Động cơ hybrid biogas-diesel

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Biogas là nguồn năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời nên việc sử dụng chúng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong một mặt tiết kiệm được nhiên liệu hóa thạch và mặt khác, không làm gia tăng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển. Bài viết Động cơ hybrid biogas-diesel trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm động cơ hybrid biogas-diesel được cải tạo từ động cơ diesel tĩnh tại nhờ phối hợp hoạt động của hai bộ điều tốc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Động cơ hybrid biogas-diesel

26 Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Bùi Văn Hùng ĐỘNG CƠ HYBRID BIOGAS-DIESEL BIOGAS-DIESEL HYBRID ENGINE Bùi Văn Ga1, Nguyễn Việt Hải2, Nguyễn Văn Anh3, Bùi Văn Hùng2 1 Bộ Giáo dục và Đào tạo; buivanga@dongcobiogas.com 2 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 3 Trường Cao đẳng Công nghiệp Thừa Thiên Huế Tóm tắt - Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm động Abstract - The paper presents experimental results of biogas- cơ hybrid biogas-diesel được cải tạo từ động cơ diesel tĩnh tại nhờ diesel hybrid engine converted from diesel engine with the help of phối hợp hoạt động của hai bộ điều tốc. Động cơ hybrid biogas- two speed governors. The hybrid engine can be fueled with biogas diesel có thể chạy bằng biogas với thành phần CH4 khác nhau, kể containing different CH4 concentrations, even with poor biogas. In cả biogas nghèo. Khi hết biogas, động cơ có thể chuyển sang chạy case of shortfall of biogas supply, the hybrid engine can operate in bằng diesel như trước khi cải tạo mà không cần sự can thiệp kỹ thuật diesel mode without any specialized technical intervention. To đặc biệt nào. Để đảm bảo công suất định mức của động cơ diesel ensure rated power of diesel engine as the hybrid engine is fueled khi động cơ hybrid chạy bằng biogas chứa 60% CH4 chúng ta phải with biogas containing 60% CH4, a diesel injection of 30% rated duy trì lượng phun diesel bằng khoảng 30% lượng phun định mức. injection is needed. If CH4 concentration in biogas is higher than Khi động cơ hybrid chạy bằng biogas chứa trên 70% CH4, lượng 70%, only a pilot injection of 10% rated injection is needed for phun diesel chỉ cần duy trì ở mức tối thiểu khoảng 10% lượng phun ignition. Speed of the hybrid engine can be controlled by biogas định mức để đánh lửa. Bộ điều tốc biogas có thể giữ ổn định tốc độ speed governor with the speed fluctuation of about 5%. động cơ hybrid với mức độ dao động tốc độ khoảng 5%. Từ khóa - biogas; biogas-diesel; động cơ; bộ điều tốc; cải tạo. Key words - biogas; biogas-diesel; engine; governor; innovation. 1. Giới thiệu cỡ lớn được thiết kế đặc biệt để sử dụng biogas [3]. Tuy Biogas là nguồn năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ nhiên do qui mô sản xuất biogas rất đa dạng, những động năng lượng mặt trời nên việc sử dụng chúng làm nhiên liệu cơ này không phù hợp với áp dụng qui mô nhỏ. Để có thể cho động cơ đốt trong một mặt tiết kiệm được nhiên liệu sử dụng biogas rộng rãi ở nông thôn, phương án hiệu quả hóa thạch và mặt khác, không làm gia tăng chất khí gây nhất là cải tạo các động cơ truyền thống sang chạy bằng hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển. Chất thải từ sản biogas. Động cơ xăng có thể cải tạo thành động cơ biogas xuất nông nghiệp ở các nước đang phát triển là nguồn đánh lửa cưỡng bức. Động cơ diesel có thể cải tạo thành nguyên liệu dồi dào để sản xuất biogas. Việc sử dụng nhiên động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức hay động cơ dual fuel liệu này làm chất đốt để đun nấu từ lâu đã được phổ biến ở biogas-diesel [4]. Thông thường khi động cơ diesel đã nông thôn. Tuy nhiên nếu chỉ giới hạn ở mục đích sử dụng chuyển đổi sang sử dụng biogas thì không sử dụng lại được này thì qui mô tiêu thụ không lớn, hiệu quả tiết kiệm nhiên bằng diesel. Đây là trở ngại cho việc ứng dụng rộng rãi liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường không cao như mong biogas ở nông thôn. Khi động cơ đang hoạt động mà hết muốn. Sử dụng biogas để làm nhiên liệu cho động cơ tĩnh biogas (đặc biệt đối với những hầm biogas nhỏ), nếu không tại, động cơ của phương tiện vận chuyển cơ giới sẽ mở rộng thể chuyển sang sử dụng lại nhiên liệu diesel thì hoạt động qui mô ứng dụng biogas trong thực tiễn. bị gián đoạn, ảnh hưởng đến quá trình sản xuất. Ở một số nước phát triển, biogas đã hòa chung vào khí Động cơ hybrid biogas-diesel có thể khắc phục được thiên nhiên để cung cấp vào mạng lưới khí đốt của thành nhược điểm trên của động cơ dual fuel. Động cơ này có thể phố hay làm nhiên liệu cho ô tô, tàu hỏa. Những ứng dụng chạy: (1) bằng diesel như trước khi cải tạo, (2) bằng biogas này đỏi hỏi công nghệ tinh luyện biogas nghiêm ngặt để giàu với lượng phun diesel mồi tối thiểu để đánh lửa (động đảm bảo chất lượng và giảm thiểu các tạp chất đến mức tối cơ dual fuel) và (3) bằng biogas nghèo với lượng phun thiểu theo yêu cầu. Ở các nước đang phát triển, việc ứng diesel thay đổi để đảm bảo công suất (động cơ hybrid). Bài dụng biogas để chạy máy phát điện, kéo máy công tác phục báo này giới thiệu nguyên lý điều khiển và tính năng của vụ sản xuất và đời sống ở nông thôn có lẽ là giải pháp phù động cơ hybrid biogas-diesel. hợp [1]. Việc cung cấp biogas cho các động cơ tĩnh tại ngay 2. Thiết kế nguyên lý động cơ hybrid biogas-diesel từ nguồn sản xuất giúp tránh được các khó khăn phải lưu trữ, vận chuyển nhiên liệu khí. Lò xo diesel Điều tốc n Điều tốc Lò xo diesel biogas biogas Trong thực tế, biogas có chất lượng khác nhau phụ thuộc vào nguyên liệu sản xuất [2]. Qui mô sản xuất cũng Chốt hạn chế Bơm Van điều Chốt hạn rất khác biệt, từ những hầm biogas cỡ nhỏ chỉ đủ để đun 10% gct_đm cao áp tiết biogas chế =1.1 nấu khoảng dưới 10m3 đến những hầm biogas qui mô lớn đến hàng nghìn m3. Do đó những giải pháp kỹ thuật sử Hình 1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ hybrid biogas-diesel dụng động cơ biogas cũng phải tính đến đặc thù này để tăng Nguyên lý điều khiển động cơ hybrid biogas-diesel đã tính thực tế trong ứng dụng. được giới thiệu trong [5]. Động cơ hybrid biogas-diesel có thể Trên thị trường hiện đã thương mại hóa những động cơ chuyển đổi nhiên liệu diesel-biogas trong quá trình hoạt động,
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 27 không yêu cầu sự can thiệp kỹ thuật nào. Để thực hiện được việc này động cơ được bố trí 2 bộ điều tốc: bộ điều tốc diesel của động cơ được bổ sung thêm chốt hạn chế lượng phun tối thiểu (khoảng 10%gct_đm) đảm bảo đánh lửa khi động cơ chạy bằng biogas; bộ điều tốc biogas điều khiển độ mở van cung cấp biogas với vít hạn chế độ mở bướm ga sao cho ở độ mở lớn nhất, thành phần hỗn hợp =1,1 ứng với biogas có thành phần CH4 cho trước. Khi chạy bằng biogas giàu, lò xo điều tốc diesel thả lỏng ở chế độ không tải. Chốt hạn chế giữ lượng phun diesel tối thiểu cần thiết để đánh lửa. Tốc độ động cơ được giữ ổn định nhờ bộ điều tốc biogas. Bộ điều tốc này sử dụng bộ phận cảm ứng tốc độ của động cơ diesel nguyên thủy. Quan hệ giữa độ giãn lò xo bộ điều tốc biogas với tốc độ động cơ được cho ở Bảng 1. Khi chạy bằng biogas nghèo, chốt hạn chế được điều chỉnh theo hướng tăng lượng phun diesel để bổ sung thêm năng lượng quá trình cháy. Việc giữ ổn định tốc độ vẫn thực hiện nhờ bộ điều tốc biogas. Khi hết biogas, van biogas khóa lại, lò xo điều tốc diesel được điều chỉnh để đảm bảo giữ ổn định tốc độ động cơ như trước khi cải tạo. Hình 2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm Bảng 1. Quan hệ giữa độ giãn lò xo bộ điều tốc biogas Bình thường ta duy trì lượng phun diesel bằng 10% và tốc độ động cơ lượng phun định mức, tức 0,005g/ct. Ta có thể tính toán được lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn lượng n(v/ph) 1200 1400 1600 1800 2000 2200 diesel phun mồi. Từ đó, chúng ta điều chỉnh lưu lượng ∆l(mm) 35,3 37,2 38,1 39,5 41,3 43,1 biogas có thành phần CH4 cho trước sao cho hệ số tương Nguyên lý này đã được áp dụng thành công trong thực đương của hỗn hợp đạt được =1,1 và thay đổi tải cản để xác tiễn để cải tạo một số động cơ diesel thông dụng thành động định biến thiên lực phanh theo tốc độ, từ đó xác định được cơ hybrid biogas-diesel như Kubota, Vikyno, Dongfeng... đường đặc tính ngoài của động cơ khi chạy bằng biogas. [6]. Nguyên lý tổng quát đó cũng có thể phát triển áp dụng Các bước thí nghiệm đường đặc tính điều tốc được tiến trên bất kỳ động cơ diesel nào. Động cơ hybrid biogas-diesel hành như sau: (1) điều chỉnh độ giãn lò xo điều tốc đạt mức có thể cung cấp được công suất định mức của động cơ diesel cho trước; (2) điều chỉnh độ mở van cung cấp biogas để trước khi cải tạo khi làm việc với biogas có thành phần CH4 thành hệ số tương đương của hỗn hợp đạt khoảng 1,1; (3) khác nhau. Mặt khác, khi cạn nguồn cung cấp biogas, động điều chỉnh tải cản của phanh để tốc độ động cơ đạt khoảng cơ có thể chuyển sang chạy bằng diesel, đảm bảo quá trình 1000 vòng/phút; (4) giảm dần tải cản của phanh, ghi nhận cung cấp năng lượng không bị gián đoạn. Do đó động cơ biến thiên lực phanh theo tốc độ động cơ từ đó xác định hybrid biogas-diesel rất tiện dụng ở nông thôn, vừa giữ vai được đường đặc tính điều tốc của động cơ. trò nguồn cung cấp năng lượng dự phòng, vừa tận dụng được nguồn biogas ở các qui mô và chất lượng khác nhau, góp 4. Kết quả và bình luận phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường. 4.1. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas 18 Đường đặc tính nhả Pe (kW) 3. Bố trí thí nghiệm khói đen động cơ Hệ thống thí nghiệm động cơ được lắp trên xe tải nhẹ 16 diesel để có thể di động đến sản xuất biogas [7]. Hình 2 giới thiệu Đường đặc sơ đồ hệ thống thí nghiệm gồm 5 cấu phần chính: (1) phần tính ngoài chuẩn bị nhiên liệu biogas có thành phần theo yêu cầu; (2) 14 động cơ diesel phần băng thử: băng thử thủy lực Froude DPX3 và hệ thống cung cấp nước; (3) phần động cơ thử nghiệm: động cơ 12 hybrid biogas-diesel được cải tạo từ động cơ EV2600-NB; (4) phần cảm biến: các cảm biến lấy tín hiệu băng thử và động cơ được kết nối với máy tính thông qua cạc biến đổi 10 A/D; (5) phần điều khiển: điều khiển động cơ, băng thử và đọc/ghi số liệu thí nghiệm. 8 Lưu lượng không khí được đo bằng lưu lượng kế sợi 1200 1400 1600 1800 2000 2200 n (rpm) nóng ABB. Lưu lượng biogas được đo bằng rotameter. Lượng tiêu hao nhiên liệu diesel được xác định bằng cân Hình 3. Đường đặc tính ngoài của động cơ hybrid khi chạy bằng chính xác. Trong thí nghiệm này chúng ta không xác định biogas chứa 60% CH4 (), 70% CH4 () và 80% CH4 (⚫) so với đường đặc tính ngoài và đường đặc tính nhả khói đen của đường đặc tính ngoài và đặc tính nhả khói đen của động cơ diesel động cơ diesel. Các đường đặc tính này do nhà sản xuất Hình 3 giới thiệu đặc tính ngoài của động cơ hybrid động cơ cung cấp. Lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ biogas-diesel khi chạy bằng biogas chứa 60% CH4, 70% diesel ở chế độ định mức là 0,05g/ct. CH4 và 80% CH4 so với đường đặc tính nhả khói đen và
28 Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Bùi Văn Hùng đường đặc tính ngoài động cơ diesel. Kết quả này cho thấy 4.3. Đặc tính điều tốc khi biogas chứa 60% CH4, công suất cực đại của động cơ Hình 5 giới thiệu biến thiên công suất động cơ theo tốc nhỏ hơn công suất định mức của động cơ diesel. Với biogas độ động cơ khi độ giãn lò xo điều tốc 35,3mm. Theo tính chứa 70% CH4, đường đặc tính ngoài của động cơ biogas toán với độ giãn lò xo này thì bộ điều tốc tác động ở 1200 cao hơn đường đặc tính ngoài của động cơ diesel nhưng thấp vòng/phút (Bảng 1). Chúng ta thấy trên đường đặc tính hơn đường đặc tính nhả khói đen. Với biogas chứa 80% CH4, ngoài, khi tốc độ động cơ tăng thì công suất động cơ tăng đường đặc tính ngoài của động cơ biogas xấp xỉ đường đặc theo. Khi động cơ đạt tốc độ 1300 vòng/phút, bộ điều tốc tính nhả khói đen của động cơ diesel. Vì vậy khi sử dụng bắt đầu tác động, đóng nhỏ van cung cấp biogas làm cho biogas nghèo chứa dưới 70% CH4 chúng ta phải tăng lượng công suất động cơ giảm. Phạm vi dao động của tốc độ động phun diesel để duy trì công suất định mức động cơ diesel. cơ từ 1300 vòng/phút đến 1350 vòng/phút. So với tính toán 4.2. Ảnh hưởng của lượng phun diesel lý thuyết lò xo điều tốc thì giá trị tốc độ mà bộ điều tốc tác Do tổng thể tích hỗn hợp chứa trong xi lanh động cơ động lớn hơn tốc độ lý thuyết 100 vòng/phút. Mức dao không thay đổi nên khi tăng lượng phun diesel thì phải động tốc độ khi bộ điều tốc làm việc khoảng 4%. giảm lượng nạp biogas để đảm bảo hỗn hợp cháy hoàn Pe (HP) toàn. Năng lượng do quá trình cháy tỏa ra khi đốt cháy 14 diesel và biogas với cùng một lượng không khí cho trước có thể được tính toán thông qua nhiệt trị thấp của nhiên liệu 12 và hệ số tương đương. Kết quả tính toán cho thấy năng lượng tỏa ra do quá trình cháy biogas chứa 60% CH4 chỉ 10 bằng khoảng 80% năng lượng tỏa ra do quá trình cháy 8 diesel với cùng lượng không khí cho trước ở điều kiện =1, nghĩa là công chỉ thị của động cơ chỉ tăng 20% năng lượng 6 do diesel phun vào động cơ. 4 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 0,005g/ct diesel (tức 10% lượng phun định mức) là 2 0,073g/ct. Năng lượng do quá trình cháy lượng diesel này tỏa ra là 225J/ct. Năng lượng giảm do giảm lượng biogas 0 cung cấp là 210J/ct. Vì vậy khi tăng lượng phun diesel thêm 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 10% lượng phun định mức thì năng lượng cung cấp cho n (vòng/phút) động cơ tăng 15J/ct. Điều này có nghĩa là công suất định Hình 5. Đường đặc tính ngoài và đường đặc tính điều tốc mức của động cơ tăng 0,15kW và 0,28kW tương ứng với ở tốc độ 1300 vòng/phút tốc độ động cơ ở 1200v/ph và 2200v/ph. Hình 6 giới thiệu biến thiên công suất theo tốc độ động Hình 4 giới thiệu ảnh hưởng của lượng phun diesel đến cơ khi độ giãn lò xo điều tốc 39,5mm. Theo tính toán với công suất có ích của động cơ hybrid biogas-diesel. Kết quả độ giãn lò xo này thì bộ điều tốc tác động ở 1800 vòng/phút này cho thấy, khi động cơ chạy với biogas chứa 60% CH4 (Bảng 1). Tuy nhiên kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều thì để đạt được công suất định mức của động cơ diesel tốc tác động ở tốc độ 1750 vòng/phút, nhỏ hơn giá trị lý trước khi cải tạo chúng ta phải tăng lượng phun diesel đến thuyết 50 vòng/phút. Mức độ dao động tốc độ động cơ khi 30% lượng phun định mức. Điều này có nghĩa là biogas bộ điều tốc làm việc khoảng 5%. nghèo chứa 60% CH4 có thể thay thế 70% nhiên liệu diesel Pe (HP) nhưng vẫn đảm bảo công suất có ích của động cơ diesel 25 nguyên thủy. 16 20 Pe (kW) 14 15 Đặc tính ngoài động cơ diesel 10 12 5 10 0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 8 n (vòng/phút) 1200 1400 1600 1800 2000 2200 n (rpm) Hình 6. Đường đặc tính ngoài và đường đặc tính điều tốc Hình 4. Đường đặc tính ngoài của động cơ hybrid khi ở tốc độ 1750 vòng/phút chạy bằng biogas chứa 60% CH4, =1,1, lượng phun diesel Hình 7 giới thiệu biến thiên công suất theo tốc độ động 10% gct_đm (), 20% gct_đm () và 30% gct_đm (⚫) cơ khi độ giãn lò xo điều tốc 41,3mm. Theo tính toán với
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 29 độ giãn lò xo này thì bộ điều tốc tác động ở 2000 vòng/phút động cơ hybrid biogas diesel chỉ cần một lượng phun diesel (Bảng 1). Tuy nhiên kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều tối thiểu khoảng 10% lượng phun định mức để đánh lửa tốc tác động ở tốc độ 2100 vòng/phút, lớn hơn giá trị lý cũng có thể đảm bảo được đường đặc tính ngoài của động thuyết 100 vòng/phút. Mức độ dao động tốc độ động cơ khi cơ hybrid cao hơn đường đặc tính ngoài của động cơ diesel. bộ điều tốc làm việc khoảng 5%. - Khi chạy bằng biogas nghèo có hàm lượng CH4 nhỏ Pe (HP) hơn 70%, để đảm bảo công suất định mức, lượng phun 30 diesel tăng dần theo tỉ lệ nghịch với hàm lượng CH4. Khi hàm lượng CH4 trong biogas là 60% thì lượng phun diesel 25 là 30%. - Tốc độ động cơ hybrid biogas-diesel có thể được giữ 20 ổn định nhờ bộ điều tốc tác động lên van cung cấp biogas. Biên độ dao động của tốc độ động cơ khi bộ điều tốc làm 15 việc khoảng 5%. - Động cơ hybrid biogas-diesel có thể đảm bảo công 10 suất định mức của động cơ diesel trước khi cải tạo khi làm việc với biogas có thành phần CH4 thay đổi trong phạm vi 5 rộng, phù hợp với điều kiện sử dụng ở nông thôn. - Nguyên lý của động cơ hybrid biogas-diesel trình bày 0 trong công trình này có thể áp dụng trên hầu hết các loại 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 động cơ diesel khi chuyển sang chạy bằng biogas. n (vòng/phút) Hình 7. Đường đặc tính ngoài và đường đặc tính điều tốc TÀI LIỆU THAM KHẢO ở tốc độ 2100 vòng/phút [1] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan, Utilization Các kết quả thực nghiệm trên cho thấy sai lệch giữa tính of biogas engines in rural area: A contribution to climate change toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm về tốc độ tác động mitigation, Colloque International RUNSUD 2010, pp. 19-31, Universite Nice-Sophia Antipolis, France, 23-25 Mars 2010. của bộ điều tốc dao động từ 50 vòng/phút đến 100 [2] David House, Biogas Handbook, Peace Press Inc., 1981. vòng/phút, tức sai lệch khoảng 5%. Mức độ dao động tốc [3] http://www.alibaba.com/showroom/biogas-engine-generator.html độ khi bộ điều tốc làm việc khoảng 5%. Biên độ dao động [4] Klaus von Mitzlaff, Engines for Biogas, Deutsche Gesellschaft für của tốc độ này nằm trong giới hạn cho phép của các máy Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH, 1988. công tác tĩnh tại. [5] Bùi Văn Ga: Bằng độc quyền sáng chế số 11868 “Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu 5. Kết luận biogas-diesel”, Cục Sở hữu Trí tuệ, 07-10-2013. Từ những kết quả nghiên cứu trên đây chúng ta có thể [6] http://dongcobiogas.udn.vn/vi/ung-dung.html rút ra những kết luận sau: [7] Lê Minh Tiến, Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel trên cơ sở động cơ diesel 1 xi lanh tĩnh tại, Luận - Khi chạy bằng biogas có hàm lượng CH4 trên 70%, án Tiến sĩ Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng, 2014. (BBT nhận bài: 13/03/2015, phản bện xong 2/03/2015)