Báo cáo nghiên cứu khoa học: " HỆ THỐNG CUNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ DUAL-FUEL BIOGAS/DIESEL" ppsx

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