TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 HỆ THỐNG CUNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ DUAL-FUEL BIOGAS/DIESEL BIOGAS SUPPLYING SYSTEM FOR BIOGAS/DIESEL DUAL- FUEL ENGINE BÙI VĂN GA - LÊ MINH TIẾN NGUYỄN VĂN ĐÔNG Đại học Đà Nẵng NGUYỄN VĂN ANH Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế Tóm tắt Một động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/diesel đã được chuyển đổi từ động cơ diesel Kubota nguyên thủy. Bộ chuyển đổi bao gồm bộ hòa trộn và bộ điều tốc điện tử điều khiển van bướm cơ khí. Nguồn năng lượng chính của động cơ được cung cấp từ biogas. Một lượng nhỏ diesel khoảng 5% lượng phun tối đa được phun để khởi động quá trình cháy. Động cơ tiêu thụ 1m 3 biogas/ 1kWh điện. Khí thải động cơ không có bồ hóng. Dao động điện áp của máy phát nhỏ hơn 5% khi tải bên ngoài thay đổi. Thời gian ổn định điện áp nhỏ hơn 5s Abstract: A dual-fuel biogas/diesel engine has been transformed from original Kubota Diesel engine. The conversion kit is composed of mixture chamber and electronic speed regulator via a mechanical throttle valve. The main power of the engine is supplied by biogas. A small quantity of diesel about 5% formal injection is supplied for ignition. The engine consumes 1m 3 biogas/1kWh electricity. No soot component is found in exhaust gas. The fluctuation of generator tension is less than 5% normal tension when external load is changed. The stabilization time is less than 5s. 1. Giới thiệu Sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong góp phần giải quyết hai vấn đề lớn của nhân loại hiện nay là tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường. Thật vậy, biogas là nhiên liệu tái sinh có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời, sau khi lọc tạp chất, nó có thể sử dụng như khí thiên nhiên để chạy động cơ đốt trong [1]. Các động cơ này có thể là động cơ xe gắn máy hay động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức [2], [3]. Khi chạy bằng biogas, mức độ phát thải của chúng đạt đến giá trị lý tưởng. Một trong những vấn đề quan trọng khi Hình 1: Cụm động cơ Kubota-máy phát điện 5kW được sử dụng trong nghiên cứu 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 18 chuyển đổi động cơ tĩnh tại chạy bằng nhiên liệu lỏng sang chạy bằng biogas là xử lý bộ điều tốc. Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, bộ điều tốc tổ hợp đã được nghiên cứu sử dụng [4]. Trong công trình này chúng tôi nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và điều tốc của động cơ dual-fuel được cải tạo từ động cơ diesel để kéo máy phát điện có công suất 5kW. Hệ thống động cơ-máy phát sử dụng trong nghiên cứu này được bố trí như hình 1. Động cơ Kubota GX125-2X-NB-GE có tỉ số nén 24, đường kính xi lanh 94mm, hành trình piston 90mm, công suất của động cơ khi chạy bằng diesel là 8,5kW ở tốc độ 2200 vòng/phút. Kết quả tính toán nhiệt cho thấy nếu động cơ chạy hoàn toàn bằng biogas thì công suất của nó đạt 7,69kW ở tốc độ 2000 vòng/phút. Nếu hiệu suất truyền động của cả hệ thống là 0,75 thì công suất động cơ khi chạy bằng biogas thỏa mãn yêu cầu kéo máy phát điện 5kW. Động cơ làm việc ở tốc độ định mức 2000 vòng/phút trong khi tốc độ định mức của máy phát là 1500 vòng/phút do đó bộ buli có đường kính 120mm và 160mm được chọn lắp lần lượt trên động cơ và máy phát điện để đảm bảo tỉ số truyền động. 2. Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas Động cơ dual-fuel biogas/diesel có đặc điểm cung cấp nhiên liệu như sau: - Biogas: là nhiên liệu chính quyết định công suất của động cơ. Lưu lượng biogas được cung cấp vào động cơ thay đổi theo chế độ tải. - Diesel: là nhiên liệu để đốt mồi (thay thế bugi đánh lửa) được phun vào bên trong buồng cháy động cơ với lượng phun cố định. Do đặc điểm như vậy, lượng hòa khí (gồm không khí và biogas) được chuẩn bị trước trên đường nạp trước khi cung cấp vào trong buồng cháy động cơ. Lượng diesel phun vào không làm ảnh hưởng đến quá trình cung cấp nhiên liệu biogas. Trong công trình nghiên cứu này, chúng tôi khống chế lượng nhiên liệu diesel phun làm mồi là 5% lượng nhiên liệu diesel ở chế độ toàn tải. Do đó lưu lượng nhiên liệu diesel mồi là m D =0,106kg/h. Lưu lượng biogas cung cấp cho động cơ để đảm bảo công suất điện 5kW là V biogas =3,304m 3 /h. Lưu lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn lượng diesel và biogas ở chế độ toàn tải là V kk =32,597m 3 /h. Họng của bộ hòa trộn cần phải đảm bảo tạo được độ chân không cần thiết để tăng sức hút biogas và đồng thời lại không gây sức cản lớn đối với lưu động của không khí. Mối quan hệ giữa tiết diện họng và lưu lượng không khí được xác định theo biểu thức: k k k k hhk k .W.f.G ρ μ = (1) 0 0 H H Không khí Biogas Hình 2: Sơ đồ tính toán hệ thống cung cấp hỗn hợp biogas/không khí Trong đó: μ h là hệ số lưu lượng của họng, ta có thể chọn μ h =0,85; f h =πd h 2 /4 là tiết diện của họng; W kk tốc độ của dòng không khí đi qua họng thường được chọn khoảng 30m/s; khối lượng riêng của không khí ρ kk =1,15. Từ đó ta tính được đường kính họng là d h =20mm. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 Độ chân không tại họng là: Pa685 2 W p 2 2 hkk h = μ ρ =Δ h (2) Đường kính buồng hỗn hợp phải có kích thước đủ lớn để không gây tổn thất áp suất khi dòng không khí và dòng biogas hòa trộn với nhau. Theo kinh nghiệm thiết kế người ta thường chọn d h /d b = 0,4-0,75. Từ đó chúng ta tính được đường kính buồng hỗn hợp d b = 26,4-49,5mm. Để thuận tiện cho việc cải tạo, chúng ta chọn đường kính buồng hỗn hợp d b = 35mm, theo kích thước sẵn có của đường ống nạp động cơ. Lưu lượng của dòng biogas được xác định theo biểu thức tương tự (1). Khối lượng riêng của biogas là ρ b =0,8808kg/m 3 . Tốc độ của dòng biogas qua van tiết lưu được xác định theo biểu thức: () Bh B B pp 2 W +Δ ρ = (3) Hình 3: Van tiết lưu Với Δp h là độ chân không tại họng và p B là áp suất của biogas p B =35mmH 2 O. Trên cơ sở các số liệu trên chúng ta tính được đường kính lỗ cấp biogas d B =10mm. 3. Thiết kế bộ điều tốc kiểu điện tử Để tự động điều chỉnh tốc độ động cơ ổn định ở một giá trị cho trước, chúng tôi sử dụng phương án bộ điều tốc điện tử với bộ so sánh tần số quay của bánh đà động cơ với tần số chuẩn trong mạch điện. • Khi tần số bánh đà thấp hơn giá trị chuẩn thì mạch sẽ điều khiển động cơ điện quay làm tăng độ mở van tiết lưu. Tốc độ mở van khác nhau với các giá trị tần số lệch khác nhau • Khi tần số bánh đà lớn hơn giá trị chuẩn thì mạch sẽ điều khiển động cơ điện quay theo chiều ngược lại làm giảm độ mở van tiết lưu. • Khi tần số bánh đà nằm trong phạm vi cho phép thì giữ nguyên vị trí van tiết lưu. Các thông số cơ bản của van tiết lưu: Hình 4: Cảm biến hồng ngoại o Đường kính lỗ tiết lưu:d B =10mm o Chiều dài mặt côn: l B =25mm Hình 3 giới thiệu mặt cắt của van tiết lưu. Động cơ điện một chiều 12 volts nhận tín hiệu từ mạch điều khiển, thông qua cơ cấu trục vít-bánh vít làm cho mặt côn của van tiết lưu thay đổi vị trí so với đế van dẫn đến thay đổi tiết diện lưu thông của đường 19 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 20 cung cấp biogas. Vi điều khiển được chọn là chip AT89C52. Chip này thuộc họ MSC-51 của hãng Intel. Đây là một mạch tích hợp có thể lập trình được dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng hoặc mở các cơ cấu đã được xác định trước. Đặc điểm cơ bản của chíp AT89C52 như sau: • 8 KB ROM • 256 byte RAM • 4 cổng xuất nhập (I/O) 8-bit • 3 bộ định thời 16-bit • Mạch giao tiếp nối tiếp • 64 KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng • 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng • Một bộ xử lý bit thao tác trên các bit đơn • 210 vị trí nhớ đã được định địa chỉ, mỗi địa chỉ 1-bit • Tần số hoạt động 1 MHz B Ắ T Đ Ầ U Khởi động bộ định thời 0 Khởi động bộ định thời 1 Khởi động bộ định thời 2 Khởi động ngắt ngoài 0 Đi ề u khi ể n t ố c độ mô-tơ đi ề u chỉnh van tiết lưu. N hận phím đi ề u khi ể n Xác định tốc độ động cơ Hiển thị các thông số Đếm số vòng quay động cơ Gọi INIT khởi động các biến ĐỢI NG Ắ T SYSTEM_RUN=1 Đ SYSTEM_RUN=1 Đ Đi ề u khi ể n van ti ế t lưu Xác định tốc độ điều khiển S S Hình 6: Chương trình điều khiển Hình 5: Sơ đồ mạch điện điều khiển van tiết lưu Thông tin tình trạng hoạt động được hiển thị lên một màn hình tinh thể lỏng LCD. Cảm biến được sử dụng là một bộ led phát và led thu hồng ngoại được bố trí đối diện nhau so với vành đục lỗ gắn trên bánh đà (hình 4). Hình 5 giới thiệu sơ đồ mạch điện điều khiển van tiết lưu và hình 6 sơ đồ logic hoạt động điều khiển van tiết lưu của mạch. Thuật toán của chương trình điều khiển: a. Chương trình khởi tạo các biến chứa các giá trị mặc định ban đầu bao gồm: tốc độ làm việc, tốc độ tăng tốc, tốc độ vượt tốc, bộ đếm tốc độ động cơ b. Khởi động các bộ định thời, ngắt thời gian và ngắt ngoài. Mỗi thao tác ngắt, mạch xử lý các phần: + Ngắt bộ định thời 0: - Điều khiển tốc độ động cơ DC điều chỉnh van tiết lưu bằng phương pháp thay đổi độ rộng xung. - Thời gian tối đa 1 xung được xác định là 50ms. + Ngắt bộ định thời 1: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 - Chu kỳ hoạt động: 50ms. - Quét phím điều khiển: khởi động, dừng cấp khí. - Xác định tốc độ động cơ theo số đếm tốc độ, sau đó reset lại số đếm tốc độ. - Nếu phím khởi động được nhấn thì: so sánh tốc độ động cơ với tốc độ yêu cầu để xác định động cơ cần tăng tốc hay giảm tốc: * Nếu tốc độ động cơ cao hơn tốc độ yêu cầu đồng thời tốc độ động cơ không giảm thì: . Xác định tốc độ điều chỉnh van tiết lưu. . Ra lệnh đóng van tiết lưu. * Nếu tốc độ động cơ thấp hơn tốc độ yêu cầu đồng thời tốc độ động cơ không tăng thì: . Xác định tốc độ điều chỉnh van tiết lưu. . Ra lệnh đóng van tiết lưu. * Nếu tốc độ động cơ rất thấp hoặc quá cao thì ra lệnh đóng van tiết lưu với tốc độ tối đa. + Ngắt bộ định thời 2: Hiển thị các thông tin cần kiểm tra lên màn hình LCD: tốc độ yêu cầu, tốc độ thực tế, tốc độ điều chỉnh van tiết lưu, thời gian hoạt động, + Ngắt ngoài 0: Tăng giá trị số đếm tốc độ lên 1 khi cảm biến hồng ngoại xác qua 1 lỗ thông trên vòng đục lỗ được gắn trên bánh đà động cơ. 4. Kết quả thí nghiệm Hình 7: Hệ thống thí nghiệm Hệ thống cung cấp biogas gồm bộ hòa trộn và bộ điều tốc trên đây được lắp trên động cơ Kubota thí nghiệm. Hình 7 giới thiệu ảnh chụp hệ thống thí nghiệm. Khí biogas sau khi lọc H 2 S được cung cấp cho động cơ thông qua van tiết lưu. Để tạo tải cho máy phát, thí nghiệm sử dụng 4 bóng đèn có công suất mỗi bóng là 500W và hai máy bơm nước có công suất mỗi máy là 1500W. Do đó, chúng ta có thể tạo ra tải định mức 5kW cũng như sự thay đổi tải ở các mức 500W, 1000W, 1500W, 2000W Hình 8 giới thiệu điện áp của máy phát ở chế độ không tải. Sau khi khởi động khoảng 7s , điện áp máy phát trở nên ổn định quanh giá trị 220 volts. Van tiết lưu của bộ điều tốc gần như đứng yên ở vị trí ổn định. Hình 9 giới thiệu biến thiên điện áp của máy phát điện khi thay đổi tải bên ngoài bằng cách bật hay tắt các bóng đèn. Khi bật lần lượt các bóng đèn 500W, điện áp tức thời tụt xuống khoảng 10 volts (khoảng 5% điện áp định mức). Khoảng 5s sau đó, mạch điều khiển xoay van tiết lưu về phía tăng tiết diện lưu thông, lượng khí biogas đi qua van nhiều hơn, điện áp trở lại vị trí ổn định ban đầu. Khi tắt lần lượt các bóng đèn để giảm tải, điện áp tức thời tăng lên khoảng 10 volts và trở về vị trí ổn định sau khoảng 5s. Khi công suất điện lên đến 4500kW, van tiết lưu gần như mở hoàn toàn. Nếu bật thêm một bóng đèn 500W nữa điện áp của máy phát giảm xuống còn khoảng 200volts. Do 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 22 trong hệ thống thí nghiệm này không sử dụng CO 2 nên hàm lượng CH 4 giảm, do đó, công suất cực đại thực tế của động cơ nhỏ hơn công suất tính toán. Phân tích khí cho thấy khí thải của động cơ dual-fuel hầu như không chứa bồ hóng. Đây là ưu điểm nổi bật so với khi nó làm việc bằng diesel. Động cơ tiêu thụ khoảng 1m 3 biogas ứng với 1kWh điện. Do đó để động cơ có thể làm việc liên tục trong thời gian dài, chúng ta cần bố trí thêm túi chứa khí biogas dự trữ. Về mặt kinh tế, động cơ kéo máy phát điện 5kW tiêu thụ khoảng 10 lít dầu mỗi ngày nếu hoạt động 6h/ngày. Khi chuyển sang sử dụng biogas với túi chứa khí 30m 3 , người tiêu dùng có thể tiết kiệm được khoảng 3 triệu đồng/tháng tiền nhiên liệu. Hình 8: Đồ thị ổn định điện áp ở ch ế độ khôn g tải má y p hát Hình 9: Đồ thị ổn định điện áp khi tải máy phát thay đổi 5. Kết luận • Động cơ dual-fuel sử dụng biogas với lượng nhiên liệu diesel mồi 5% có thể được cải tạo đơn giản từ động cơ diesel nguyên thủy. Động cơ có thể làm việc với áp suất biogas rất thấp, khoảng 35mmH 2 O. • Bộ điều tốc kiểu điện tử với chip AT89C52 hoạt động tin cậy, điện áp trong giai đoạn chuyển tiếp tăng, giảm khoảng 5% so với điện áp định mức và thời gian ổn định khoảng 5s. • Động cơ dual-fuel tiêu thụ khoảng 1m 3 biogas ứng với 1kWh điện; khí thải của nó hầu như không có chứa bồ hóng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] BUI VAN GA, NGO VAN LANH, NGO KIM PHUNG: Tinh luyện khí biogas để chạy động cơ đốt trong. Khoa học và Phát triển, Đà Nẵng 4-2007 [2] BUI VAN GA, NGO VAN LANH, NGO KIM PHUNG, VENET CEDERIC: Thử nghiệm khí biogas trên động cơ xe gắn máy. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 1(18), pp. 1-5, 2007 [3] Bui Van Ga, Nhan Hong Quang, Truong Le Bich Tram: Small Power Engine Fueled with Biogas. The 4th Seminar on Environment Science and Technology Issues Related to the Sustainable Development for Urban and Coastal Areas, pp. 257-263. Japan-Vietnam Core University Program, Danang 27-28 September 2007 [4] Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trương Hoàng Thiện, Lê Minh Tiến : Hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ cỡ nhỏ. Tuyển tập Hội Nghị Cơ học Thủy khí toàn quốc, Huế, 26-28/7/2007 . trên động cơ và máy phát điện để đảm bảo tỉ số truyền động. 2. Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas Động cơ dual-fuel biogas/ diesel có đặc điểm cung cấp nhiên liệu như sau: - Biogas: . TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 HỆ THỐNG CUNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ DUAL-FUEL BIOGAS/ DIESEL BIOGAS SUPPLYING SYSTEM FOR BIOGAS/ DIESEL DUAL- FUEL. tốc của động cơ dual-fuel được cải tạo từ động cơ diesel để kéo máy phát điện có công suất 5kW. Hệ thống động cơ- máy phát sử dụng trong nghiên cứu này được bố trí như hình 1. Động cơ Kubota