Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ XUÂN THẠCH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CÓ TỈ SỐ NÉN CAO SỬ DỤNG BIOGAS Chuyên ngành: Kỹ thuật Động nhiệt Mã số: 62.52.34.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Trần Văn Nam Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TSKH Bùi Văn Ga Phản biện 1: GS.TSKH Phạm Văn Lang Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Hữu Hường Phản biện 3: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng Luận án bảo vệ Hội đồng chấm Luận án tốt nghiệp Tiến sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 28 tháng 12 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Trung tâm Thông tin – Tư liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Giải pháp sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động đốt (ĐCĐT), đồng thời đạt mục tiêu: tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, hạn chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính bảo vệ môi trường sản xuất sinh hoạt Tại Việt Nam, động (ĐC) dùng biogas làm nhiên liệu ĐC biogas nước ngồi sản xuất với giá thành cao; chuyển đổi từ ĐC xăng hay ĐC diesel để tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu Việc sử dụng ĐC qua chuyển đổi này, bước đầu mang lại hiệu kinh tế giảm ô nhiễm môi trường rõ rệt Tuy vậy, nhu cầu sử dụng biogas làm nhiên liệu chạy ĐCĐT tăng cao, cộng thêm không đồng thành phần khí biogas với đa dạng chủng loại kích cỡ ĐC cần chuyển đổi, địi hỏi phải có thêm nghiên cứu làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên liệu, nghiên cứu trình cháy ĐC biogas xác định thông số tối ưu để đảm bảo tính ĐC Sử dụng ĐC biogas phục vụ cho sản xuất đời sống nông thôn có ý nghĩa quan trọng chiến lược an ninh lượng nước ta Giải pháp chuyển đổi ĐC diesel truyền thống thành ĐC biogas đánh lửa cưỡng (ĐLCB) cho phép tận dụng lợi ĐC diesel tốc độ thấp tỉ số nén (TSN) cao để nâng cao hiệu hoạt động ĐC với nhiên liệu Mặt khác trình vận hành ta không tốn nhiên liệu lỏng để phun mồi Điều giúp nâng cao hiệu kinh tế sử dụng ĐC biogas Do “Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu trình cháy động đánh lửa cưỡng có tỉ số nén cao sử dụng biogas” có ý nghĩa khoa học thực tiễn Footer Page of 126 Header Page of 126 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI - Xây dựng qui trình chuyển đổi động diesel sang động đánh lửa cưỡng sử dụng biogas - Thiết kế chế tạo tạo hỗn hợp biogas khơng khí cho động biogas đánh lửa cưỡng - Xác định TSN góc đánh lửa sớm tối ưu ĐC biogas đánh lửa cưỡng chuyển đổi từ ĐC diesel mơ hình thực nghiệm GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành động xi lanh thay đổi tỉ số nén, đánh lửa cưỡng Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nghiên cứu chất lượng trình cháy biogas động nghiên cứu Từ xác định thơng số tối ưu động biogas cải tạo từ động diesel mơ hình thực nghiệm PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mơ hình hóa với nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính đắn mơ hình Phần lý thuyết: - Sử dụng phần mềm FLUENT để tính tốn, mơ hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động - Mơ q trình cháy động đánh lửa cưỡng sử dụng biogas làm nhiên liệu thay đổi thông số: tỉ số nén, góc đánh lửa sớm, kiểu buồng cháy thành phần nhiên liệu Phần thực nghiệm: - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo phụ kiện chuyển đổi động diesel xi lanh thành động đánh lửa cưỡng Footer Page of 126 Header Page of 126 - Chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas - Thực nghiệm băng thử công suất động nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu, thông số kết cấu vận hành đến đường đặc tính ngồi động TÊN ĐỀ TÀI Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu trình cháy động đánh lửa cưỡng có tỉ số nén cao sử dụng biogas Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Nghiên cứu làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên liệu, nghiên cứu trình cháy động biogas xác định thông số tối ưu để đảm bảo tính động biogas đánh lửa cưỡng có tỉ số nén cao chuyển đổi từ động diesel Góp phần tạo tiền đề cho việc sản xuất hệ ĐC biogas ĐLCB làm việc với hiệu suất, công suất cao phục vụ ngành nông nghiệp nông thôn nói riêng kinh tế - xã hội Việt Nam nói chung CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN Gồm phần mở đầu, chương nội dung phần kết luận CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sản xuất ứng dụng biogas giới Việt Nam Sự gia tăng nguồn sản xuất biogas qui mô lẫn số lượng dẫn đến nhu cầu sử dụng nguồn biogas chỗ để chạy máy phát điện nhằm giảm chi phí lượng ngày tăng cao 1.2 Biogas làm nhiên liệu cho động đốt Biogas chứa CH4, CO2 tạp chất khác H2S, siloxanes,… Tùy yêu cầu cụ thể thiết bị sử dụng biogas mà tiến Footer Page of 126 Header Page of 126 hành lọc tạp chất với mức độ khác Ở hầu hết hệ thống công suất nhỏ, việc loại bỏ CO2 khơng cần thiết Việc lọc H2S tiến hành cách cho biogas qua buồng lọc có chứa rỉ sắt chứa vật liệu diatomite 1.3 Động đốt chạy biogas Động biogas chuyên dụng nước ngồi sản xuất có giá thành cao chuyển đổi từ động xăng hay động diesel truyền thống sang sử dụng nhiên liệu biogas để tiết kiệm chi phí 1.4 Các nghiên cứu sử dụng biogas động đánh lửa cưỡng Nhiều nghiên cứu sử dụng biogas làm nhiên liệu cho ĐC đánh lửa cưỡng thực hiện: thành phần nhiên liệu, TSN, góc đánh lửa sớm, buồng cháy phụ, mức độ phát thải ô nhiễm, v.v… 1.5 Hiệu bảo vệ môi trường sử dụng biogas làm nhiên liệu Khi sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động đốt trong, mức độ phát thải CO2 gần không 1.6 Kết luận định hướng nghiên cứu đề tài Giải pháp sử dụng biogas làm nhiên liệu cho ĐCĐT, đồng thời đạt mục tiêu: tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, hạn chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính bảo vệ môi trường sản xuất sinh hoạt Việc sử dụng nhiên liệu biogas động đánh lửa cưỡng cải tạo từ động diesel – động có tốc độ làm việc thấp TSN cao giải pháp công nghệ tốt mặt kỹ thuật lẫn kinh tế Tại Việt Nam, phát triển công nghệ chuyển đổi ĐC xăng thành ĐC lưỡng nhiên liệu biogas/xăng chuyển đổi ĐC diesel thành ĐC nhiên liệu kép diesel-biogas Vì vậy, địi hỏi phải có thêm nghiên cứu chuyên sâu cách có hệ thống sở khoa học làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên liệu, nghiên cứu trình Footer Page of 126 Header Page of 126 cháy ĐC biogas xác định thông số tối ưu để đảm bảo tính kỹ thuật kinh tế loại ĐC Vì “Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu trình cháy động đánh lửa cưỡng có tỉ số nén cao sử dụng biogas” đề tài có ý nghĩa khoa học thực tiễn giới Việt Nam CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL SANG ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 2.1 Các phương án chuyển đổi động sử dụng nhiên liệu lỏng thành động chạy nhiên liệu biogas ĐC xăng dễ dàng chuyển đổi thành ĐC lưỡng nhiên liệu biogas/xăng Tuy nhiên chạy biogas công suất ĐC thấp chạy xăng ĐC diesel chuyển sang chạy biogas theo cách: ĐC nhiên liệu kép biogas-diesel ĐC đánh lửa cưỡng 2.2 Chuyển đổi động diesel thành động biogas đánh lửa cưỡng Khi chuyển đổi động diesel thành động biogas đánh lửa cưỡng bức, trình làm việc hai động có khác nên cần phải nghiên cứu thay đổi kết cấu bổ sung hệ thống, thiết bị cần thiết khác Những thay đổi gồm: - Tháo bỏ cụm bơm cao áp vòi phun; - Giảm TSN: Phụ thuộc tính chống kích nổ nhiên liệu, dựa vào nguồn biogas Việt Nam, chọn ε = 12; - Lắp đặt hệ thống đánh lửa tạo hỗn hợp đảm bảo tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu theo yêu cầu; lắp cải tạo lại cấu điều tốc để dẫn động bướm ga Footer Page of 126 Header Page of 126 2.3 Kết luận Nhiên liệu biogas có chứa thành phần CO2 làm giảm tốc độ cháy hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí đồng thời làm cho hỗn hợp có khả chống kích nổ cao Đặc điểm giúp cho việc sử dụng nhiên liệu biogas động đánh lửa cưỡng cải tạo từ động diesel lựa chọn phù hợp Những thay đổi chủ yếu chuyển đổi ĐC diesel thành ĐC biogas đánh lửa cưỡng loại bỏ cụm bơm cao áp vòi phun, giảm TSN, lắp đặt hệ thống đánh lửa tạo hỗn hợp đảm bảo tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu theo u cầu, lắp cải tạo điều tốc Trong điều kiện nước ta nay, việc chuyển đổi hoàn toàn thực Tuy vậy, địi hỏi phải có thêm nghiên cứu làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên liệu, nghiên cứu trình cháy động biogas xác định thông số tối ưu để đảm bảo tính động CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC Nhằm đưa đánh giá sơ ban đầu, giúp định hướng tích cực việc thiết kế chế tạo cụm chi tiết, phận trình chuyển đổi ĐC diesel (lựa chọn động thí nghiệm) ZH1115 thành ĐC biogas đánh lửa cưỡng bức, đồng thời có sở để so sánh đối chiếu với kết nghiên cứu thực nghiệm sau này, tiến hành tính tốn mơ hình hóa dịng chảy qua tạo hỗn hợp dùng động biogas q trình cháy hỗn hợp biogas-khơng khí sở phần mềm CFD FLUENT Footer Page of 126 Header Page of 126 3.1 Giới thiệu phần mềm động lực học thủy khí CFD FLUENT Phần mềm CFD FLUENT chứa cơng cụ mơ hình hóa hữu ích để mơ hình hóa dịng chảy tầng chảy rối, q trình truyền nhiệt,… Các mơ hình đặc biệt giúp cho phần mềm CFD FLUENT có khả mơ hình hóa q trình cung cấp nhiên liệu trình cháy ĐCĐT với độ xác cao 3.2 Lý thuyết dịng chảy rối Trong lĩnh vực ĐCĐT, dịng chảy hỗn hợp khí đường nạp, vận động môi chất công tác xi lanh dịng chảy rối Mơ hình quan trọng chiếm ưu sử dụng để khép kín hệ phương trình rối mơ hình k- 3.3 Lý thuyết q trình cháy nhiên liệu khí Phân tích chi tiết diễn biến q trình cháy phải thực cách giải hệ phương trình đa phương hai biến số thành phần hỗn hợp f biến diễn tiến phản ứng c 3.4 Lý thuyết q trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước Bao gồm phần tổng quan trình cháy hòa trộn trước, giả thuyết lan tràn màng lửa; cách xác định tốc độ màng lửa rối tốc độ màng lửa chảy tầng; giới thiệu mơ hình cháy hỗn hợp hịa trộn trước sử dụng phần mềm FLUENT phương pháp tính nhiệt độ tính khối lượng riêng 3.5 Lý thuyết q trình cháy hịa trộn trước cục 3.5.1 Tổng quan Mơ hình cháy hịa trộn trước cục FLUENT kết hợp đơn giản mơ hình cháy khơng hịa trộn trước mơ hình cháy hịa trộn trước Biến số diễn tiến phản ứng cháy hòa trộn trước c xác định vị trí màng lửa Phía sau màng lửa (c=1), chứa hỗn hợp cháy mô hình thành phần hỗn hợp trạng thái cân hay màng lửa mỏng Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 sử dụng Phía trước màng lửa (c=0), thành phần khối lượng chất, nhiệt độ khối lượng riêng tính tốn theo thành phần hỗn hợp hịa trộn khơng cháy Trong màng lửa (0 < c < 1), phối hợp tuyến tính hỗn hợp cháy hỗn hợp chưa cháy sử dụng 3.5.2 Tính tốn đại lượng Các đại lượng trung bình theo trọng số khối lượng riêng (như thành phần chất nhiệt độ), ký hiệu  , tính từ hàm số mật độ xác suất (pdf) f c 3.5.3 Tốc độ màng lửa chảy tầng Các mơ hình cháy hỗn hợp hòa trộn trước đòi hỏi phải xác định tốc độ màng lửa chảy tầng, phụ thuộc vào thành phần, nhiệt độ áp suất hỗn hợp chưa cháy Tốc độ cháy chảy tầng thường xác định thực nghiệm hay tính tốn từ mơ 1D 3.6 Tính tốn mơ dịng chảy tạo hỗn hợp động biogas đánh lửa cưỡng chuyển đổi từ động diesel ZH1115 3.6.1 Thiết lập mơ hình tính tốn Ø58 Ø49 Ø56 Van ball ¾” Ø49 9,3 30° 7,74 26 2,5 Ø22 Ø18 Ø33  2,3 30° 85,5 2,5 Ø33 Ø38 52,5 Ø54 96 Ø38 Ø33 7°  4,5 50 2,5 Ø46 Ø78 Hình 3.9 Bộ tạo hỗn hợp Mixer_ZH1115 Footer Page 10 of 126 Ø46 Ø54 25 17,5 55 R2 11 Header Page 13 of 126 5.80e-02 5.57e-02 5.34e-02 5.10e-02 4.87e-02 4.64e-02 4.41e-02 4.18e-02 3.94e-02 3.71e-02 3.48e-02 3.25e-02 3.02e-02 2.78e-02 2.55e-02 2.32e-02 2.09e-02 1.86e-02 1.62e-02 1.39e-02 1.16e-02 9.28e-03 6.96e-03 4.64e-03 2.32e-03 0.00e+00 3.30e+03 3.18e+03 3.06e+03 2.94e+03 2.83e+03 2.71e+03 2.58e+03 2.47e+03 2.36e+03 2.23e+03 2.12e+03 2.00e+03 1.88e+03 1.76e+03 1.64e+03 1.52e+03 1.41e+03 1.29e+03 1.17e+03 1.06e+03 9.32e+02 8.14e+02 6.96e+02 5.77e+02 4.58e+02 3.40e+02 Hình 3.27 Diễn biến nồng độ CH4 nhiệt độ trình cháy động biogas đánh lửa cưỡng có buồng cháy Omega (=11,63; n=1500v/ph; s=50; =1,08; nhiên liệu chứa 70% thể tích CH4) Partially Premixed Các thơng số nhiệt động học hỗn hợp theo thành phần nhiên liệu biogas xác lập dạng bảng pdf để rút ngắn thời gian tính tốn Độ đậm đặc hỗn hợp điều chỉnh thông qua tỉ lệ hỗn hợp (mixture fraction) f 3.7.2 Diễn biến trình cháy Kết cho thấy màng lửa có dạng chỏm cầu, lan dần từ vị trí đánh lửa đến khu vực xa buồng cháy Cuối q trình cháy cịn phận hỗn hợp khu vực xa trục buồng cháy chưa cháy hết (Hình 3.27) Tuy nhiên, vận động xốy lốc mạnh hỗn hợp buồng cháy nên màng lửa lan tràn nhanh Footer Page 13 of 126 12 Header Page 14 of 126 20 16 12 Buồng cháy phẳng Buồng cháy Omega % khối lượng CH4 % khối lượng O2 4 Buồng cháy phẳng Buồng cháy Omega 180 240 60 300 120 360 180 420 240 480 300 540 360 Góc quay trục khuỷu (độ) 180 240 60 a 300 120 360 420 480 540 180 240 300 360 Góc quay trục khuỷu (độ) b Hình 3.30 Ảnh hưởng dạng buồng cháy đến biến thiên nồng độ O (a) CH4 (b) trình cháy động biogas đánh lửa cưỡng (=11,63; n=2200 v/ph; s=50; =1,08; nhiên liệu chứa 70% thể tích CH4) Khi tính tốn buồng cháy phẳng, vị trí bugi giả định đặt đỉnh buồng cháy đối xứng hoàn toàn buồng cháy khơng xốy lốc nên q trình cháy diễn chậm Cuối q trình cháy, phận hỗn hợp phía nắp máy không cháy hết Kết bước đầu cho thấy nên tận dụng khả xoáy lốc có sẵn ĐC diesel nguyên thủy để tăng tốc độ cháy chuyển sang chạy biogas 3.7.3 Ảnh hưởng dạng buồng cháy đến tính động Kết cho thấy tốc độ tiêu thụ hỗn hợp động có buồng cháy omega cao đáng kể so với động có buồng cháy phẳng (Hình 3.30) Điều dẫn đến tốc độ tỏa nhiệt buồng cháy omega cao làm cho nhiệt độ cực đại môi chất buồng cháy lớn nhiệt độ chúng buồng cháy phẳng Ngược lại, trường hợp buồng cháy phẳng màng lửa lan tràn với tốc độ thấp nên trình cháy tiếp tục diễn trình dãn nở khiến cho nhiệt độ khí thải tăng so với trường hợp buồng cháy omega Footer Page 14 of 126 13 Header Page 15 of 126 Cùng điều kiện vận hành với biogas chứa 70% thể tích CH4 tốc độ ĐC 2200v/ph, áp suất thị cực đại trường hợp ĐC có buồng cháy omega tăng gần 20bar so với trường hợp ĐC có buồng cháy phẳng Cơng thị chu trình giảm khoảng 22% chuyển buồng cháy omega sang buồng cháy phẳng 3.7.4 Ảnh hưởng tỉ số nén Trong trường hợp động ZH1115 chạy biogas tốc độ định mức 2200v/ph góc đánh lửa sớm 40 trước ĐCT, nên chọn TSN động khoảng từ 11,5 đến 12,5 3.7.5 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm lớn áp suất thị cực đại tăng đỉnh đường cong áp suất dịch phía ĐCT Khi ĐC chạy tốc độ 2200v/ph công thị đạt cực đại ứng với góc đánh lửa sớm 40 Khi ĐC chạy tốc độ, góc đánh lửa sớm tối ưu có xu hướng giảm nồng độ CH4 biogas tăng 3.7.6 Ảnh hưởng thành phần biogas 3.7.6.1 Tỉ lệ khối lượng biogas/ khối lượng khơng khí cố định: Ứng với góc đánh lửa sớm khác nhau, công thị tăng theo thành phần CH4 Công thị Wi (J) 1400 s=40o biogas Tốc độ tăng ban 1300 đầu lớn giảm dần s=50o 1200 phía cuối (Hình 3.43) 1100 3.7.6.2 Tỉ lệ khối lượng s=30o 1000 CH4/khối lượng O2 cố s=20o 900 60 64 68 72 76 80 %%Vol vol CH CH4 Hình 3.43 Biến thiên Hìnhcơng 25 thị chu trình theo thành phần CH4 ứng với góc đánh lửa sớm khác (=11,63; n=2200v/ph) Footer Page 15 of 126 định: Cùng độ đậm đặc cho trước, hàm lượng CH4 biogas 14 Header Page 16 of 126 tăng tốc độ tiêu thụ hỗn hợp tăng rõ rệt nhiên liệu cháy kiệt dẫn đến thành phần CH4 chưa cháy khí thải giảm 3.7.7 Ảnh hưởng độ đậm đặc hỗn hợp đến tính động Biến thiên công thị theo độ đậm đặc hỗn hợp  cho thấy công thị đạt giá trị cực đại ứng với  xấp xỉ 3.8 Kết luận - Có thể sử dụng phần mềm FLUENT để tính tốn q trình tạo hỗn hợp q trình cháy hỗn hợp biogas/khơng khí động biogas đánh lửa cưỡng Điều cho phép giảm bớt thử nghiệm phức tạp thiết kế tạo hỗn hợp nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình cháy cho loại động - Bộ tạo hỗn hợp kiểu venturi đáp ứng yêu cầu đảm bảo độ đậm đặc hỗn hợp thay đổi dùng ĐC biogas đánh lửa cưỡng chuyển đổi từ ĐC diesel ZH1115 Khi tiết diện lưu thông ống cung cấp biogas cố định thành phần hỗn hợp thay đổi theo độ mở BG theo tốc độ ĐC Khi thay đổi thành phần CH4 biogas, phải thay đổi tiết diện lưu thông đường ống cung cấp biogas - Đối với ĐC ZH1115, sử dụng đường ống cung cấp khơng khí có kích thước với đường nạp ngun thủy ĐC đường kính tương đương ống cung cấp biogas biểu diễn biểu thức D = 166.X-0,5443 (mm), với X thể tích (%) CH4 biogas - Tốc độ cháy biogas thấp nhiên liệu truyền thống để cải thiện trình cháy ĐC, cần trì vận động xốy lốc dịng khí buồng cháy tăng góc đánh lửa sớm phù hợp Ở tốc độ định mức, góc đánh lửa sớm tối ưu ĐC ZH1115 chuyển sang chạy biogas 40 trước ĐCT - Công thị động ZH1115 sử dụng buồng cháy phẳng nhỏ công thị sử dụng buồng cháy omega khoảng Footer Page 16 of 126 15 Header Page 17 of 126 22% chạy biogas tốc độ định mức 2200v/ph - Ở tốc độ định mức 2200v/ph với góc đánh lửa sớm 40 trước ĐCT, tỉ số nén tối ưu động ZH1115 chuyển thành động biogas đánh lửa cưỡng nằm khoảng từ 11,5 đến 12,5 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT CÁC PHỤ KIỆN CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL ZH1115 THÀNH ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC Trên sở lý thuyết chương tính tốn mơ hình hóa tạo hỗn hợp trình cháy xi lanh động diesel ZH1115 chuyển đổi, chương trình bày phần chế tạo lắp đặt hệ thống phụ kiện để thành động biogas đánh lửa cưỡng 4.1 Động diesel ZH1115 Động diesel xi lanh ZH1115 buồng cháy thống nhất, có tỉ số nén 17, đạt cơng suất cực đại 24HP số vịng quay 2200v/ph, sử dụng phổ biến nước ta 4.2 Giảm tỉ số nén Tiện bỏ lớp kim loại phần đỉnh piston với chiều dày lớp cắt 4,71 mm Khi đó, động có tỉ số nén =12 4.3 Thiết kế lắp đặt hệ thống đánh lửa Hệ thống đánh lửa chọn để trang bị cho động ZH1115 hệ thống đánh lửa DC-CDI gồm bình ắc quy, biến áp đánh lửa, dây cao áp, IC, cảm biến đánh lửa, bugi 4.4 Tính tốn thiết kế tạo hỗn hợp Chọn tạo hỗn hợp kiểu venturie; ống cấp biogas bố trí van biogas kiểu van ball Sau tính tốn sơ kích thước chính, sở kết tính tốn mơ phỏng, chế tạo tạo hỗn hợp với Footer Page 17 of 126 16 Header Page 18 of 126 kích thước thể Hình 3.9 4.5 Thiết kế cải tạo cấu điều tốc Sử dụng lại điều tốc nguyên thủy động diesel ZH1115 để dẫn động bướm ga tạo hỗn hợp 4.6 Qui trình cải tạo động diesel xi lanh thành động biogas đánh lửa cưỡng 4.7 Kết luận Đã lập qui trình thiết kế cải tạo hồn chỉnh cải tạo thành công ĐC diesel xi lanh ZH1115 thành ĐC ĐLCB có TSN cao sử dụng biogas phục vụ trình nghiên cứu thực nghiệm đề tài Đã tiến hành chuyển đổi thành công hai ĐC diesel: ĐC xi lanh D28 Samdi ĐC xi lanh 6D22 Mitsubishi cho trang trại sử dụng kéo máy phát điện theo phương án thiết kế Các ĐC biogas giai đoạn chạy thử nghiệm hoạt động tốt Để đảm bảo tuổi thọ ĐC biogas, đòi hỏi người sử dụng phải tuân thủ qui trình vận hành bảo dưỡng Đặc biệt, phải đảm bảo làm việc ổn định hệ thống lọc biogas, sử dụng chủng loại nhớt khuyến cáo định kỳ thay nhớt theo qui định CHƯƠNG THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC Sau thiết kế, chế tạo lắp đặt phụ kiện chuyển đổi ĐC diesel ZH1115 thành ĐC biogas ĐLCB, tiến hành thử nghiệm ĐC băng thử nhằm nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu, thông số kết cấu vận hành đến tính ĐC Đồng thời đánh giá tính đắn mơ hình tính tốn đề xuất thông số tối ưu ĐC biogas ĐLCB chuyển đổi từ ĐC diesel 5.1 Mục tiêu thí nghiệm Footer Page 18 of 126 17 Header Page 19 of 126 - Thực nghiệm băng thử nghiên cứu ảnh hưởng thành phần nhiên liệu, TSN góc đánh lửa sớm đến đường đặc tính ngồi ĐC; - So sánh, đánh giá kết thực nghiệm với kết nghiên cứu lý thuyết theo mô hình hóa; - Đề xuất thơng số tối ưu ĐC biogas đánh lửa cưỡng chuyển đổi từ ĐC diesel 5.2 Hệ thống thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm ĐC biogas chuyển đổi từ ĐC diesel ZH1115 bố trí chung Hình 5.1 Hỗn hợp biogas-khơng khí nạp vào ĐC qua tạo hỗn hợp kiểu venturie Bướm ga điều khiển Khơng Khäng khí khê LoadCell Biogas 10 Động thử nghiệm 11 12 Băng thử thủy lực 13 14 15 19 20 16 21 17 22 23 18 Hình 5.1 Sơ đồ bố trí chung hệ thống thí nghiệm 1-Túi chứa biogas; 2-CB lưu lượng biogas; 3-Van; 4-Lọc gió; 5-CB lưu lượng khơng khí; 6-Bộ tạo hỗn hợp; 7-CB nhiệt độ nước làm mát; 8-CB kích nổ; 9-Động thử nghiệm; 10-Cảm biến lực Loadcell; 11-Cánh tay đòn; 12-Stato; 13-Roto; 14-CB 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-Vô lăng chỉnh tải; 22-Card AD NI-6009; 23-PC-LabView Footer Page 19 of 126 18 Header Page 20 of 126 ĐC điện nhận tín hiệu từ máy tính Góc đánh lửa sớm ĐC thay đổi cách dịch chuyển vị trí lắp cuộn kích thân máy Thay đổi TSN ĐC cách sử dụng piston có chiều cao đỉnh khác Băng thử thủy lực FROUDE cải tiến hệ thống đo điện tử gồm cảm biến tốc độ động cảm biến lực (Hình 5.1) Cảm biến lực chuẩn cân 5.3 Kết bàn luận 5.3.1 Kết thực nghiệm Ảnh hưởng thành phần CH4 nhiên liệu đến đường đặc tính ngồi ĐC có TSN =12, góc đánh lửa sớms=37 thể Hình 5.7 Ở vùng tốc độ ĐC nhỏ 2000v/ph, ảnh hưởng thành phần CH4 nhiên liệu đến đường đặc tính ngồi ĐC khơng lớn Chênh lệch cơng suất ĐC khoảng 10% thành phần CH4 biogas thay đổi từ 60% đến 87% Ảnh hưởng thành phần CH4 biogas đến công suất cực đại trở nên đáng kể 22 Pe (HP) 87%CH4 73%CH4 tốc độ ĐC lớn 2000v/ph Công 18 suất cực đại ĐC 65%CH4 60%CH4 giảm 20% 14 thành phần CH4 biogas giảm từ 87% xuống 60% 10 (=12, s=37) Tốc độ định mức ĐC giảm theo n (vịng/phút) 600 1000 1400 1800 2200 2600 Hình 5.7 Ảnh hưởng thành phần CH4 nhiên liệu biogas đến đường đặc tính ngồi động Footer Page 20 of 126 3000 thành phần CH4 biogas Khảo sát đường 19 Header Page 21 of 126 đặc tính ngồi ĐC với biogas chứa 70% CH4, góc đánh lửa sớm s=40o độ đậm đặc =1,08 ứng với TSN =10, 12, 14 (Hình 5.9) cho thấy vùng tốc độ thấp TSN cao cơng suất ĐC cao Tuy nhiên vùng tốc độ cao TSN 12 chiếm ưu tỉ số nén 10 14 Ở tốc độ 2250v/ph, cơng suất ĐC có TSN 12 tăng khoảng 12% so với ĐC có TSN 10 hay 14 Kết cho thấy, để đảm bảo cho ĐC phát công suất cực đại vùng tốc độ định mức 2000-2400v/ph TSN 12 phù hợp Khảo sát ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đường đặc tính 20 Pe (HP) ngồi ĐC biogas có TSN =12 nhiên liệu chứa 60% CH4 với góc 16 đánh lửa sớm thay đổi phạm vi từ 28 đến 47 trước =14 =12 ĐCT Kết cho thấy =10 12 điều kiện thử nghiệm này, góc đánh lửa sớm tối ưu động 500 n (vòng/phút) 1000 1500 2000 2500 3000 Hình 5.9 Ảnh hưởng tỉ số nén đến đường đặc tính ngồi động 37 trước ĐCT Dựa vào kết biến thiên công suất cực đại động theo góc đánh lửa sớm ứng với chế độ tốc độ khác cho thấy điều kiện thí nghiệm (=12, biogas chứa 60% CH4) góc đánh lửa sớm tối ưu nằm khoảng từ 34 đến 42 trước ĐCT Công suất cực đại động giảm 20% thành phần CH4 biogas giảm từ 87% xuống 60% Tốc độ định mức động giảm theo thành phần CH4 biogas Việc làm tăng thành phần CH4 biogas đòi hỏi công đoạn lọc CO2 phức tạp tốn Mặt khác công suất cực đại động không thay đổi lớn tăng thành phần CH4 biogas Vì Footer Page 21 of 126 20 Header Page 22 of 126 trường hợp sử dụng thông thường với nguồn biogas cung cấp chỗ, không cần phải lọc CO2 So sánh đường đặc tính ngồi ĐC chạy diesel trước sau chuyển đổi chạy biogas với TSN góc đánh lửa sớm khác cho thấy: ĐC có TSN = 10 biogas chứa 60% CH4 cơng suất giảm 20% tốc độ định mức 2200v/ph Tuy nhiên, với nhiên liệu biogas này, sử dụng TSN 12 góc đánh lửa sớm 37 cơng suất cực đại ĐC biogas xấp xỉ công suất ĐC diesel trước chuyển đổi tốc độ định mức Như vậy, chuyển ĐC diesel thành ĐC biogas ĐLCB chọn TSN góc đánh lửa sớm phù hợp, ĐC giữ công suất định mức làm việc với biogas nghèo 5.3.2 So sánh kết cho mơ thực nghiệm Hình 5.18 so sánh đường đặc tính ngồi ĐC biogas ZH1115 cho mơ thực nghiệm ứng với TSN động =10, 12 14 điều kiện thử nghiệm (φs=40o, =1,08, nhiên liệu chứa 70% CH4) Hiệu suất giới m ĐC (hiệu suất “bơm” đường nạp đường thải, hiệu suất ma sát, hiệu suất truyền động từ ĐC qua băng thử) giả định 20 16 Pe (HP) 0,75 So sánh kết cho thấy Mô qui luật biến thiên đường đặc Thực nghiệm tính ngồi theo TSN cho mơ hình phù hợp với thực nghiệm 12 Kết mô cho giá trị 500 công suất lớn kết thực n (vòng/phút) 1000 1500 2000 2500 3000 nghiệm Ở khu vực tốc độ thấp, khác biệt không đáng kể b Hình 5.18 So sánh đường đặc tính ngồi Nhưng khu vực tốc độ định động biogas cho mơ hình thực nghiệm với tỉ số nén 10 (a), 12 (b) 14 (c) mức, công suất từ tính tốn mơ Footer Page 22 of 126 21 Header Page 23 of 126 lớn công suất cho thực nghiệm khoảng 10% Sự sai lệch việc chọn hiệu suất giới ĐC 0,75 chưa phù hợp Để so sánh xác kết cho mơ hình thực nghiệm cần đo diễn biến áp suất thị theo góc quay trục khuỷu động Kết nhận hoàn toàn tương tự so sánh đường đặc tính ngồi động biogas ZH1115 cho mơ thực nghiệm với góc đánh lửa sớm khác 5.4 Kết luận Kết tính tốn theo mơ phù hợp với kết thực nghiệm đo được, chứng tỏ mơ hình mơ thiết lập có độ tin cậy Khi chuyển ĐC diesel thành ĐC biogas đánh lửa cưỡng chọn TSN góc đánh lửa sớm phù hợp, ĐC giữ cơng suất định mức làm việc với biogas nghèo Trong điều kiện thí nghiệm (TSN động =12, biogas chứa 60% CH4) góc đánh lửa sớm tối ưu động ĐLCB dùng biogas chuyển đổi từ ĐC ZH1115 khoảng từ 34 đến 42 trước ĐCT Từ kết tính tốn mơ thực nghiệm, trường hợp ĐC ZH1115 chạy biogas tốc độ định mức 2200v/ph góc đánh lửa sớm 40 trước ĐCT, TSN tối ưu ĐC nằm khoảng từ 11,5 đến 12,5 Để so sánh xác kết mô thực nghiệm, cần đo áp suất thị xi lanh động Với thiết bị tác giả chưa có điều kiện thực KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu sử dụng ĐC biogas phục vụ cho sản xuất đời sống nơng thơn có ý nghĩa quan trọng chiến lược an ninh lượng nước ta Giải pháp chuyển đổi ĐC diesel truyền thống thành ĐC biogas ĐLCB cho phép tận dụng lợi ĐC diesel tốc độ thấp TSN Footer Page 23 of 126 22 Header Page 24 of 126 cao để nâng cao hiệu hoạt động ĐC với nhiên liệu Mặt khác, trình vận hành, không tốn nhiên liệu lỏng để phun mồi Điều giúp nâng cao hiệu kinh tế sử dụng ĐC biogas Trong cơng trình này, ĐC diesel ZH1115 cải tạo thành ĐC biogas đánh lửa cưỡng Buồng cháy ĐC thử nghiệm với dạng: buồng cháy omega nguyên thủy buồng cháy phẳng TSN động thay đổi cách cắt bớt đỉnh piston với chiều dày lớp cắt khác đảm bảo có TSN thay đổi từ đến 14 Góc đánh lửa sớm ĐC điều chỉnh cách thay đổi vị trí cuộn dây cảm ứng đánh lửa lắp thân máy Việc cung cấp hỗn hợp biogas-khơng khí cho ĐC thực nhờ tạo hỗn hợp kiểu venturi Tính tốn mơ tạo hỗn hợp cho phép xác định kích thước tối ưu ứng với nhiên liệu biogas chứa hàm lượng CH4 khác Nhiên liệu biogas cung cấp cho động thí nghiệm có thành phần CH4 thay đổi để khảo sát tính động làm việc với nhiều loại nhiên liệu khác Thí nghiệm tiến hành trường với băng thử công suất FROUDE di động Tính tốn mơ q trình cung cấp nhiên liệu trình cháy ĐC biogas thực nhờ phần mềm FLUENT So sánh kết mơ hình thực nghiệm thực số trường hợp Sự phù hợp mơ hình thực nghiệm trường hợp cho phép xác định thơng số mơ hình Từ đó, tính tốn mơ dự báo tính kinh tế kỹ thuật ĐC biogas làm việc điều kiện khác mà không cần số liệu thí nghiệm Kết nghiên cứu đề tài cho phép rút kết luận sau: Kết luận Thành phần CO2 có mặt nhiên liệu biogas làm giảm tốc độ cháy hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí làm tăng khả Footer Page 24 of 126 23 Header Page 25 of 126 chống kích nổ hỗn hợp, nên nhiên liệu biogas nghèo phù hợp với động tốc độ thấp tỉ số nén cao Do đó, việc chuyển đổi động diesel thành động biogas đánh lửa cưỡng giải pháp công nghệ tốt mặt kỹ thuật lẫn mặt kinh tế Phương pháp nghiên cứu kết hợp mơ q trình cung cấp nhiên liệu q trình cháy động phần mềm FLUENT thực nghiệm băng thử công suất động FROUDE cho phép hạn chế chi phí thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy kết nghiên cứu Thật vậy, với phương pháp này, cần đánh giá kết mơ số kết thực nghiệm để điều chỉnh hệ số tính tốn theo mơ hình Từ dùng mơ hình để dự báo tính cơng tác động nhiều điều kiện vận hành khác mà khơng cần số liệu thực nghiệm Trong tính tốn q trình cháy động biogas đánh lửa cưỡng chuyển đổi từ động diesel ZH1115, kết so sánh với thực nghiệm cho thấy sử dụng mơ hình chảy rối k- với hệ số chuẩn mặc định, mơ hình cháy Partially Premixed với tốc độ cháy chảy tầng tính theo cơng thức thực nghiệm, hệ số cháy rối ff chọn 1,2 Còn lại sử dụng thơng số mặc định cài đặt sẵn FLUENT Tốc độ cháy hỗn hợp biogas-khơng khí giảm theo thành phần CH4 nhiên liệu Do tăng tốc độ động hay giảm thành phần CH4 biogas, phải tăng góc đánh lửa sớm để đảm bảo cơng thị tối ưu Khi động có tỉ số nén =12, chạy biogas chứa 60% CH4 góc đánh lửa sớm tối ưu nằm khoảng từ 34 đến 42 tốc độ động thay đổi Khi chuyển động diesel thành động biogas đánh lửa cưỡng bức, cần giảm tỉ số nén đến giá trị tối ưu Trong trường hợp động Footer Page 25 of 126 24 Header Page 26 of 126 ZH1115 chạy biogas tốc độ định mức 2200v/ph, tỉ số nén tối ưu nằm khoảng từ 11,5 đến 12,5 Do tốc độ cháy hỗn hợp biogas-không khí thấp nên việc trì vận động xốy lốc buồng cháy có ý nghĩa quan trọng nâng cao hiệu công tác động Kết mô cho thấy công thị động ZH1115 sử dụng buồng cháy phẳng nhỏ công thị sử dụng buồng cháy omega khoảng 22% chạy biogas tốc độ định mức 2200v/ph Bộ tạo hỗn hợp kiểu venturi cấp hỗn hợp ổn định cho ĐC biogas Khi tiết diện lưu thông ống cung cấp biogas cố định thành phần hỗn hợp thay đổi theo độ mở bướm ga theo tốc độ động Khi thay đổi thành phần CH4 nhiên liệu, phải thay đổi tiết diện lưu thông đường ống cung cấp biogas Đối với ĐC ZH1115, đường ống cung cấp khơng khí đường nạp ngun thủy ĐC đường kính tương đương ống cung cấp biogas biểu diễn biểu thức D(mm)=166.X-0,5443, với X tỉ lệ phần trăm (%) CH4 biogas tính theo thể tích Định hướng nghiên cứu Đề tài tiếp tục nghiên cứu theo hướng sau: Đo áp suất thị buồng cháy động để kiểm chứng kết cho mô Nghiên cứu hệ thống phun nhiên liệu biogas đường nạp động Đo đạc thành phần khí thải động chạy biogas so sánh với thành phần khí thải chạy diesel Thử nghiệm đánh giá tác động chất lượng biogas đến tuổi thọ động biogas đánh lửa cưỡng thơng qua mức độ ăn mịn chi tiết động chất lượng dầu bôi trơn Footer Page 26 of 126 Header Page 27 of 126 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch (2010), “So sánh hiệu giải pháp cung cấp biogas cho động đốt trong”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ-Đại học Đà Nẵng, số 2(37)/2010, pp.65-72 Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xn Thạch (2011), “Mơ dịng chảy qua tạo hỗn hợp động biogas đánh lửa cưỡng phần mềm Fluent”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Trường Đại học Kỹ thuật, số 80-2011, pp 134138 Trần Văn Nam, Bùi Văn Ga, Lê Xuân Thạch, Phạm Đình Long (2012), “Xác định thơng số kết cấu vận hành tối ưu động biogas đánh lửa cưỡng bức”, Hội nghị Cơ học Thủy Khí toàn quốc, Nha Trang, 26-28/7, pp 505-516 Bui Van Ga, Tran Thanh Hai Tung, Tran Van Nam, Le Xuan Thach, Le Minh Tien (2012), Experimental Study of Effect of Compression Ratio and Biogas Composition on Biogas Spark Ignition Engine, The 2nd International Conference on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuels, Hochiminh City, Vietnam, December 4-5, pp 129-135 Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Xuân Thạch (2013), “Buồng cháy phù hợp với động biogas đánh lửa cưỡng bức”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ-Đại học Đà Nẵng, số 3(64)/2013, pp 37-43 Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch (2013), “Ảnh hưởng thành phần CH4, góc đánh lửa sớm tỉ số nén đến tính động biogas”, Tạp chí Giao thông Vận tải, số 5/2013, pp 7-13 Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Dương Việt Dũng, Lê Xuân Thạch (2013), “So sánh mơ hình thực nghiệm ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến tính động biogas”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, số 6/2013, pp 9,10,42 Footer Page 27 of 126 ... tốn nhiên liệu lỏng để phun mồi Điều giúp nâng cao hiệu kinh tế sử dụng ĐC biogas Do ? ?Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu trình cháy động đánh lửa cưỡng có tỉ số nén cao sử dụng biogas” có. .. trình cháy động đánh lửa cưỡng có tỉ số nén cao sử dụng biogas Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Nghiên cứu làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên liệu, nghiên cứu trình cháy động biogas xác định thông số. .. mơ hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động - Mô trình cháy động đánh lửa cưỡng sử dụng biogas làm nhiên liệu thay đổi thơng số: tỉ số nén, góc đánh lửa sớm, kiểu buồng cháy thành phần nhiên