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

Việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sạch cho động cơ đốt trong là cần thiết phù hợp với xu thế chung hiện nay Do vậy nghiên cứu một cách cơ bản thiết kế chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng biogas – hydrogen để thay thế phần lớn nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu biogas sẽ góp phần giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiêm môi trường Đề tài này tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biogas hydrogen Bộ điều tốc này tích hợp bên trong cơ cấu truyền động của động cơ Khi chạy bằng biogas lò xo điều tốc diesel thả lỏng ở chế độ không tải 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 Với bộ điều tốc này thiết kế này động cơ dual fuel biogas diesel có mức độ dao động tốc độ khoảng 100 vòng phút tức khoảng 5 so với tốc độ trung bình

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



LÊ HỮU TUYÊN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng – 2020

DUT.LRCC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



LÊ HỮU TUYÊN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN

Chuyên Ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số : 85.20.11.6

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Người hướng dẫn khoa học: TS PHAN MINH ĐỨC

Đà Nẵng – 2020

DUT.LRCC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả được tôi trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

LÊ HỮU TUYÊN

DUT.LRCC

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN

Học viên: Lê Hữu Tuyên Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ nhiệt

Mã số: 85.20.11.6 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt- Việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sạch cho động cơ đốt trong là cần thiết, phù

hợp với xu thế chung hiện nay Do vậy, nghiên cứu một cách cơ bản, thiết kế chuyển đổi động

cơ diesel sang sử dụng biogas – hydrogen để thay thế phần lớn nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu biogas sẽ góp phần giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiêm môi trường Đề tài này tập trung nghiên cứu, thiết kế bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen Bộ điều tốc này tích hợp bên trong cơ cấu truyền động của động cơ Khi chạy bằng biogas, lò xo điều tốc diesel thả lỏng ở chế độ không tải 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.Với bộ điều tốc này thiết kế này, động cơ dual fuel biogas-diesel có mức độ dao động tốc độ khoảng 100 vòng/phút, tức khoảng 5% so với tốc độ trung bình

Từ khóa – Nhiên liệu tái tạo; Biogas; động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/diesel; Động cơ

biogas, bộ điều tốc động cơ

DESIGN CREATION THE SPEED GOVERNOR FOR DIESELEN

GINE USING BIOGAS-HYDROGEN FUEL Abstract – Research and application of clean fuels for internal combustion engines is

needed, consistent with the current general trend Therefore, basic research, designing a conversion of diesel engine using biogas - hydrogen to replace most of diesel fuel with biogas will contribute to reducing dependence on fossil fuels and reducing Environmental pollution The thesis focus on the study, design of the diesel speed governor using biogas-hydrogen fuel This governor is integated into the engine mechanism When running on the biogas fuel, the spring of diesel governor is zero at idle regime The speed engine is kept constand by the biogas governor This governor uses the speed sensor of the original diesel engine With the governor’s study, The dualfuel biogas-diesel engine has speed fluctuation of about 100 rpm, or about 5%

of the average speed

Key words - Renewable fuels; Biogas; dualfuel biogas/diesel engine; Biogas engines, governor engine

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 2

5.1 Ý nghĩa khoa học 2

5.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 2

Chương 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG 3

1.1.1 Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay 3

1.1.2 Hiểm họa đã và đang xảy ra tại Việt Nam 4

1.1.3 Vấn đề ô nhiễm môi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra 4

1.2 SỰ CẦN THIẾT PHẢI CÓ NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ 5

1.3 ƯU THẾ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS 6

1.4 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HYDROGEN 7

1.4.1 Đặc điểm khí Methane 7

1.4.2 Đặc điểm khí Sunfua hydro 8

1.4.3 Đặc điểm khí Cacbon dioxyt 9

1.4.4 Đặc điểm khí hydrogen 10

1.4.5 Yêu cầu của biogas khi sử dụng trong động cơ đốt trong 11

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 12

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho động cơ đốt trong trên thế giới 12

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho động cơ đốt trong ở Việt Nam 15

DUT.LRCC

1.6 KẾT LUẬN 18

Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỘ ĐIỀU TỐC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL 20

2.1 TỔNG QUAN ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ 20

2.1.1 Tính ổn định của động cơ 20

2.1.2 Những điều kiện làm việc của động cơ cần lắp điều tốc 21

2.1.3 Giới thiệu về các loại điều tốc phổ biến 24

2.1.4 Bộ điều tốc trực tiếp nhiều chế độ 25

2.1.5 Các bộ điều tốc gián tiếp 27

2.2 TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP 30

2.3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ NHIÊN LIỆU KÉP 31

2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 32

2.4.1 Cơ sở lý thuyết 32

2.4.2 Phương pháp tính toán 36

2.5 KẾT LUẬN 37

Chương 3- THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG BIOGAS-HYDROGEN 38

3.1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 38

3.2 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ô NHIỄM ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-HYDROGEN 38

3.2.1 Thiết lập mô hình tính toán 38

3.2.2 Kết quả mô phỏng 40

3.3 KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ EV2600NB 44

3.3.1 Công dụng và phân loại bộ điều tốc 44

3.3.2 Phân loại[10] 44

3.3.3 Cấu tạo bộ điều tốc của động cơ EV2600 44

3.3.4 Nguyên lý làm việc 45

3.4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ EV2600-NB DUAL FUEL DIESEL-BIOGAS 45

3.4.1 Nguyên lý điều khiển động cơ dual fuel biogas-diesel 45

3.4.2 Phương án chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ dualfuel biogas-diesel 46

3.5 TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS 50

3.5.1 Sơ đồ tính toán và các thông số chọn 50

3.5.2 Các bước tính 52

3.6 KẾT LUẬN 54

DUT.LRCC

Chương 4- THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG

CƠ VỚI BỘ ĐIỀU TỐC MỚI 55

4.1 MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU 55

4.1.1 Mục đích 55

4.1.2 Yêu cầu 55

4.2 HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 55

4.2.1 Bố trí hệ thống thí nghiệm 55

4.2.2 Các thiết bị phục vụ thí nghiệm 56

4.2.3 Qui trình thực nghiệm 56

4.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 57

4.4 KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất 3

Hình 1 2 Nguồn: Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ 5

Hình 1 3 Công thức phân tử của methane 7

Hình 1 4 Công thức phân tử của H2S 8

Hình 1 5 Công thức phân tử của CO2 10

Hình 2 1 Tính ổn định của động cơ 21

Hình 2 2 Chế độ không tải của động cơ Diesel(a) và động cơ Xăng(b) 22

Hình 2 3 Động cơ quay chân vịt tàu thủy 23

Hình 2 4 Sơ đồ bộ điều tốc cơ khí trực tiếp một chế độ (a), và các chế độ làm việc của động cơ (b) 24

Hình 2 5 Sơ đồ bộ điều tốc giới hạn (a) và chế độ àm việc của động cơ 25

Hình 2 6 Sơ đồ các bộ điều tốc nhiều chế độ và Đặc tính động cơ Diesel lắp bộ điều tốc nhiều chế độ 26

Hình 2 7 Sơ đồ bộ điều tốc chân không nhiều chế độ 27

Hình 2 8 Sơ đồ bộ điều tốc tác dụng gián tiếp không có liên hệ ngược(a); có liên hệ ngược nối cứng (b) và liên hệ ngược nối mềm(c) 29

Hình 2 9 Chế độ làm việc của động cơ gắn điều tốc 31

Hình 2 10 Nguyên lý cấp biogas tự động bằng điều tốc ly tâm 32

Hình 2 11 Phần tử cảm biến cơ khí 33

Hình 2 12 Xác định nhân tố ổn định của phần tử cảm biến cơ khí 34

Hình 2 13 Độ không nhạy của bộ điều tốc cơ khí 35

Hình 3 1 Mô hình tính toán mô phỏng 39

Hình 3 2 Diễn biến đồng mức nồng độ nhiên liệu HC, diesel, nhiệt độ T, CO, NOx, nồng độ thể tích bồ hóng fv và trường tốc độ dòng khí trong buồng cháy động cơ dualful biogas-hydrogen/diesel 41

Hình 3 3 Diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ theo gọc quay trục khuỷu tại tốc độ 2400 vòng/phút; M7C3; 20% Hydrogen; fi77-86 trong đó fi=0,77 trước khi phun mồi diesel và fi=0,86 sau khi phun mồi diesel 41

Hình 3 4 Ảnh hưởng hệ số tương đương đến nồng độ NOx khi động cơ hoạt động tốc độ 2400 vòng/phút; M7C3; 20% Hydrogen 42

Hình 3 5 Ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên nồng độ CO theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3 pha 20% hydrogen; n=2400 vong/phút) 43

DUT.LRCC

Hình 3 6 ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ HC theo góc quay trục khuỷa.

43

Hình 3 7 Kết cấu của bộ điều tốc 44

Hình 3 8 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ dual fuel biogas-diesel 46

Hình 3 9 Cắt bớt đầu trục cân bằng động 47

Hình 3 10 Gia công lại bánh răng số 4 48

Hình 3 11 Vị trí lắp bộ điều tốc biogas 48

Hình 3 12 Vị trí lắp trục cần điều khiển 50

Hình 3 13 Hệ thống càng điều khiển 50

Hình 3 14 Sơ đồ tính toán điều tốc điều chỉnh van tiết lưu biogas dạng cánh bướm 51

Hình 3 15 Quan hệ giữa tốc độ động cơ và độ giãn dài của lò xo 54

Hình 4 1 Bố trí lắp đặt thử nghiệm 55

Hình 4 2 Thiết bị gây tải 56

Hình 4 3 Đường đặc tính tải tại tốc độ 3000 v/p ứng với 60%Biogas 58

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Một số tính chất của CH4 [10], [11], [15] 8

Bảng 1 2 tính chất quan trọng của H2S 9

Bảng 1 3 Một số tính chất của SO2 [10], [11], [15] 10

Bảng 1 4 Tính chất vật lý của Hydro 11

Bảng 3 1 Thông số động cơ Vikyno EV2600-NB 38

Bảng 3 2 Quan hệ giữa độ giãn lò xo bộ điều tốc biogas và tốc độ động cơ 45

Bảng 3 3 Các thông số đo được của bộ điều tốc biogas 51

Bảng 3.4: Tốc độ làm việc của động cơ và độ giãn dài của lò xo điều tốc khi chạy biogas có 60% CH4 53

Bảng 4 1 Công suất động cơ kéo máy phát điện 57

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH

 an Hệ số dao động của dòng chảy

 Lb [mm] Chiều dài buồng hỗn hợp

 i Số xi lanh

 Wi [J] Công chỉ thị

 ffuel Thành phần nhiên liệu trong hỗn hợp

 fsec Thành phần nhiên liệu thứ cấp trong hỗn hợp

 fox Thành phần chất oxy hóa trong hỗn hợp

 psec Giá trị tương đối của thành phần hỗn hợp thứ cấp

 Sm Đại lượng nguồn chỉ do truyền chất từ các hạt

nhiên liệu lỏng hay các hạt phản ứng vào pha khí

 A/F Viết tắt chữ Air/Fuel (Tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu)

 ASME American Society of Mechanical Engineer (Hội kĩ sư cơ khí Hoa Kỳ)

DUT.LRCC

 ANG Adsorbed Natural Gas (Khí thiên nhiên hấp thụ)

 CNG Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén)

 LPG Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng)

 LNG Liquid Natural Gas (Khí thiên nhiên hoá lỏng)

 QHV Nhiệt trị thể tích của nhiên liệu

 MtoE Triệu tấn dầu quy đổi

 MON Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ)

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hiện nay, trên thế giới nhiên liệu hóa thạch đang được khai thác một cách quá mức do nhu cầu năng lượng tiêu thụ ngày càng tăng Sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch là thủ phạm chính gây ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng Ngoài các thành phần ô nhiễm như CO, HC, NOx và các phát thải hạt gây ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người, CO2 sinh ra từ quá trình cháy là tác nhân chính làm gia tăng nhiệt độ trái đất, dẫn đến tình trạng biến đổi khí hậu và nước biển dâng, đe dọa cuộc sống của nhân loại

Khí sinh học (biogas) được sản xuất bởi quá trình lên men yếm khí của vật liệu sinh khối, là nhiên liệu khí đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam Biogas đóng vai trò là nhiên liệu thay thế cho cả xăng và diesel truyền thống Chu trình cacbon trong quá trình sản xuất biogas từ nguyên liệu sinh khối và phát thải cacbon từ hoạt động đốt cháy biogas là khép kín với năng lượng sử dụng được mặt trời cung cấp Do đó sử dụng biogas với vai trò là nhiên liệu không làm tăng khí nhà kính cho bầu khí quyển

Biogas được sản xuất từ quá trình phân hủy yếm khí nên không thể không chứa những tạp chất không mong muốn CH4 là thành phần cơ bản nhưng CO2 có thể chiếm đến 40-50% thể tích trong biogas CO2 làm giảm nhiệt trị nhiên liệu và giảm tốc độ lan tràn màng lửa nên ảnh hưởng đến tính ổn định và khả năng tăng tốc của động cơ

Nếu biogas được làm giàu bằng hydrogen thì nhiệt trị của nhiên liệu và tốc độ cháy của hòa khí sẽ được cải thiện rõ rệt Trong điều kiện khí quyển, tốc độ lan tràn màng lửa của hydrogen (230 cm/s) cao lớn gấp 6 lần tốc độ lan tràn màng lửa của methan (42 cm/s) Do đó khi làm giàu biogas bằng hydrogen thì thời kỳ cháy trễ, thời gian cháy của hỗn hợp sẽ được rút ngắn, áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt tăng

Do vậy việc nghiên cứu một cách cơ bản, thiết kế chuyển đổi động cơ diesel sang

sử dụng biogas – hydrogen để thay thế phần lớn nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu biogas

sẽ góp phần giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiêm môi trường

Vì vậy đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen” mang nhiều ý nghĩa khoa học lẫn thực tiễn

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu chung của đề tài là góp phần giải quyết an ninh nhiên liệu; giảm ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ đốt trong gây ra; ngăn ngừa gây hiệu ứng nhà kính Mục tiêu cụ thể của đề tài là giải quyết việc điều khiển cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen cho động cơ diesel kéo máy phát điện cỡ nhỏ

DUT.LRCC

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel cỡ nhỏ 1 xylanh kéo máy phát điện, có công suất trong phạm vi 5-15kW

- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biogas-hidrogen

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực hiện kết hợp lý thuyết và thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết quá trình cung cấp, định lượng nhiên liệu, điều tốc của động cơ diesel kéo máy phát điện; tính toán thiết kế bộ điều tốc Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá khả năng làm việc và hiệu chỉnh thiết kế bộ điều tốc

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

5.1 Ý nghĩa khoa học

Luận án đã góp phần nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu về động cơ Dual Fuel (Biogas-Diesel) tại Việt Nam

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài đã góp phần tạo ra một sản phẩm thiết thực, đáp ứng kịp thời nhu cầu của

đời sống kinh tế xã hội

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được chia làm 4 chương trình bày các nội dung chính như sau:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về tình hình sử dụng nhiên liệu khoáng và động cơ diesel chuyển đổi dùng nhiên liệu khí biogas; các giải pháp cải thiện chất lượng làm việc của động cơ diesel dùng nhiên liệu biogas;

Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết điều khiển cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel, động cơ diesel kéo máy phát điện;

Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp bộ điều tốc cho động cơ diesel dùng nhiên liệu biogas – hydrogen; Thiết kế và chế tạo bộ điều tốc cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biogas được làm giàu bằng hydrogen

Chương 4: Thử nghiệm và hiệu chỉnh thiết kế bộ điều tốc, Xây dựng qui trình công nghệ chế tạo và lắp đặt bộ điều tốc

Kết luận và hướng phát triển đề tài

DUT.LRCC

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG

1.1.1 Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay

Trong hàng thập kỷ qua, nhân loại đã và đang trải qua các biến động khôn lường của khí hậu toàn cầu Bề mặt Trái đất, khí quyển và thủy quyển không ngừng nóng lên làm xáo trộn môi trường sinh thái, đã và đang gây ra nhiều hệ lụy đến đời sống loài người Các công trình nghiên cứu quy mô toàn cầu về hiện tượng này đã được các nhà khoa học ở những trung tâm nổi tiếng trên thế giới tiến hành từ đầu thập kỷ 90 thế kỷ

XX Hội nghị quốc tế do Liên hiệp quốc triệu tập tại Rio de Janeiro năm 1992 đã thông qua Hiệp định khung và Chương trình hành động quốc tế nhằm cứu vãn tình trạng “xấu đi” nhanh chóng của bầu khí quyển Trái đất, vốn được coi là nguyên nhân chủ yếu của

sự gia tăng hiểm họa Tổ chức nghiên cứu liên chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên hiệp quốc (IPCC) đã được thành lập, thu hút sự tham gia của hàng ngàn nhà khoa học quốc tế Tại Hội nghị Kyoto năm 1997, Nghị định thư Kyoto đã được thông qua và đầu tháng 2/2005 đã được nguyên thủ 165 quốc gia phê chuẩn Nghị định thư này bắt đầu

có hiệu lực từ 10/2/2005 Việt Nam đã phê chuẩn Nghị định thư Kyoto ngày 25/9/2005 Gần đây nhất, hội nghị lần thứ 21 Công ước Khung LHQ về biến đổi khí hậu (COP-21) tổ chức tại thủ đô Paris của Pháp cam kết giảm lượng khí thải nhằm hạn chế tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu ở mức 20C vào cuối thế kỷ XXI so với thời kỳ tiền công nghiệp

Nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ trái đất:

Hình 1 1 Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất Các báo cáo của IPCC và nhiều trung tâm nghiên cứu có uy tín hàng đầu trên thế giới công bố trong thời gian gần đây cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin và dự báo quan trọng Theo đó, nhiệt độ trung bình trên bề mặt địa cầu ấm lên gần 1°C trong vòng 80 năm (từ 1920 đến 2005) và tăng rất nhanh trong khoảng 25 năm nay (từ 1980 đến 2005) Báo cáo cho rằng nếu không thực hiện được chương trình hành động giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính theo Nghị định thư Kyoto, đến năm 2035 nhiệt độ bề

DUT.LRCC

mặt địa cầu sẽ tăng thêm 2°C Về dài hạn, có hơn 50% khả năng nhiệt độ tăng thêm 5°C

Hiện tại, Trái đất đang từng ngày từng giờ nóng lên, với tốc độ như vậy thì chiều hướng có thể còn nhanh hơn nữa trong tương lai, [12]

1.1.2 Hiểm họa đã và đang xảy ra tại Việt Nam

Như chúng ta đã biết một trong những tác hại của biến đổi khí hậu đó là sự gia tăng của mực nước biển, khiến cho nhiều vùng đất sẽ bị ngập sâu trong nước Việt Nam là một nước có bờ biển dài, nằm ngay sát biển Đông một trong những biển lớn của thế giới, vì vậy, Việt Nam được xếp vào một trong những nước có nguy cơ chịu tác động rất nhiều của việc biến đổi khí hậu, cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển

Theo dự báo của Tổ chức Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu IPCC thì khu vực Đông Dương nhiệt độ sẽ gia tăng +1°C vào giai đoạn 2010-2039, và +3° đến +4°C vào 2070-2099; lượng mưa sẽ giảm 20 mm vào 2010-2039, rồi sau đó tăng +60 mm vào 2070-2099; mực nước biển dâng cao 6 cm/năm, đạt mức 20 cm vào 2030, và 88 cm vào 2100 Tại Việt Nam, nhiệt độ sẽ tăng từ 0,3 - 0,5 độ C năm 2010, từ 1- 2 độ C vào năm 2020, từ 1,5 - 2 độ C vào năm 2070 Những khu vực có nhiệt độ tăng cao nhất là Tây Bắc và Việt Bắc

Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ thì trong những năm gần đây hiện tượng bão

lũ cũng xảy ra với tần suất và cường độ mạnh hơn ở Việt Nam Hiện tượng bão lũ này xảy ra đặc biệt nghiêm trọng ở hai vùng miền là miền Trung và đồng bằng sông Cửu Long Sự tác động của biến đổi khí hậu mà cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển đang có xu hướng làm thu hẹp dần diện tích đất nông nghiệp của nước ta, đặc biệt là các vùng đất ven biển Với trên 3.000km bờ biển, Việt Nam được coi là quốc gia có mức độ dễ bị tổn thương cao hơn trước sự biến đổi khí hậu[12]

1.1.3 Vấn đề ô nhiễm môi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra

Hiện nay, ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không của một quốc gia nào Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và

có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật Việc khai thác và sử dụng hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như: rác thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng Nó còn tạo ra các cơn mưa axít làm huỷ diệt các khu rừng và các cánh đồng Điều đáng lo ngại nhất là con người thải vào không khí các loại khí độc như: CO2 đã gây hiệu ứng nhà kính Theo nghiên cứu thì chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2 nó đóng góp 50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, Nitơ 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu

là 3% Có nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau Điều này

sẽ thúc đẩy quá trình nóng lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng

DUT.LRCC

Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ Trái đất tăng 0.4 °C Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái đất sẽ tăng thêm 1.5°C- 4.5 °C nếu như con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện tượng hiệu ứng nhà kính

Hình 1 2 Nguồn: Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ

Hình 1.2 Ô nhiễm do khí thải từ các loại phương tiện giao thông đến môi trường

và sức khỏe con người Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng lỗ thủng tầng ôzôn Khí CFC là "kẻ phá hoại" chính của tầng ôzôn Sau khi chịu tác động của khí CFC và một số loại chất độc hại khác thì tầng ôzôn sẽ bị mỏng dần rồi thủng, [2]

1.2 SỰ CẦN THIẾT PHẢI CÓ NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ

Từ những năm 1849 - 1850, con người đã biết chưng cất dầu mỏ để lấy ra dầu hỏa, còn xăng là thành phần chưng cất nhẹ hơn dầu hỏa thì chưa hề được sử dụng đến

và phải đem đổ đi một nơi thật xa Lúc đó con người tạo ra dầu hỏa với mục đích thắp sáng hoặc đun nấu đơn thuần Nhưng với sự tiến hóa của khoa học và kỹ thuật, từ việc

sử dụng những động cơ hơi nước cồng kềnh và hiệu quả thấp, con người đã tìm cách để

sử dụng xăng và dầu diesel cho động cơ đốt trong, loại động cơ nhỏ gọn hơn nhưng có hiệu quả cao hơn hẳn Cùng với những khám phá khoa học vĩ đại khác, sự phát minh ra

DUT.LRCC

động cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu diesel đã thúc đẩy xã hội loài người đạt những bước phát triển vượt bật, đem đến cuộc sống ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng

tỷ người trên thế giới

Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự không

ai có thể phủ nhận được Nguồn năng lượng chúng mang lại hầu như là chiếm ưu thế hoàn toàn Do vậy, mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn chiếm ưu thế và chủ động về nguồn dầu mỏ Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã một lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và cho toàn thế giới Nhưng theo dự đoán của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại của trái đất cũng chỉ đủ cho con người khai thác trong vòng không quá 40 năm nữa

Bên cạnh đó những hậu quả mà khi chúng ta sử dụng dầu mỏ và động cơ đốt trong đem lại từ các chất thải khí làm ô nhiễm không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây hiệu ứng nhà kính.Trong các chất độc hại thì CO, NOx, HC do các loại động cơ thải ra là nguyên nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người Do

đó, con người phải đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế

Một xu hướng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền thống: Xăng, dầu Diesel, bằng các loại nhiên liệu mới “sạch”, nhiên liệu tái sinh cho các loại động cơ như năng lượng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng, năng lượng điện, khí sinh vật Biogas, năng lượng thủy điện.Việc chuyển dần sang sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng lượng của nhiều quốc gia phát triển

1.3 ƯU THẾ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS

Ngoại trừ năng lượng thuỷ điện và năng lượng hạt nhân, phần lớn năng lượng trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên Tất cả các nguồn này đều có hạn và với tốc độ sử dụng chúng như hiện nay thì sẽ bị cạn kiệt Hoàn toàn vào cuối thế kỷ 21 Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trường ngày càng tăng đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng có nguồn gốc dầu mỏ Biogas là một sự thay thế đầy tiềm năng cho nhiên liệu chính là dầu mỏ, đang sắp cạn kiệt trong vòng khoảng 30-40 năm nữa Dựa vào những tính chất tương tự và những ưu điểm vượt trội của nó

Một số ưu điểm của nhiên liệu Biogas

- Đối với môi trường

+ Giảm lượng khí phát thải CO2, do đó giảm được lượng khí thải là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh được các thảm họa về môi trường

DUT.LRCC

+ Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến 0,2% trong dầu Diesel)

+ Không chứa HC thơm nên không gây ung thư

+ Khí thiên nhiên Biogas không chữa chì gây tác hại đến sức khỏe con người, gây ô nhiễm môi trường không khí

+ Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân huỷ từ 85 - 88% trong nước sau 28 ngày)

+ Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất

- Đối với kinh tế

+ Sử dụng nhiên liệu Biogas ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường nó còn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông nghiệp như thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dụng các nguồn rác thải sẵn có

+ Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp va tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn

1.4 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HYDROGEN

Khi đốt cháy methane có ngọn lửa màu lơ nhạt và toả nhiệt theo phương trình:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 882 [kJ] (1.2) Nhiệt trị của methane là 35906 [kJ/Nm3] = 8576 [kcal/Nm3]

Methane là cấu tử cung cấp nhiệt lượng chủ yếu của biogas, do đó nhiệt trị của biogas phụ thuộc vào hàm lượng của methane và được tính theo công thức kinh nghiệm sau đây [10], [14], [15]:

DUT.LRCC

Q = 8576x%VCH4 /100 [kcal/m3] (1.2) Trong đó: %VCH4 là hàm lượng khí methane tính theo phần trăm thể tích Một số tính chất quan trọng của methane được trình bày trong bảng 1.2

Bảng 1 1 Một số tính chất của CH4 [10], [11], [15]

1.4.2 Đặc điểm khí Sunfua hydro

Hình 1 4 Công thức phân tử của H2S

Hydro sunfua (H2S) là một loại khí thường xuyên có mặt trong thành phần của biogas, với nồng độ của chúng khá nhỏ (0 – 0,5% theo thể tích) Tuy nhiên, loại

khí này lại có ảnh hưởng lớn đến quá trình sử dụng biogas làm nhiên liệu, đặc biệt là trong động cơ, do đó nó lại quyết định công nghệ xử lý và làm sạch biogas trước khi

sử dụng Hydro sunfua (H2S) có cấu tạo phân tử được mô phỏng trên hình 1.4

Hydro sunfua là chất khí không màu, rất độc, dễ cháy, có mùi trứng thối khiến cho khí sinh học cũng có mùi khó chịu [10], [11], [15] H2S có tính độc cao, có thể gây tổn thương mắt ở nồng độ (50 - 100) ppm, gây kích thích mạnh hệ thần kinh trung ương, gây ngạt thở và chết ở nồng độ (530 - 1000) ppm

Khi H2S cháy với tỉ lệ không khí/biogas đúng, chúng biến thành lưu huỳnh:

2H2S+O2 = 2H2O+2S (1.3)

DUT.LRCC

Khi oxy trong hỗn hợp thừa, một phần hay toàn bộ H2S biến thành SO2 Ngay cả khi thành phần không khí/biogas đúng hoàn toàn, một bộ phận H2S cũng biến thành SO2:

2H2S+3O2 = 2H2O+2SO2 (1.4)

Do vậy có thể nói H2S góp phần làm tăng nhiệt trị của biogas Vấn đề là khi SO2 gặp nước nó sinh ra axit:

SO2+H2O H2SO3 (1.5) H2SO3 là chất gây hại, nhưng nguy hại hơn khi oxy tham gia vào phản ứng

1.4.3 Đặc điểm khí Cacbon dioxyt

Cacbon dioxyt (CO2) là một loại khí có thành phần lớn thứ hai trong biogas, có

cấu tạo phân tử được mô phỏng trên hình 1.5

DUT.LRCC

Hình 1 5 Công thức phân tử của CO2 Cacbon dioxyt là chất khí không màu, không mùi, không cháy, nặng gấp 1,5 lần không khí Nó là chất không độc nhưng làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu Để tăng giá trị năng lượng của biogas trên một đơn vị thể tích lưu trữ, đặc biệt là khi nén biogas để làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông cơ giới, người ta phải lọc bỏ cacbon dioxyt Một số tính chất quan trọng của cacbon dioxyt được trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1 3 Một số tính chất của SO2 [10], [11], [15]

1.4.4 Đặc điểm khí hydrogen

Hydrogen là nguyên tố hóa học nhẹ nhất với đồng vị phổ biến nhất chứa một prôton và một điện tử Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn nó là dạng khí không màu, không mùi, nhị nguyên tử (phân tử), H2 dễ bắt cháy, có hóa trị 1, có nhiệt độ sôi 20,27 K(-252,87°C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14°C), tỉ trọng bằng 1/14 tỉ trọng của không khí Hydrogen khi cháy trong không khí giới hạn từ 4 - 75% thể tích Nhiệt

độ cháy của hydrogen cao nhất đạt được 2318°C ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong oxy nhiệt độ có thể lên đến 3000°C, cao nhất so với tất cả các loại khí khác như khí methane (CH4) đạt 2148°C, propane (C3H8) đạt 2385°C

Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử Nguyên tố này được tìm thấy với một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng lồ Tuy vậy, trên Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích) Nguồn chủ yếu của nó là nước, bao gồm hai phần hydro và một phần oxy Các nguồn khác bao gồm phần lớn các chất hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên Methane (CH4) là một nguồn quan trọng của hydro

DUT.LRCC

Nhiệt dung riêng 14.304 J/(kg·K)

Năng lượng ion hóa 1.312,0 kJ/mol Khối lượng riêng 0,0898 kg/m³, 20oC Nhiệt trị thấp 120267.3 kJ/kg

Là một chất nhẹ nhất trong mọi chất, hydro liên kết với phần lớn các nguyên tố khác để tạo ra hợp chất Nó có độ điện âm 2,2 vì thế nó tạo ra hợp chất ở những chỗ

mà nó là nguyên tố mang tính phi kim loại nhiều hơn cũng như khi nó là nguyên tố mang tính kim loại nhiều hơn Các chất loại đầu tiên gọi là hydrua, trong đó hydro hoặc là tồn tại dưới dạng ion H- hay chỉ là hòa tan trong các nguyên tố khác (chẳng hạn như hydrua palađi) Các chất loại thứ hai có xu hướng cộng hóa trị, khi đó ion H+

là một hạt nhân trần và có xu hướng rất mạnh để hút các điện tử vào nó Các dạng này

là các a xít Vì thế thậm chí trong các dung dịch a xít người ta có thể tìm thấy các ion như hiđrôni (H3O+) cũng như prôton

Hydro kết hợp với oxy tạo ra nước (H2O) và giải phóng ra năng lượng, nó có thể

nổ khi cháy trong không khí Ôxít đơteri, hay D2O, thông thường được nói đến như nước nặng Hydro cũng tạo ra phần lớn các hợp chất với cacbon Vì sự liên quan của các chất này với các loại hình sự sống nên người ta gọi các hợp chất này là các chất hữu cơ, việc nghiên cứu các thuộc tính của các chất này thuộc về hóa hữu cơ

1.4.5 Yêu cầu của biogas khi sử dụng trong động cơ đốt trong

Vấn đề đáng quan tâm và cần được nghiên cứu tiếp là làm sao có thể nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ gây ra Trong

DUT.LRCC

Biogas có một lượng đáng kể Hydrogen sulfide H2S (khoảng 10.000ppm thậm chí sau khi qua các thiết bị xử lý vẫn còn khoảng 200-400ppm H2S) là một khí rất độc tạo nên hổn hợp nổ với không khí Khi Biogas được sử dụng làm nhiên liệu, khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết của động cơ, sản phẩm của nó là SOx là một khí rất độc cho con người (TCVN cho phép là 0,3mg/m3).Vì thế, hoàn thiện quá trình cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas là vấn đề đặt ra để có thể vừa kéo dài tuổi thọ động cơ vừa giảm thiểu ô nhiễm trong khí thải động cơ Hàm lượng của các chất này không được vượt quá mức cho phép Mặc dù không phải là chất chiếm nhiều trong Biogas như Carbon dioxide, nhưng hơi nước có thể có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc trưng của quá trình cháy Biogas Dù hàm lượng nhỏ nhưng hơi nước đã ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy và nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas Ngoài ra nó làm tăng nguy cơ ăn mòn thiết bị, do đó cần thiết phải giảm lượng hơi nước có trong khí Biogas[3] Phụ thuộc vào nhiệt độ Biogas từ hầm phân huỷ có hàm lượng ẩm khoảng 50mg/l, gần với nồng độ bảo hoà

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ

HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho động cơ đốt

trong trên thế giới

Biogas đã và đang được ứng dụng mạnh từ các nước đang phát triển đến các nước phát triển Ở châu Âu, có hàng ngàn các điểm lắp đặt hệ thống xử lý chất hữu cơ thành biogas và các quốc gia đi đầu như Đức, Áo, Đan Mạch và Thụy Điển có số lượng lớn các hệ thống biogas hiện đại Trong năm 2008, việc sản xuất biogas ở châu Âu đã vượt 7,5 triệu tấn dầu qui đổi Đức là nước dẫn đầu ở châu Âu với 4.500 nhà máy biogas và 1.650MW trạm phát điện trong năm 2009 và vẫn đang tiếp tục mở rộng quy

mô [19], [22]

Hầu hết các hệ thống biogas ở châu Á đều sử dụng công nghệ đơn giản Tại Trung Quốc, có khoảng 18 triệu hầm biogas quy mô hộ gia đình ở khu vực nông thôn đang vận hành vào năm 2006, tiềm năng biogas toàn bộ Trung Quốc dự đoán là 145 tỷ m3 trong khi ở Ấn Độ chỉ xấp xỉ 5 triệu hầm biogas quy mô hộ gia đình đang được vận hành

Tại Ấn Độ, chương trình năng lượng nông thôn được triển khai từ những năm

90 của thế kỷ XX, hàng triệu bể khí mêtan cung cấp nhiên liệu thắp sáng, nấu bếp và chạy máy phát điện Ở các nước khác như Nepal và cũng có số lượng đáng kể hầm biogas quy mô gia đình Chính phủ Thái Lan đặt mục tiêu đến năm 2022, năng lượng tái tạo chiếm khoảng 14% trong tổng lượng năng lượng tiêu thụ Thái Lan có khả năng sản xuất trên 1 tỷ m3 biogas mỗi năm từ nông nghiệp, tuy nhiên năng lực sản xuất hiện tại mới đạt 36% khả năng này [23], [25], [31]

DUT.LRCC

Năm 1981, một nỗ lực đã được thực hiện để sử dụng biogas cho động cơ diesel chuyển sang đánh lửa cưỡng bức bởi D J Hickson [21] Ông ta cho rằng công suất động cơ biogas giảm 35% khi so sánh với diesel và 40% so sánh với nhiên liệu xăng Cũng trong năm đó, các nghiên cứu khác cũng được thực hiện bởi S Neyeloff và W

W Cunkel Họ đã sử dụng động cơ CFR và đã chạy nó với biogas với các tỉ số nén khác nhau Họ đã đạt tới tỉ số nén 15:1 cho giải pháp tối ưu Nhiệt trị thấp, thành phần

ăn mòn hóa học và khó khăn trong vận chuyển là những thách thức chính của biogas Năm 1983, R.H Thring kết luận rằng biogas chỉ thích hợp cho nơi gần chỗ sản xuất ra

nó và ông ta đề nghị chuyển đổi nhiên liệu khí như biogas hoặc khí thiên nhiên thành nhiên liệu lỏng như cồn hoặc xăng [21]

Năm 1985, Jenbacher Werke AG giới thiệu một nhà máy sản xuất điện sử dụng động cơ đốt cháy khí biogas hỗn hợp nghèo [24] Họ đã có thể điều khiển tỉ lệ không khí nhiên liệu để đưa nhiều nhiên liệu vào xi lanh và phải cải tạo nắp máy để cho van nạp lớn hơn A G Wunsche đã không định lượng thành phần khí nhưng đã thực nghiệm lượng mêtan thấp hơn so với lượng họ đã sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ Sau đó để tránh kích nổ, họ sử dụng cảm biến kích nổ Tuy nhiên, công suất đầu ra thấp vẫn còn là vấn đề chưa giải quyết được Caterpillar nhà sản xuất động cơ khác đã

cố gắng vận hành động cơ đánh lửa cưỡng bức với khí bãi rác năm 1987 Họ đã phát triển động cơ tại trại để giải quyết các vấn đề biogas Sau đó động cơ đã chạy trên một bãi chôn lấp thực sự Báo cáo của N.C Macari cho thấy sự mài mòn quá nhiều sau 400 giờ và như vậy là tuổi thọ của dầu bôi trơn giảm

Một nghiên cứu khác trên các xe hơi của Volkswagen đã được thực hiện ở Brazil

để so sánh hiệu năng của nhiên liệu biogas với cồn cho các xe hơi vào năm 1992 Thời điểm đánh lửa, sự phân phối hỗn hợp và khí thải đã được nghiên cứu và các thông số khác nhau như tốc độ xe tối đa, khả năng tăng tốc và tốc độ động cơ tối đa đều được xét đến [17]

Trong khi việc chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bức sang sử dụng biogas là

dễ dàng hơn thì động cơ dual fuel cho thấy một số ưu điểm Sau thập niên 90, động cơ diesel được chuyển đổi thành động cơ dual fuel biogas-diesel [27], [29] V Deri và G Mancini đã chuyển đổi một động cơ diesel sang dual fuel và đạt được quá trình cháy hỗn hợp nghèo ổn định hơn bởi vì việc sử dụng diesel phun mồi để đánh lửa hỗn hợp Tuy nhiên việc điều khiển độc lập của hỗn hợp không khí-gas và nhiên liệu phun mồi

là rất phức tạp [30]

Sự quan tâm nhiều hơn vào việc sử dụng biogas cho động cơ đốt trong đòi hỏi nghiên cứu chi tiết hơn về quá trình cháy Năm 1992 G A Karim và I Wierzba từ đại học Calgary đã thực hiện một nghiên cứu có giá trị về các đặc tính nhiệt động lực và động lực của quá trình cháy mêtan-không khí có sự hiện diện của CO2 [31] G A Karim tiếp tục xuất bản nhiều bài báo hơn liên quan đến hiện tượng cháy biogas trong

DUT.LRCC

động cơ đốt trong [17], [28] Để nâng cao các giới hạn cháy của biogas như là tốc độ cháy thấp và giới hạn khả năng cháy, K Tanoue và các cộng sự đã nghiên cứu việc thêm hydro vào hỗn hợp mêtan nghèo [24] Ý tưởng của việc thêm hydro vào khí thiên nhiên đã được nghiên cứu trước đó để nâng cao khả năng cháy của khí thiên nhiên trong động cơ đốt trong [18]

Premkartikkumar SR*, Annamalai K, Pradeepkumar A.R, Hiệu quả của việc

oxygen giàu hydrogen - khí HHO được đưa vào trong động cơ diesel DI để đánh giá hiệu suất, khí thải và đặc điểm của quá trình cháy, Department of Automobile

Engineering, MIT Campus, Anna University, Chennai, India [15]

Ngày nay, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc bảo vệ môi trường Các điều tra hiện nay quan tâm đến hiệu quả của oxy giàu khí hydro - HHO đến hiệu suất, quá trình cháy và khí thải của động cơ diesel DI Ở đây oxy giàu khí hydro - HHO được sản xuất bởi tiến trình điện phân nước Khi quá trình chuyển hoá xảy ra trên các điện cực anode

và cathode, nước được tách thành khí hydro - HHO Khí này được đưa vào xi lanh cùng với lưu lượng thể tích ở tốc độ dòng chảy 1 lít/phút và 3,3 lít/phút Kết quả chỉ ra rằng khi oxy giàu hydro - HHO được cung cấp cho động cơ, hiệu suất nhiệt phanh của động

cơ tăng 11,06%, CO giảm 15,38%, HC giảm 18,18%, CO2 giảm 6,06%, tuy nhiên, NOX

tăng 11,19%

R SenthilKumar1, M Loganathana2, E.JamesGunasekaran3, Hiệu suất, đặc điểm

quá trình cháy và khí thải của động cơ CI sử dụng nhiên liệu hydrogen, Department of

Mechanical Engineering, Annamalai University, Annamalai Nagar, Chidambaram, Tamil Nadu, India[16]

Hydro đang được coi là một loại nhiên liệu tiên phong cho ô tô và là một sự thay thế cho nhiên liệu truyền thống Một số tính chất nổi trội như tốc độ cháy cao, nhiệt trị cao thúc đẩy sử dụng nhiên liệu hydro trong một chế độ nhiên liệu kép trong động cơ diesel Trong thực nghiệm này, hydro được cấp vào trên đường ống không khí nạp Các thực nghiệm được tiến hành trên một động cơ 4 kỳ, xi lanh đơn, làm mát bằng nước, phun trực tiếp, động cơ diesel ở tốc độ 1500 rpm Hydro được lưu trữ trong một bình có

áp suất và cung cấp cho đầu vào đa dạng thông qua nước và không khí dựa trên ngọn lửa hãm Van điều áp được sử dụng để làm giảm áp suất bình chứa từ 140 bar đến 2 bar Hydro được cung cấp với lưu lượng thể tích khác nhau cụ thể là 4 lít/phút, 6 lít/phút và

8 lít/phút tương ứng trên đồng hồ đo lưu lượng dòng chảy Các thông số hiệu suất động

cơ, khí thải và quá trình cháy đã được phân tích ở các lưu lượng thể tích khác nhau của hydro và so sánh với hoạt động của nhiên liệu diesel Hiệu suất nhiệt phanh (BTE) tăng

và năng lượng nhiệt phanh (BSFC) làm giảm tốc độ dòng chảy hydro 8 lít/phút khi so sánh với diesel và lưu lượng thấp hơn dòng chảy của hydro HC và CO giảm và NOx

tăng cho lưu lượng dòng chảy hydro cao hơn khi so sánh với diesel và lưu lượng thấp

DUT.LRCC

hơn của hydro Tốc độ thoát nhiệt và áp suất xi lanh tăng khi tốc độ lưu lượng dòng chảy cao hơn so với diesel và tốc độ lưu lượng dòng chảy thấp hơn

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho động cơ đốt trong ở Việt Nam

Với tiềm năng là một nước nhiệt đới và nông nghiệp phát triển, nước ta có nhiều triển vọng để phát triển ngành biogas bền vững Các lợi thế cho việc nghiên cứu phát triển động cơ biogas ở Việt Nam bao gồm:

- Nguồn nguyên liệu sẵn có, dồi dào (chất thải vật nuôi; cây bèo, rong; chất thải từ các xưởng chế biến, làng nghề và khu công nghiệp )

- Thị trường cho công nghệ biogas phát điện rất lớn vì ngành chăn nuôi đang phát triển mạnh và có xu hướng mở rộng mô hình chăn nuôi hộ gia đình

Động cơ biogas được các cơ quan nghiên cứu, các nhà khoa học và các cá nhân trong nước quan tâm nghiên cứu, thử nghiệm và ứng dụng Nghiên cứu về máy phát điện chạy bằng biogas ở Việt Nam tập trung vào máy phát có công suất nhỏ Nhiều đề tài nghiên cứu và thử nghiệm đã được thực hiện là cơ sở bước đầu cho ngành biogas Việt Nam Triển vọng nghiên cứu và ứng dụng động cơ biogas là rất lớn, có nhiều tiềm năng

để phát triển ngành biogas bền vững [11]

Việc sử dụng động cơ biogas học ở Việt Nam mới chỉ là bước khởi đầu, số lượng công trình có lắp đặt động cơ so với số lượng công trình được xây dựng là không nhiều Động cơ biogas có công suất nhỏ chủ yếu sử dụng cho quy mô hộ gia đình và trang trại Động cơ biogas có công suất trung bình và lớn lắp đặt cho các dự án xử lý chất thải Công suất động cơ biogas lắp đặt cho các công trình biogas từ 1,5kW đến 15kW, trong

đó hộ gia đình và trang trại quy mô nhỏ lắp đặt động cơ biogas công suất từ 1,5kW đến 7,5kW, trang trại quy mô trung bình và lớn lắp đặt động cơ biogas công suất từ 10kW đến 15kW Động cơ biogas đang được sử dụng hiện nay tại các hộ gia đình, trang trại

là máy của Đài Loan, Nhật Bản, Trung Quốc và Việt Nam, trong đó phần nhiều là động

cơ biogas Trung Quốc Ứng dụng chủ yếu của động cơ biogas ở Việt Nam là kéo máy phát điện [2]

GS TSKH Bùi Văn Ga và các cộng sự tại Đại học Đà Nẵng đã bắt đầu tham gia nghiên cứu về động cơ sử dụng biogas từ năm 2007, cho đến nay đã lắp đặt thành công nhiều máy phát điện nhỏ, vừa và lớn trên cả nước [3] Các động cơ biogas đã trải qua một thời gian hoạt động ổn định và tận dụng hết nguồn biogas sinh ra, đem lại lợi nhuận rất lớn cho người chăn nuôi

Công bố đầu tiên nghiên cứu biogas của GS TSKH Bùi Văn Ga và cộng sự là thử nghiệm biogas trên xe gắn máy vào năm 2007 [20] Nhờ sử dụng oxit sắt để hấp phụ H2S và sử dụng nước để hấp thụ CO2, khí biogas được làm giàu thêm 30%, hàm

DUT.LRCC

lượng H2S chỉ còn 0,5% so với mẫu khí nguyên thủy Động cơ xe gắn máy 110cc với

bộ phụ kiện GA5 chạy bằng khí biogas đã qua lọc có mức độ phát thải HC khoảng 10%

và CO khoảng 1% so với giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam Cũng trong năm này, GS TSKH Bùi Văn Ga và các cộng sự đã công bố nghiên cứu hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ kéo máy phát điện 2HP trình bày hệ thống cung cấp khí biogas hoàn chỉnh cho cụm động cơ đốt trong - máy phát điện [14] Khí biogas sau khi qua hệ thống khử H2S và hấp thụ CO2 được cung cấp cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu biogas/xăng Bộ phụ kiện này được phát triển trên cơ sở

bộ phụ kiện GA5 sử dụng trên xe gắn máy chạy bằng LPG bằng cách bổ sung thêm bộ điều tốc phụ Nhờ vậy động cơ có thể làm việc ổn định ở tất cả các chế độ tải khác nhau của máy phát Năm 2008, GS TSKH Bùi Văn Ga và các cộng sự đã tiếp tục công bố nghiên cứu về hệ thống cung cấp biogas cho động cơ dual fuel biogas-diesel [11] Động

cơ dual fuel 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 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 1m3

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 Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu biogas-dầu mỏ cũng đã được thực hiện [1] Các thông số cơ bản cũng như qui luật vận hành của van cung cấp biogas được nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu cho các động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu biogas/dầu mỏ Kết quả tính toán van sai lệch so với kết quả thực nghiệm khoảng 10% Mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ giảm 100 lần đối với CO và 10 lần đối với HC so với tiêu chuẩn khí thải động cơ

xe cơ giới Hệ thống cung cấp nhiên liệu nguyên thủy của động cơ không thay đổi

Đến năm 2009, khả năng giảm phát thải CO2 ở Việt Nam nhờ sản xuất điện năng bằng biogas đã được GS TSKH Bùi Văn Ga nghiên cứu cho thấy nếu sử dụng công nghệ chuyển đổi biogas thành điện, mỗi năm nước ta có thể sản xuất 10% điện năng bằng nhiên liệu tái tạo và giảm 6,5% phát thải Carbon vào bầu khí quyển [13] Bên cạnh đó, động cơ nhiều xi lanh cỡ lớn dual fuel cũng đã được nghiên cứu xác định kích thước van cung cấp biogas [14] Mục đích của nghiên cứu này là xác định kích thước của hệ thống cung cấp biogas để cải tạo các động cơ diesel nhiều xi lanh cỡ lớn sang chạy bằng hai nhiên liệu Dựa vào phân tích áp suất trên đường nạp động cơ, giản đồ kích thước van cung cấp biogas theo các thông số của động cơ và của nguồn nhiên liệu được xác lập Kết quả cho thấy có thể thiết kế một van cung cấp cho phép động cơ tương ứng làm việc với nguồn biogas có phạm vi thay đổi rộng về hàm lượng CH4 và áp suất Nghiên cứu cũng nêu bật sự khác biệt về biên dạng của van cung cấp biogas giữa động cơ nhiều

xi lanh và động cơ một xi lanh

DUT.LRCC

Năm 2013, nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Đông của Đại Học Đà Nẵng đã bảo vệ thành công luận án “Nghiên cứu ứng dụng biogas nén cho mô tô” Luận án góp phần xử

lý 3 vấn đề quan trọng để có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho xe gắn máy, đó là (1) nén biogas vào bình chịu áp lực, (2) cung cấp biogas nén cho xe gắn máy đảm bảo cho xe hoạt động tối ưu trong mọi điều kiện vận hành và (3) xác định hệ số tốc độ màng lửa cháy rối ff trong buồng cháy động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng biogas nén, sử dụng 2 bình 3,5 lít chứa biogas nén có 85% CH4 ở áp suất nén 75 bar thì xe gắn máy có thể chạy quãng đường độc lập 20 km ở tốc độ trung bình 40 km/h, khi động cơ chạy ở vùng tốc độ 3000 vòng/phút và biogas có 85% CH4 thì góc đánh lửa sớm tối ưu là 20 độ Kết quả chỉ ra khi chuyển động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sang chạy bằng biogas nén và không cải tạo buồng cháy thì hệ số cháy rối ff có thể chọn bằng 1,3 đối với nhiên liệu biogas có chứa 85% CH4 và động cơ hoạt động trong phạm vi tốc độ trung bình từ 3000 vòng/phút đến 6000 vòng/phút Trong trường hợp này kết quả tính toán theo mô phỏng với phần mềm Fluent phù hợp với kết quả thí nghiệm trên băng thử xe gắn máy AVL [14]

Cũng trong năm 2013, nghiên cứu sinh Lê Xuân Thạch của Đại Học Đà Nẵng cũng đã bảo vệ thành công luận án “Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cuỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas” Trong công trình này, động cơ diesel ZH1115 đã được chuyển đổi thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức Hệ thống phun nhiên liệu diesel được tháo bỏ, thay vào đó là hệ thống đánh lửa điện tử Buồng cháy động cơ được thử nghiệm với 2 dạng: buồng cháy omega nguyên thủy và buồng cháy phẳng Tỉ số nén động cơ được thay đổi bằng cách cắt bớt đỉnh piston với chiều dày lớp cắt khác nhau đảm bảo có được tỉ số nén thay đổi từ 9 đến 14 Góc đánh lửa sớm của động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí cuộn dây cảm ứng đánh lửa lắp trên thân máy Việc cung cấp hỗn hợp biogas-không khí cho động cơ được thực hiện nhờ bộ tạo hỗn hợp kiểu venture Khi động cơ có tỉ số nén ɛ

=12, chạy bằng biogas chứa 60% CH4 thì góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trong khoảng từ

φs=34o đến 42o trước ĐCT khi tốc độ động cơ thay đổi Khi động cơ ZH1115 chạy bằng biogas ở tốc độ định mức 2200v/ph, tỉ số nén tối ưu nằm trong khoảng từ ɛ =11,5 đến 12,5 [13]

Trong năm 2014, nghiên cứu sinh Lê Minh Tiến của Đại Học Đà Nẵng đã bảo vệ thành công luận án “Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel trên cơ sở động cơ diesel một xi lanh tĩnh tại” Trong công trình này, công suất động cơ nhiên liệu kép có thể lớn hơn công suất của động cơ này khi chạy hoàn toàn bằng diesel Ở chế độ tốc độ định mức của động cơ nhiên liệu kép, chúng ta có thể

sử dụng biogas nghèo có thành phần thể tích CH4 50%-60%, không cần lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi chuyển đổi

DUT.LRCC

Điều này là do lượng không khí thừa khi động cơ chạy bằng diesel rất lớn nên chúng ta

có thể tăng lượng nhiên liệu biogas cung cấp để tăng công suất động cơ mà không bị hạn chế về độ đậm đặc của hỗn hợp Góc phun sớm tăng khi hàm lượng CH4 trong nhiên liệu giảm hay khi tốc độ động cơ tăng Khi động cơ chạy ở chế độ dual fuel biogas-diesel với tốc độ 2000 vòng/phút sử dụng biogas chứa 70% thể tích CH4 thì góc phun sớm tối ưu là 30 độ Trong cùng điều kiện vận hành, nhiệt độ, áp suất cực đại của hỗn hợp cháy trong buồng cháy nhiên liệu kép tăng khi hàm lượng CH4 trong biogas tăng, dẫn đến công giãn nở tăng và tăng công suất động cơ Đối với biogas giàu, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm theo thành phần CH4 trong nhiên liệu Tuy nhiên đối với biogas nghèo, công chỉ thị chu trình giảm nhanh hơn tốc độ giảm thành phần CH4 trong nhiên liệu do chất lượng quá trình cháy bị xấu đi vì nồng độ CO2 trong nhiên liệu tăng nhanh Trong trường hợp này, cuối quá trình cháy vẫn còn một lượng đáng kể nhiên liệu chưa cháy hết mặc dù độ đậm đặc của hỗn hợp ϕ < 1 [12]

Hiệu quả kinh tế khi đầu tư một hệ thống động cơ biogas đã được tính đến khi GS TSKH Bùi Văn Ga nghiên cứu so sánh hiệu quả của các giải pháp cung cấp biogas cho động cơ đốt trong [12] Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở phạm vi công suất bé, sự khác biệt về hiệu quả kinh tế của động cơ đánh lửa cưỡng bức biogas/xăng và động cơ dual fuel biogas-diesel khi chạy bằng biogas không khác biệt nhau nhiều Tuy nhiên ở phạm

vi công suất lớn, động cơ đánh lửa cưỡng bức thể hiện tính ưu việt hơn hẳn khi chạy bằng biogas so với động cơ dual fuel

Các bộ tạo hỗn hợp biogas-không khí, quá trình cháy của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức cũng như động cơ dual fuel biogas-diesel đã được tính toán mô phỏng trên phần mềm Fluent Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu biogas, các điều kiện của hỗn hợp trước khi cháy cũng như các điều kiện của ngọn lửa mồi đến diễn biến quá trình đánh lửa trong buồng cháy của động cơ đều được mô phỏng và phân tích nhờ phần mềm động học thủy khí Fluent nhằm tăng hiệu quả sử dụng biogas của động cơ [11], [12], [13], [14]

Sản phẩm chủ yếu và nổi bật trong quá trình nghiên cứu ứng dụng biogas cho động cơ đốt trong của GS TSKH Bùi Văn Ga là hai bộ chuyển đổi vạn năng Gatec-

20 và Gatec 21 [10] Hai bộ chuyển đổi này đã được lắp đặt và vận hành thực tế cho các động cơ khắp cả nước

Việt Nam đang thực hiện công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với mục tiêu trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại vào năm 2020 Tuy nhiên trữ lượng dầu thô của nước ta hạn chế, tiềm năng thủy điện đã được khai thác gần như triệt

để Do đó để đảm bảo an ninh năng lượng, chúng ta cần tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế khác

Trong các nguồn năng lượng tái tạo dồi dào ở nước ta như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển… thì biogas là nguồn năng lượng có tiềm năng

so sánh lớn Chất thải trong hoạt động sản xuất nông nghiệp, nông thôn, nơi có gần 70,4% dân số sinh sống, là nguồn nguyên liệu rất tốt để sản xuất biogas

Sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong tĩnh tại và phương tiện vận chuyển cơ giới ở nước ta chưa được phát triển vì chúng ta chưa làm chủ được công nghệ chuyển đổi các loại động cơ truyền thống rất đa dạng về chủng loại và kích cỡ sang chạy bằng biogas

Đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng biogas-hydrogen”

sẽ góp một phần trong tiến trình giải quyết triệt để vấn đề trên

DUT.LRCC

Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỘ ĐIỀU TỐC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 TỔNG QUAN ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ

2.1.1 Tính ổn định của động cơ

Trạng thái làm việc của động cơ được đặc trưng bởi các chỉ tiêu và các thông số: công suất có ích Ne, momen Me, tốc độ trục khuỷu , suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge, hệ số dư lượng không khí α, hiệu suất có ích c, áp suất tăng áp pk… được gọi

Do đó chế độ dừng còn được gọi là chế độ cân bằng

Các điểm làm việc B (hình 1-1) là các chế độ dừng vì MeB = McB (mômen Mc

được quy về trục động cơ) Do nhiễu, B có thể sẽ tăng ’ hoặc giảm ” Nếu sau nhiễu,  cứ tăng liên tiếp hoặc giảm liên tiếp đến lúc máy dừng lại thì B là chế độ dừng không ổn định, ngược lại nếu sau nhiễu tốc độ động cơ lại trở lại B thì B là chế độ dừng ổn định

Điểm B của hình 1-1a là chế độ dừng ổn định vì khi có nhiễu nếu ’B=B+ thì Mc’> Me’ làm giảm  để trở lại điểm B (B), còn nếu B” = B-” thì Me”> Mc” làm tăng  để trở lại điểm B (B)

Điểm B của hình 1-1b là chế độ không ổn định vì chỉ cần một nhiễu nhỏ làm cho ≠ B thì tốc độ  của động cơ sẽ tăng mãi mãi hoặc giảm mãi cho tới chết máy

Như vậy đối với chế độ làm việc của động cơ tại điểm B của hình 1-1b, thì để đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ cần có một cơ cấu đặc biệt thường gọi là bộ điều chỉnh tốc độ gọi tắt là bộ điều tốc, dùng để điều chỉnh lượng nhiên liêu cung cấp cho mỗi chu trình một cách tự động đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn

về các đặc điểm làm việc của bộ điều tốc

DUT.LRCC

Hình 2 1 Tính ổn định của động cơ a) Chế độ làm việc ổn định; b) Chế độ làm việc không ổn định

2.1.2 Những điều kiện làm việc của động cơ cần lắp điều tốc

Nếu động cơ làm việc trong điều kiện phải giữ không đổi chế độ tốc độ hoặc trong trường hợp số vòng quay của động cơ rất dễ vượt quá số vòng quay giới hạn, một mặt có thể gây ra ứng suất cơ giới vượt quá giới hạn cho phép, mặt khác còn phá hoại nghiêm trọng các quá trình làm việc của động cơ; trong những trường hợp ấy trên động cơ phải bắt buộc lắp bộ điều tốc

Động cơ Diesel thường rất nhạy cảm với chế độ tốc độ Nếu tốc độ động cơ vượt quá giới hạn của số vòng quay thiết kế, thường làm giảm chất lượng của quá trình công tác vì lúc ấy hệ số dư lượng không khí α và chất lượng hình thành hỗn hợp điều giảm nhanh Lúc đấy một mặt thời gian cháy bị rút ngắn mặt khác chất lượng quá trình cháy cũng giảm nhiên liệu cháy không kiệt và quá trình cháy phải kéo dài trên đường giãn nở, làm cho động cơ rất nóng (đặc biệt là cơ cấu thải và nhóm piston), tốn nhiều nhiên liệu có nhiều muội than trong khí thải, làm cho động cơ chóng hỏng

Trong động cơ Xăng nếu tốc độ vượt quá số vòng quay thiết kế thì chỉ gây ảnh hưởng rất ít tới quá trình công tác, vì chất lượng quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ Xăng hầu như không phụ thuộc vào chế độ tốc độ và khi thay đổi số vòng quay thành phần của khí hỗn hợp hầu như không đổi Như vậy trường hợp có đủ hệ số

an toàn về sức bền cơ giới, động cơ Xăng có thể chạy vượt số vòng quay thiết kế chừng 3050% trong một thời gian ngắn mà không gây hại gì cho động cơ

Như vậy chế độ chạy vượt số vòng quay thiết kế là chế độ nguy hiểm cần tránh đối với động cơ Diesel, thì đối với động cơ xăng lại là chế độ làm việc cho phép Mặt khác do đặc điểm về đặc tính tôc độ của động cơ Diesel nên xác suất chạy vượt số vòng quay thiết kế lớn hơn rất nhiều so với động cơ xăng (động cơ xăng chỉ chạy vượt

DUT.LRCC

số vòng quay thiết kế khi bướm ga mở lớn, trong khi đó với bất kỳ một vị trí nào của

cơ cấu điều khiển bơm cao áp, động cơ Diesel đều có thể vượt số vòng quay thiết kế)

Chính vì vậy tất cả động cơ Diesel trong mọi điều kiện sử dụng đều cần lắp bộ điều tốc, nhằm hạn chế số vòng quay cực đai của động cơ, nhưng yêu cầu đó lại không phải bắt buộc với tất cả các động cơ Xăng

Sau đây ta sẽ xét mấy điều kiện là việc cụ thể sau đây

2.1.2.1 Chế độ không tải

Theo quan điểm sử dụng thì tính ổn định của động cơ (đặc biệt là động cơ vận tải) tại chế động không tải có ý nghĩa quan trọng Động cơ thường làm việc ở chế độ không tải khi chạy ấm máy, lúc sang số, hoặc lúc xe phải tạm chờ đợi ở ngã tư đường… nếu động cơ hoạt động không ổn định hoặc dễ chết máy sẽ nhiều phiền hà cho người lái

Hình 2 2 Chế độ không tải của động cơ Diesel(a) và động cơ Xăng(b)

Khi chạy không tải, áp suất chỉ thị trung bình pi bằng áp suất tổn thất cơ khí (hình 2.2), để tránh tốn nhiên liệu và đỡ hại máy cần cho động cơ chạy ở tốc độ ổn định nhỏ nhất, vì vậy cơ cấu điều khiển nhiên liệu (bướm ga hoặc thanh răng bơm cao áp) cần nằm ở vị trí cấp nhiên liệu ít nhất Khi chạy ở chế độ không tải, pi của động cơ Diesel thường tăng nhanh hơn so với pm khi tăng tốc độ n (hình 2.2a) vì đặc điểm biến thiên của pi lúc đó phụ thuộc chính vào đặc tính tốc độ của bơm cao áp tại vị trí thanh răng nhỏ nhất, hầu hết các loại bơm cao áp thường làm tăng gct khi tăng n Chính vì vậy với chế độ dừng tại điểm 1 (hình 2.2a) chỉ cần có nhiễu nhỏ về pm (từ ab chuyển qua a’b’ hoặc a”b”) sẽ làm cho tốc độ động cơ mất ổn định Để khắc phục hiện tượng trên cần lắp bộ điều tốc để động cơ Diesel có thể chạy ổn định ở chế độ không tải Sau khi lắp điều tốc, đặc tính không tải về pi của động cơ từ nét đậm chuyển thành đường

cd (đường nét đứt) vì lúc đó nếu tăng n bộ điều tốc sẽ cắt bớt nhiên liệu, còn nếu giảm

n sẽ cấp thêm nhiên liệu, nhờ đó đường pi sẽ giảm nhanh khi tăng n làm cho động cơ hoạt động rất ổn định

n"KT

P i

P m c

P i c

d a

a' a"

P m b b' b"

DUT.LRCC

Động cơ Xăng chạy ở chế độ không tải (đóng nhỏ bướm ga) thì v và m sẽ giảm rất nhanh khi tăng n nhờ đó pi cũng giảm nhanh theo mức tăng của n (hình 2.2b)

Do đó động cơ xăng chạy rất ổn định ở chế độ cân bằng 1 Bất kỳ một nhiễu nào của

pm cũng làm cho động cơ chạy ổn định ở chế độ cân bằng cũ (điểm 1 với tốc độ nKT) hoặc ở vị trí nKT’ hoặc nKT” rất gần với nKT

2.1.2.2 Động cơ quay chân vịt tàu thủy

Hình 2 3 Động cơ quay chân vịt tàu thủy Trên hình 2.3 giới thệu các đặc tính chân vịt quay trong nước (đường nét liền)

và quay trong không khí (đường gạch chấm), đặc tính ngoài I và các đặc tính bộ phận IIVII của động cơ Diesel Các điểm cắt của đặc tính động cơ với đặc tính chân vịt quay trong nước thể hiện qua các điểm từ 1 đến 6 với các vị trí thanh răng từ I đến VI

là những chế độ ổn định Tại vị trí thanh răng thứ VII, chế độ làm việc của động cơ tương ứng với tốc độ n7 hoặc nhỏ hơn n7 thì hoạt động của động cơ sẽ không ổn định Muốn cho động cơ ổn định ở các chế độ ấy cần phải lắp một bộ điều tốc để kịp thay đổi gct theo các nhiễu trên giúp các động cơ hoạt động ổn định

2.1.2.3 Động cơ làm việc trong điều kiện tĩnh tại

Đối với động cơ làm việc trong điều kiện tĩnh tại, do yêu cầu làm việc nên phải giữ cho động cơ chạy ở tốc độ không đổi hoặc ít thay đổi Nếu có nhiều động cơ chạỵ song song, đòi hỏi phải điều chỉnh tốc độ rất tỉ mỉ, lúc ấy phụ tải động cơ có thể thay đổi đột ngột và thường xuyên từ 0 đến cực đại Do đó phải lắp bộ điều tốc để điều

DUT.LRCC

chỉnh kịp thời cung cấp cho động cơ tương ứng với tải của máy công tác Trong đề tài này chúng ta tiến hành chuyển đổi động cơ tĩnh tại EV 2600-NB sang sử dụng lưỡng nhiên liệu Biogas-Diesel để dẫn động máy phát điện, yêu cầu làm việc của động cơ lúc này là phải hoạt động ở một chế độ tốc độ không đổi nhằm đảm bảo cho máy phát điện tạo ra tần số dòng điện không đổi Vì vậy việc lắp điều tốc đối với động cơ này là bắt buộc, nhằm điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong suốt quá trình hoạt động theo sự thay đổi của tải bên ngoài nhằm đảm bảo cho động cơ hoạt động ở một chế độ tốc độ không đổi

2.1.3 Giới thiệu về các loại điều tốc phổ biến

2.1.3.1 Các bộ điều tốc trực tiếp

Bộ điều tốc trực tiếp được sử dụng trên các động cơ cao tốc cỡ nhỏ và cỡ vừa

Ưu điểm chính của các bộ điều tốc trực tiếp là: cấu tạo và bảo dưỡng đơn giản Nhưng

nó có một vài nhược điểm như : lực duy trì nhỏ và kích thước của phần tử cảm ứng tương đối lớn

a Bộ điều tốc cơ khí trực tiếp một chế độ (hình 2.4)

Hình 2 4 Sơ đồ bộ điều tốc cơ khí trực tiếp một chế độ (a), và các chế độ làm việc

của động cơ (b) Cấu tạo gồm quả văng 1, lò xo điều tốc 2 không thay đổi biến dạg ban đầu, lực

ly tâm của quả văng 1 chỉ có thể ép lò xo 2 đẩy khớp trượt 3 và thanh răng bơm cao áp

4 về hướng giảm gct nếu n>nn (lúc ấy lực ly tâm của quả văng thắng lực ép ban đầu của

lò xo 2) cho tới khi Me=Mc (Ne=Nc) và lực ly tâm của quả văng cân bằng với lực lò xo điều tốc Nếu n < nn, thanh răng bơm cao áp sẽ nằm ở vị trí đặc tính ngoài với gctmax Khi hoạt động, nếu tải bên ngoài tăng lên làm giảm n, qua đó giảm lực ly tâm của quả

DUT.LRCC

văng 1 sẽ làm cho khớp trượt 3 và thanh răng 4 chuyển theo hướng tăng gct Các chế

độ hoạt động của động cơ lắp bộ điều tốc một chế độ nào đó điều nằm trên đặc tính điều tốc ab, giữ cho động cơ có các chế độ dừng ổn định trong pham vi từ nn đến nKT

Hình 2 5 Sơ đồ bộ điều tốc giới hạn (a) và chế độ àm việc của động cơ

2.1.4 Bộ điều tốc trực tiếp nhiều chế độ

2.1.4.1 Bộ điều tốc trực tiếp cơ khí nhiều chế độ

Bộ điều tốc trực tiếp cơ khí nhiều chế độ chia thành hai loại:

Loại thư nhất thay đổi biến dạng ban đầu của lò xo điều tốc (hình 3-4a) hoạt động như sau: Đẩy bàn dạp 1 sẽ thay đổi biến dạng ban đầu của lò xo 6 Mỗi vị trí của bàn đạp 1 sẽ tương ứng với một tốc độ khiến lực ly tâm của quả văng 4 thắng lực lò xo làm quả văng 4 chuyển dịch xa tâm quay và đẩy khớp trượt 5 sang trái đồng thời kéo

DUT.LRCC

thanh răng 2 về phía giảm gct, thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ động cơ

Loại thứ hai: Không thay đổi biến dạng ban đầu của lò xo điều tốc (hình 3-4b), hoạt động như sau: Đẩy bàn đạp 1, qua các tay đòn 7 và 3 sẽ trực tiếp đẩy thanh răng

2 về phía tăng gct Lúc ấy do Me>Mc khiến tốc độ n tăng lên làm cho lực ly tâm của quả văng thắng và ép lò xo điều tôc 6 đẩy khớp trượt 5 sang trái rồi thông qua tay đòn

3 kéo thanh răng về phía giảm gct đảm bảo Me Mc Mỗi tốc độ của động cơ đều tương ứng với vị trí bàn đạp 1, hoạt động của bộ điều tốc sẽ giúp động cơ hoạt động ổn định

ở tốc độ n nào đó Các đặc tính điều tốc 1, 2, 3, 4, 5, 6 (hình 3-5) đều tương ứng với các vị trí xác định của bàn đạp 1 Các chế độ làm vệc của động cơ lắp bộ điều tốc nhiều chế độ nằm trong diện tích đồ thị nmin ab nKTmax, chúng đều là các chế độ dừng ổn định

a Thay đổi biến dạng ban đầu của lò xo b, Không thay đổi biến dạng ban Hình 2 6 Sơ đồ các bộ điều tốc nhiều chế độ và Đặc tính động cơ Diesel lắp bộ điều

tốc nhiều chế độ

2.1.4.2 Bộ điều tốc trực tiếp chân không nhiều chế độ

Bộ điều tốc này thường được sử dụng trên động cơ Diesel vận tải Bộ điều tốc chân không hoạt động theo quy luật biến thiên của độ chân không trên đường ống hút theo số vòng quay của động cơ Ưu điểm chính của bộ điều tốc này là cấu tạo đơn giản kích thước nhỏ, lực dùng để điều khiển chế độ tốc độ của động cơ tương đối nhỏ, không

có các chi tiết mài mòn… Người ta thường lắp bộ điều tốc chân không trên các động

cơ vận tải cao tốc hoạt động trong phạm vi tốc độ tương đối rộng, vì trong suốt phạm

DUT.LRCC

vi tốc độ ấy bộ điều tốc chân không có thể dễ dàng đảm bảo độ chân không đồng đều như nhau, trong khi đó đối với bộ điều tốc cơ giới nhiều chế độ thì rất khó thực hiện Nhược điểm chính của của bộ điều tốc chân không là phải lắp họng và lắp bướm gió trên đường ống hút do đó đã làm giảm bớt 20 30 % tiết diện lưu thông của đường ống, làm giảm hệ số nạp và do đó làm giảm công suất của động cơ Sơ đồ bộ điều tốc chân không như hình 3-6

Hình 2 7 Sơ đồ bộ điều tốc chân không nhiều chế độ 1- Bướm ga; 2- Nhánh ống náp; 3-Khớp nối thanh răng; 4-Tay điều khiển cắt

nhiên liệu; 5-màng; 6,8-Lò xo; 7-Chốt tỳ

2.1.5 Các bộ điều tốc gián tiếp

Trong bộ điều tốc gián tiếp ngoài phần tử cảm biến còn có thêm bộ khuếch đại

và những phần tử phụ khác

Dựa vào mối liên hệ giữa van trượt và pittông bộ khuếch đại chia thành hai loại:

DUT.LRCC

bộ điều tốc gián tiếp không có liên hệ ngược và bộ điều tốc gián tiếp có liên hệ ngược Dựa vào đặc điểm của mối liên hệ ngược các bộ điều tốc loại hai lại chia thành: liên

hệ ngược nối cứng và liên hệ ngược nối mềm Sau đây ta sẽ xét kỹ từng loại nói trên

2.1.5.1 Bộ điều tốc gián tiếp không có liên hệ ngược

Phần tử cảm biến gồm giá đỡ 1, quả văng 2, khớp trượt 3 và lò xo 4 có nhiệm

vụ điều khiển van trượt 6 qua đó điều khiển dầu cao áp vào xilanh bộ khuếch đại làm chuyển dịch thanh răng 8 lực điều khiển van trượt thường nhỏ hơn nên kích thước phần tử cảm biến rất nhỏ, gọn nhưng tạo ra lực kéo thanh răng rất lớn (hàng nghìn kN) Tăng tải bên ngoài sẽ làm giảm tốc độ động cơ, khớp trượt 3 bị đẩy sang phải rồi thông qua tay đòn 5 đẩy van trượt 6 sang phải Dầu cao áp từ khoang giữa của van đi vào khoang phải của xilanh, lúc đó khoang trái xilanh thông với đường xả dầu Chênh áp giữa hai mặt pittông lúc ấy tạo lực đẩy pittông sang trái về phía tăng gct Nếu giảm tải, trình tự diễn biến sẽ ngược lại

Trong bộ điều tốc gián tiếp không có liên hệ ngược, chế độ cân bằng của phần

tử cảm biến chỉ phụ thuộc vị trí van trượt 6 (vị trí bịt kín hai đường dầu thông với xilanh khuếch đại) và do đó vị trí tay đòn 5, tương ứng với vị trí duy nhất của khớp trượt 3 đảm bảo tốc độ định mức n (hoặc nn) của động cơ Do đó với mọi vị trí của thanh răng bơm cao áp đều có =n=const

Nhược điểm lớn nhất của bộ điều tốc này là tính ổn định rất kém Do quán tính của cơ cấu khi hoạt độngvan trượt luôn luôn dao động làm cho tốc độ động cơ dao động theo Vì vậy bộ điều tốc này chỉ thích hợp với động cơ có nhân tố ổn định Fđ rất lớn

2.1.5.2 Bộ điều tốc gián tiếp có liên hệ ngược nối cứng

Sơ đồ cấu tạo của bộ điều tốc loại này như hình 2.8, cấu tạo và nguyên lí làm việc của bộ điều tốc loại này như sau

Điểm A của tay đòn 5 nối với piston bộ khuếch đại qua cán 9 Quá trình điều chỉnh như sau: Nếu cắt tải bên ngoài sẽ làm cho động cơ tăng tốc, do đó lực ly tâm của quả văng thắng lực lò xo điều tốc , đẩy khớp trượt 3, tay đòn 5 và van trượt 6 sang trái

mở đường dầu cao áp vào xilanh để đẩy piston bộ khuếch đại sang phải về phía giảm nhiên liệu, lúc ấy không gian bên trái của piston nối với đường dầu xả Do điểm A cùng dịch chuyển theo piston bộ khuếch đại nên đã hạn chế bớt mức dịch chuyển của van trượt 6 so với trường hợp không có liên hệ ngược Van trượt có thể dừng lại, thậm chí chuyển động ngược lại ngay cả khi khớp trượt 3 vẫn đang tiếp tục dịch chuyển sang trái Quá trình điều chỉnh sẽ kết thúc khi Me=Mc và van trượt 6 bịt lỗ thông dầu vào xilanh bộ khuếch đại

DUT.LRCC