Thiết kế chế tao kits đa năng sử dụng nhiên liệu khí

Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 6
Chương1. Tổng quan về vấn đề năng lượng và nhiên liệu khí trong nhu cầu sử
dụng nguồn năng lượng thay thế. ............................................................................ 7
1.1. Mục đích, ý nghĩa của đề tài. ...............................................................................7
1.2. Tổng quan về vấn đề năng lƣợng và nhiên liệu thay thế .....................................7
1.2.1. Vấn đề năng lƣợng hiện nay. ............................................................................7
1.2.2. Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế. ................................................8
1.3. Tổng quan về động cơ sử dụng nhiên liệu khí. ....................................................8
1.3.1. Tổng quan về nhiên liệu Khí sử dụng cho động cơ đốt trong. ..........................8
1.3.1.1. Năng lƣợng khí sinh học. ...............................................................................8
1.3.1.1.1. Giới thiệu chung. .........................................................................................8
1.3.1.1.2. Thành phần, tính chất khí Biogas tiêu chuẩn làm nhiên liệu ......................9
1.3.1.1.3. Tiêu chuẩn khí Biogas để làm nhiên liệu. ................................................ 11
1.3.1.2. Khí hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas). ...........................................12
1.3.1.3. Khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas). ................................14
1.3.1.4. Nhiên liệu sinh khối .....................................................................................15
1.3.2. Một số đặc điểm đối với động cơ dùng nhiên liệu khí....................................16
1.3.2.1. Kích nổ và tỉ số nén trên động cơ dual fuel. ................................................16
1.3.2.2. Cải tạo tỷ số nén khi chuyển đổi sang động cơ dùng khí.............................18
1.3.2.3. Vấn đề tăng tỉ số nén khi cải tạo động cơ xăng. .........................................18
1.3.2.4. Vấn đề giảm tỉ số nén trên động cơ Diesel khi chuyển đổi. ........................19
1.3.2.5. Ảnh hƣởng của thể tích nhiên liệu khí đến lƣợng khí nạp. ..........................20
1.3.2.6. Vấn đề đảm bảo công suất, số vòng quay, rung động khi lắp đặt bộ chuyển
đổi Diesel / Gas. ........................................................................................................20
Chương 2. Phân tích các phương án cấp nhiên liệu khí trên động cơ đốt trong
hiện nay .................................................................................................................... 22
2.1. Yêu cầu của hệ thống cấp nhiên liệu khí chuyển đổi. ........................................22
2.2. Các hình thức cung cấp nhiên liệu khí trên động cơ đốt trong. .........................22

2.2.1. Phƣơng án cấp sử dụng bộ hòa trộn. ...............................................................22
1


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

2.2.1.1. Đối với động cơ dùng lƣỡng nhiên liệu. ......................................................22
2.2.1.1.1. Hệ thống lƣỡng nhiên liệu Xăng - LPG kiểu hòa trộn khí ........................22
2.2.1.1.2. Hệ thống lƣỡng nhiên liệu Diesel+ Biogas dùng bộ hòa trộn điều khiển
van cấp khí bằng cơ khí.............................................................................................24
2.2.1.2. Động cơ sử dụng hoàn toàn nhiên liệu khí. .................................................25
2.2.1.2.1. Sử dụng bộ hòa trộn kết hợp van tiết lƣu. .................................................25
2.2.2. Phƣơng án phun nhiên liệu khí (phun gián tiếp). ............................................26
2.2.2.1. Hệ thống phun gián tiếp trên đƣờng nạp. .....................................................26
2.2.2.2. Hệ thống phun gián tiếp trƣớc xupap nạp. ...................................................28
2.2.3. Phƣơng án phun khí nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy. ..............................29
2.3. Các chi tiết chính của hệ thống phun nhiên liệu khí điện tử. .............................31
2.3.1. Một số kiểu vòi phun.......................................................................................31
2.3.2. Bộ hòa trộn không khí –Gas ...........................................................................32
2.3.3. Ảnh hƣởng của vị trí lắp đặt vòi phun. ...........................................................33
2.3.4. Lựa chọn phƣơng án cấp nhiên liệu khí. .........................................................34
2.4. Phân tích hình thức chuyển đổi trên động cơ Diesel sang sử dụng nhiên liệu
khí. .............................................................................................................................35
2.4.1. Phƣơng án phun nhiên liệu mồi. .....................................................................35
2.4.2. Phƣơng án thay vòi phun, bơm cao áp bằng bugi đánh lửa. ...........................36
2.4.3. So sánh hai phƣơng án trên. ............................................................................36
2.4.4. Lựa chọn hình thức chuyển đổi. ......................................................................37
2.5. Phân tích các bộ chuyển đổi hiện nay. ...............................................................38
2.5.1. Trên thế giới. ...................................................................................................38
2.5.2. Trong nƣớc: .....................................................................................................39

Chương 3. Khảo sát, chuyển đổi động cơ Hino EH100 sang sử dụng hoàn toàn
nhiên liệu khí ........................................................................................................... 43
3.1. Chọn động cơ lắp bộ hòa trộn đa năng cung cấp nhiên liệu khí. ......................43
3.1.1. Giới thiệu chung ..............................................................................................43
3.1.1.1. Nhóm piston_ thanh truyền trục khuỷu_ bánh đà. .......................................44
3.1.1.2. Cơ cấu phân phối khí. ..................................................................................46

2


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

3.1.1.3. Hệ thống nhiên liệu động cơ Hino. ..............................................................47
3.1.2. Cải tạo động cơ Hino EH100 sang dùng nhiên liệu khí. .................................53
3.1.2.1. Tính toán để giảm tỷ số nén cho động cơ Hino EH100 sang dùng khí. ......53
3.1.2.2. Cải tạo nắp máy động cơ Hino EH100. .......................................................56
3.2. Tính toán nhiệt động cơ Hino EH100 sử dụng diesel. .......................................58
3.2.1. Thông số kỹ thuật động cơ. .............................................................................58
3.2.2. Tính toán nhiệt động cơ Hino EH100 dùng Diesel. ........................................59
3.2.3. Kết quả tính toán chu tr nh nhiệt của động cơ Diesel. ....................................64
3.2.4. Đồ thị công. .....................................................................................................66
3.3. Tính toán chu trình nhiệt dùng cho động cơ sử dụng Biogas. ...........................68
3.3.1. Các thông số kỹ thuật của động cơ. ................................................................68
3.3.2. Các thông số chọn ...........................................................................................68
3.3.3. Quá trình tính toán ..........................................................................................69
3.3.4. Kết quả tính toán chu tr nh nhiệt cho động cơ sử dụng Biogas. ..................... 76
(xin xem thêm bảng tính Excel đính kèm) ................................................................ 77
3.3.5. Vẽ đồ thị công. ................................................................................................78
3.4. So sánh kết quả tính. ..........................................................................................81
3.5. Cải tạo hệ thống đánh lửa cho động cơ Hino EH100. .......................................83

3.5.1. Vấn đề đảm bảo hệ thống đánh lửa khi chuyển đổi. ......................................83
3.5.2. Hệ thống đánh lửa sau cải tạo trên động cơ Hino ...........................................84
3.5.2.1. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống đánh lửa thƣờng. .................84
3.5.2.2. Cải tạo hệ thống đánh lửa cho động cơ Hino EH100 ..................................86
3.5.2.3. Ƣu, nhƣợc điểm. ...........................................................................................87
3.5.2.4. Thay thế vòi phun bơm cao áp bằng bugi đánh lửa cho động cơ hino
EH1400......................................................................................................................87
3.6. Cải tạo hệ thống làm mát, hệ thống dẫn động phụ. ............................................89
3.6.1. Hệ thống làm mát bằng nƣớc một vòng hở: ................................................... 90
3.6.2. Tính toán hệ thống làm mát bằng nƣớc. ......................................................... 90
Chương 4. Thiết kế, chế tạo hệ thống cấp Gas cho động cơ HINO EH100 ..... 100
4.1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống thiết kế. .........................................100
4.1.1. Nguyên lý làm việc: ......................................................................................100
3


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

4.1.2. Sơ đồ hệ thống...............................................................................................100
4.2. Tính toán bộ hòa trộn đa năng..........................................................................101
4.2.1. Lý thuyết chung.............................................................................................101
4.2.2. Tính toán bộ hòa trộn. ...................................................................................103
4.2.2.1. Tính toán đƣờng cấp không khí cho bộ hòa trộn .......................................104
4.2.2.2. Tính toán cấp Biogas cho động cơ Hino EH100. ......................................107
4.2.2.3. Tính toán cấp LPG cho động cơ Hino EH100. ..........................................109
4.2.2.4. Tính thiết kế van tiết lƣu cấp Gas. .............................................................111
4.2.3. Xác định góc mở bƣớm ga ở 1 số chế độ làm việc của động cơ. ................113
4.2.3.1. Tính toán lƣu lƣợng không tải khi sử dụng Biogas hàm lƣợng CH4 65% 113
4.2.3.2. Tính toán lƣu lƣợng không tải khi sử dụng LPG hàm lƣợng Butane C4H10
50%; Propane C3H8 50% . .......................................................................................114

4.2.3.3. Tính ảnh hƣởng của thể tích nhiên liệu khí đến thể tích hòa khí nạp vào. 115
4.3. Khảo sát một số chi tiết hệ thống cấp. ...........................................................117
4.3.1. Đồng hồ đo lƣợng Gas lỏng trong b nh chứa: ...............................................117
4.3.2. Van nạp và van an toàn: ................................................................................117
4.3.3. Van xuất và van quá dòng: ............................................................................118
4.3.4. Van điện từ. ...................................................................................................119
4.3.5. Đƣờng ống dẫn Gas.......................................................................................119
4.3.6. Bộ hoá hơi , giảm áp. ....................................................................................120
4.4. Thiết kế bộ hóa hơi cho hệ thống cấp dùng bộ hòa trộn đa năng . ..................121
4.4.1. Yêu cầu bộ hóa hơi........................................................................................121
4.4.2. Tính toán thiết kế bộ hoá hơi. .......................................................................122
4.5. Thiết kế mạch điều khiển. ................................................................................128
4.5.1. Sơ đồ khối. ....................................................................................................128
4.5.2. Khối điều khiển trung tâm.............................................................................129
4.5.3. Các cảm biến sử dụng trong hệ thống điều khiển điện tử. ............................132
4.5.4. Sơ đồ thuật toán.............................................................................................134
4.5.5. Thiết kế mạch điều khiển. .............................................................................135
Chương 5. Gia công chế tạo các chi tiết, bộ phận của hệ thống cung cấp nhiên
liệu khí. ................................................................................................................... 139
4


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

5.1. Chọn chuẩn để gia công chi tiết. ...................................................................... 139
5.1.1. Chọn chuẩn thô. ............................................................................................ 139
5.1.1.1. Yêu cầu khi chọn chuẩn thô: ...................................................................... 139
5.1.1.2. Cần chú ý khi chọn chuẩn thô: ................................................................... 139
5.1.2. Chọn chuẩn tinh. ........................................................................................... 140
5.1.2.1. Yêu cầu khi chọn chuẩn tinh: ..................................................................... 140

5.1.2.2. Nguyên tắc khi chọn chuẩn tinh:................................................................ 140
5.2. Phƣơng án để gia công chế tạo......................................................................... 140
5.2.1. Bản vẽ các chi tiết cần chế tạo. ..................................................................... 140
5.2.2. Phƣơng án để gia công chế tạo...................................................................... 145
6. KẾT LUẬN. ....................................................................................................... 146
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO. ............................................................................... 147

5


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

LỜI NÓI ĐẦU
Trong chƣơng tr nh đào tạo của các trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà
Nẵng hiện nay, một số môn học chuyên ngành sau khi học xong phần lý thuyết sinh
viên sẽ phải làm đồ án môn học. Thông qua việc làm đồ án giúp sinh viên củng cố
lại kiến thức đã học và vận dụng để giải quyết một vấn đề cụ thể nào đó.Vào kỳ
cuối, những sinh viên nào đủ điều kiện sẽ đƣợc nhận đồ án tốt nghiệp. Đề tài tốt
nghiệp có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá năng lực của sinh viên và quyết
định sinh viên có đủ điều kiện tốt nghiệp hay không.
Là sinh viên năm cuối Khoa Cơ Khí Giao Thông – Trƣờng Đại học Bách
khoa, cũng nhƣ các bạn sinh viên khác trong trƣờng chúng em đã đƣợc các thầy cô
giáo cung cấp những kiến thức hết sức quan trọng về đại cƣơng cũng nhƣ chuyên
ngành để làm hành trang cho m nh sau này sẽ vận dụng vào công việc sau này. Sau
khi đƣợc xét đủ điều kiện nhận tốt nghiệp cùng với sự định hƣớng của Thầy giáo
TS. Dương Việt Dũng - ngƣời đã hƣớng dẫn chúng em tận t nh và xuyên suốt đợt
thực tập cũng nhƣ đề tài này – chúng em đã chọn cho m nh đề tài “Thiết kế, chế
tạo bộ hòa trộn đa năng sử dụng nhiên liệu khí”. Trong thời gian thực hiện đề tài
chúng em đã luôn luôn cố gắng vận dụng những kiến thức chuyên môn, sƣu tầm tài
liệu cùng với sự giúp đỡ của quý báu thầy TS. Phan Minh Đức trong quá trình tìm

tòi phân tích các tài liệu nƣớc ngoài…Cuối cùng chúng em cũng đã hoàn thành đề
tài của m nh. Mặc dù đề tài đã hoàn thành nhƣng sẽ còn một số vấn đề chƣa đƣợc
giải quyết triệt để. V vậy chúng em rất mong đƣợc sự chỉ bảo của các thầy cô để đề
tài có thể hoàn thành tốt hơn nữa !
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn và gửi lời chúc sức khỏe đến các
thầy cô giáo!
Sinh viên thực hiện:
Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2012
Nhóm sinh viên

6


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

Chương1. Tổng quan về vấn đề năng lượng và nhiên liệu khí trong nhu cầu sử
dụng nguồn năng lượng thay thế.
1.1. Mục đích, ý nghĩa của đề tài.
V sao phải chuyển đổi? thực tế trên thi trƣờng đã đƣợc sản xuất và thƣơng mại
hóa động cơ khí nhƣ hãng GE Energy,Úc có công suất 0,330†3MW hay hãng Jiman
Diesel Engine Co., Ltd_ Trung Quốc có công suất 150†660KW … các động cơ này
có giá thành rất cao so với động cơ dùng xăng, dầu cùng cỡ, đặc biệt các động cơ
này chỉ chạy đƣợc nhiên liệu khí, không chạy đƣợc nhiên liệu lỏng và đòi hỏi cao về
chất lƣợng, áp suất nhiên liệu… ngoài ra chuyển đổi cho phép tận dụng các động cơ
cũ giá thành thấp..
Một vấn đề đặt ra khi chuyển đổi động cơ sang dùng nhiên liệu khí dù là
chuyển đổi song song hay hoàn toàn là nguồn nhiên liệu có thành phần quy về CH4
thay đổi trong phạm vi rộng điều này gây ảnh hƣởng đến các tính năng kinh tế kỹ
thuật của động cơ nhất là nguồn nhiên liệu sinh học nhƣ Biogas và nếu chế tạo
nhiều bộ hòa trộn theo chất lƣợng Biogas và công suất động cơ th tốn kém và kéo

dài thời gian chuyển đổi. Khi thiết kế thƣờng ngƣời ta chọn % hàm lƣợng CH4 trung
b nh để tính toán bộ hòa trộn nhƣng rõ ràng khi làm việc th không đảm bảo cấp
đúng và đủ ứng với các chế độ làm việc của động cơ. V vậy, bộ hòa trộn đa năng
phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu của hệ thống cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ
cải tạo khi chế độ làm việc động cơ thay đổi và thời gian đáp ứng của hệ thống. Bài
toán đặt ra là % hàm lƣơng CH4 thay đổi ứng với 1 bƣớc điều chỉnh cơ khí hay điện
tử.
Nghiên cứu thiết kế bộ tạo hỗn hợp Gas - không khí bƣớc đầu để chạy động cơ
máy phát điện ở trại chăn nuôi, qua đó tận dụng đƣợc nguồn năng lƣợng tại chỗ.
Sử dụng nhiên liệu Gas để làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong sẽ làm giảm
mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO… góp phần thực hiện các công ƣớc quốc
tế về môi trƣờng mà Việt Nam đã cam kết tham gia.
T m ra một giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà hiện
nay chúng ta đang lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ loại nhiên liệu này.
1.2. Tổng quan về vấn đề năng lượng và nhiên liệu thay thế
1.2.1. Vấn đề năng lượng hiện nay.
Năng lƣợng là điều kiện tất yếu cho sự tồn tại và tiến hóa của mọi sinh vật.
Trong quá tr nh phát triển xã hội loài ngƣời nguồn năng lƣợng thƣờng xuyên
chuyển dịch từ dạng này sang dạng khác. Dạng năng lƣợng thiên nhiên đầu tiên
7


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

đƣợc con ngƣời sử dụng là năng lƣợng mặt trời, đƣợc sử dụng một cách tự nhiên để
soi sáng, sƣởi ấm, phơi khô lƣơng thực, thực phẩm và các đồ dùng. Tiếp đó là năng
lƣợng gỗ củi, rồi tới năng lƣợng nƣớc, gió, năng lƣợng kéo của gia súc, năng lƣợng
khai thác từ than đá ngự trị trong thế kỷ 18-19. Năng lƣợng dầu mỏ thay thế vị trí
của than đá trong thế kỷ 20 và từng bƣớc chia sẽ vai trò của m nh với năng lƣợng
hạt nhân. Các dạng năng lƣợng mới ít ô nhiễm nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng

nƣớc, năng lƣợng gió, thủy triều, năng lƣợng vi sinh vật với những phƣơng pháp
và phƣơng tiện công nghệ tiên tiến cũng đang mở rộng phạm vi hoạt động của
mình.
1.2.2. Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế.
Từ những năm 1849 - 1850, con ngƣời đã biết chƣng cất dầu mỏ để lấy ra dầu
hỏa, còn xăng là thành phần chƣng cất nhẹ hơn dầu hỏa th chƣa hề đƣợc sử dụng
đến và phải đem đổ đi một nơi thật xa. Lúc đó con ngƣời tạo ra dầu hỏa với mục
đích thắp sáng hoặc đun nấu đơn thuần. Nhƣng với sự tiến hóa của khoa học và kỹ
thuật, từ việc sử dụng những động cơ hơi nƣớc cồng kềnh và hiệu quả thấp, con
ngƣời đã t m cách để sử dụng xăng và dầu diezel cho động cơ đốt trong, loại động
cơ nhỏ gọn hơn nhƣng có hiệu quả cao hơn hẳn. Cùng với những khám phá khoa
học vĩ đại khác, sự phát minh ra động cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu diezel đã
thúc đẩy xã hội loài ngƣời đạt những bƣớc phát triển vƣợt bật, đem đến cuộc sống
ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng tỷ ngƣời trên thế giới.
Một xu hƣớng hiện nay, 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 nhƣ năng lƣợng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng, năng
lƣợng điện, khí sinh vật Biogas, năng lƣợng thủy điện...Việc chuyển dần sang sử
dụng các loại nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lƣợc trong chính
sách năng lƣợng của nhiều quốc gia phát triển.
1.3. Tổng quan về động cơ sử dụng nhiên liệu khí.
1.3.1. Tổng quan về nhiên liệu Khí sử dụng cho động cơ đốt trong.
1.3.1.1. Năng lượng khí sinh học.
1.3.1.1.1. Giới thiệu chung.
Việc sản xuất, sử dụng khí cần vốn đầu tƣ ít do tận dụng đƣợc nguồn có sẵn từ
trại chăn nuôi là chất thải hửu cơ của vật nuôi. Ƣu điểm của nguồn năng lƣợng này
là việc nó thay thế đƣợc các nguồn năng lƣợng khác nhau nhƣ: Than,củi, điện,

8

Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

nhiên liệu khí hoá lỏng và dẩu. Sau khi phân động vật đƣợc phân huỷ thì nó cho
chất lƣỡng hữu cơ giàu chất dinh dƣỡng và không có mùi đƣợc sử dụng để cải thiện
đất nông nghiệp tốt hơn phân bón tƣơi. Bên cạnh đó ngăn ngừa nạn chặt phá rừng
bảo vệ môi trƣờng. Chính vì vậy hiện nay, Biogas đƣợc sử dụng rộng rãi từ các
trang trại nhỏ đến các trang trại lớn. Để lắp đặt một hầm Biogas củng khá đơn giản
không đòi hỏi kỹ thuật cao và chi phí lắp đặt thấp vì vậy rất nhiều các hộ gia đ nh
chăn nuôi nhỏ và các trại chăn nuôi sử dụng Biogas cho các nhu cầu đun nấu, thắp
sáng.
1.3.1.1.2. Thành phần, tính chất khí Biogas tiêu chuẩn làm nhiên liệu
a. Methane (CH4):
+ Là chất khí không màu, không mùi, nhƣng khi đƣợc dùng trong công nghiệp,
nó thƣờng đƣợc trộn với etyl mecaptan đễ dễ phát hiện trong trƣờng hợp bị
rò rỉ.
+ Methane hoàn toàn không độc. Nguy hiểm đối với sức khỏe là nó có thể gây
bỏng nhiệt. Nó dễ cháy và có thể tác dụng với không khí tạo ra sản phẩm dễ
cháy nổ. Methane là một chất gây ngạt và có thể thay thế ôxy trong điều kiện
b nh thƣờng. Ngạt hơi có thể xảy ra nếu mật độ oxy hạ xuống dƣới 18%.
+ Methane là thành phần cháy chủ yếu của khí sinh học. Hàm lƣợng Methane
trong khí sinh học phụ thuộc vào loại nguyên liệu phân hủy và sự diễn biến
của các quá tr nh sinh học.
+ Methane cháy thành ngọn lửa màu lơ nhạt, tỏa nhiều nhiệt:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 882kJ
Bảng 1-1. Các tính chất vật lý của Methane.
Các tính chất vật lý

Methane (CH4)

Khối lƣợng phân tử (g/mol )

16,04

Nhiệt độ điểm sôi ( 0C )

-161,6

Nhiệt độ điểm chảy ( 0C )

-182,5

Nhiệt độ điểm bắt lửa ( 0C )

-188

Nhiệt độ tự bốc cháy ( 0C )

482 - 632

Nhiệt độ cháy tối đa ( 0C )

2148

9


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

Nhiệt độ điểm ba ở 0,117 bar ( 0C )

-182,3

Khả năng hòa tan trong nƣớc ở 17 0C ( mg/ml )

0,035

Khối lƣợng riêng ( kg/m3 )

0,717 (gas)-415 (liquid)

Nhiệt dung Cp ( kJ/ mol-0K )

0,035

Tỷ lệ Cp/Cv

1,305

Nhiệt cháy ( J/kg )

55,403

Giới hạn nổ ( % )

5-15

Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong không khí

0,0947 (V)/0,0581( m)

b. Cacbon dioxide (CO2):
Là chất khí không cháy, không màu, không mùi, nặng gấp khoảng 1,5 lần so
với không khí, ở dạng rắn còn gọi là băng khô. Điôxít cacbon lỏng chỉ đƣợc tạo ra ở
áp suất trên 5,1 atm và nhiệt độ -56,40C, ở điều kiện áp suất khí quyển, nó chuyển
trực tiếp từ pha khí sang pha rắn hay còn gọi là quá tr nh thăng hoa. CO2 có mặt
trong khí quyển trái đất với nồng độ thấp và tác động nhƣ một khí gây hiệu ứng nhà
kính. Nó là thành phần chính trong chu tr nh cacbon. Nếu khí này chiếm tỉ lệ cao
trong khí sinh học sẽ làm cho nhiệt trị Biogas giảm đi.
Bảng 1-2. Các tính chất vật lý của cacbon dioxide.
Các tính chất vật lý

Cacbon dioxide

Khối lƣợng phân tử (g/mol)

44,0095

Nhiệt độ điểm sôi (0C)

-78,5

Nhiệt độ điểm chảy ở 5,185 bar (0C)

-56,6

Khả năng hòa tan trong nƣớc ở 250C, 100 kPa (mg/ml)

1,45

Tỷ trọng

1,98 (gas)/1,6 (solid)

Độ nhớt ở -78 0C (cP)

0,07

c. Hydro sulfua (H2S):
Là chất khí dễ bắt cháy, có tính độc cao, nó có thể gây tổn thƣơng mắt ở nồng
độ 50 -100 ppm, gây kích thích mạnh hệ thần kinh trung ƣơng, gây ngạt thở và chết
ở nồng độ 530 -1000 ppm. Nó nặng hơn không khí, có mùi của “trứng thối” khiến
cho khí sinh học cũng trở nên có mùi khó chịu, giúp ta dễ dàng nhận thấy sự có mặt

10


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

của nó. H2S là nguyên nhân chủ yếu làm cho các bộ phận bằng kim loại của hệ
thống bị ăn mòn.

Bảng 1-3. Các tính chất vật lý của Hydro sulfua.
Hydro sunfide (H2S)
Khối lƣợng phân tử (g/mol )

34,082

Nhiệt độ điểm sôi ( 0C )

-60,28

Nhiệt độ điểm chảy ( 0C )

-82,3

Khả năng hòa tan trong nƣớc ở 40 0C ( mg/ml )

2,5

Khối lƣợng riêng ( kg/m3 )

1,363 (gas)

Giới hạn nổ ( % )

4,3 - 46

Nhiệt độ tự bốc cháy ( 0C )

250

Ngƣỡng mùi (ppb)

0,47

Giới hạn cho phép tiếp xúc trong 8h (ppm)

10

Giới hạn cho phép tiếp xúc trong 15 phút (ppm)

15

1.3.1.1.3. Tiêu chuẩn khí Biogas để làm nhiên liệu.
Biogas sau khi đƣợc xử lý có thể đƣợc sử dụng cho những mục đích giống nhƣ khí
tự nhiên.
Bảng 1-4. Tổng hợp công nghệ ứng dụng Biogas và những yêu cầu về chất lƣợng
khí sử dụng cho các ứng dụng khác.
Công nghệ
Đun nấu (Nồi hơi)

Yêu cầu xử lý
H2S<1000 ppm, Áp suất: 0.8-2.5 kPa, loại bỏ cặn
(Đối với bếp nấu: H2S < 10 ppm)
H2S<100 ppm, Áp suất: 0.8-2.5 kPa, loại bỏ cặn, siloxanes

Động cơ đốt trong

(Động cơ xăng dễ bị tổn hại đối với H2S hơn động cơ
diesel)

Microturbines

H2S đạt 70 ppm, Áp suất 520 kPa loại bỏ cặn, siloxanes

Fuel Cells

PEM: CO<10 ppm, loại bỏ H2S

11


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

PAFC: H2S<20 ppm, CO<10 ppm, Halogens< ppm
MCFC: H2S <10 ppm đối với nhiên liệu
H2S<0.5 ppm đối với stec, Halogens<1 ppm
SOFC: H2S<1 ppm, Halogens<1 ppm
Động cơ Stirling

H2S<1000 ppm, Áp suất: 1-14 kPa
-4

Nâng cấp thành khí tự H S<4 ppm, CH >95%, CO <2 % thể tích, H O<(1*10 )
2
4
2
2
3
nhiên
kg/mm , loại bỏ cặn, siloxanes, Áp suất >3000 kPa
Vấn đề đáng quan tâm và cần đƣợc nghiên cứu tiếp là làm sao có thể nâng cao
hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng do khí thải động gây ra. Ta biết
rằng trong Biogas có một lƣợng đáng kể hydrogen sulfide H2S (khoảng 10.000ppm
thậm chí sau khi qua các thiết bị xử lý vẫn còn khoảng (200 ÷ 400) ppm H2S) là một
khí rất độc tạo nên hỗn hợp nổ với không khí.
Khí Biogas đƣợc sử dụng làm nhiên liệu, khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết
của động cơ, sản phẩm cháy của nó là SOx cũng là một khí rất độc cho con ngƣời
(TCVN cho phép là 0,3mg/m3). Vì thế, hoàn thiện quá tr nh 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 lƣợng của các chất này không đƣợc
vƣợt quá mức cho phép.
Mặc dù không phải là chất chiếm nhiều trong Biogas nhƣ CO2, nhƣng hơi nƣớc
có thể có ảnh hƣởng đáng kể đến các đặc trƣng của quá tr nh cháy Biogas. Dù hàm
lƣợng nhỏ nhƣng hơi nƣớc đã ảnh hƣởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn
cháy, 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 lƣợng hơi nƣớc có trong Biogas.
Trƣớc khi đƣa vào động cơ, khí Biogas đƣợc dẫn qua b nh tách ẩm và b nh
điều hòa. Toàn bộ hệ thống thí nghiệm xử lý tạp chất trong khí Biogas qua hệ thống
lọc H2S và hấp thụ CO2.
1.3.1.2. Khí hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas).
Đặc điểm: Là nhiên liệu đƣợc tổng hợp từ sự tinh luyện dầu mỏ hoặc khí thiên
nhiên. Việc nghiên cứu sử dụng chúng cho động cơ đốt trong trên phƣơng tiện giao
thông vận tải đã bắt đầu trong những năm gần đây. Tuy việc áp dụng nhiên liệu này

12


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

trên ôtô cần những thiết bị cồng kềnh hơn nhiên liệu truyền thống nhƣng nó cho
phép giảm mức độ phát ô nhiễm.
Tính chất: LPG bay hơi ở nhiệt độ và áp suất b nh thƣờng. Với lý do này,
LPG đƣợc giữ trong những b nh thép áp lực. Để cho phép dãn nở của chất lỏng,
những b nh này không đƣợc nạp đầy hoàn toàn mà chúng đƣợc làm đầy vào khoảng
80% đến 85% thể tích của chúng. Tỷ số giữa thể tích khí bay hơi và khí lỏng phụ
thuộc vào thành phần cấu tạo, nhiệt độ và áp suất. Tuy nhiên nó vào khoảng 250 : 1.
Áp suất bay hơi ở nhiệt độ 30oC của propan thƣơng mại là từ 1 đến 1,2 MPa, của
butan thƣơng mại là 0,2 đến 0,4 MPa. Áp suất bay hơi của butan thƣơng mại quá

thấp nên ngƣời ta phải dùng đến bộ hóa hơi và bơm để làm tăng khả năng bay hơi
của nó.
Hiện thời, các hãng sản xuất ô tô nhƣ Citroen, Deawoo, Fiat, Ford, Hyundai,
Opel/Vauxhall, Peugoet, Renault, Saab, Toyota và Volvo đã có những mẫu xe chạy
hai nhiên liệu là LPG và xăng. Ở đó, xăng và LPG có thể dùng thay phiên nhau.
Bảng 1-5. Các tính chất của một số nhiên liệu khí.
Công
thức hóa
học

Khối lƣợng
riêng

Methane

CH4

Propan

Nhiệt trị(Mj/m3)
Thấp

Cao

Tỉ lệ
A/F

0,636

36

38

9,7

100

C3H8

1,771

89

94

24

32

Butane

C4H10

2,360

116

123

31

10

Cacbon
monoxit

CO

1,108

13

13

2,4

62

Hydro

H2

0,08

11

13

2,4

0

Khí thiên
nhiên

CH4/C2H/
CO2/C3H8
/N2/O2/H2

0,74

36

42

10

85

Loại khí

(Kg/m3)

Số mê
tan

(các giá trị [Kg/m3] đo tại 250 C, 1at) theo[20]
Bảng 1-6. Tiêu chuẩn khí hóa lỏng - LPG (tiêu chuẩn TC01 96/SP).
Tên tiêu chuẩn

Đơn vị

Mức qui định

Phƣơng pháp thử

1

Áp suất hơi ở 37,80C

Kpa

7101160

ASTMD1276

2

Tỉ trọng ở 15,60C

0,530,56

ASTMD1657

TT

13


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

Thành phần:
 Propan
3

 Butan
 Butan và các khí nặng
hơn

% thể tích

4363

% thể tích
% thể tích

5737
Max 2

ASTMD2163

4

Nhiệt độ bốc hơi 95%
thể tích ở 760mmHg

00C

Max 2,2

ASTMD1837

5

Nhiệt trị cao

Kcal/kg

Min 10,98

ASTMD2598

6

Hàm lƣợng lƣu huỳnh,
khối lƣợng

PPm

Max140

ASTMD2784

7

Thành phần cặn sau khi
bốc hơi 100ml

% thể tích

Max 0,05

ASTMD2158

8

Hydrogen Sulfide

Đạt

ASTMD2420

9

Nƣớc tự do

Không có

Cảm quan

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu khí có thể tính theo công thức Menđêlêep [4]:
QH = (12,8CO + 10,8H2 + 35,8CH4 + 56,0C2H2 + 59,5C2H4 +
+63,4C2H6 + 91C3H8 + 120C4H10 + 144C5H12)
(MJ/m3)
1.3.1.3. Khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas).
Đặc điểm: Khí thiên nhiên là khí đƣợc khai thác từ các mỏ khí có sẵn trong tự
nhiên. Thành phần chủ yếu: Metan (CH4) chiếm khoảng 80 † 90% tùy thuộc vào
nguồn khai thác, còn lại là các hidrocacbon khác nhƣ Ethane, propane…
Tính chất: Khí thiên nhiên nén (CNG): Khí thiên nhiên đƣợc nén ở áp suất
cao, các áp suất thƣờng sử dụng là 165,5 bar (2400 psi), 206,9 bar (3000 psi), 248,2

bar (3600 psi) chứa trong các b nh chứa cao áp mắc song song. Cùng một năng
lƣợng nhƣ nhau, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG có thể tích và khối lƣợng b nh chứa
nhỏ hơn khi nó ở dạng khí CNG (thƣờng tỷ lệ 1/3 đối với thể tích và 1/ 3,7 với khối
lƣợng).
CNG có thể sử dụng trên động cơ đốt trong (ĐCĐT) thay cho nhiên liệu xăng
và diesel, có thể sử dụng độc lập hay hỗn hợp đa nhiên liệu trên ĐCĐT. Trong thực
tế, các động cơ đốt trong hiện nay đều đƣợc thiết kế sử dụng nhiên liệu xăng hay
diesel, do đó việc sử dụng nhiên liệu CNG cho ĐCĐT th không phù hợp. Đặc điểm
chuyển đổi động cơ dùng CNG: động cơ diesel chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên
liệu khí thiên nhiên và diesel: đốt cháy hỗn hợp bằng sự tự cháy của lƣợng nhiên
liệu diesel phun mồi (từ 5% đến 25% lƣợng nhiên liệu định mức).
14


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

CNG có nhiệt trị cao (50,5 MJ/kg), áp suất nén cao (200kG/cm2) nên bình
chứa gọn, quãng đƣờng chạy một lần nạp nhiên liệu lớn. Tỷ trọng của CH4 nhỏ
bằng 0,5 không khí. Do đó, khi bị x hơi CH4, không đọng lại trên mặt đất mà sẽ
bay trong không khí. Do quá tr nh cháy của CNG có đặc điểm sạch hơn, nên ô tô sử
dụng động cơ CNG hoạt động hiệu quả hơn so với ô tô xăng, làm tăng tuổi thọ cho
ô tô. ở những ô tô làm vịêc nặng th động cơ sử dụng CNG sẽ it ồn hơn so với động
cơ diezel.
Mặc dù CNG là khí đốt, nhƣng phạm vi cháy hẹp, làm cho nó là nhiên liệu
an toàn, mức độ an toàn của ô tô CNG ngang hàng với ô tô xăng. Khi bị tràn ra
ngoài do tai nạn…th CNG không gây hại cho đất và nƣớc, nó không độc. khả năng
phân tán của CNG nhanh, giảm tối thiểu nguy hiểm cháy nổ liên quan đến xăng.
1.3.1.4. Nhiên liệu sinh khối
Nhiên liệu sinh khối đƣợc sử dụng ở Việt Nam cũng nhƣ ở các nƣớc khác trên
thế giới từ ngàn xƣa nhƣng chỉ với quy mô nhỏ, mang tính chất gia đ nh cho các

hoạt động đun nấu hoặc cũng có thể có trong sản xuất quy mô nhỏ. Việc sử dụng
nhiên liệu sinh khối dạng thô trong quy mô công nghiệp là khó khăn và ít có hiệu
quả kinh tế do nhiệt trị nhiên liệu thấp (15-18 MJ/kg đối với củi, gỗ và 12-15 MJ/kg
đối với trấu, rơm), khối lƣợng riêng thấp, nguồn cung thiếu tập trung dẫn đến việc
vận chuyển, khai thác và công nghệ sử dụng tƣơng đối khó khăn. Ở Việt Nam, việc
sử dụng nhiên liệu sinh khối trên quy mô công nghiệp chỉ có ở các nhà máy đƣờng,
nơi sản phẩm phế thải bã mía đƣợc sử dụng làm nhiên liệu cho việc phát nhiệt và
điện tại nhà máy, hoặc ở một số nhà máy giấy khi phế thải dịch đen trong quá tr nh
sản xuất cũng đƣợc sử dụng làm nhiên liệu cho lò hơi thu hồi nhiệt.
Sau hơn 10 năm nghiên cứu, các nhà khoa học thuộc Viện Cơ điện Nông
nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch đã bƣớc đầu hoàn chỉnh công nghệ sản xuất
điện từ các loại phế phụ phẩm nông nghiệp. Đây là một dây chuyền hiện đại với 6
bộ phận chính bao gồm: nồi hơi và lò đốt, tuốc bin hơi, máy phát, thiết bị trao đổi
nhiệt, máy sấy tầng sôi, máy sấy thấp. Nguyên lý làm việc của dây chuyền đƣợc
tiến hành qua các bƣớc sau: Nƣớc sạch từ hệ thống cấp nƣớc đƣợc đƣa vào bộ xử lý
nƣớc, rồi chảy vào bể chứa. Từ đây, hệ thống bơm sẽ cung cấp cho nồi hơi của hệ
thống đốt tầng sôi. Nhiên liệu đƣợc cung cấp cho nồi hơi bằng bộ phận cấp liệu. Lò
đốt tầng sôi làm việc tạo ra một nhiệt lƣợng cung cấp hơi nƣớc có áp suất cao, với
lƣu lƣợng nƣớc đạt 2.500 (kg/h) và kéo tuốc bin quay máy phát điện phát ra điện áp,
cung cấp cho nhà máy điện hoặc máy sấy.
15


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

Hiện nay, cty Cổ phần Chế tạo máy Dzĩ-An, B nh Dƣơng đangtriển khai dự án
xây dựng nhà máy nhiệt điện mini chạy bằng vỏ trấu và phế liệu nông nghiệp trên
cơ sở khí hóa nguyên liệu trấu thành khí ga làm nhiên liệu để chạy máy phát điện.
Đây là giải pháp thực tiễn nhất tiêu thụ vỏ trấu để sản xuất điện năng sạch cho các
vùng nông nghiệp ở Việt Nam cũng nhƣ các nƣớc nông nghiệp khác.

1.3.2. Một số đặc điểm đối với động cơ dùng nhiên liệu khí.
1.3.2.1. Kích nổ và tỉ số nén trên động cơ dual fuel.
Theo PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng [16] th :
Kích nổ là một trong những hiện tƣợng cháy bất thƣờng ở động cơ đốt trong.
Phần lớn các nghiên cứu đã nêu đều tập trung vào lĩnh vực kích nổ trong động cơ
đánh lửa cƣỡng bức dùng xăng… hoặc động cơ diesel dùng hai nhiên liệu mà khí
thiên nhiên, methane, ethane làm nhiên liệu cơ bản.
Vậy, các yếu tố ảnh hưởng đến giới hạn kích nổ trong động cơ hai nhiên liệu:
a. Ảnh hƣởng tỷ lệ nhiên liệu khí/nhiên liệu mồi trong động cơ hai nhiên liệu:
Phân tích kết quả nghiên cứu của Selim về giới hạn kích nổ và tính chất cháy
của động cơ hai nhiên liệu (dùng nhiên liệu mồi diesel; nhiên liệu cơ bản là khí
CH4, LPG và CNG) trên hình 1-1. Khi thay đổi tỉ lệ nhiên liệu khí sự biến đổi tải và
hiệu suất nhiệt đƣợc thể hiện ở h nh 1-1a và 1-1b, kết quả cho thấy, giá trị mômen
của động cơ tăng đồng biến với tỉ lệ nhiên liệu khí; nhƣng khi tỉ lệ này đạt trên 50%
th mômen động cơ đạt giá trị cực đại rồi nghịch biến, khi đó động cơ bị kích nổ.
Khi dùng LPG, động cơ bị kích nổ sớm hơn, v nhiệt độ tự cháy của LPG thấp hơn
nhiệt độ tự cháy của CNG và CH4. Tƣơng tự, áp suất cực đại và biến thiên áp suất
dp/dθ thay đổi khi tăng tỉ lệ nhiên liệu khí.
Khi tăng tải (giữ nguyên tốc độ động cơ, góc phun và lƣợng nhiên liệu mồi
diesel là không đổi) thời gian cháy trễ của nhiên liệu diesel giảm, do đó sự tự cháy
nhiên liệu khí xảy ra sớm hơn. Phản ứng cháy của nhiên liệu diesel sẽ làm giảm
lƣợng O2 tập trung trong buồng cháy nên khi lƣợng nhiên liệu khí tăng cũng sẽ ảnh
hƣởng đến thời gian cháy trễ. Khi tăng tải, hiệu suất nhiệt của động cơ cũng tăng.

16


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

Hình 1-1. Ảnh hưởng tỉ lệ nhiên liệu cơ bản và nhiên liệu mồi đến mômen, hiệu suất

động cơ, n=1300v/ph; góc phun sớm= 350; tỷ số nén=22
Hình 1-2 sau đây, giới thiệu hƣởng của chế độ tốc độ động cơ trong động
cơ hai nhiên liệu ứng với ba loại nhiên liệu cơ bản khác nhau khi cùng lƣợng
nhiên liệu diesel mồi. Khi tăng tốc độ động cơ, mô men động cơ tăng chậm, tiếng
ồn giảm (biến thiên áp suất (dP/dθ) giảm), điều này khác đối với động cơ chỉ dùng
nhiên liệu diesel.

Hình 1-2 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến hiệu suất nhiệt và tốc độ tăng áp suất.
b. Ảnh hƣởng thời điểm phun và loại nhiên liệu khí trong động cơ hai nhiên
liệu:
Thí nghiệm với ba loại nhiên liệu khí CH4, CNG và LPG cho thấy: Động cơ
bắt đầu kích nổ (khi mômen bắt đầu giảm) tại một thời điểm phun nhất định đối với
từng loại nhiên liệu khí khác nhau. Góc phun sớm khi bắt đầu xảy ra kích nổ đối với
LPG là lớn nhất.

17


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

Hình 1-3. Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu mồi
đến mômen và hiệu suất động cơ.
c. Ảnh hƣởng tỉ số nén động cơ và giới hạn kích nổ trong động cơ hai nhiên liệu.
Càng tăng tỷ lệ nhiên liệu LPG/nhiên liệu diesel, tỷ số nén càng cao càng dễ
xảy ra hiện tƣợng kích nổ, h nh 1-4. Do vậy đối động cơ có tỷ số nén cao khả năng
cung cấp nhiên liệu LPG càng giảm.

Hình 1-4. Ảnh hưởng của tỉ số nén, giới hạn kích nổ và cháy của nhiên liệu
LPG đến mômen động cơ.
1.3.2.2. Cải tạo tỷ số nén khi chuyển đổi sang động cơ dùng khí.

1.3.2.3. Vấn đề tăng tỉ số nén khi cải tạo động cơ xăng.
Tỷ số nén là một trong những thông số động lực học quan trọng, nó ảnh hƣởng
rất nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và công suất của động cơ. Về mặt lý thuyết mà nói
khi tăng tỉ số nén th công suất về kinh tế của động cơ sẽ tăng. Nhƣng trong thực tế
do không tránh khỏi tổn thất cơ giới tăng nên việc tăng tỉ số nén chỉ có lợi trong một
phạm vi nhất định. Đối với động cơ đốt cháy cƣỡng bức, giới hạn trên của tỉ số nén
đƣợc quy định bởi hiện tƣợng kích nổ và nó phụ thuộc vào tính chất chống kích nổ
của nhiên liệu mà đặc trƣng bằng chỉ số Octan. Trong những điều kiện nhƣ nhau

18


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

nhiên liệu có trị số Octan mà càng lớn th tỉ số nén chọn cho động cơ có thể càng
cao.
Do ta đã biết nhƣ trên nhiên liệu khí (quy về Metan - CH4) có chỉ số Octan cao
hơn xăng, do đó khi chuyển động cơ xăng sang dùng nhiên liệu khí chúng ta nên
tăng tỉ số nén của động cơ, tuy nhiên bao nhiêu là phù hợp, theo khuyên cáo thƣờng
tỉ số nén của động cơ Gas là 12 hoặc 13. Cũng nhƣ động cơ xăng, để nâng cao hiệu
quả của việc xử lí ô nhiễm bằng bộ xúc tác ba chức năng, bộ tạo hỗn hợp phải điều
chỉnh thành phần hỗn hợp α quanh giá trị cháy hoàn toàn lí thuyết.theo [9]
Tuy nhiên, chuyển đổi trên động cơ xăng thường ít được sử dụng mà chủ yếu
trên động cơ Diesel do không tận dụng được tỉ số nén của động cơ nguyên thủy.
1.3.2.4. Vấn đề giảm tỉ số nén trên động cơ Diesel khi chuyển đổi.
Không khí của quá tr nh nén của động cơ Diesel đòi hỏi phải đƣợc nén ở áp
suất thấp và nhiệt độ rất cao để cuối quá tr nh nén (Tc =700 -1050[K] ) khi phun
nhiên liệu vào th hỗn hợp có thể tự bốc cháy. Do đó động cơ Diesel có tỉ số nén cao
hơn các động cơ khác. Việc nén động cơ gas không nên đạt tới mức độ có thể sinh
ra hiện tƣợng hỗn hợp khí công tác tự bốc cháy v sẽ gây ra cháy kích nổ của nhiên

liệu. Do đó khi cải tiến động cơ Diesel sang sử dụng khí nhiên liệu, chúng ta nên
giảm tỉ số nén. Mà ta có Vh 

 .D 2
4

.S là một giá trị không đổi, do đó muốn thay đổi

th phải thay đổi Vc. Cụ thể để giảm tỷ số nén của động cơ sẽ phải tăng thể tích
buồng cháy. Có hai phƣơng án để tăng thể tích buồng cháy động cơ:
- Tăng độ dày của “roăng” nắp máy: thay bằng “roăng” có độ dày lớn hơn
để có đƣợc thể tích buồng cháy cần thiết. Phƣơng án này không chủ động trong việc
lựa chon kích thƣớc “roăng” cho phù hợp, nếu cần th phải làm giảm độ dày của
roan mới do đó không đảm bảo độ kín khít.
- Tiện bớt độ dày của đỉnh piston: phƣơng pháp tốt nhất là chúng ta thay đổi
h nh dạng đỉnh piston bằng cách gia công thêm trên đỉnh piston động cơ có độ sâu
hơn ban đầu hay làm thể tích phần lõm trên đỉnh lớn hơn. Nhƣng việc gia công này
tùy thuộc vào cấu tạo của piston và tùy thuộc vào tính chất quét khí của động cơ,
tính toán để tiện bớt đầu piston một đoạn cho phù hợp với giá trị cần thiết. Phƣơng
án này th chủ động hơn trong việc tính toán, ngoai ra cũng phải chú ý độ bền của
piston
Ngoài ra, nếu động cơ Diesel sử dụng buồng cháy phụ mà buồng cháy phụ có
thể tháo riêng khỏi nắp máy. Thể tích tăng lên là thể tích mà phần bề dầy của cốc
19


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

chiếm chỗ. Để chủ động trong việc thực nghiệm ta sử dụng phƣơng án này, tháo bỏ
buồng cháy phụ. Phƣơng án này tiện cho việc làm tăng thể tích Vc.

1.3.2.5. Ảnh hưởng của thể tích nhiên liệu khí đến lượng khí nạp.
Ở chế độ sử dụng xăng th xăng đƣợc phun dạng sƣơng nhƣng vẫn ở thể lỏng
v vậy chiếm thể tích rất bé trong thành phần hòa khí vào buồng cháy. Tuy nhiên
khi động cơ sử dụng LPG và phun ở thể khí th do chất khí có khối lƣợng riêng rất
bé cho nên để đảm bảo đốt hết với lƣợng không khí nạp vào th thể tích khí ga là lớn
hơn rất nhiều so với thể tích nhiên liệu lỏng. Chính v vậy ta cần xác định mức độ
ảnh hƣởng của phần thể tích khí ga phun vào. Hiệu chỉnh tỷ lệ A/F nhƣ mục
[4.2.3.3]
1.3.2.6. Vấn đề đảm bảo công suất, số vòng quay, rung động khi lắp đặt bộ
chuyển đổi Diesel / Gas.
Động cơ Diesel là một loại động cơ đốt trong, tức là một loại động cơ nhiệt
tạo ra công cơ học bằng cách đốt cháy nhiên liệu bên trong động cơ. Hỗn hợp không
khí và nhiên liệu đƣợc đốt trong xy lanh. Khi đốt cháy nhiệt độ tăng, làm cho khí
đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên piston, đẩy piston di chuyển và sinh công
cơ học. Nhƣ vậy, quy đổi về mặt năng lƣợng th công suất có ích của động cơ Ne =
nhiệt lƣợng hữu ích Qe sinh ra bởi việc đốt cháy nhiên liệu.
Phƣơng tr nh cân bằng nhiệt ĐCĐT (động cơ đốt trong) có dạng tổng quát nhƣ sau:
Q0 = Qe + Qm + Qx + Qkh + Qmt
(1-1)
Trong đó:
Q0 - tổng số nhiệt đƣa vào động cơ trong một đơn vị thời gian, [J/s]
Qm - tổn thất nhiệt do làm mát, [J/s]
Qkh - tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn, [J/s]
Qmt - tổn thất nhiệt cho môi trƣờng xung quanh do bức xạ, đối lƣu và
những tổn thất khác không thuộc các thành phần kể trên, [J/s]
Vấn đề đảm bảo công suất.
V không can thiệp vào kết cấu động cơ nên các tổn thất có thể giả sử là nhƣ
nhau (trên thực tế động cơ lắp bộ chuyển đổi sẽ cháy nhiên liệu rất triệt để nên Qkh
sẽ giảm). Do đó, để đảm bảo công suất động cơ nhƣ nhau th QT sau khi lắp bộ
chuyển đổi phải nhƣ nhau.

20


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

Q0 

ge.Qtk
[ J / s]
3,6

ge

- lƣợng tiêu thụ nhiên liệu giờ [kg/h];

(1-2)

Qtk - nhiệt trị thấp của nhiên liệu [kJ/kg];
Đối với động cơ sử dụng hỗn hợp Diesel/Gas:

Q0 





1
g e ( diesel) Q_ tk Diesel  g e (Gas) Q_ tk Gas J / s 
3,6

(1-3)

(Trong đó, nhiệt trị thấp Qtk là hằng số đối với cùng 1 nguồn nhiên liệu)
Nhƣ vậy, với nguyên tắc này dù cho loại gas nào sử dụng cùng với Diesel đi
chăng nữa th việc đảm bảo công suất nhƣ khi sử dụng 100% Diesel chỉ nằm ở việc
điều chỉnh lƣợng nhiên liệu tiêu thụ của mỗi loại để duy tr Q0 không đổi, tức không
đổi công suất.
Tất nhiên việc điều chỉnh tỷ lệ này sẽ theo hƣớng giảm tối thiểu lƣợng Diesel
cung cấp đến mức có thể. Tuy nhiên, nếu lƣợng Gas (fuel) đƣa vào quá lớn sẽ dễ
dẫn đến kích nổ nên tỷ lệ Gas thƣờng khống chế ở giới hạn 80% tống nhiên liệu tiêu
thụ.
Vấn đề đảm bảo tốc độ.
Tƣơng tự nhƣ vậy, tốc độ động cơ thực chất là tốc độ quay của trục khuỷu với
năng lƣợng cung cấp là hành tr nh di chuyển của Piston, mà nguyên nhân cốt lõi là
do tác dụng của nhiệt lƣợng Q0. Do vậy, để tốc độ động cơ sẽ không đổi chỉ là việc
điều khiển đảm bảo Q0 không khác nhƣ khi sử dụng 100% Diesel.
Vấn đề độ rung.
Về độ rung phát sinh thêm (nếu có) của động cơ sau khi lắp bộ chuyển đổi chỉ
là độ rung do hiện tƣợng cháy kích nổ gây ra. Do vậy, nếu việc kiểm soát tỷ lệ Fuel
Gas phù hợp th cháy kích nổ sẽ không xảy ra và độ rung phát sinh thêm sẽ không
có

21


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

Chương 2. Phân tích các phương án cấp nhiên liệu khí trên động cơ đốt trong
hiện nay

2.1. Yêu cầu của hệ thống cấp nhiên liệu khí chuyển đổi.
Chuẩn bị và cung cấp hỗn hợp nhiên liệu khí và không khí cho động cơ, đảm
bảo về chất và lƣợng phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. Đảm bảo tốc
độ động cơ ổn định. Tải bên ngoài thƣờng thay đổi đột ngột v vậy động cơ cần phát
ra momen đủ lớn và tức thời để thích nghi với chế độ tải.
Đảm bảo sự hòa trộn tốt hỗn hợp nhiên liệu khí - Không khí. Việc định lƣợng
chính xác nhiên liệu cung cấp ở mỗi chế độ làm việc của động cơ khí khó thực hiện.
Mặt khác, khi động cơ hoạt động, thành phần hỗn hợp giữa các cylindre cần phải
đồng đều và tổn thất trên đƣờng nạp cần phải giảm đến mức thấp nhất... V vậy hệ
thống nạp của động cơ dùng nhiên liệu khí đòi hỏi những kĩ thuật phức tạp.
Không làm thay đổi lớn với kết cấu của nguyên thủy của động cơ.
Với các nhiên liệu thƣờng “nghèo” nhƣ Biogas, áp suất cấp không ổn định v
vậy cần quan tâm đến vấn đề tụt công suất khi chuyển đổi và đảm bảo độ tin cậy
động cơ khi khởi động.
2.2. Các hình thức cung cấp nhiên liệu khí trên động cơ đốt trong.
2.2.1. Phương án cấp sử dụng bộ hòa trộn.
2.2.1.1. Đối với động cơ dùng lưỡng nhiên liệu.
2.2.1.1.1. Hệ thống lưỡng nhiên liệu Xăng - LPG kiểu hòa trộn khí
Hình 2-1 giới thiệu về hệ thống lƣỡng nhiên liệu Xăng - LPG kiểu hòa trộn khí
Quá trình làm việc của hệ thống cung cấp nhiên liệu dùng LPG kiểu hòa trộn
khí đối với động cơ cỡ lớn là một quá tr nh phức tạp bao gồm quá tr nh chuẩn bị khí
hỗn hợp giữa không khí và gas trong bộ giảm áp, lƣu động của dòng khí qua bộ trộn
khí, vận động của dòng nhiên liệu trong các đƣờng ống và qua các ziclơ của bộ
giảm áp, lƣu động của khí gas ra khỏi vòi phun.
Sơ đồ hệ thống:

22


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

Hình 2-1. Sơ đồ hệ thống lưỡng nhiên liệu Xăng - LPG kiểu hòa trộn khí.
1- B nh chứa nhiên liệu LPG; 2- Đƣờng nạp LPG; 3- B nh ăc qui; 4- Công tắc; 5Van điện từ LPG; 6- Đƣờng nƣớc ra; 7- Đƣờng nƣớc vào; 8- Bộ hóa hơi giãn nở; 9Van tiết lƣu; 10- Bƣớm gió; 11- Bƣớm ga; 12- Bộ chế hòa khí; 13- B nh chứa nhiên
liệu xăng; 14- Van điện từ xăng; 15- Đƣờng LPG ra.
Nguyên lý hoạt động:
Khi khởi động động cơ, công tắc (4) đóng lại đƣa từ b nh ắc quy (3) vào van
điện từ (đây là van đóng mở nhiên liệu LPG) khi đó dòng nhiên liệu LPG từ b nh
chứa có áp suất cao, dƣới áp suất của bản thân nó tự chảy từ b nh chứa qua van điện
từ vào bộ hóa hơi giãn nở (8) tại đây khí hóa lỏng bay hơi trở thành dạng khí và áp
suất của dạng khí giảm xuống.
Nhiệt lƣợng cần thiết cho quá tr nh bay hơi đƣợc cung cấp nhờ hệ thống nƣớc
làm mát của động cơ nhiệt độ của nƣớc làm mát là khoảng 80oC. Sau đó nhiên liệu
qua van tiết lƣu, chức năng của van này là cung cấp lƣợng nhiên liệu phù hợp với
mọi chế độ làm việc của động cơ từ không tải đến toàn tải.
Nhiên liệu tiếp tục đi vào bộ hòa trộn ở đó nhiên liệu hòa trộn với không khí
để tạo thành hỗn hợp cháy đồng nhất, thành phần hỗn hợp nhiên liệu phụ thuộc vào
vị trí của bƣớm ga (mở nhiều hay ít).
Nếu động cơ muốn chuyển từ chế độ LPG sang chế độ chạy xăng th ta chỉ
thay đổi bằng cách điều khiển công tắc LPG xăng qua chế độ sử dụng nhiên liệu
xăng. Khi đó dòng nhiên liệu LPG bị ngắt và động cơ hoạt động ở chế độ xăng. Về
nguyên lý hoạt động, cũng nhƣ quá tr nh hòa trộn giống nhƣ động cơ xăng nguyên
thủy.

23


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

2.2.1.1.2. Hệ thống lưỡng nhiên liệu Diesel+ Biogas dùng bộ hòa trộn điều
khiển van cấp khí bằng cơ khí.

10

12

11

13

14

9
8
7

6
4

5

1

2

3
.
Hình 2-2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp Khí điều khiển bằng cơ khí
1- Puly điều tốc; 2- quả văng; 3- khớp trƣợt; 4- lò xo; 5-cần đẩy; 6- lò xo điều tốc;
7- cần; 8- Van cung cấp; 9-đƣờng nạp;10- bộ hoà trộn;
- Van cung câp: Điều khiển lƣợng nhiên liệu cấp vào động cơ.

- Lò xo: Tạo lực đàn hồi cân bằng với lực ly tâm của quả văng.
- Quả văng bộ điều tốc: Tạo lực ly tâm, cảm nhận sự thay đổi tốc độ động cơ.
- Puly của bộ điều tốc: Truyền chuyển động từ puli trục khuỷu đến bộ điều tốc
- Họng khuếch tán: Nâng cao chất lƣợng hoà trộn.
Nguyên lý làm việc: Sau khi khởi động động cơ, điều chỉnh thanh răng về vị
trí cung cấp nhiên liêu Diesel tối thiểu tƣơng đƣơng với lƣợng Diesel khi động cơ
chạy ở chế độ không tải ổn định. Mỗi vị trí của lò xo (4) tƣơng ứng với một tốc độ
nhất định của động cơ. Khi tải bên ngoài của động cơ tăng làm giảm tốc độ quay
của trục khuỷu đồng thời làm giảm lực ly tâm của quả văng (2) lúc này lực lò xo sẽ
thắng lực ly tâm và kéo van tiết van tiết lƣu về phía cấp NL khí nhiều hơn cho động
cơ. Khi tải bên ngoài giảm xuống, tốc độ của động cơ tăng lên th lực ly tâm của
quả văng sẽ thắng lực lò xo (4) đẩy kim van tiết lƣu dịch chuyển về phía giảm tiết
diện lƣu thông NL khí, giảm lƣợng Khí cấp cho động cơ. Việc điểu chỉnh công suất
đƣợc thực hiện bằng cách điều chỉnh lƣợng NL khí nạp vào xilanh động cơ, còn
lƣợng nhiên liệu Diesel vẫn giữ cố định trong suốt quá tr nh hoạt động của động cơ
nhờ cơ cấu điều chỉnh.
24


Thiết kế, chế tạo bộ hòa trộn đa chức năng sử dụng nhiên liệu khí

Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, thuận tiện cho gia công lắp đặt.Kết cấu
đường nạp ít thay đổi. Giá thành phù hợp, tuổi thọ cao.
Nhược điểm: Chất lƣợng hoà khí chƣa tốt. Quá tr nh điều khiển chƣa tối ƣu, độ trễ
lớn.
2.2.1.2. Động cơ sử dụng hoàn toàn nhiên liệu khí.

2.2.1.2.1. Sử dụng bộ hòa trộn kết hợp van tiết lưu.

Hình 2-3. Sơ đồ cung cấp CNG cho động cơ xăng sử dụng bộ hoà trộn
kết hợp với van tiết lưu điện từ.
Khi bật khoá điện, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ
mở ra cho Gas nén từ b nh chứa áp suất cao đến bộ giảm áp, tại bộ giảm áp áp suất
nhiên liệu đƣợc giảm xuống giá trị làm việc, sau đó nhiên liệu đƣợc qua bộ lọc áp
suất thấp trƣớc khi đi vào van tiết lƣu, van tiết lƣu đựơc điều khiển tự động bởi bộ
vi xử lý chuyên dụng, lƣu lƣợng Gas cung cấp đƣợc khống chế bởi bộ giảm áp, tiết
diện lƣu thông của van tiết lƣu và độ chân không ở ống venturi, tiết diện lƣu thông
của van tiết lƣu đƣợc điều khiển tƣơng ứng với phần trăm vị trí bƣớm ga thông qua
cảm biến vị trí bƣớm ga. Nhiên liệu đi vào bộ hỗn hợp hoà trộn với không khí tạo
thành hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng cháy.

25