,719 MN/m2) của Biogas thấp hơn sơ vớixăng (0,814 MN/m2)

- Hiệu suất cơ giới m của Biogas (0,849) thấp hơn so với xăng (0,864).

- Công suất động cơ Biogas thấp hơn so với xăng.

4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU BIOGAS

4.1 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG ÁN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU

Hệ thống cung cấp nhiên liệu có nhiệm vụ cung cấp hỗn hợp gồm không khívà nhiên liệu cho động cơ, đảm bảo số lượng và thành phần nhiên liệu phù hợp vớimọi chế độ và điều kiện làm việc của động cơ.

Hiện nay có ba dạng cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ được áp dụng rộngrãi trên thị trường nhiều nước trên thế giới là: cung cấp nhiên liệu khí kiểu hòa trộnkhí, phun nhiên liệu gas dưới dạng lỏng và cung cấp gas trực tiếp nhờ xupap gas.