Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Thiết kế chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biogas hydrogen (...

Tài liệu Thiết kế chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biogas hydrogen (tt)

.PDF
26
11
134

Mô tả:

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 3050% 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 -

Tài liệu liên quan