ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
LÊ HỮU TUYÊN
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ
DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN
C
C
R
UT.L
D
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 85.20.11.6
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng- Năm 2020
Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Người hướng dẫn khoa học: TS. PHAN MINH ĐỨC
Phản biện 1: TS. LÊ MINH TIẾN
Phản biện 2: TS. PHÙNG XUÂN THỌ
C
C
R
UT.L
D
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực họp tại trường
Đại học Bách khoa vào ngày 30 tháng 05 năm 2020
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu và truyền thông, trường Đại học Bách khoa Đại
học Đà Nẵng
- Thư viện Khoa Cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN
1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay, trên thế giới nhiên liệu hóa thạch đang được khai
thác một cách quá mức do nhu cầu năng lượng tiêu thụ ngày càng
tăng. Sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch là thủ phạm chính gây
ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng. Ngoài các thành phần ô
nhiễm như CO, HC, NOx và các phát thải hạt gây ảnh hưởng trực
tiếp tới sức khỏe con người, CO2 sinh ra từ quá trình cháy là tác nhân
chính làm gia tăng nhiệt độ trái đất, dẫn đến tình trạng biến đổi khí
hậu và nước biển dâng, đe dọa cuộc sống của nhân loại.
Khí sinh học (biogas) được sản xuất bởi quá trình lên men
yếm khí của vật liệu sinh khối, là nhiên liệu khí đã được sử dụng
rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam. Biogas đóng vai trò là nhiên liệu
thay thế cho cả xăng và diesel truyền thống. Chu trình cacbon trong
quá trình sản xuất biogas từ nguyên liệu sinh khối và phát thải cacbon
từ hoạt động đốt cháy biogas là khép kín với năng lượng sử dụng
được mặt trời cung cấp. Do đó sử dụng biogas với vai trò là nhiên
liệu không làm tăng khí nhà kính cho bầu khí quyển.
Biogas được sản xuất từ quá trình phân hủy yếm khí nên
không thể không chứa những tạp chất không mong muốn. CH4 là
thành phần cơ bản nhưng CO2 có thể chiếm đến 40-50% thể tích
trong biogas. CO2 làm giảm nhiệt trị nhiên liệu và giảm tốc độ lan
tràn màng lửa nên ảnh hưởng đến tính ổn định và khả năng tăng tốc
của động cơ.
Nếu biogas được làm giàu bằng hydrogen thì nhiệt trị của
nhiên liệu và tốc độ cháy của hòa khí sẽ được cải thiện rõ rệt. Trong
điều kiện khí quyển, tốc độ lan tràn màng lửa của hydrogen (230
cm/s) cao lớn gấp 6 lần tốc độ lan tràn màng lửa của methan (42
cm/s). Do đó khi làm giàu biogas bằng hydrogen thì thời kỳ cháy trễ,
thời gian cháy của hỗn hợp sẽ được rút ngắn, áp suất cực đại và tốc
độ tỏa nhiệt tăng.
Do vậy việc 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.
D
C
C
R
UT.L
2
Vì vậy đề tài “ Thiết kế chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử
dụng nhiên liệu biogas-hydrogen ” mang nhiều ý nghĩa khoa học lẫn
thực tiễn.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu chung của đề tài là góp phần giải quyết an ninh
nhiên liệu; giảm ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ đốt trong
gây ra; ngăn ngừa gây hiệu ứng nhà kính. Mục tiêu cụ thể của đề tài
là giải quyết việc điều khiển cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen
cho động cơ diesel kéo máy phát điện cỡ nhỏ.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel cỡ nhỏ 1 xylanh kéo
máy phát điện, có công suất trong phạm vi 5-15kW.
- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc động cơ
diesel sử dụng nhiên liệu biogas-hidrogen.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài được thực hiện kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.
Nghiên cứu lý thuyết quá trình cung cấp, định lượng nhiên liệu, điều
tốc của động cơ diesel kéo máy phát điện; tính toán thiết kế bộ điều
tốc. Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá khả năng làm việc và hiệu
chỉnh thiết kế bộ điều tốc.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
C
C
R
UT.L
D
5.1. Ý nghĩa khoa học
Luận án đã góp phần nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu về
động cơ Dual Fuel (Biogas-Diesel) tại Việt Nam.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài đã góp phần tạo ra một sản phẩm thiết thực, đáp ứng
kịp thời nhu cầu của đời sống kinh tế xã hội.
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được chia
làm 4 chương trình bày các nội dung chính như sau:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về tình hình sử dụng nhiên
liệu khoáng và động cơ diesel chuyển đổi dùng nhiên liệu khí biogas;
các giải pháp cải thiện chất lượng làm việc của động cơ diesel dùng
nhiên liệu biogas;
3
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết điều khiển cung cấp nhiên
liệu cho động cơ diesel, động cơ diesel kéo máy phát điện;
Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp bộ điều tốc cho động cơ
diesel dùng nhiên liệu biogas – hydrogen; Thiết kế và chế tạo bộ điều
tốc cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biogas được làm giàu bằng
hydrogen
Chương 4: Thử nghiệm và hiệu chỉnh thiết kế bộ điều tốc,
Xây dựng qui trình công nghệ chế tạo và lắp đặt bộ điều tốc.
Kết luận và hướng phát triển đề tài.
Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG
1.1.1 . Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay
Trong hàng thập kỷ qua, nhân loại đã và đang trải qua các
biến động khôn lường của khí hậu toàn cầu. Bề mặt Trái đất, khí
quyển và thủy quyển không ngừng nóng lên làm xáo trộn môi trường
sinh thái, đã và đang gây ra nhiều hệ lụy đến đời sống loài người. Các
công trình nghiên cứu quy mô toàn cầu về hiện tượng này đã được
các nhà khoa học ở những trung tâm nổi tiếng trên thế giới tiến hành
từ đầu thập kỷ 90 thế kỷ XX. Hội nghị quốc tế do Liên hiệp quốc
triệu tập tại Rio de Janeiro năm 1992 đã thông qua Hiệp định khung
và Chương trình hành động quốc tế nhằm cứu vãn tình trạng “xấu đi”
nhanh chóng của bầu khí quyển Trái đất, vốn được coi là nguyên
nhân chủ yếu của sự gia tăng hiểm họa. Tổ chức nghiên cứu liên
chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên hiệp quốc (IPCC) đã được
thành lập, thu hút sự tham gia của hàng ngàn nhà khoa học quốc tế.
Tại Hội nghị Kyoto năm 1997, Nghị định thư Kyoto đã được thông
qua và đầu tháng 2/2005 đã được nguyên thủ 165 quốc gia phê
chuẩn. Nghị định thư này bắt đầu có hiệu lực từ 10/2/2005. Việt Nam
đã phê chuẩn Nghị định thư Kyoto ngày 25/9/2005. Gần đây nhất,
hội nghị lần thứ 21 Công ước Khung LHQ về biến đổi khí hậu (COP21) tổ chức tại thủ đô Paris của Pháp cam kết giảm lượng khí thải
nhằm hạn chế tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu ở mức 20C vào cuối
thế kỷ XXI so với thời kỳ tiền công nghiệp.[tltk]
Nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ trái đất:
D
C
C
R
UT.L
4
Hình 1. 1 Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất
Các báo cáo của IPCC và nhiều trung tâm nghiên cứu có uy
tín hàng đầu trên thế giới công bố trong thời gian gần đây cung cấp
cho chúng ta nhiều thông tin và dự báo quan trọng. Theo đó, nhiệt độ
trung bình trên bề mặt địa cầu ấm lên gần 1°C trong vòng 80 năm (từ
1920 đến 2005) và tăng rất nhanh trong khoảng 25 năm nay (từ 1980
đến 2005). Báo cáo cho rằng nếu không thực hiện được chương trình
hành động giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính theo Nghị định thư
Kyoto, đến năm 2035 nhiệt độ bề mặt địa cầu sẽ tăng thêm 2°C. Về
dài hạn, có hơn 50% khả năng nhiệt độ tăng thêm 5°C.
Hiện tại, Trái đất đang từng ngày từng giờ nóng lên, với tốc
độ như vậy thì chiều hướng có thể còn nhanh hơn nữa trong tương
lai, [12].
1.1.2. Hiểm họa đã và đang xảy ra tại Việt Nam
C
C
R
UT.L
D
1.1.3. Vấn đề ô nhiễm môi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra
1.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI CÓ NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ
1.3. ƯU THẾ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS
1.4.2. Đặc điểm khí Sunfua hydro
1.4.3. Đặc điểm khí Cacbon dioxyt
1.4.4. Đặc điểm khí hydrogen
1.4.5. Yêu cầu của biogas khi sử dụng trong động cơ đốt trong
1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU
BIOGAS VÀ HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
5
1.5.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho
động cơ đốt trong trên thế giới
1.5.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho
động cơ đốt trong ở Việt Nam
1.6. KẾT LUẬN
Từ nghiên cứu tổng quan trên đây, chúng ta thấy nhu cầu sử
dụng động cơ đốt trong ở Việt Nam và các nước trên thế giới tăng
trưởng rất lớn theo hằng năm, kèm theo sự phát thải chất khí gây hiệu
ứng nhà kính, là nguyên nhân chính gây ra sự biến đổi khí hậu, làm
mực nước biển dâng cao, đe dọa cuộc sống của nhân loại trên hành
tinh.
Việt Nam đang thực hiện công cuộc công nghiệp hóa, hiện
đại hóa đất nước với mục tiêu trở thành nước công nghiệp theo
hướng hiện đại vào năm 2020. Tuy nhiên trữ lượng dầu thô của nước
ta hạn chế, tiềm năng thủy điện đã được khai thác gần như triệt để.
Do đó để đảm bảo an ninh năng lượng, chúng ta cần tìm kiếm các
nguồn năng lượng thay thế khác.
Trong các nguồn năng lượng tái tạo dồi dào ở nước ta như
năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển… thì
biogas là nguồn năng lượng có tiềm năng so sánh lớn. Chất thải trong
hoạt động sản xuất nông nghiệp, nông thôn, nơi có gần 70,4% dân số
sinh sống, là nguồn nguyên liệu rất tốt để sản xuất biogas.
Sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong tĩnh tại và phương
tiện vận chuyển cơ giới ở nước ta chưa được phát triển vì chúng ta
chưa làm chủ được công nghệ chuyển đổi các loại động cơ truyền
thống rất đa dạng về chủng loại và kích cỡ sang chạy bằng biogas.
Đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng
biogas-hydrogen” sẽ góp một phần trong tiến trình giải quyết triệt để
vấn đề trên.
Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỘ ĐIỀU TỐC TRÊN
ĐỘNG CƠ DIESEL
2.1. TỔNG QUAN ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ
2.1.1. Tính ổn định của động cơ
Trạng thái làm việc của động cơ được đặc trưng bởi các chỉ
tiêu và các thông số: công suất có ích Ne, momen Me, tốc độ trục
D
C
C
R
UT.L
6
khuỷu , suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge, hệ số dư lượng không
khí α, hiệu suất có ích c, áp suất tăng áp pk… được gọi là chế độ
làm việc.
Chế độ làm việc được gọi là dừng nếu các chỉ tiêu và các
thông số kể trên không đổi theo thời gian. Do tính chu kỳ của quá
trình hoạt động nên một vài thông số, ví dụ phải dao động xum
quanh một giá trị nào đó. Lúc ấy giá trị trung bình được dùng để chỉ
giá trị dừng của thông số dao động.
Khi động cơ làm việc ở chế độ dừng thì thỏa mãn điều kiện
cân bằng sau :
Meo-Mco=0
Trong đó : Meo và Mco – là mô men của động cơ và mô men
cản của máy công tác được quy về trục khuỷu động cơ ở chế độ
dừng.
Do đó chế độ dừng còn được gọi là chế độ cân bằng. Các
điểm làm việc B (hình 1-1) là các chế độ dừng vì MeB = McB
(mômen Mc được quy về trục động cơ). Do nhiễu, B có thể sẽ tăng
’ hoặc giảm ”. Nếu sau nhiễu, cứ tăng liên tiếp hoặc giảm
liên tiếp đến lúc máy dừng lại thì B là chế độ dừng không ổn định,
ngược lại nếu sau nhiễu tốc độ động cơ lại trở lại B thì B là chế độ
dừng ổn định.
Điểm B của hình 1-1a là chế độ dừng ổn định vì khi có
nhiễu nếu ’B=B+ thì Mc’> Me’ làm giảm để trở lại điểm B
(B), còn nếu B” = B-” thì Me”> Mc” làm tăng để trở lại
điểm B (B).
Điểm B của hình 1-1b là chế độ không ổn định vì chỉ cần
một nhiễu nhỏ làm cho ≠ B thì tốc độ của động cơ sẽ tăng mãi
mãi hoặc giảm mãi cho tới chết máy.
Như vậy đối với chế độ làm việc của động cơ tại điểm B
của hình 1-1b, thì để đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định, đảm
bảo các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ cần có một cơ cấu đặc
D
C
C
R
UT.L
7
biệt thường gọi là bộ điều chỉnh tốc độ gọi tắt là bộ điều tốc, dùng
để điều chỉnh lượng nhiên liêu cung cấp cho mỗi chu trình một cách
tự động đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định. Sau đây chúng ta
sẽ nghiên cứu kỹ hơn về các đặc điểm làm việc của bộ điều tốc.
Hình 2. 1 Tính ổn định của động cơ
a) Chế độ làm việc ổn định; b) Chế độ làm việc không ổn định
2.1.2. Những điều kiện làm việc của động cơ cần lắp điều tốc
Nếu động cơ làm việc trong điều kiện phải giữ không đổi
chế độ tốc độ hoặc trong trường hợp số vòng quay của động cơ rất
dễ vượt quá số vòng quay giới hạn, một mặt có thể gây ra ứng suất
cơ giới vượt quá giới hạn cho phép, mặt khác còn phá hoại nghiêm
trọng các quá trình làm việc của động cơ; trong những trường hợp
ấy trên động cơ phải bắt buộc lắp bộ điều tốc.
Động cơ Diesel thường rất nhạy cảm với chế độ tốc độ. Nếu
tốc độ động cơ vượt quá giới hạn của số vòng quay thiết kế, thường
làm giảm chất lượng của quá trình công tác vì lúc ấy hệ số dư lượng
không khí α và chất lượng hình thành hỗn hợp điều giảm nhanh.
Lúc đấy một mặt thời gian cháy bị rút ngắn mặt khác chất lượng
quá trình cháy cũng giảm nhiên liệu cháy không kiệt và quá trình
cháy phải kéo dài trên đường giãn nở, làm cho động cơ rất nóng
(đặc biệt là cơ cấu thải và nhóm piston), tốn nhiều nhiên liệu có
nhiều muội than trong khí thải, làm cho động cơ chóng hỏng.
D
C
C
R
UT.L
8
Trong động cơ Xăng nếu tốc độ vượt quá số vòng quay
thiết kế thì chỉ gây ảnh hưởng rất ít tới quá trình công tác, vì chất
lượng quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ Xăng hầu như
không phụ thuộc vào chế độ tốc độ và khi thay đổi số vòng quay
thành phần của khí hỗn hợp hầu như không đổi. Như vậy trường
hợp có đủ hệ số an toàn về sức bền cơ giới, động cơ Xăng có thể
chạy vượt số vòng quay thiết kế chừng 3050% trong một thời
gian ngắn mà không gây hại gì cho động cơ.
Như vậy chế độ chạy vượt số vòng quay thiết kế là chế độ
nguy hiểm cần tránh đối với động cơ Diesel, thì đối với động cơ
xăng lại là chế độ làm việc cho phép. Mặt khác do đặc điểm về đặc
tính tôc độ của động cơ Diesel nên xác suất chạy vượt số vòng quay
thiết kế lớn hơn rất nhiều so với động cơ xăng (động cơ xăng chỉ
chạy vượt số vòng quay thiết kế khi bướm ga mở lớn, trong khi đó
với bất kỳ một vị trí nào của cơ cấu điều khiển bơm cao áp, động cơ
Diesel đều có thể vượt số vòng quay thiết kế).
Chính vì vậy tất cả động cơ Diesel trong mọi điều kiện sử
dụng đều cần lắp bộ điều tốc, nhằm hạn chế số vòng quay cực đai
của động cơ, nhưng yêu cầu đó lại không phải bắt buộc với tất cả
các động cơ Xăng.
Sau đây ta sẽ xét mấy điều kiện là việc cụ thể sau đây.
C
C
R
UT.L
D
2.1.2.1. Chế độ không tải
2.1.2.2. Động cơ quay chân vịt tàu thủy
2.1.2.3. Động cơ làm việc trong điều kiện tĩnh tại
2.1.3. Giới thiệu về các loại điều tốc phổ biến
2.1.3.1. Các bộ điều tốc trực tiếp
Bộ điều tốc trực tiếp được sử dụng trên các động cơ cao tốc
cỡ nhỏ và cỡ vừa. Ưu điểm chính của các bộ điều tốc trực tiếp là: cấu
tạo và bảo dưỡng đơn giản. Nhưng nó có một vài nhược điểm như :
lực duy trì nhỏ và kích thước của phần tử cảm ứng tương đối lớn.
Bộ điều tốc cơ khí trực tiếp một chế độ (hình 2.4).
a.
9
b.
Bộ điều tốc giới hạn
2.1.4. Bộ điều tốc trực tiếp nhiều chế độ
2.1.4.1. Bộ điều tốc trực tiếp cơ khí nhiều chế độ
2.1.4.2. Bộ điều tốc trực tiếp chân không nhiều chế độ.
2.1.5. Các bộ điều tốc gián tiếp.
2.1.5.1. Bộ điều tốc gián tiếp không có liên hệ ngược
2.1.5.2. Bộ điều tốc gián tiếp có liên hệ ngược nối cứng
2.1.5.3. Bộ điều tốc gián tiếp có liên hệ ngược nối mềm.
2.2. TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP
2.3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ NHIÊN LIỆU KÉP
Đối với động cơ sử dụng cho mục đích tĩnh tại, tốc độ động cơ
phải được điều chỉnh không đổi hoặc thay đổi trong phạm vi rất bé.
Một số ứng dụng với mục đích tĩnh tại phổ biến hiện nay của động
cơ biogas như động cơ kéo máy phát điện, máy bơm nước, .... Trong
trường hợp này lưu lượng biogas cần phải được điều chỉnh một cách
tự động, bởi một bộ điều tốc, điều khiển tự động van tiết lưu giữa vị trí
mở hoàn toàn và đóng hoàn toàn khi phụ tải thay đổi. Khi đó, tốc độ
động cơ được giữ nguyên hoặc sát với tốc độ cũ. Người ta dùng hệ số
không đồng đều của bộ điều tốc để đánh giá mức độ sai lệch giữa tốc
độ thực tế so với tốc độ trung bình của động cơ trong phạm vi điều
chỉnh tốc độ nhờ bộ điều tốc.
C
C
R
UT.L
D
Hình 2. 2 Chế độ làm việc của động cơ gắn điều tốc
10
1: Đặc tính ngoài; 2,3,4,5: Đặc tính bộ phận; 6: Đặc tính điều tốc;
Phần gạch chéo: khu vực làm việc do ảnh hưởng của độ nhạy bộ điều
tốc
Chế độ hoạt động của động cơ tĩnh tại lắp điều tốc (Hình 2.9)
nằm trên đường vuông góc với trục hoành đi qua số vòng quay thiết
kế (n0 ÷ nKT) tương ứng với công suất thiết kế (Nen ÷ 0 kW). Nen là
công suất có ích được nhà sản xuất đảm bảo khi cho động cơ chạy
trong điều kiện quy định. Đối với động cơ tĩnh tại kéo máy phát
điện, công suất thiết kế là công suất cho phép động cơ chạy quá tải
10% ÷ 20% trong thời gian 1 giờ.
Bộ điều tốc cơ khí ly tâm thường hoạt động ổn định, độ bền
cao và lắp đặt tương đối dễ dàng. Vì ta đã có sẵn cơ cấu điều tốc cơ
khí ly tâm điều chỉnh lượng nhiên liệu diesel, ta sẽ dùng lại cơ cấu
điều tốc này cải tạo thành bộ điều tốc biogas nhằm giảm khối lượng
chế tạo mới cho nhà sản xuất.
Khi động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel hoạt động ở chế độ
nhiên liệu kép có hạn chế phun mồi và điều tốc biogas (Hình 2.10),
lượng nhiên liệu biogas sẽ được bộ điều tốc điều chỉnh tăng hoặc
giảm ngay khi có sự thay đổi công suất phụ tải làm giảm hoặc tăng
tốc độ động cơ. Từ đó, tốc độ của bộ điều tốc cũng giảm hoặc tăng
làm thay đổi vị trí đĩa tỳ. Thông qua càng điều tốc biogas, lưu lượng
biogas cấp vào cho động cơ sẽ được điều chỉnh tăng hoặc giảm nhằm
ổn định tốc độ động cơ.
D
C
C
R
UT.L
11
Hình 2. 3 Nguyên lý cấp biogas tự động bằng điều tốc ly tâm.
1: Bơm cao áp; 2: Càng điều khiển điều tốc diesel; 3: Điều tốc diesel;
4: Quả văng; 5: Chốt; 6: Lò xo điều tốc diesel; 7: Càng điều khiển lò
xo điều tốc diesel; 8: Càng điều khiển điều tốc biogas; 9: Lò xo điều
tốc biogas; 10: Điều khiển lò xo điều tốc biogas; 11: Đĩa tỳ; 12: Chốt
điều tốc biogas; 13: Quả văng điều tốc biogas; 14: Van cấp biogas;
15: Van cấp biogas; 6: Đường cấp biogas; 17: Họng nạp; 18: Vòi
phun diesel; 19: Piston.
2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
2.4.1. Cơ sở lý thuyết
2.3.2. Phương pháp tính toán
2.5. KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra được
những kết luận sau:
- Nguyên lý của động cơ dual fuel biogas-diesel của đề tài này có thể
áp dụng trên hầu hết các loại động cơ diesel khi chuyển sang chạy
bằng biogas.
- Lập sơ đồ và tính toán các thông số động học của bộ điều tốc
biogas.
Chương 3- THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ
DIESEL SỬ DỤNG BIOGAS-HYDROGEN
3.1. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU
D
C
C
R
UT.L
12
3.2. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ô
NHIỄM ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-HYDROGEN
3.2.1. Thiết lập mô hình tính toán
Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ
dual fuel chạy bằng biogas-hydrogen được thực hiện bằng phần mềm
FLUENT. Sơ đồ không gian tính toán như hình 3.1
C
C
R
UT.L
Hình 3.1. Mô hình tính toán mô phỏng
Xác lập không gian tính toán đối với dạng buồng cháy nói
trên, chia lưới và đặt điều kiện biên cho bài toán được thực hiện trong
phần mềm ANSYS Workbench (Hình 3.1). Áp dụng Dynamic Mesh
cho phép chúng ta cài đặt các thông số kết cấu động cơ trước khi thực
hiện việc tính toán bằng phần mềm động lực học thủy khí FLUEN.
Trong tính toán này chúng ta sử dụng mô hình rối k-, mô
hình cháy partial premixed. Các thông số nhiệt động học của hỗn hợp
theo thành phần nhiên liệu biogas được xác lập dạng bảng pdf để rút
nhắn thời gian tính toán. Độ đậm đặc của hỗn hợp được điều chỉnh
thông qua tỉ lệ hỗn hợp (mixture fraction) f. Quá trình tính toán được
thực hiện từ lúc bắt đầu nạp đến khi kết thúc quá trình dãn nở (540 độ
GQTK).
Quá trình cháy được giả định các chất ở trạng thái cân bằng
nhiệt động học trừ NOx. Nồng độ NOx được kiểm soát bằng cơ chế
Zeldovitch trong đó nhiệt độ cháy đóng vai trò quan trọng. Các phản
ứng chính diễn ra như sau:
O + N2 = N + NO
(1)
D
13
N + O2 = O + NO
(2)
Một phản ứng thứ ba đã được chứng mình là góp phần vào
sự hình thành NOx đặc biệt là ở điều kiện cân bằng hóa học và hỗn
hợp giàu nhiên liệu:
N + OH = H + NO
(3)
Tốc độ của sự hình thành NOx được tính theo công thức sau:
(4)
Trong đó, kf,1, kf,2 và kf,3 là hằng số tốc độ cho các phản
ứng thuận và kr,1, kr,2 and kr,3 là các hằng số tốc độ của phản ứng
nghịch
Để tính được tốc độ hình thành NOx, ta cần có nồng độ của
O, H, OH trong chuổi phản ứng sau:
C
C
R
UT.L
D
Do đó, ở các phần tiếp theo, nồng độ CO được tính toán
bằng lược đồ cân bằng với sự trợ giúp mô hình đốt cháy hỗn hợp hòa
trộn trước một phần. Và phát thải NOx được tính toán theo mô hình
nhiệt NOx được tích hợp trong phần mềm Fluent.
Đây là một phần kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu động cơ
dual fuel biogas-hydrogen trong khuôn khổ đề tài hệ thống năng
lượng hybrid biogas-năng lượng mặt trời.
Hình 3.2. Trình bày kết quả mô phỏng diễn biến đường đồng
mức nồng độ nhiên liệu HC, diesel, nhiệt độ T, CO, NOx, nồng độ
thể tích bồ hóng fv và trường tốc độ dòng khí trong buồng cháy tại
14
các vị trí 350 độ, 360 độ và 370 độ góc quay trục khuỷu. Động cơ
chạy ở tốc độ 1200 vòng/phút bằng biogas M6C4 pha 20% hydrogen.
Khi đánh lửa màng lửa lan dần từ điểm đánh lửa đến nơi xa nhất
buồng cháy. Với hàm lượng biogas M6C4 pha 20% hydrogen, chỉ
còn phần nhỏ HC chưa cháy. Khi màng lửa lan ra xa, khu vực nồng
độ Nox cao nằm sau màng lửa. Tại một vị trí quay trục khuỷu khi pha
20% Hydrogen vào biogas thì vùng hỗn hợp cháy rộng hơn. Điều này
do tốc độ cháy của hỗn hợp được cải thiện khi bổ sung hydrogen vào
biogas.
n1200 v/p, M6C4-20%H2
350độ
360độ
370độ
0,3/15,5(min/ma 0,24/14,24(min/m
ax)
x)
2,3/18,5 (min/max)
HC
C
C
R
UT.L
0/8,5
Die
0/3
0/1,5
750/2200
980/2500
1000/2500
0/15,5
0/16
0/16
0/90
0/5600
0/9000
0/7e-8
0/5,8e-6
0/6,8e-6
0/30
0/7
0/3
D
T
CO
NO
x
fv
V
15
Hình 3.2. Diễn biến đồng mức nồng độ nhiên liệu HC, diesel, nhiệt
độ T, CO, NOx, nồng độ thể tích bồ hóng fv và trường tốc độ dòng
khí trong buồng cháy động cơ dualful biogas-hydrogen/diesel.
3.2.2.1. Ảnh hưởng của lượng phun diesel đến áp suất, nhiệt độ và
phát thải ô nhiễm khi cố định lượng biogas-hydrogen cung cấp.
3.3. KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ EV2600NB
3.3.1. Công dụng và phân loại bộ điều tốc
3.3.2. Phân loại[10]
3.3.3. Cấu tạo bộ điều tốc của động cơ EV2600
D
C
C
R
UT.L
Hình 3. 1 Kết cấu của bộ điều tốc
1- Đầu nối ống dầu cao áp. 2- Thanh răng bơm cao áp. 3- Cần điều
tốc dưới. 4- Cần điều tốc trên. 5- Quả văng. 6- Bánh răng khởi động.
7- Bánh răng cân bằng. 8- Trục khởi động. 9- Que thăm dầu. 10Trục trượt. 11- Bơm dầu 12 – Lỗ lò xo hồi vị
3.3.4. Nguyên lý làm việc
3.4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ
EV2600-NB DUAL FUEL DIESEL-BIOGAS
3.4.1. Nguyên lý điều khiển động cơ dual fuel biogas-diesel
3.4.2. Phương án chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ dualfuel
biogas-diesel
Bước 1: Cải tạo trục cân bằng động
Để có đủ không gian lắp đặt bộ điều tốc biogas, đầu trục này
được cắt bớt một đoạn h = 7mm. Việc cắt bớt đầu trục này không ảnh
16
hưởng đến cân bằng động của động cơ. Bước này được trình bày trên
hình 3.3. Sau đó khoan lỗ Ø10 sâu 40mm (hình 3.3).
C
C
R
UT.L
D
a)
b)
Hình 3. 2 Cắt bớt đầu trục cân bằng động
a) Trước khi gia công; b) Sau khi gia công
Bước 2: Gia công lại bánh răng số 4 theo kích thước hình 2.10b
Bước 3: Chọn và lắp bộ điều tốc biogas
a)
b)
Hình 3. 3 Gia công lại bánh răng số 4
17
a) Trước khi gia công; b) Sau khi gia công
Hình 3. 4 Vị trí lắp bộ điều tốc biogas
Do tốc độ của trục này bằng tốc độ trục lắp bộ điều tốc
diesel, do đó tác giả chọn bộ điều tốc nguyên thủy của động cơ
Vikyno để lắp đặt thành bộ điều tốc biogas. Sau khi lắp đặt vào trục
cân bằng động đã cải tạo thì không gian trong động cơ vẫn đảm bảo
bộ điều tốc hoạt động bình thường. Vị trí tương đối của bộ điều tốc
khi bung cực đại so với các bộ phận khác của động cơ thể hiện trên
hình 3.5 ta có, bánh răng số 1, số 2 và số 3 quay cùng tốc độ. Đồng
thời tại vị trí bánh răng số 4 có đủ không gian có thể bố trí bộ điều tốc
nên ta chọn vị trí này là vị trí lắp đặt điều tốc điều khiển biogas. Như
vậy, bộ điều tốc sẽ được gắn lên trục cân bằng trên cùng với bánh
răng số 4.
Bước 4: Cải tạo nắp máy
Việc cải tạo nắp máy nhằm bổ sung thêm hệ thống điều
khiển van cung cấp biogas từ bộ điều tốc. Sau khi nghiên cứu, tác giả
chọn được vị trí để khoan lỗ lắp trục cần điều khiển như hình 3.6. Để
đảm bảo dầu bôi trơn không thoát ra ngoài, đề tài bổ sung thêm các
cánh chắn dầu.
D
C
C
R
UT.L
18
a)
C
C
R
UT.L
D
b)
c)
Hình 3. 5 Vị trí lắp trục cần điều khiển
a) Kích thước và vị trí lắp đặt ống lót trục càng điều tốc biogas
b) Vị trí lỗ 10 để lắp đặt trục của cần điều chỉnh sức căng lò xo
c) Liên kết trục càng điều tốc và càng điều tốc biogas phía trong
Bước 5: Lắp hệ thống càng điều khiển
Bao gồm các càng, lò xo và cơ cấu điều khiển sức căng lò xo. Kích
- Xem thêm -