Tài liệu Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ Sinh viên thực hiện: LÊ MINH PHỤNG Đà Nẵng – Năm 2019 i TÓM TẮT Tên đề tài : THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ Sinh viên thực hiện : Lê Minh Phụng Số thẻ sinh viên : 103140039 Lớp : 14C4A Chương1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Nguồn gốc, tính chất, ứng dụng của nhiên liệu khí trong thời đại ngày nay và sự cần thiết của hệ thốn thử nghiệm nhiên liệu khí. Chương 2 : KHẢO SÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM ĐANG SỬ DỤNG TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ. Giới thiệu chung về động cơ, băng thử các thiết bị thí nghiệm của phòng thí nghiệm. Chương 3 : PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ĐỂ CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO BĂNG THỬ. Phân tích ưu, nhược điểm của các phương án bố trí lắp đặt, chọn phương án tối ưu để tiến hành thực hiện. Chương 4 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG Tính toán nhiệt động cơ : tính toán, thiết kế, lựa chọn một số chi tiết trong hệ thống. ii ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên:Lê Minh Phụng Lớp:14C4A Số thẻ sinh viên: 103140039 Khoa:.Cơ khí giao thông Ngành:Kỹ thuật cơ khí 1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí 2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện 3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Theo các tài liệu tham khảo sách giáo khoa và thực tế. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Chương 1: tổng quan về đề tài chương 2: khảo sát chung về động cơ và hệ thống thử nghiệm đang sử dụng tại phòng thí nghiệm động cơ. Chương 3: phân tích lựa chọn các phương án thiết kế để cung cấp nhiên liệu cho băng thử. Chương 4: tính toán thiết kế các chi tiết của hệ thống 4. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ): -Bản vẽ sơ đồ mặt bằng tổng thể các phương án (03A3) -Bản vẽ sơ đồ hình chiếu các phương án (03A3) -Bản vẽ van tiết lưu (01A3) -Bản vẽ bình chứa CH4 (01A3) 5. Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS. Dương Việt Dũng 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 7. Ngày hoàn thành đồ án: Phần/ Nội dung: 25 /02 /2019 03/06 /2019 Đà Nẵng, ngày 06 tháng 06 năm 2019 Trưởng Bộ môn Kỹ thuật ô tô và Máy động lực PGS.TS. Dương Việt Dũng Người hướng dẫn PGS.TS. Dương Việt Dũng iii LỜI NÓI ĐẦU VÀ LỜI CẢM ƠN Trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa, công nghiệp ô tô là ngành công nghiệp quan trọng hàng đầu mà Nhà nước đặc biệt quan tâm chú trọng và phát triển để xây dụng đất nước. Tuy nhiên các nguồn năng lượng năng lượng có nguồn gốc từ dầu mử đang ngày càng cạn kiệt do đó xu hướng nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng tái tạo là vấn đề cấp thiết hàng đầu. Để sử dụng được các nguồn nhiên liệu thay thế ( đặc biệt là nhiên liệu khí) cần thiết phải có hệ thống thử nghiệm động cơ để đánh giá các chỉ tiêu về tính năng kinh tế kĩ thuật, mức phát thải ô nhiễm,… trước khi đưa vào sử dụng. Tuy nhiệm vụ khá khó khăn nhưng với niềm đam mê của sinh viên ngành Cơ khí động lực khoa Cơ khí giao thông nên em đã nhận đề tài “ Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí”. Sau thời gian 5 năm học tại trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, được sự dạy bảo và hướng dẫn tận tình của các Thầy cô giáo, chúng em đã tiếp thu những kiến thức cơ bản mà thầy cô đã truyền đạt. Mỗi sinh viên cần phải qua một đợt tìm hiểu thực tế để kiểm tra và bổ sung thêm những kiến thức đã học. Do đó quá trình thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp là điều hết sức cần thiết đối với mỗi sinh viên, nó không những giúp cho mỗi sinh viên tiếp xúc và làm quen với những chi tiết, hệ thống đã được học trên lý thuyết đồng thời trau dồi thêm các kỹ năng mềm như Microsoft Word, Excel, Auto Cad,... mà còn giúp cho ta áp dụng những kiến thức ấy vào thực tế để giải quyết các vấn đề kỹ thuật có liên quan đến nó. Do kiến thức còn nhiều hạn chế, kinh nghiệm chưa nhiều, tài liệu tham khảo còn thiếu sót và điều kiện thời gian không cho phép nên đồ án tốt nghiệp của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các Thầy cô giáo trong bộ môn chỉ bảo để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Dương Việt Dũng đã tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành đề tài này. Và chúng em cũng xin gởi lời cảm ơn đến các Thầy cô giáo trong khoa Cơ khí Giao thông cũng như các bạn sinh viên khoa mình đã giúp em hoàn thành đề tài này. Đà Nẵng, ngày 06 tháng 06 năm 2019 Sinh viên Lê Minh Phụng iv CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài của riêng em không trùng lặp với bất kì đề tài đồ án tốt nghiệp nào trước đây. Đề tài là sản phẩm mà em đã nỗ lực nghiên cứu trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Các thông tin, số liệu được sử dụng và tính toán đều từ các tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, theo quy định. Nếu có gì sai phạm em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Đà Nẵng, ngày 06, tháng 06, năm 2019 Sinh viên thực hiện Lê Minh Phụng v MỤC LỤC TÓM TẮT......................................................................................................................iii NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP..............................................................................iv LỜI NÓI ĐẦU VÀ LỜI CẢM ƠN ................................................................................iv CAM ĐOAN....................................................................................................................v MỤC LỤC.....................................................................................................................vii DANH SÁCH CÁC BẢNG HÌNH VẼ..........................................................................ix DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT..........................................................xi MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ................................................2 1.1.Vài nét về nhiên liệu khí. .......................................................................................2 1.1.1. Nhiên liệu khí và ứng dụng thực tế của nhiên liệu khí trong động cơ đốt trong hiện nay. ..........................................................................................................2 1.1.2.Nguồn gốc tính chất và các vấn đề khi sử dụng nhiên liệu khí…………….3 1.2. Sự cần thiết của băng thử động cơ sử dụng nhiên liệu khí và tình hình thực tế sử dụng hiện nay. ..............................................................................................................7 1.3. Mục đích, ý nghĩa của đề tài nghiên cứu. ............................................................. 8 Chương 2 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ THỬ NGHIỆM VÀ BĂNG THỬ ĐANG SỬ DỤNG TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM ..............................................9 2.1. Giới thiệu chung về động cơ thử nghiệm ..........................................................9 2.1.1. Đặc điểm chung về kết cấu của động cơ Vikyno EV 2600-NB. ....................9 2.1.2. Đặc điểm hệ thống nhiên liệu của động cơ Vikyno EV 2600- NB. .............11 2.2. Khảo sát chung về băng thử froude và sơ đồ lắp đặt hiện tại ở phòng thí nghiệm. ....................................................................................................................................13 2.2.1. Giới thiệu chung về băng thử thủy lực FROUDE. ......................................13 2.2.2. Nguyên lí làm việc của băng thử FROUDE. ................................................14 2.2.3. Giới thiệu các cảm biến lắp đặt trên băng thử . ............................................15 2.2.4.Giới thiệu về thiết bị tiêu hao nhiên liệu. AVL 733S. ...................................20 2.2.5. Sơ đồ lắp đặt phòng thí nghiệm. ...................................................................22 Chương 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ĐỂ CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ TRÊN BĂNG THỬ ........................23 3.1. Lắp đặt các bình chứa nhiên liệu khí bên trong phòng thí nghiệm để cung cấp cho hệ thống thử nghiệm. ........................................................................................... 23 3.2.Xây dựng phòng riêng biệt bên trong phòng thí nghiệm để đặt các bình nhiên liệu của hệ thống thử nghiệm. ...................................................................................26 vi 3.3.Đặt các bình chứa nhiên liệu khí bên ngoài phòng thí nghiệm và dẫn khí từ bên ngoài vào. ...................................................................................................................27 Chương 4 : Tính toán thiết kế các chi tiết của hệ thống ................................................30 4.1.Tính toán nhiệt động cơ EV-2600 NB khi dùng hỗn hợp nhiên liệu khí với thành phần cho trước. ...........................................................................................................30 4.1.1. Thông số cho trước của động cơ...................................................................30 4.1.2. Thông số chọn của động cơ. .........................................................................30 4.1.3. Quá trình tính toán ........................................................................................31 4.1.4. Tính toán thiết kế bộ hoà trộn khí nén và không khí ....................................40 .......................................................................................................................................41 4.2. Phân tích lựa chọn các bình nhiên liệu khí, hệ thống van đường ống dẫn khí. 4.2.1. Phân tích lựa chọn tính toán tiết lưu trong mạch cung cấp chính. ......................45 4.2.3. Các bình nhiên liệu khí. ................................................................................50 4.2.4. Van giảm áp của bình chứa. .........................................................................51 4.1.5.Lưu lượng kế..................................................................................................52 4.3. vấn đề an toàn khi sử dụng nhiên liệu khí........................................................... 54 KẾT LUẬN ..................................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 57 vii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ BẢNG 1.1. Một số tính chất của biogas. BẢNG 1.2. Thành phần tính chất của biogas. BẢNG 2.1. Thông số kỹ thuật động cơ Vikyno EV-2600. BẢNG 4.1. Các thông số cho trước của động cơ. BẢNG 4.2. Các thông số chọn của động cơ. BẢNG 4.3. Các giá trị an . BẢNG 4.4. Bảng thông số kích thước bình CH4. BẢNG 4.5. Bảng thông số kích thước bình H2. BẢNG 4.6. Bảng thông số kích thước bình CO2. HÌNH 2.1. Động cơ diesel EV 2600. HÌNH 2.2. Thông số kỹ thuật động cơ. HÌNH 2.3. MẶt cắt dọc động cơ Vikyno EV 2600. HÌNH 2.4. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ EV 2600. HÌNH 2.5. Sơ đồ nguyên lí băng thử Froude. HÌNH 2.6. Cấu tạo của băng thử Froude. HÌNH 2.7. Cảm biến tốc độ động cơ encoder. HÌNH 2.8. Cấu tạo và sơ đồ mạch điện tương đối. HÌNH 2.9. Cảm biến biến dạng. HÌNH 2.10. Hình dạng của Loadcell. HÌNH 2.11. Kết nối các strain gage trong Loadcell. HÌNH 2.12. Sơ đồ và mạch khuếch đại tín hiệu Loadcell. HÌNH 2.13. Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát. HÌNH 2.14. Đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát. HÌNH 2.15. Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát khi gắn trên động cơ. HÌNH 2.16. Sơ đồ nguyên lí và bố trí chung giữa AVL 755 và AVL 733S. viii HÌNH 2.17. Máy đo suất tiêu hao nhiên liệu AVL 733s Balance. HÌNH 2.18 Sơ đồ phòng thí nghiệm động cơ HÌNH 3.1. Sơ đồ lắp đặt bình chứa khí nén bên trong phòng thí nghiệm để cung cấp cho băng thử HÌNH 3.2. sơ đồ bố trí thí nghiệm với bình chứa nhiên liệu được đặt bên trong phòng thí nghiệm. HÌNH 3.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm với bình chứa nhiên liệu được đặt bên ngoài phòng thí nghiệm. HÌNH 4.1. Các loại bộ hoà trộn. HÌNH 4.2. Bộ hoà trộn trực giao. HÌNH 4.3. Sơ đồ tính toán đường kính lỗ phun. HÌNH 4.4. các loại van tiết lưu. HÌNH 4.5. Kết cấu tiết lưu mạch chính. HÌNH 4.6. Sơ đồ tính toán vít côn. HÌNH 4.8. Kích thước chốt tiết lưu. HÌNH 4.9. Van giảm áp bình khí nén. HÌNH 4.10. Lưu lượng kế đo khí VA 520. ix DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT  [-] Tỷ số nén Ne [W] Công suất có ích cực đại nN [vòng/phút] Số vòng quay ở điểm công suất cực đại D [mm] Đường kính xy lanh S [mm] Hành trình piston i [xy lanh] Số xy lanh  [kỳ] Số kỳ  [-] Hệ số dư lượng không khí  [-] Tỷ số giãn nở sau e [%] Hiệu suất có ích D [mm] Đường kính xilanh S [mm] Hành trình làm việc của pittong n [v/ph] Số vòng quay lớn nhất của động cơ có thể đạt được Δph [N/m2] Độ chân không tại họng Gnl [kg/s] Lưu lượng nhiên liệu qua giclơ chính Ne [kW] Công suất cực đại của động cơ Ge [g/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu lb [m] Chiều dài buồng hỗn hợp an Hệ số dao động của dòng chảy biogas [kg/m3] Khối lượng riêng của biogas λ Hệ số dư lượng không khí v Hệ số nạp x Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ xe hơi đang ngày càng phát triển và tiến bộ không ngừng nhưng nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Do đó xu thế sử dụng sử dụng các nguồn năng lượng thay thế là tất yếu. Trong các nguồn nhiên liệu thay thế hiện nay thì nhiên liệu khí là dạng năng lượng đang được các nhà khoa học, các nhà sản xuất ô tô tiếp cận, nghiên cứu và sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới. Tương tự như động cơ sử dụng dạng nhiên liệu lỏng, động cơ sử dụng nhiên liệu khí cũng cần phải được phân tích, đánh giá cá đặc tính của nó trước khi đưa vào sử dụng. Do đó việc thiết kế băng thử để thử nghiệm đánh giá động cơ sử dụng nhiên liệu khí là tất yếu.Nhưng tại Việt Nam việc nghiên cứu và sử dụng băng thử để đánh giá động cơ sử dụng nhiên liệu khí vẫn còn ít và hạn chế. Do vậy em đã chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí ’’ để giải quyết một số vấn đề trên. Cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn Dương Việt Dũng đã chỉ bảo tận tình cho em, giúp em vượt qua những khó khăn, trở ngại, và thử thách trong khi hoàn thành đồ án của mình. Bên cạnh đó em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa đã tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Sinh viên thực hiện: Lê Minh Phụng Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 1 Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1.Vài nét về nhiên liệu khí. 1.1.1. Nhiên liệu khí và ứng dụng thực tế của nhiên liệu khí trong động cơ đốt trong hiện nay. Nhiên liệu khí được phát triển và thương mại hóa thừ những năm 1950. Mấy thập kỉ qua chúng được dùng chủ yếu cho công nghiệp và sinh nhiệt gia dụng. Việc nghiên cứu sử dụng chúng cho động cơ đốt trong trên phương tiện giao thông vận tải đã bắt đầu từ những năm gần đây. Tuy việc áp dụng loại nhiên liệu này trên ô tô cần những thiết bị cồng kềnh hơn nhiên liệu lỏng nhưng nó cho phép giảm được mức phát thải ô nhiễm và tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch nên đó là vấn đề mà các nhà chế tạo ô tô quan tâm nhất hiện nay. Từ những năm 70 của thế kỉ trước, nhiên liệu khí được sử dụng rộng rãi cho các phương tiện vận tải ở Liên Xô, các nước châu Âu, Mỹ, Canada do tác động của cuộc khủng hoảng nhiên liệu. Ở châu Á, khoảng thập kỉ 90 đến nay ở Thái Lan, Nhật Bản, hàn Quốc, Mã Lai,…và đặc biệt là Trung Quốc đã phát triển rất nhanh NGV. Riêng tại Quảng Châu( Trung Quốc) hiện nhiên liệu khí đang chiếm từ 80-90% trên các phương tiện vận chuyển bằng nhiên liệu sách thay thế cho xăng dầu. Tại Thái Lan việc sử dụng nhiên liệu khí cho phương tiện giao thông là quốc sách và đặt ra mục tiêu có 500.000 xe NGV vào năm 2010. Theo số liệu thống kê năm 2007 có khoảng 15 triệu xe chạy bằng nhiên liệu khí trên thế giới. Ở Việt Nam thời gian qua cùng với quá trình đô thị hóa, vấn đề ứng dụng CNG và LPG trong giao thông vận tải cũng đã được các nhà quản lí quan tâm. Một số đề án thí điểm sử dụng CNG và LPG đã được triển khai như : -Năm 2003-2006 Công ty Cơ khí Ngô Gia Tự (Tổng Công ty công nghiệp ô tô Việt Nam) đã đầu tư thí điểm dự án chuyển đổi xe xăng chạy LPG. Đến năm 2006 Công ty cơ khí Ngô Gia Tự đã làm chủ công nghệ chuyển đổi, lắp đặt một trạm LPG ở Hà Nội và tổ chức vận hành 30 taxi chạy nhiên liệu LPG tại Hà Nội. -Từ 2006 thành phố Đà Nẵng đã bắt đầu cho sử dụng các xe thùng 3 bánh chạy LPG phục vụ công tác thu gom rác thải sinh hoạt ở công ty môi trường đô thị. -Đặc biệt từ đầu năm 2009, thành phố Hồ Chí Minh đã côn bố kế hoạch thử nghiệm sử dụng CNG cho xe buýt để giảm giá thành vận tải và bảo vệ môi trường. Sinh viên thực hiện: Lê Minh Phụng Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 2 Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí Qua thử nghiệm, Thành phố Hồ Chí Minh và Tập đoàn Dầu khí Việt Nam đang có kế hoạch ứng dụng rộng rãi xe buýt chạy bằng CNG tại Thành phố Hồ Chí Minh và các vùng lân cận. Hiện tại Thành phố Hồ Chí Minh đã có 3 cột nạp phục vụ gần 500 xe taxi sử dụng LPG. -Cả nước hiện có khoảng 1500 xe taxi chạy bằng nhiên liệu LPG, chủ yếu tại 3 thành phố lớn là Hà Nội, Sài Gòn và Đà Nẵng (theo số liệu năm 2010). Với sự phát triển mạnh của ngành công nghiệp ô tô, xu hướng sử dụng nhiên liệu khí trong động cơ đốt trong ngày càng tăng. Người ta có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khí để cung cấp cho động cơ ô tô. Những loại nhiên liệu sạch có thể thay thế cho xăng hay dầu diesel hiện nay là: +Những khí thiên nhiên : CNG, LPG,… +Khí Gas hóa lỏng: LPG +Khí Biogas +Khí H2 +Khí O2,… Trong phạm vi đề tài này, sẽ tập trung chủ yếu vào hai loại nhiên liệu khí chính để cung cấp cho hệ thống thử nghiệm là biogas và hidro. 1.1.2.Nguồn gốc, tính chất và các vấn đề khi sử dụng nhiên liệu khí. a) Biogas Biogas là kết quả của quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí. Các chất hữu cơ ( rơm rạ, cây cối, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực phẩm,…), các chất thải từ quá trình chăn nuôi,.. dùng làm nguyên liệu cho biogas. Thành phần chủ yếu của biogas là CH4 (50-70%), CO2 chiếm 25-50%, còn lại là các chất khác như N2, O2, H2S, CO, … -Về tính chất: Các tính chất vật lí hóa học của biogas có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn công nghệ cho việc xử lí và đốt cháy biogas. Thành phần chính của biogas là CH4 và CO2. Các tính chất liên quan được liệt kê trong bảng dưới đây: Sinh viên thực hiện: Lê Minh Phụng Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 3 Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí Bảng 1.1. Một số tính chất của biogas Các tính chất vật lí Methane ( CH4) Cacbondioxit (CO2) Trọng lượng phân tử 16,04 44.01 Tỷ trọng 0,554 1,52 Điểm sôi (1at) 144°C 60,08°C Điểm đông (1at) -164,8°C -38,83°C Kối lượng riêng 0,66kg/m3 1,82kg/m3 Nhiệt độ nguy hiểm 64,44°C 48,89 °C Áp suất nguy hiểm 45,8at 72,97 at Nhiệt dung Cp(1at) 6,962.10-4J/kg°C 2,643.10-4 J/kg°C Tỷ lệ Cp/Cv 1,307 1,303 Nhiệt cháy 55,432 J/kg Giới hạn cháy 5-15% thể tích Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong 0,0947 thể tích không khí 0,0581 khối lượng -Nhiệt trị của nhiên liệu: Thông thường biogas có nhiệt trị khoảng 20MJ/m3. Nhiệt trị thay đổi phụ thuộc vào chất lượng của biogas. CH4 là chất cháy cơ bản trong biogas, có nhiệt trị cao, Nhiệt trị thấp của CH4 là 67,71.103 KJ/m3. -Các tính chất cơ bản trong biogas: Ngoài hai thành phần chính trong Biogas là CH4 và CO2 còn có các tạp chất cơ bản dạng khí trong biogas được liệt kê trong bảng sau đây: Bảng 1.2. Thành phần khí Biogas Thành phần % Methane (CH4) 50-75 Cacbondioxit (CO2) 25-50 Nitrogen (Nox) 0-10 H2 0-1 Hidrosunfua (H2S) 0-3 Oxy (O2) 0-2 Sinh viên thực hiện: Lê Minh Phụng Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 4 Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí b) Hidro Hydro lần đầu tiên được Henry Cavendish phát hiện như một chất riêng biệt, và đặt tên khí từ phản ứng kim loại-axit là "khí có thể cháy" vào năm 1766 và phát hiện năm 1781 răng khí này tạo ra nước khi đốt. Hidro có trọng lượng nhỏ nhất trong các loại khí, hầu như không tồn tại ở dạng nguyên chất trong tự nhiên. Người ta có thể sản xuất hidro từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt là các nguồn năng lượng tái sinh. Có 3 phương pháp cơ bản để sản xuất hidro: + phương pháp chuyển hóa hidro cacbon( nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt. +phương pháp điện phân nước +phương pháp sinh học -Về tính chất nhiên liệu, hidro có khả năng cháy cao trên một khoảng rộng nhiệt độ và nồng độ. Có hàm lượng năng lượng năng lượng trên một đơn vị khối lượng cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu. Hidro có khả năng khuếch tán cao, độ nhớt thấp, và bản chất hóa học độc nhất. Khả năng cháy của hidro cũng khác biệt so với những nhiên liệu khác như: +khoảng cháy rộng +năng lượng bốc cháy thấp +khoảng dập tắt nhỏ +tốc độ lan truyền màn lửa cao +sự giòn hóa kim loại khi tiếp xúc và rò rỉ,… c) Các vấn đề khi sử dụng nhiên liệu khí. Việc sử dụng nhiên liệu khí để cung cấp cho động cơ đốt trong mang ý nghĩa rất thiết thực. Nhưng với mỗi loại khí đều có những đặc tính riêng của nó vì vậy cần phải tìm hiểu kĩ và lưu ý khi sử dụng chúng để phục vụ những mục đích như : nâng cao hiệu suất động cơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tăng tuổi thọ độ an toàn khi sử dụng, … -Với nhiên liệu biogas, để sử dụng loại nhiên liệu này cần nghiên cứu làm sạch khí vì loại nhiên liệu này chứa khá nhiều tạp chất nhưng động cơ đốt trong đòi hỏi chỉ tiêu chất lượng cao của nhiên liệu. Các thành phần tạp chất này ảnh hưởng lớn đến tính năng kinh tế, kĩ thuật của động cơ. Hai tạp chất có thể kể đến đó là CO2 và H2S. Sinh viên thực hiện: Lê Minh Phụng Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 5 Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí CO2 là thành phần tạp chất chiếm hàm lượng lớn nhất, sự có mặt của tạp chất này làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu.Trong trường hợp nén biogas để làm nhiên liệu cho phương tiện cơ giới việc lọc bỏ CO2 là cần thiết để tăng nhiệt trị nhiên liệu. Tuy vậy chúng ta không cần lọc bỏ CO2 trong trường hợp động cơ vận hành với tỷ số nén cao, sự hiện diện của CO2 trong hỗn hợp cháy làm giảm tốc độ cháy, tránh hiện tượng kích nổ trong động cơ. Ảnh hưởng của CO2 đến công suất quá trình cháy trong động cơ không lớn. Tạp chất có hại nhất đó là H2S, nó là tạp chất chứa lưu huỳnh, nguy hiểm đối với sức khỏe con người. H2S gây ăn mòn các chi tiết kim loại trong động cơ, làm giảm tuổi thọ và hỏng hóc trong động cơ. Sản phẩm cháy của nó là SOx gây ô nhiễm môi trường không khí. Do đó cần phải lọc bỏ tập chất này. Có thể giảm H2S thực hiện bằng phương pháp hóa lý, sinh học trong xử lý trong và xử lý ngoài. Có thể sử dụng các phương pháp sau: Tối ưu hóa ủ khí với hàm lượng các sản phẩm đẩu vào là điều kiện quan trọng để sàn xuất khí biogas với chất lượng đổng nhất. Lượng nhỏ không khí đưa vào quá trình ủ đế ôxy hóa H2S nhờ vi sinh vật, làm giảm nồng độ lưu huỳnh trong sản phẩm khí cũng được tận dụng để khử sulphur (khử tới 95% lượng sulphur trong biogas). Hiện nay phương pháp lọc ngoài với vật liệu lọc sắt và than hoạt tính tương đối phổ biến, cụ thể: sắt Hydroxide: Fe(OH)2 + H2S FeS + 2H2O. Quá trình thuận nghịch và màng lọc tái sử dụng khi cho tác dụng với oxy. Chất liệu lọc: đất có nông độ sắt cao, các sản phẩm thải từ quy trình chế biến thép hoặc nhôm; Sử dụng than hoạt tính... ngoài ra, có nhiều vật liệu lọc khác. Ngoài ra hơi nước cũng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình cháy của biogas như: nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị, tỉ lệ không khí/ nhiên liệu của biogas, tăng nguy cơ ăn mòn do đó cũng cần phải giảm lượng hơi nước có trong biogas. -Với nhiên liệu hidro, việc lưu trữ , vận chuyển nó gặp nhiều khó khăn tốn kém , tiềm ẩn nhiều nguy cơ rủi ro. Ở điêù kiện thường nó là dạng chất khí nên dễ bị bay hơi rò rỉ dần nếu bình chứa không kín. Khi lưu trữ ở dạng lỏng cần phải có các bình chứa đặc biệt để giữ cho nhiệt độ bên trong luôn thấp hơn với môi trường. Hoặc có thể giữ nó trong bình điều hòa áp suất, nhưng khi một bình điều hòa áp suất bị vỡ nó sẽ gây nổ. Ngoài ra, khí hidro là chất khi không màu, không mùi, rất hoạt động nên khi cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm ẩn vì ngọn lửa không nhìn thấy bằng mắt thường, Sinh viên thực hiện: Lê Minh Phụng Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 6 Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí do đó nó lan đi mà người ta không nhận biết để phát cảnh báo. Khí hidro còn có đặc tính dễ nổ hơn so với xăng dầu, làm cho kim loại trở nên giòn hơn( do tính chất hóa học ),… Do các tính chất trên nên khi sử dụng hidro trong phòng thử nghiệm cần có các biện pháp an toàn và phòng tránh cháy nổ. 1.2. Sự cần thiết của băng thử động cơ sử dụng nhiên liệu khí và tình hình thực tế sử dụng hiện nay. Nhu cầu về nguồn năng lượng thay thế đang là vấn đề cấp thiết hàng đầu hiện nay. Dưới sự phát triển của khoa học kĩ thuật và quá trình nghiên cứu của các giáo sư , đội ngũ kĩ thuật nên nhiên liệu khí ngày càng ứng dụng rộng rãi trong động cơ đốt trong. Ngày càng có nhiều phương tiện sử dụng nhiên liệu khí như CNG, LPG,Biogas, H2,… Nhưng để khai thác, sử dụng và đưa ra thị trường cần phải qua bước thử nghiệm thực tế để phân tích, đánh giá khả năng làm việc của động cơ cũng như các chỉ tiêu về kinh tế kĩ thuật,…Do đó cần thiết phải có hệ thống thử nghiệm để giải quyết vấn đề này. Trên thế giới đã có những phòng thí nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí cỡ lớn và họ đã nghiên cứu và đưa ra nhiều sản phẩm trên thị trường. Tại Việt Nam vấn đề thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí vẫn còn ít và hạn chế chưa được ứng dụng rộng rãi, Hiện tại đã có một số đơn vị nghiên cứu và tiến hành thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí điển hỉnh như : bệ thử công suất cho động cơ biogas hiệu suất cao do phòng thí nghiệm động cơ đốt trong trường Đại học Bách Khoa ( Đại học quốc gia TP HCM) đã nghiên cứu và thử nghiệm thành công với khí biogas. Trong tương lai nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt do đó động cơ sử dụng nhiên liệu khí có thể sẽ là giải pháp hữu ích nhất. Nhưng hiện tại việc thiết kế băng thử và phòng thí nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí vẫn chưa triển khai rộng rãi, hoàn chỉnh. Trước tình hình thực tế như vậy, nên em đã chọn đề tài thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí để phần nào có thể giải quyết những khó khăn, hạn chế và đáp ứng kịp thời nhu cầu xã hội. Sinh viên thực hiện: Lê Minh Phụng Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 7 Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí 1.3. Mục đích, ý nghĩa của đề tài nghiên cứu. a) Mục đích: • Phân tích, đánh giá các đặc tính của động cơ đốt trong khi sử dụng nhiên liệu khí để tìm ra những ưu điểm khuyết điểm từ đó đề xuất phương án cải tiến động cơ cho phù hợp với nhiên liệu sử dụng. • Xác định tỉ lệ tối ưu khi hòa trộn hydro vào CH4 để mang lại momen phanh, công suất lớn nhất và giải phóng các khí ít gây hại. b) Ý nghĩa : • Qua thử nghiệm có thể phát hiện ra những mặt mạnh, mặt yếu, những sai sót trong thiết kế, kết cấu, công nghệ và vật liệu sử dụng. Đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật khi sử dụng nhiên liệu khí so với nhiên liệu lỏng(xăng, dầu). • Giúp thu thập kinh nghiệm thiết kế thể hiện trên những động cơ mà ta thử nghiệm. • So sánh được ưu nhược điểm của nhiên liệu khí thử nghiệm so với các nhiên liệu hóa thạch từ đó rút kinh nghiệm và cải tiến động cơ. • Ngoài ra, việc thiết kế băng thử góp phần nghiên cứu chuyên sâu về động cơ sử dụng nhiên liệu khí, tạo ra sản phẩm thiết thực đáp ứng kịp thời nhu cầu của xã hội. Sinh viên thực hiện: Lê Minh Phụng Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 8 Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí Chương 2 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ THỬ NGHIỆM VÀ BĂNG THỬ ĐANG SỬ DỤNG TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM 2.1. Giới thiệu chung về động cơ thử nghiệm 2.1.1. Đặc điểm chung về kết cấu của động cơ Vikyno EV 2600-NB. Hình 2.1 Động cơ Diesel EV2600 Động cơ EV2600-NB là động cơ sử dụng nhiên liệu diesesel do công ty máy nông nghiệp Miền Nam – Vikyno sản suất; được lắp đặt trên cùng cụm máy phát điện MF1120S + EV2600-NB. + Công suất 25 HP, trọng lượng 200kg + Thể tích thùng nhiên liệu 4.7 lít + Dầu bôi trơn Nhớt 30 + Động cơ diesel EV2600 là động cơ 4 kỳ,1 xilanh, nằm ngang, có buồng cháy thống nhất. Hình 2.2 Thông số kỹ thuật động cơ Sinh viên thực hiện: Lê Minh Phụng Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 9 Thiết kế hệ thống thử nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu khí -Đặc điểm: + Công suất mạnh, mức tiêu hao nhiên liệu thấp + Gọn, nhẹ, dễ sử dụng + Chạy êm, bền bỉ Dùng cho:Máy hàn, Bơm nước, máy phát điện, máy nén khí, ghe thuyền, máy chế biến, máy cày, xới, máy xay xát, máy công nghiệp. Hình 2.3. Mặt cắt dọc động cơ vikyno EV2600-NB 1-Bình chứa nước; 2- Quạt gió; 3- Két nước; 4- Xilanh; 5- Ống xả; 6- Nắp xilanh;7Vòi phun; 8- Xupap; 9- Lò xo xupap; 10- Đủa đẩy; 11- Đòn bẩy; 12- Vít xả nước;13Nắp chụp trên nắp xilanh; 14- Lọc dầu; 15- Piston; 16- Bình nhiên liệu;17- Chốt piston; 18- Trục khuỷu; 19- Con đội; 20- Trục cam; 21- Thanh truyền;22-Bu lông thanh truyền; 23- Nắp che; 24- Thân máy Sinh viên thực hiện: Lê Minh Phụng Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 10