Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ diesel ZH1115 do Trung Quốc chế tạo. Động cơ cĩ đường kính xi lanh D=115mm, hành trình piston S=115mm, tỉ số nén =17,
Nhiên liệu sử dụng Diesel Kiểu buồng cháy Thống nhất Cơng suất cực đại Ne = 24 HP Số vịng quay n = 2200 v/ph Số xilanh i = 1 Số kỳ = 4 Tỉ số nén = 17 Đường kính xilanh D = 115 mm Hành trình piston S = 115 mm Bơi trơn Áp lực và vung tĩe Làm mát Kiểu nước bốc hơi Khởi động Tay/Động cơ điện Khối lượng 185 kg
Dài x Rộng x Cao 900 x 440 x 760 mm
Bảng 4.1. Thơng số kỹ thuật của động cơ ZH1115
đạt cơng suất cực đại 24HP ở tốc độ định mức 2200v/ph. Buồng cháy thống nhất kiểu khoét sâu trên đỉnh piston (dạng omega). Ngồi cơ cấu khởi động bằng tay, trên động cơ cịn được trang bị hệ thống khởi động dùng động cơ điện một chiều. Đây là chủng loại động cơ được dùng khá phổ biến ở nước ta hiện nay.
4.2. Giảm tỉ số nén
Dựa trên các kết quả mơ phỏng so sánh quá trình cháy giữa hai kiểu buồng cháy piston đỉnh bằng và piston đỉnh lõm, kết quả nghiên cứu mơ phỏng ảnh hưởng của tỉ số nén đến tính năng cơng tác của động cơ, chọn phương án hạ đỉnh piston động cơ diesel nguyên thủy để giảm tỉ số nén xuống cịn 12.
Áp dụng cơng thức (2.6) với =17; ct=12; D=115; d=63,6; S=115 2 2 2 2 2 2 ct D S 1 1 115 .115 1 1 Δh= - - ε -1 ε-1 12-1 17-1 D - d (115 63, 6 ) Kết quả tính được h = 4,71mm 4.3. Thiết kế lắp đặt hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa được chọn để trang bị cho động cơ ZH1115 là hệ thống đánh lửa DC CDI gồm bình accu, biến áp đánh lửa (mơbin sườn), dây cao áp, IC, cuộn kích (cịn gọi là cảm biến đánh lửa), bugi. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động đã được trình bày ở phần 2.2.5.2 (Hình 2.13).
Hình 4.2. Sơ đồ tính tốn chiều dày đỉnh piston cần cắt bỏ
Ngồi ra, cần gia cơng chế tạo thêm một số chi tiết hỗ trợ khác như: ta rơ cốc chặn nước để gắn bugi, chế tạo cụm tì giữ chặt cốc chặn nước (Hình 4.7) (đối với động cơ diesel, gờ vai của vịi phun làm nhiệm vụ giữ chặt cốc chặn nước này), chế tạo các tấm đỡ gắn cuộn kích, biến áp đánh lửa, IC, tiến hành bố trí và đấu dây hệ thống đánh lửa động cơ,…
Vấu lồi cĩ thể là đầu bu lơng được lắp cố định trên bánh đà hoặc một đoạn thép tấm mỏng dày khoảng 2,5mm được gắn lên bánh đà (Hình 4.9).
Hình 4.3. Biến áp đánh lửa
Loại bugi NGK CR8EGP Loại ren M10x1.0
Chiều dài ren 19mm Mức độ nhiệt 8
Điện cực trung tâm bằng Platinum Hình 4.4. Bugi
4.4. Tính tốn thiết kế bộ tạo hỗn hợp
Mục đích nhằm xác định kích thước đường ống cấp biogas, kích thước họng bộ hỗn hợp và kích thước buồng hỗn hợp [5].
Hình 4.7. Cải tạo cốc chặn nước để gắn bugi
Hình 4.8. Cụm tì giữ chặt cốc chặn nước
Hình 4.9. Lắp đặt cảm biến đánh lửa lên bánh đà và vỏ máy
a. Buồng hỗn hợp * Tính đường kính bộ tạo hỗn hợp: b n h n d a . V .i. (mm) 1000 (4.1)
Trong đĩ: an – Hệ số dao động của dịng chảy, phụ thuộc vào số xi lanh dùng chung một buồng hỗn hợp, Vh – Thể tích cơng tác của một xi lanh (dm3), i – Số xi lanh dùng chung một buồng hỗn hợp, trường hợp này i =1, n – Số vịng quay của động cơ (v/ph).
Bảng 4.2. Hệ số dao động của dịng chảy
Số xi lanh 1 2 3 4 5 6
Hệ số an 24,2 17,1 14,15 13 12,85 11,9 * Kiểm nghiệm tốc độ khơng khí qua buồng hỗn hợp:
Tốc độ trung bình của dịng khí qua buồng hỗn hợp tính theo cơng thức:
h v tb 2 b V .i.n. v (m / s) . .d .750 (4.2) Trong đĩ: v - hệ số nạp và - số kỳ * Chiều dài buồng hỗn hợp:
lb = (0,8-1,8)db (4.3)
Hình 4.10. Sơ đồ tính tốn các kích thước chính của bộ tạo hỗn hợp Chú thích: Chú thích:
- db_ đường kính buồng hỗn hợp;
- dh_ đường kính họng (phần cĩ tiết diện lưu thơng nhỏ nhất);
- dc_ đường kính lỗ cấp biogas;
- lb_ chiều dài buồng hỗn hợp
Biogas Khơng khí dc lb db dh
b. Xác định kích thước họng
* Xác định sơ bộ đường kính họng:
Đường kính họng được quyết định bởi lưu lượng khơng khí qua họng và tốc độ thực tế khơng khí qua họng trong giới hạn theo thực nghiệm.
Chọn sơ bộ đường kính của họng dh theo kinh nghiệm.
Loại một họng: dh=(0,6-0,8)db (4.4)
* Độ chân khơng tại họng:
2 2 2 k v h h h D n.i p . S. . . (N / m ) 2 d 120 (4.5)
Trong đĩ: h – Hệ số lưu lượng của họng, phụ thuộc vào hình dáng, chất lượng của họng và số họng, h = 0,86-0,9.
Chú ý: Δph khơng phải là hằng số theo thời gian, dao động của Δph càng lớn khi số vịng quay động cơ càng thấp và số xi lanh càng ít.
* Tốc độ khơng khí thực tế qua họng: h k h k 2. p v . (m / s) (4.6)
* Lưu lượng khơng khí qua họng:
kk v h k n.i G .V . . (kg / s) 120 (4.7) * Đường kính chính xác của họng: k h k k 4.G d (m) .v . (4.8) c. Xác định kích thước lỗ cấp biogas chính * Tốc độ nhiên liệu: h nl nl 2. P v (4.9)
Trong đĩ: nl- Khối lượng riêng của nhiên liệu, vnl- Tốc độ dịng nhiên liệu qua lỗ cấp.
* Tiết diện lỗ cấp biogas chính: 2 nl c nl nl G f (m ) v . (4.10)
Gnl - Lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giờ ứng với cơng suất cực đại * Đường kính lỗ cấp biogas chính: c c 4.f d (m) (4.11)
Trên cơ sở các kích thước cơ bản nhận được qua tính tốn trên, để thuận tiện cho việc gia cơng chế tạo cũng như quá trình hiệu chỉnh, dùng bộ tạo hỗn hợp kiểu 2 nửa lắp ghép như Hình 4.11. Khi đĩ, khoảng cách (khe hở) giữa 2 nửa được tính chọn trên cơ sở đảm bảo tiết diện lưu thơng biogas. Trên đường biogas vào, bố trí một van ball làm nhiệm vụ tinh chỉnh độ đậm đặc của hỗn hợp theo thành phần CH4 trong biogas hoặc khi cĩ sự thay đổi tăng (giảm) áp suất của nguồn cấp biogas.
Hai nửa họng trên và dưới, bướm ga, đế bướm ga được làm từ nhơm nên cĩ khả năng chống lại các tạp chất ăn mịn trong biogas; các bộ phận cịn lại của bộ tạo hỗn hợp là thép nên sau khi gia cơng xong cần được phủ lớp sơn chống rỉ.
Hình 4.11. Kết cấu bộ tạo hỗn hợp dùng trên động cơ biogas (ZH1115)
4 85,5 50 Ø46 Ø78 Ø49 2,5 Ø33 Ø22 Ø18 30° 7° 2 R24, 5 96 52,5 Ø33 Ø46 55 25 Ø38 Ø49 Ø33 30° Ø56 Ø54 Ø54 Ø38 26 7,74 6 Ø58 17,5 2,5 2,3 9,3 2,5 1 Van ball ¾”
4.5. Thiết kế cải tạo cơ cấu điều tốc
Như đã trình bày trong phần 2.2.6, trong trường hợp động cơ ZH1115, ta sử dụng lại bộ điều tốc nguyên thủy của động cơ này. Đây là bộ điều tốc cơ khí đa chế độ thay đổi độ biến dạng ban đầu của lị xo, tùy thuộc vào vị trí của cần ga (tương ứng là độ căng của lị xo điều tốc) mà tốc độ động cơ sẽ được duy trì ở một giá trị nhất định. Điểm đáng lưu ý ở đây là động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức sau khi chuyển đổi sẽ được khai thác trong vùng tốc độ khơng quá 3000v/ph, hồn tồn tương thích với vùng khai thác của động cơ diesel nguyên thủy. Nghĩa là cĩ thể dùng lại các cụm chi tiết quay tạo lực ly tâm và lực điều khiển của cơ cấu điều tốc nằm bên trong nắp đậy hơng máy động cơ diesel nguyên thủy.
Vấn đề cịn lại là giải quyết thỏa đáng tương quan hành trình giữa càng điều khiển điều tốc và trục xoay bướm ga (Hình 4.12), trên cơ sở đảm bảo các tiêu chí:
- Tự động duy trì tốc độ động cơ khi cĩ sự thay đổi tải trọng trong phạm vi khai thác. Càng điều khiển Cần ga Càng xoay bướm ga Lị xo điều tốc Giá xoay trung gian Hình 4.12. Dẫn động bướm ga
- Thời gian đáp ứng nhanh chĩng. - Làm việc ổn định, tin cậy.
Trên cơ sở hành trình làm việc thực tế của càng điều khiển (xoay trong mặt phẳng ngang) và hành trình làm việc của bướm ga giữa 2 vị trí đĩng hồn tồn và mở hồn tồn (trục bướm ga xoay trong mặt phẳng đứng), thiết kế và lựa chọn các vị trí lắp đặt các chi tiết sao cho:
Khi càng điều khiển ở vị trí đầu mút bên phải (trạng thái càng điều khiển kéo căng lị xo và cần ga ở vị trí trung gian) thì bướm ga ở vị trí đĩng kín hồn tồn;
Khi càng điều khiển ở vị trí đầu mút bên trái (trạng thái lị xo kéo càng điều khiển và cần ga ở vị trí trung gian) thì bướm ga ở vị trí mở cực đại.
Sơ đồ tính tốn dẫn động bướm ga thể hiện trên Hình 4.13 (gĩc lệch giữa 2 cánh tay địn c và d của giá xoay trung gian là 150o). Chiều dài của các khâu dẫn động, khâu chấp hành và khâu trung gian thể hiện trong Bảng 4.3.
Hình 4.13. Sơ đồ tính tốn dẫn động trục bướm ga Bảng 4.3. Kích thước các chi tiết dẫn động trục bướm ga Bảng 4.3. Kích thước các chi tiết dẫn động trục bướm ga
Khâu Tên gọi Chiều dài Thanh Khâu Chiều dài
a Càng điều khiển 30 d Phần dưới giá xoay 82
b Thanh trung gian 1 236 e Thanh trung gian 2 245
c Phần trên giá xoay 20 f Càng xoay bướm ga 24
Xây dựng sơ đồ dẫn động trục bướm ga trên phần mềm thiết kế SolidWork với các kích thước như Bảng 4.3. Cho càng điều khiển a xoay lần lượt từ OJ đến điểm OI (càng dẫn động trục xoay bướm ga f xoay từ AB đến AC) ta được mối quan hệ
giữa gĩc xoay của càng điều khiển với gĩc xoay của trục bướm ga (Hình 4.14). Kết quả cho thấy mối quan hệ này gần như tuyến tính. Với khoảng gĩc xoay làm việc của càng điều khiển là 12o và gĩc xoay yêu cầu theo thiết kế đối với bướm ga là 70o, với đặc tính thể hiện như Hình 4.14 đảm bảo cho càng điều khiển thơng qua các chi tiết dẫn động điều khiển được bướm ga ở các vị trí khác nhau trong vùng làm việc của bướm ga.
Hình 4.14. Quan hệ giữa gĩc xoay trục bướm ga và càng điều khiển
4.6. Qui trình chuyển đổi động cơ diesel 1 xi lanh thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức đánh lửa cưỡng bức
Qui trình chuyển đổi động cơ diesel 1 xi lanh thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức cĩ thể được tĩm tắt qua 11 bước như sau:
Bước 1: Tháo piston nguyên thủy của động cơ, cắt bỏ phần đầu piston một đoạn h sao cho tỉ số nén động cơ cịn khoảng =10-12; Lắp piston đã cải tạo vào động cơ;
Bước 2: Tháo nắp máy; Tháo bỏ vịi phun, taro lỗ lắp vịi phun thành lỗ lắp bugi cĩ chân ren phù hợp (M10 hoặc M12); Lắp nắp máy đã cải tạo vào động cơ; Bước 3: Lắp bugi vào nắp máy đã cải tạo;
Bước 4: Lắp IC đánh lửa lên thân máy;
Bước 5: Gá đặt biến áp đánh lửa lên thân máy; 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Gĩ c xo ay t rụ c bướm g a, độ
Gĩc xoay càng điều khiển, độ
Bướm ga mở
100% Bướm ga
Bước 6: Lắp đặt và kiểm tra vị trí đánh lửa;
Bước 7: Kết nối các bộ phận của hệ thống đánh lửa;
Bước 8: Tháo bơm cao áp và lắp nắp làm kín lỗ lắp bơm cao áp trên thân máy; Bước 9: Lắp bộ tạo hỗn hợp biogas-khơng khí tương ứng với cơng suất động cơ; Bước 10: Lắp bộ tạo hỗn hợp biogas-khơng khí vào đường nạp động cơ; Bước 11: Lắp cơ cấu điều khiển bướm ga từ bộ điều tốc.
Chi tiết minh họa các bước chuyển đổi động cơ diesel ZH115 thành động cơ đánh lửa cưỡng bức cĩ tỉ số nén cao sử dụng biogas được trình bày trong Phụ lục 4. Ngồi ra, Phụ lục 4 cịn giới thiệu qui trình chuyển đổi động cơ diesel nhiều xi lanh thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện cũng như qui trình vận hành động cơ biogas.
Hình 4.15. Động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được chuyển đổi từ động cơ diesel ZH1115
4.7. Kết luận
- Đã lập được qui trình thiết kế chuyển đổi hồn chỉnh và chuyển đổi thành cơng động cơ diesel 1 xi lanh ZH1115 và động cơ diesel nhiều xi lanh thành động cơ đánh lửa cưỡng bức cĩ tỉ số nén cao sử dụng biogas phục vụ quá trình nghiên cứu thực nghiệm của đề tài.
- Đã tiến hành chuyển đổi thành cơng hai động cơ: động cơ diesel 1 xi lanh D28 Samdi và động cơ diesel 6 xi lanh 6D22 Mitsubishi cho 2 trang trại sử dụng kéo máy phát điện theo phương án đã thiết kế. Các động cơ biogas chuyển đổi này đang trong giai đoạn chạy thử nghiệm và vẫn đang hoạt động tốt.
- Để đảm bảo tuổi thọ động cơ biogas, địi hỏi người sử dụng phải tuân thủ qui trình vận hành và bảo dưỡng. Đặc biệt, phải đảm bảo sự làm việc ổn định của hệ thống lọc biogas, sử dụng đúng chủng loại nhớt đã được khuyến cáo và định kỳ thay nhớt theo qui định.
CHƯƠNG 5
THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC
Sau khi thiết kế, chế tạo và lắp đặt các phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel ZH1115 thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng, tiến hành thử nghiệm động cơ trên băng thử nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu và thơng số kết cấu cũng như thơng số vận đến tính năng động cơ. Đồng thời, đánh giá tính đúng đắn của mơ hình tính tốn mơ phỏng và đề xuất các thơng số tối ưu của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được chuyển đổi từ động cơ diesel.
5.1. Mục tiêu thí nghiệm
- Thực nghiệm trên băng thử nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu, thơng số kết cấu và vận hành của động cơ như tỉ số nén, gĩc đánh lửa sớm đến đường đặc tính ngồi của động cơ;
- So sánh, đánh giá kết quả thực nghiệm với kết quả nghiên cứu mơ hình hĩa; - Đề xuất thơng số tối ưu của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được chuyển
đổi từ động cơ diesel.
5.2. Hệ thống thí nghiệm
Hệ thống thí nghiệm được bố trí chung như Hình 5.1 và sơ đồ bố trí thí nghiệm cùng các thiết bị, cảm biến chủ yếu như Hình 5.2.
Động cơ diesel ZH1115 được chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức. Biogas được nạp vào động cơ qua bộ tạo hỗn hợp kiểu venturie. Bướm ga được điều khiển bằng động cơ điện nhận tín hiệu từ máy tính (Hình 5.3). Gĩc đánh lửa sớm của động cơ được thay đổi bằng cách dịch chuyển vị trí lắp cuộn kích trên thân máy. Việc thay đổi tỉ số nén của động cơ được thực hiện bằng cách lần lượt sử dụng các piston cĩ chiều cao đỉnh khác nhau.
Băng thử thủy lực FROUDE được cải tiến hệ thống đo điện tử gồm các cảm biến tốc độ động cơ và cảm biến lực (Hình 5.4). Cảm biến lực được chuẩn bằng các quả cân.
Tín hiệu tốc độ động cơ, lực, nhiệt độ nước làm mát động cơ được đưa vào bộ nhớ máy tính thơng qua card biến đổi A/D (Hình 5.5).
Nhiên liệu biogas được lấy từ 2 nguồn:
- Qua lọc H2S bằng bentonite: Sau khi qua lọc, thành phần CH4 trong biogas trung bình đạt 60%, thành phần H2S cịn khoảng 100ppm.
- Qua hệ thống lọc bằng NaOH: Sau khi qua lọc, thành phần CH4 trong biogas đạt 91%, thành phần H2S cịn khoảng 50ppm. 3 17 18 19 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 22 23 21 13 20 16 15 Khäng khê Biogas Động cơ