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 thử nghiệm Băng thử thủy lực
1-Túi chứa biogas; 2-Cảm biến lưu lượng biogas; 3-Van; 4-Lọc giĩ; 5-Cảm biến lưu lượng khơng khí; 6-Bộ hịa trộn; 7-Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 8-Cảm biến kích
nổ; 9-Động cơ thử nghiệm; 10-Cảm biến lực Loadcell; 11-Cánh tay địn; 12-Stato; 13-Roto; 14-Cảm biến tốc độ Encoder; 15-Đồng hồ áp suất nước; 16-Van; 17-Bơm
nước; 18-Bể nước; 19-Khớp nối Cạc đăng; 20-Tấm chắn; 21-Vơ lăng chỉnh tải; 22-Card AD NI-6009; 23-PC-LabView
Hình 5.1. Sơ đồ bố trí chung của hệ thống thí nghiệm
LoadCell Khơng khí
Biogas từ hầm sinh khí được bơm đẩy qua các cột lọc và chứa vào các túi ni lơng trước khi đưa vào động cơ. Để đạt được thành phần CH4 trung gian giữa hai giá trị 60% và 91%, tiến hành pha trộn biogas từ hai nguồn trên.
Trước khi tiến hành thí nghiệm, thành phần các chất trong biogas được đo bằng máy phân tích khí chuyên dùng GFM 435.
Các mẫu được đọc liên tục vào máy tính thơng qua Card NI6009 và được xử lý lọc nhiễu, tính tốn bằng phần mềm LabView. Trong mỗi lần đo, giá trị được lấy trung bình của 5 lần đo.
Bảng 5.1. Thơng số các thiết bị thí nghiệm
STT Nội dung đo Thiết bị Độ chính xác Số mẫu Tần số
1 Tốc độ động cơ Encoder +/- 3,6 độ 100/vịng -
2 Tải động cơ: Điện áp Loadcell 2mV/V +/- 0.1% 100/lần 48kHz
3 Lưu lượng khơng khí MAF <1% 1000/lần 48kHz
4 Lưu lượng biogas MAF <1% 1000/lần 48kHz
Khi roto quay trong vỏ stato, tùy thuộc vào vị trí của tấm chắn mà băng thử sẽ gây một lượng tải nhất định cho động cơ gắn trên nĩ. Khi tiến hành thí nghiệm, người điều khiển sẽ xoay vơ lăng để điều chỉnh vị trí của tấm chắn, qua đĩ điều chỉnh mức tải này. Khi gây tải cho động cơ, vỏ stato sẽ cĩ xu hướng xoay theo, moment cản sẽ tác động lên cảm biến lực LoadCell thơng qua cánh tay địn. Một cảm biến số vịng
Động cơ biogas Băng thử Froude
Card AD NI-6009 CB Tốc độ CB Lực CB lưu lượng biogas CB nhiệt độ nước làm mát CB lưu lượng khơng khí CB Kích nổ PC - LabView Hình 5.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
quay dạng Encoder được gắn phía đuơi băng thử. Cả hai tín hiệu từ cảm biến lực và cảm biến số vịng quay sẽ được đưa tới Card NI xử lý tín hiệu trước khi đưa đến chương trình xử lý và ghi dữ liệu bằng LabView.
a. b.
Hình 5.3. Bộ tạo hỗn hợp động cơ (a), Cảm biến lực LoadCell PST 100kg (b)
a. b.
Hình 5.4. Encoder 100 xung/vịng (a), Card NI-6009 (b)
Card NI thu nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến: cảm biến số vịng quay, cảm biến lực, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến lưu lượng biogas, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến kích nổ.
Chương trình xử lý và ghi dữ liệu bằng phần mềm LabView giúp người thí nghiệm theo dõi diễn biến các giá trị đo và dễ dàng lưu lại các kết quả đo đạc.
Bơm nước cung cấp nước cho băng thử với áp suất ổn định ban đầu được điều chỉnh ở 1at.
Hình 5.5. Kết nối các cảm biến vào máy tính điều khiển
Hình 5.6. Tiến hành thử nghiệm động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức
5.3. Kết quả và bàn luận
5.3.1. Kết quả thực nghiệm
Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu đến đường đặc tính ngồi của động cơ cĩ tỉ số nén =12, gĩc đánh lửa sớm, s=37 được giới thiệu trên Hình 5.7.