Trên đây đã trình bày phương án thiết kế và lắp đặt hệ thống cung cấp khí tổng hợp cho máy động cơ diesel. Hệ thống đơn giản, dễ dàng chế tạo và lắp ráp. Hệ thống có thể điều chỉnh lưu lượng khí syngas cấp cho động cơ bằng van điều chỉnh cơ khí và đáp ứng được các yêu cầu trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm. Có thể dễ dàng ứng dụng vào trong thực tế sản xuất.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Mục tiêu thử nghiệm
Quá trình nghiên cứu thử nghiệm nhằm đánh giá hoạt hoạt động của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel – syngas đồng thời so sánh, đánh giá công suất của động cơ, mức tiêu hao nhiên liệu và thành phần khí thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-syngas so sánh với động cơ sử dụng nhiên liệu diesel thông thường. Qua đó đưa ra những ưu điểm, nhược điểm khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-syngas, đánh giá khả năng phát triển nguồn nhiên liệu diesel-syngas trong tương lai.
3.2 Đối tượng thử nghiệm
Đối tượng thử nghiệm được sử dụng là máy phát điện Đông Tiến Model : DT 12 – MS sử dụng động cơ diesel với thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 3.1: Thông số động cơ thử nghiệm
Model S3L2
Dạng Động cơ diesel 4 kỳ , 3 xylanh
Đường kính xylanh 78mm
Hành trình piston 92mm
Chỉ số nén 22:1
Hình 3.1: Động cơ thử nghiệm
3.3 Nội dung và chương trình thử nghiệm 3.3.1 Sơ đồ bố trí thử nghiệm 3.3.1 Sơ đồ bố trí thử nghiệm
3.3.2 Chế độ thử nghiệm
- Động cơ được gây tải qua bộ nhiệt điện trở. Bằng cách điều khiển điện trở trên bộ nhiệt điện trở qua bộ điều khiển tải, tải trên động cơ sẽ được thay đổi theo.
- Thử nghiệm thực hiện ở chế độ tốc độ động cơ không đổi 1500v/ph. Tải được thay đổi ở các chế độ 0%, 10%, 20%, 40%, 60%, 80%, 90%, 100% thông qua bộ điều khiển tải.
- Ban đầu thử nghiệm động cơ hoạt động với nhiên liệu diesel ở các chế độ tải.
- Thực hiện thử nghiệm động cơ với nhiên liệu diesel – syngas với độ mở van điều khiển lưu lượng khí tổng hợp là DO-S25% ở tại các chế độ tải.
- Tiếp tục thực hiện thử nghiệm như trên với độ mở của van điều khiển lưu lượng khí tổng hợp (DO-S50%, DO-S75%, DO-S100%).
- Thử nghiệm nhằm đo công suất động cơ, mức tiêu thụ nhiên liệu diesel, lưu lượng không khí nạp, vận tốc, nhiệt độ của khí syngas cấp cho động cơ và phát thải CO, CO2, HC, NOx, độ phát thải khói của động cơ trong các chế độ tải khi sử dụng tỷ lệ nhiên liệu diesel-syngas khác nhau.
3.4 Trang thiết bị thử nghiệm 3.4.1 Thiết bị phân tích khí thải 3.4.1 Thiết bị phân tích khí thải
Thiết bị phân tích khí thải được sử dụng là bộ AVL Emission Testers Series 4000 (Hình 3.3) của Viện cơ khí động lực, trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Bộ thiết bị bao gồm AVL DiSmoker 4000 và AVL DiGas 4000.
DiGas 4000 có nhiệm vụ phân tích thành phần các chất CO, CO2, NO, NOx, HC có trong khí thải động cơ. Mỗi bộ phân tích được chia thành 4 dải đo, tuỳ thuộc vào hàm lượng thực tế các chất có trong khí thải mà bộ phân tích sẽ tự lựa chọn dải đo phù hợp. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, các bộ phân tích được hiệu chuẩn trước khi đo bởi chất khí hiệu chuẩn ứng với từng dải đo.
DiSmoker 4000 phân tích hàm lượng phát thải khói của động cơ diesel. Khi thực hiện thử nghiệm, đầu đo của thiết bị được lắp vào trong ống xả của động cơ. Kết quả đo được lưu lại và hiển thị trên màn hình của thiết bị hoặc được in ra giấy dễ dàng theo dõi đánh giá.
Hình 3.3: Bộ thiết bị phân tích khí thải AVL Emission Testers Series 4000
3.4.2 Bộ điều khiển tải và bộ nhiệt điện trở
Bộ nhiệt điện trở bao gồm nhiều nhiệt điện trở được lắp với nhau và được tản nhiệt bằng các bộ tản nhiệt bằng nhôm.
Bộ điều khiển tải có nhiệm vụ thay đổi điện trở của bộ nhiệt điện trở nhằm thay đổi tải tiêu thụ điện của bộ nhiệt điện trở này qua đó điều khiển tải đặt lên động cơ.
3.4.3 Đồng hồ đo công suất
Đồng hồ đo công suất có nhiệm vụ đo công suất tiêu thụ điện trên bộ nhiệt điện trở qua đó đo được công suất của động cơ. Đồng hồ đo công suất được sử dụng là loại đồng hồ cơ .
Hình 3.5: Đồng hồ đo công suất 591043 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thông số kỹ thuật
Tên thiết bị Đồng hồ đo công suất - 591043
Thang đo 0,1 kW
Dải đo 0kW ÷ 12kW
Độ chính xác 0,5%
Điện áp và dòng điện giới hạn 240V – 5A
3.4.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu
Thử nghiệm sử dụng thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu điện tử Fuel Consumption meter FC-9521F. Thiết bị có thể kiểm tra lượng tiêu hao nhiên liệu từ lúc bắt đầu kiểm tra tới lúc kết thúc kiểm tra hoặc kiểm tra mức tiêu hao nhiên liệu lít/giờ.
Hình 3.6: Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu Fuel Consumption meter FC-9521
Thông số kỹ thuật
Nguồn cấp 12V – 24V, Lấy nguồn ắc quy , hoặc pin theo máy, hoặc qua bộ chuyển đổi nguồn AC
Dải đo
Mức tiêu hao nhiên liệu: (0,001 ~ 999,999) lít Mức độ tiêu thụ nhiên liệu: 0,1 ~ 50 lít/giờ
Sai số ≤ ± 1%
Các loại nhiên liệu Xăng, dầu nhẹ, dầu thắp sáng, dầu nặng
Sơ đồ lắp đặt thiết bị
Hình 3.7: Sơ đồ lắp đặt thiết bị FC-9521
Thiết bị sử dụng hai cảm biến lưu lượng nhiên liệu loại điện từ, hai cảm biến này được lắp đặt theo sơ đồ hình 3.7. Cảm biến lưu lượng dầu cấpđược lắp trên đường dầu lừ lọc diesel vào bơm cao áp, cảm biến lưu lượng dầu hồi được lắp trên đường dầu hồi từ bơm về bình nhiên liệu. Cảm biến lưu lượng dầu cấp sẽ đo lưu lượng nhiên liệu đi vào bơm. Cảm biến lưu lượng dầu hồi đo lưu lượng nhiên
liệuhồi từ động cơ hồi về bình chứa. Kết quả đo sẽ được tính dựa trên lượng nhiên liệu vào và lượng nhiên liệu hồ về bình trong khoảng thời gian lấy mẫu đo. Sau đó, thiết bị tính toán để đưa ra mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ trong 1 giờ với với mức đo l/h.
3.4.5 Thiết bị đo khác
Việc chọn và lắp đặt các thiết bị đo khác như: Cảm biến lưu lượng khí nạp, thiết bị đo tốc độ dòng khí syngas, cảm biến áp suất không khí nạp, cảm biến nhiệt độ khí syngas và cảm biến nhiệt độ không khí nạp tham khảo chương II, phần 2.2.
3.5 Kết quả thử nghiệm và đánh giá
Kết quả thử nghiệm được trình bày chi tiết trong các bảng phụ lục 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6. Dưới đây là tính toán hệ số dư lượng không khí lamda tổng và và đánh giá, phân tích các kết quả đo được trong quá trình thử nghiệm.
3.5.1 Tính toán hệ số dư lượng không khí lamda tổng
Hệ số dư lượng không khí cũng là một thông số quan trọng để đánh giá kết quả thử nghiệm. Hệ số dư lượng không khí (λ) được định nghĩa là tỷ số giữa lượng không khí thực tế đi vào buồng cháy và lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị số lượng nhiên liệu. Đối với động cơ diesel, hệ số dư lượng không khí (λ) còn là thông số để đánh giá khả năng phát thải khói của động cơ.Nếu λ càng nhỏ thì phát thải khói càng lớn và ngược lại. Hệ số dư lượng không khí của động cơ thử nghiệm được tính toán dựa trên các thông số đo thực nghiệm trên bảng 3.7.
Hệ số dư lượng không khí lamda tổng được tính theo công thức (3.1) [12].
λ= 𝐺𝑘𝑘 𝐺𝑛𝑙(𝐷𝑂).(𝐴𝐹) 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙+𝐺𝑛𝑙(𝑆).(𝐴/𝐹)𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 (3.1) Gnl(S) = ρsyngas.LLsyngas (3.2) (𝐴/𝐹)𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 = 1.127 (3.3) (𝐴/𝐹)𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 = 14.5 (3.4)
Trong đó:
Gnl(S): Mức tiêu hao nhiên liệu khí syngas. Gnl(S) được tính theo công thức (3.2)
ρsyngas : Khối lượng riêng của khí Syngas, ρsyngas=0.995. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
LLsyngas : Lưu lượng khí của khí Syngas.
(A/F)syngas: Tỷ lệ không khí/ đơn vị nhiên liệu lý thuyết của nhiên liệu syngas. (A/F)syngas: Tỷ lệ không khí/ đơn vị nhiên liệu lý thuyết của nhiên liệu diesel.
Bảng 3.7: Gkk, Gnl, LL(Syngas) ở các chế độ làm việc của động cơ
Tải(%) 0% 10% 20% 40% 60% 80% 90% 100% DO Gkk 107,6 112,1 113,3 115 115,6 117,8 117,3 114,3 Gnl(Do) 990 1050 1200 1548 1980 2508 2766 3024 DO-S25% Gkk 106,2 106,8 107,1 106,6 105,5 101,9 100,8 82,3 Gnl(Do) 748 870 1071 1380 1743 2250 2514 2958 LL(Syngas) 19,60 22,87 24.57 24,83 24,83 26,79 26,79 28,09 DO-S50% Gkk 105,5 106,5 106,6 106,8 105,8 103.2 101 80.6 Gnl(Do) 653 741 858 1230 1659 2157 2523 2928 LL(Syngas) 39,20 39,20 39,20 39,20 39,20 39,20 39,46 39,86 DO-S75% Gkk 103,9 105,1 105,9 106,3 106,2 104,4 101,4 78,6 Gnl(Do) 561 558 732 1110 1413 1962 2379 2967 LL(Syngas) 58,80 57,50 57,50 57,50 58,80 58,80 58,80 58,15 DO-S100% Gkk 102,7 104,2 104,8 106,4 106,2 105,1 83,8 72,4 Gnl(Do) 243 477 543 804 1170 1719 2291 2904 LL(Syngas) 78,40 78,40 77,10 78,40 78,40 77,10 76,44 74,48
Bảng 3.8: Dư lượng không khí tính theo các chế độ thử nghiệm của động cơ.
TT Tải
(%) λ(DO) λ(S25%) λ(S50%) λ(DO-S75%) λ(DO-S100%)
1 0% 7,60 3,24 2,06 1,40 1,12 2 10% 7,47 2,79 1,95 1,45 1,10 3 20% 6,60 2,49 1,89 1,41 1,11 4 40% 5,20 2,23 1,73 1,32 1,07 5 60% 4,08 1,99 1,56 1,23 1,01 6 80% 3,28 1,63 1,37 1,11 0,94 7 90% 2,97 1,52 1,25 1,01 0,65 8 100% 2,64 1,11 0,92 0,73 0,58
Kết quả tính dư lượng không khí λ trong các chế độ làm việc của động cơ trên bảng 3.8 cho thấy λ sẽ giảm dần theo mức tải và theo lưu lượng khí syngas cấp cho động cơ. Cụ thể, khi tăng tải, hệ số dư lượng sẽ giảm dần. Khi tăng lưu lượng khí syngas cấp cho động cơ, hệ số dư lượng không khí cũng sẽ giảm.
Sau đây là những phân tích, đánh giá những số liệu, kết quả thu được trong quá trình thử nghiệm.
3.5.2 Đánh giá công suất động của động cơ
Trên đồ thị hình 3.8 thể hiện đặc tính công suất của động cơ trong trường hợp sử dụng khí tổng hợp làm một phần nhiên liệu thay thế nhiên liệu diesel và trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel đơn thuần. So sánh đường đặc tính công suất của động cơ trên hình 3.8 với thông số kỹ thuật của động cơ có thể đánh giá tình trạng động cơ vẫn rất tốt, công suất cực đại của động cơ chênh lệch không nhiều so với thiết kế. Đánh giá kết quả thử nghiệm khi sử dụng nhiên liệu diesel và khi sử dụng nhiên liệu diesel-syngas tại các chế độ tải cho thấy, trong cả hai trường hợp công suất của động cơ chênh lệch nhau rất ít tại chế độ tải từ 0% đến 80%.
Hình 3.8: Đặc tính công suất của động cơ ở các chế độ
Tại chế độ 100% tải thì công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu khí tổng hợp có giảm nhưng cũng rất ít (3.5% đến 9,8%). Tại chế độ van lưu lượng khí tổng hợp mở hoàn toàn, chế độ tải từ 80% đến 100% công suất động cơ giảm nhanh(1,95% đến 20,23%). Công suất động cơ giảm dần khi tăng lưu lượng khí syngas cấp cho động cơ vì khi đó hỗn hợp nhiên liệu diesel-syngas sẽ nhạt dần (ít diesel nhiều syngas) làm giảm công suất động cơ.
3.5.3 Đánh giá suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
Hình 3.9: Mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở các chế độ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10% 20% 40% 60% 80% 90% 100% Ne( k W) Tải(%) Ne(DO) Ne(DO-S25%) Ne(DO-S50%) Ne(DO-S75%) Ne(DO-S100%) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0% 10% 20% 40% 60% 80% 90% 100% G nl(g /h) Tải(%) Gnl(DO-S25%) Gnl(DO-S50%) Gnl(DO-S75%) Gnl(DO-S100%) Gnl(DO)
Trên đồ thị 3.9 ta thấy mức tiêu hao nhiên liệu sẽ càng giảm khi ta tăng lưu lượng khí tổng hợp cung cấp cho động cơ. Mức tiêu hao nhiên liệu giảm nhiều nhất ở chế độ tải từ 0% đến 80% và lưu lượng khí tổng hợp từ 77 m3/h đến 78,5m3/h. Ở chế độ tải tử 80% đến 100% mức tiêu hao nhiên liệu tăng dần nhưng vẫn nhỏ hơn so với trường hợp động cơ chạy nhiên liệu diesel. Tại chế độ 100% tải, DO-S75%, mức tiêu thụ nhiên liệu diesel của động cơ là 2967 (g/h). So sánh giá trị này với các giá trị khác ở cùng mức tải nhận thấy rằng giá trị này rất cao (ở DO-S25% là 2958 g/h ở DO-S50% là 2928 g/h, ở DO-S100% là 2904g/h). Điều này có thể là một điểm sai do sai số của thiết bị đo hoặc trong quá trình xử lý kết quả đo có sai sót, vì khi tăng lưu lượng khí tổng hợp cấp cho động cơ thì lượng diesel cấp cho động cơ phải giảm đi.
Mức tiêu hao nhiên liệu giảm là do khí tổng hợp cung cấp cho động cơ đã thay thế một phần nhiên liệu diesel trong quá trình động cơ hoạt động. Dựa trên lượng mức tiêu hao nhiên liệu trong các trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel- syngas và trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel ta tính ra lượng khí tổng hợp thay thế cho diesel trong các chế độ. Lượng syngas thay thế được trình bày trong bảng 3.9.
Bảng 3.9: Lượng Syngas thay thế cho diesel ở các chế độ
TT Tải %Stt(DO-S25%) %Stt(DO-S50%) %Stt(DO-S75%) %Stt(DO-S100%)
(%) (%) (%) (%) (%) 1 0% 24,44 34,04 43,33 75,45 2 10% 17,14 29,43 46,86 54,57 3 20% 10,75 28,50 39,00 54,75 4 40% 10,85 20,54 28,29 48,06 5 60% 11,97 16,21 28,64 40,91 6 80% 10,29 14,00 21,77 31,46 7 90% 9,11 8,79 13,99 17,17 8 100% 2,18 3,17 1,88 3,97
Hình 3.10:Đồ thị biểu diễn lượng khí syngas thay thế cho động cơ ở các chế độ
Từ đồ thị hình 3.10 cho ta thấy % lượng Syngas thay thế giảm dần khi tăng tải, lý do là khi tăng tải lượng diesel cấp cho động cơ tăng, trong khi đó lưu lượng khí Syngas cấp cho động cơ không thay đổi nhiều.
3.5.4 Đánh giá về thành phần khí thải của động cơ a) Đánh giá về phát thải khí CO a) Đánh giá về phát thải khí CO
Hình 3.11: Biểu đồ về phát thải khí CO trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel và trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel-syngas
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0% 10% 20% 40% 60% 80% 90% 100% L ượng Sy ng as t ha y thế (%) Tải(%) %Stt(DO-S25%) %Stt(DO-S50%) %Stt(DO-S75%) %Stt(DO-S100%) 0 1 2 3 4 5 6 7 0% 10% 20% 40% 60% 80% 90% 100% CO (%V) Tải(%)
CO-DO CO(DO-S25%) CO(DO-S50%)
Trên biểu đồ hình 3.11 cho thấy tình trạng phát thải khí CO của động cơ trong cả hai trường hợp khi sử dụng nhiên liệu là khí tổng hợp và trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel. Đồ thị cho thấy phát thải khí CO tăng lên khi động cơ sử dụng nhiên liệu là khí tổng hợp. Lượng phát thải khí CO càng tăng lên khi tăng lưu lượng khí tổng hợp cung cấp cho động cơ. Phát thải khí CO ít nhất tại chế độ tải 80% và tăng cao nhất ở chế độ 100% tải.
Phát thải khí CO tăng khi sử dụng Syngas là do trong thành phần khí Syngas đã có chứa khí CO, khi tăng lưu lượng khí Syngas cấp cho động cơ thì đồng thời lượng CO cũng sẽ tăng lên. Thứ hai là khi tăng lượng khí tổng hợp cấp cho động cơ thì lượng không khí nạp vào cho động cơ sẽ giảm do đó lượng O2 cung cấp cho quá trình cháy giảm gây ra hiện tượng phát thải CO tăng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
b) Đánh giá về phát thải khí CO2
Hình 3.12: Biểu đồ phát thải khí CO2 trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên
lệu diesel và trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel-syngas
Biểu đồ 3.12 thể hiện lượng phát thải khí CO2 của động cơ theo phần trăm tải trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel và trường hợp động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu khí diesel-syngas. Qua biểu đồ nhận thấy rằng lượng % khí
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0% 10% 20% 40% 60% 80% 90% 100% CO2 (%V ) Tải(%)
CO2(DO) CO2(DO-S25%) CO2(DO-S50%)
CO2 trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel-syngas là cao hơn so với