Thiết kế chế tạo bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen cho động cơ Diesel cỡ nhỏ.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHỤ KIỆN CUNG CẤP
NHIÊN LIỆU BIOGAS – HYDROGEN CHO

C
C
R
UT.L

ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ

D

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 85.20.11.6

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng- Năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ MINH ĐỨC

Phản biện 1: PGS.TS. TRẦN THANH HẢI TÙNG

C
C
R
UT.L

Phản biện 2: TS. PHÙNG XUÂN THỌ

D

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm

Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực họp tại trường
Đại học Bách khoa vào ngày 30 tháng 05 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu và truyền thông, trường Đại học Bách khoa Đại
học Đà Nẵng
- Thư viện Khoa Cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã gây ơ nhiễm nặng nề
bầu khí quyển. CO2, sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch là chất
khí gây hiệu ứng nhà kính, thủ phạm chính làm tăng nhiệt độ mặt đất
dẫn đến tình trạng biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng, đe dọa
cuộc sống của nhân loại. Mặt khác nguồn nhiên liệu hóa thạch trong
lịng đất có giới hạn. Sự khai thác cường độ cao trong những thập

niên gần đây đã làm cho nguồn năng lượng này cạn kiệt nhanh
chóng. Sự gia tăng giá dầu mỏ trong thời gian gần đây đã phản ảnh
thực trạng này. Khả năng tìm thấy nguồn dầu mỏ lớn có thể khai thác
thương mại như trong quá khứ hầu như khơng cịn hy vọng.
Khí sinh học (biogas) được sản xuất bởi q 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 trị 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 trị là nhiên
liệu khơng làm tăng khí nhà kính cho bầu khí quyển.
Biogas là nguồn năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng
lượng mặt trời nên việc sử dụng nó khơng làm tăng nồng độ CO2
trong khí quyển. Biogas đã và đang được phát triển mạnh từ các nước
đang phát triển đến các nước phát triển. Trong lĩnh vực động cơ đốt
trong, hiện nay một số quốc gia trên thế giới đã sản xuất và thương
mại hóa các động cơ biogas chuyên dụng. Tuy nhiên, các động cơ
này thường có giá thành cao hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng
xăng dầu truyền thống. Bên cạnh đó, nhiên liệu biogas sử dụng cho
những động cơ này phải thỏa mãn một số điều kiện như thành phần
nhiên liệu, áp suất cung cấp… và chỉ chạy được bằng biogas, không
chạy được bằng nhiên liệu lỏng.
Mặt khác, những động cơ biogas đơn giản, cỡ nhỏ thì làm
việc không tin cậy và không phù hợp với nguồn biogas đa dạng. Do
những tồn tại trên đây nên động cơ biogas cho đến nay chưa được
ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Để thỏa mãn nhu cầu đa dạng của việc ứng dụng biogas trên
động cơ đốt trong, giải pháp công nghệ chuyển đổi động cơ truyền

D

C
C
R
UT.L


2
thống sang sử dụng biogas cần thỏa mãn các điều kiện sau: mang tính
vạn năng cao; khi chuyển đổi động cơ sang chạy bằng biogas, bản
chất q trình cơng tác và kết cấu của các hệ thống động cơ nguyên
thủy không thay đổi, nghĩa là khi không chạy bằng biogas, động cơ
có thể sử dụng lại xăng/dầu như trước khi chuyển đổi; các bộ phụ
kiện chuyển đổi nhiên liệu cho động cơ sang chạy bằng biogas phải
có độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành, giá thành thấp, phù hợp với
điều kiện sử dụng ở vùng nông thôn, trang trại...
Vì vậy đề tài “Thiết kế chế tạo bộ phụ kiện cung cấp nhiên
liệu biogas-hydrogen cho động cơ Diesel cỡ nhỏ” mang nhiều ý
nghĩa khoa học lẫn tính thực tiễn cao.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Thực hiện nghiên cứu cơ bản về quá hòa trộn và cung cấp
nhiên liệu cho động cơ dual fuel Biogas-Diesel. Thiết kế chế tạo bộ
phụ kiện cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen cho động cơ Diesel cỡ
nhỏ. Ngồi mục đích giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường, làm phong phú
nguồn nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong, luận văn cịn hướng tới
mục đích sử dụng rộng rãi hơn nguồn nhiên liệu sinh học thay thế
này cho động cơ đốt trong một cách hiệu quả.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel cỡ nhỏ 1 xy lanh tên

động cơ .
- Phạm vi nghiên cứu: Động cơ diesel 1 xilanh lắp trên cụm
động cơ máy phát điện, công suất2- 4kW.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết mơ hình hóa để xác định các thông số
tối ưu của hệ thống thiết kế bổ sung.
Nghiên cứu lý thuyết và mơ hình hóa: Nghiên cứu dòng chảy
rối của hỗn hợp biogas-hydrogen qua bộ phụ kiện cung cấp nhiên
liệu để xác lập đường đặc tính bộ tạo hỗn hợp và lựa chọn phương án
thiết kế chế tạo nhằm nâng cao tính năng kinh tế-kỹ thuật của động
cơ tĩnh tại.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết, mơ hình hóa và thực
nghiệm, bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen sẽ được
dung để nghiên cứu lắp đặt cho động cơ diesel 1 xilanh lắp trên cụm
động cơ-máy phát điện, công suất2-4kW.

D

C
C
R
UT.L


3
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 của 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: Tổng quan
Tình hình ơ nhiễm mơi trường và sự cần thiết phải có nguồn
nhiên liệu thay thế; tình hình ứng dụng hỗn hợp nhiên liệu biogas –
diesel cho động cơ ở Việt Nam và thế giới.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết sử dụng nhiện Biogas – Hydrogen
cho động cơ Diesel.
Chương 3: Tính tốn thiết kế bộ cung cấp Biogas –
Hydrogen cho động cơ
So sánh các phương án cung cấp hỗn hợp và Thiết kế, tính
tốn bộ phụ kiễn cung cấp cho động cơ.

C
C
R
UT.L

D

Chương 4: Mơ phỏng dịng chảy khơng khí và hỗn hợp
Biogas - Hydrogen vào động cơ.
Kết luận và hướng phát triển đề tài.


4
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG
Trong những thập niên gần đây, sự tăng trưởng kinh tế ở các
nước đang phát triển đã kéo theo sự tăng nhanh của các phương tiện
giao thơng cơ giới. Điều đó, đặt ra hàng loạt vấn đề về kinh tế - xã
hội, an ninh năng lượng và môi trường đối với các nhà quản lý, các
nhà nghiên cứu cũng như các nhà hoạch định chiến lược phát triển
kinh tế - xã hội trong lĩnh vực giao thông vận tải. Đặc biệt, trong tình
hình nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và sự biến đổi khí
hậu trái đất đang trở thành hiểm họa đối với lồi người thì vấn đề nêu
trên càng trở nên cấp thiết. Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô
nhiễm môi trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ và
ô tô, vừa là động lực cho các cơng trình nghiên cứu về các vấn đề
liên quan đến năng lượng và môi trường [1], [4], [5], [6], [25], [62].
Trước tình hình nguồn nhiên liệu hóa thạch đang lâm vào
khủng hoảng vì cạn kiệt và vấn đề ô nhiễm môi trường đang trở nên
ngày một trầm trọng, để giảm nồng độ các chất ô nhiễm từ khí xả
động cơ của phương tiện giao thơng cơ giới, những xu hướng nghiên
cứu chính hiện nay có thể tóm tắt như sau:
- Sử dụng năng lượng điện để chạy ô tô, xe gắn máy: Mức độ
giảm ô nhiễm môi trường do sử dụng năng lượng điện để chạy ô tô,
xe gắn máy phụ thuộc vào nguồn năng lượng dùng để sản xuất điện
năng. Nếu sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch để sản xuất điện
rồi nạp vào ắc quy để cung cấp cho ô tô, xe gắn máy thì mức độ gây
ơ nhiễm nói chung khơng giảm mà còn tăng [25]. Mặt khác, sử dụng
năng lượng điện để chạy ơ tơ, xe gắn máy cịn vướng một trở ngại
quan trọng là khả năng tích trữ điện năng của ắc quy có giới hạn
khiến cho phạm vi hoạt động độc lập của phương tiện bị rút ngắn. Sử
dụng năng lượng điện mặt trời để vận hành động cơ là giải pháp lý
tưởng. Tuy nhiên hiện nay giải pháp này ngồi trở ngại về ắc quy như

vừa nêu cịn có những hạn chế bởi hiệu suất thu năng lượng của pin
mặt trời và khơng gian bố trí chúng trên phương tiện giao thông cơ
giới.
- Ứng dụng kỹ thuật mới trên động cơ đốt trong: Áp dụng các
tiến bộ mới trong lĩnh vực điện tử và công nghệ thông tin để điều
khiển các quá trình làm việc của động cơ đã làm nâng cao đáng kể

D

C
C
R
UT.L


5
tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ đốt trong. Các hệ thống mới
trên động cơ hiện đại như hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện
tử, hệ thống tuần hồn khí thải (Exhaust Gas Recirculation - EGR),...
đã cho phép tối ưu hóa q trình cơng tác của động cơ dẫn đến làm
giảm mức độ phát sinh khí thải gây ơ nhiễm [4], [25], [26]. Thêm vào
đó, các kỹ thuật tạo hỗn hợp như phun xăng trực tiếp trong buồng
cháy, tạo hỗn hợp phân lớp,... cho phép động cơ xăng làm việc với
hỗn hợp nghèo dẫn đến làm tăng hiệu suất và giảm ô nhiễm [22],
[26]. Về kỹ thuật xử lý khí thải trên đường xả, lọc bồ hóng và ống xả
lắp bộ xúc tác ba chức năng được xem là biện pháp hữu hiệu nhằm
tiếp tục loại trừ những chất ơ nhiễm cịn lại trong khí xả.
- Sử dụng các loại nhiên liệu “sạch” ít gây ơ nhiễm và có thể
tái tạo: Trong trường hợp này, các nhà khoa học quan tâm nhiều đến
các loại nhiên liệu thể khí như khí hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng

(LPG), khí thiên nhiên (NG), đặc biệt là nhiên liệu tái tạo khí sinh
học biogas [25], [36]. Sử dụng các loại nhiên liệu sạch góp phần đa
dạng hóa nguồn nhiên liệu cho các phương tiện giao thông cơ giới và
giảm ô nhiễm mơi trường.
1.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI CĨ NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY
THẾ
1.3. CÁC LOẠI NĂNG LƯỢNG, ƯU THẾ CỦA NHIÊN LIỆU
BIOGAS
1.3.1. Các loại năng lượng
1.3.1.1. Năng lượng mặt trời.
1.3.1.2. Năng lượng gió
1.3.1.3. Năng lượng địa năng.
1.3.1.4. Thuỷ điện và thuỷ điện nhỏ.
1.3.1.5. Năng lượng hạt nhân.
1.3.1.6. Nguồn năng lượng khác.
1.3.2. Ưu thế của nhiên liệu Biogas
1.4. TIÊU CHUẨN ĐỐI VỚI KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ NHIÊN
LIỆU THAY THẾ
1.4.1. Nhiệt trị cháy (Heating Value-HV)
1.4.2. Tỷ trọng tiêu chuẩn (Specific Gravity – SG)
1.4.3. Chỉ số Wobbe (Wobbe Index)
1.4.4. Chỉ số methane (Methane Number)
1.5. NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG

D

C
C
R

UT.L


6
1.5.1. Tính chất của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ
đốt trong
1.5.2. Yêu cầu của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt
trong
1.6. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN
LIỆU BIOGAS - HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
1.6.1. Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu biogas - hydrogen
động cơ diesel trên thế giới
1.6.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu biogas - hydrogen
động cơ diesel ở Việt Nam
1.7. NHẬN XÉT
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS –
HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
2.1. TÍNH CHẤT LÝ HĨA CỦA KHÍ HYDROGEN

C
C
R
UT.L

Hydro là ngun 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 khơng màu, không mùi, nhị nguyên tử (phân
tử), H2 dễ bắt cháy, có hóa trị 1, có nhiệt độ sơi 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 khơng khí. Hydrogen khi cháy trong khơng 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 ngơi 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.

D


7
2.2. TÍNH CHẤT LÝ, HỐ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS
2.2.1. Thành phần chủ yếu của Biogas [3]
Biogas từ các nguồn khác nhau thì có chất lượng khác nhau và
phụ thuộc vào một số yếu tố nhất định. Thành phần của Biogas phụ
thuộc vào loại chất thải bị phân huỷ, độ dài của thời gian lưu trong đó
chất thải trải qua quá trình phân huỷ. Biogas sinh ra từ quá trình phân
huỷ kỵ khí là hổn hợp của nhiều loại khí. Hổn hợp này thông thường
bao gồm 60-70% CH4, 30-40% CO2, và ít hơn 1% Hydrogen sulfide
(H2S)[3]. Hàm lượng H2S nói chung vào khoảng từ 100 đến
2000ppm. Thỉnh thoảng củng gặp trường hợp nhỏ hơn 2ppm và cao
hơn 8000 ppm. Lượng vết Nitrogen (đến 10%), Hydrogen (đến 5%),

Oxygen và các thành phần khác củng có thể có mặt với nồng độ khác
nhau. Tuy nhiên, do hàm lượng của chúng quá nhỏ, nên chúng rất
khó phát hiện và thường khơng quan trọng. Biogas sau khi qua lọc
thành phần gồm 70-90% CH4, 9-29% CO2[3].
2.2.2.Tính chất của Biogas
2.2.3. Nhiệt trị của Biogas
Methame tinh khiết có nhiệt trị thấp khoảng (8115.2 Kcal/m3).
Do Biogas chứa khoảng 70-90% Methame nên nhiệt trị của Biogas
nằm trong khoảng 5480 Kcal/m3.
2.3. NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG
2.3.1. Tính chất của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ
đốt trong
2.3.2. Yêu cầu của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ
đốt trong
2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỖN HỢP CUNG CẤP CHO
ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL
2.4.1. Ảnh hưởng độ đồng đều của hỗn hợp đến quá trình cháy
2.4.2. Lý thuyết q trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước cục bộ
2.5. NHẬN XÉT

C
C
R
UT.L

D

- Biogas là khí sinh học được sinh ra nhờ quá trình phân giải
các chất thải hữu cơ trong mơi trường kỵ khí (khơng có khơng khí).

Vi sinh vật phân hủy và sinh ra khí gồm: metan (CH4), nitơ (N2),


8
cacbon dioxit (CO2) và H2S. Vì vậy trong những trường hợp sử dụng
biogas tại nơi sản xuất, chúng ta không cần phải lọc bỏ CO2. Điều
này cho phép chúng ta phải giảm được chi phí vận hành hệ thống
cung cấp biogas cho động cơ.
- H2S là chất khí có hại nhất trong biogas. Đối với nhiên liệu
biogas sử dụng cho động cơ tĩnh tại, hàm lượng H2S cho phép tối đa
là 500ppm. Với yêu cầu này chúng ta chỉ cần sử dụng những phương
pháp hấp phụ rẻ tiền thay vì phải sử dụng các phương pháp hấp thụ
bằng hóa chất đắt tiền để lọc H2S.
- Hydro đóng vai trị sống cịn trong việc cung cấp năng lượng
trong vũ trụ thơng qua các phản ứng proton-proton và chu
trình cacbon - nitơ. (Đó là các phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng
lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai nguyên tử hydro thành một
ngun tử heli.)
CHƯƠNG 3
TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ CUNG CẤP BIOGASHYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ

C
C
R
UT.L

D

3.1. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL EV2600NB
3.1.1. Giới thiệu chung

Động cơ EV2600-NB là động cơ sử dụng nhiên liệu diesel
do công ty máy nông nghiệp Miền Nam – Vikyno sản suất; được lắp
đặt trên cùng cụm máy phát điện MF1120S + EV2600-NB.
Động cơ EV2600-NB là loại động cơ 1 xylanh, 4 kỳ máy đặt
nằm ngang và có buồng cháy thống nhất.
3.1.2. Khảo sát các hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ EV2600-NB
3.2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
3.2.1. Yêu cầu của bộ cung cấp hỗn hợp Biogas-hydrogen cho động cơ
- Chuẩn bị và cung cấp hỗn hợp Biogas-hydrogen và khơng khí
cho động cơ, đảm bảo về chất và lượng phù hợp với từng chế độ làm
việc của động cơ.
- Đảm bảo sự hòa trộn tốt hỗn hợp Biogas-hydrogen - Khơng
khí.
- Khơng làm thay đổi lớn với kết cấu của nguyên thủy của
động cơ.


9
3.2.2. Các phương án cấp Biogas cho động cơ EV2600NB
3.2.2.1. Phương án a: Phun Biogas-hydrogen trên đường nạp
a. Sơ đồ nguyên lý

Hình 3. 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp Biogas-hydrogen bằng
vòi phun điều khiển điện tử.

1- Bộ điều khiển điện tử. 2 – Bình chứa Biogas. 3 – Bộ tăng áp suất

C
C

R
UT.L

Biogas.
4 – Bình ổn định áp suất. 5 – Đường ống nạp. 6 – Bầu lọc khơng khí.
7 – Vịi phun Biogas.8 – xupap nạp. 9 – Xilanh động cơ. 10 – xupap
thải. 11-vòi phun hydrogen. 12- Bình chứa hydrogen
b. Nhiệm vụ các cụm chi tiết trong hệ thống
c. Nguyên lý làm việc
3.2.2.2. Phương án b: Sử dụng bộ hòa trộn, điều khiển van tiết lưu
bằng điện tử.
a. Sơ đồ nguyên lý

D

Hình 3. 2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp Biogas điều khiển điện
tử.


10
1- Bộ điều khiển điện tử. 2 - Bình chứa Biogas. 3- Van tiết lưu. 4Bầu lọc khí.
5- Đường ống nạp. 6- Bộ hỗn hợp.7- Xupap nạp. 8- Xilanh động cơ.
9- Xupap thải. 10-bình chứa hydrogen, 11-van điều tiết hydrogen
b. Nhiệm vụ các cụm chi tiết trong hệ thống
c. Nguyên lý làm việc
3.2.2.3. Phương án c: Sử dụng bộ hòa trộn, điều khiển van tiết lưu
bằng cơ khí.
b. Nhiệm vụ của các cụm chi tiết
c. Nguyên lý hoạt động
3.2.3. Chọn phương án thiết kế

Bảng 3. 1 Bảng so sánh các phương án thiết kế.
Các phương
án
Chất lượng hồ
khí
Đường nạp động
cơ
Kết cấu hệ thống
Giá thành sản
phẩm
Khả năng ứng
dụng

Phương án a

Phương án b

Phương án c

Tối ưu

Tốt

Chưa tốt

C
C
R
.L

Ít thay đổi

DUT
Phức tạp

Giá thành cao
Thấp

Thay đổi

Ít thay đổi

Phức tạp

Đơn giản

Giá thành cao

Giá thành thấp

Thấp

Cao

Từ bảng so sánh trên:
Nhằm đảm bảo quá trình cấp Biogas cho động cơ sử dụng
lưỡng nhiên liệu đạt hiệu quả cao, có khả năng ứng dụng thực tiễn,
đồng thời đem lại tính kinh tế, kỹ thuật sau khi cải tạo từ động cơ. Ta
chọn phương án thiết kế cung cấp Biogas và bổ sung hydrogen có bố
trí bộ hịa trộn trên đường ống nạp và điều khiển van tiết lưu Biogas

bằng cơ khí để trang bị cho động cơ EV2600NB.
3.3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BIOGAS CHO
ĐỘNG CƠ
3.3.1. Hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ
Sơ đồ hệ thống cung cấp Biogas và hydrogen cho động cơ
EV2600NB.
Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu hỗn hợp Biogas-hydrogen
và Diesel có đặc điểm cung cấp nhiên liệu như sau:


11
- Biogas là nhiên liệu chính quyết định cơng suất động cơ.
Lưu lượng Biogas cấp vào động cơ thay đổi theo chế độ tải, được
điều chỉnh bởi van tiết lưu thơng qua bộ điều tốc cơ khí.
- Hydrogen: là nhiên liệu cấp bổ sung vào động cơ.
- Diesel là nhiên liệu để cung cấp đủ năng lượng đốt cháy
hỗn hợp Biogas và khơng khí. Diesel được phun vào buồng cháy
động cơ với lượng cố định.
Do đặc điểm như vậy, lượng hịa khí (gồm khơng khí và hỗn
hợp Biogas-hydrogen ) được chuẩn bị trước trên đường ống nạp
trước khí cung cấp vào buồng cháy động cơ. Lượng Diesel phun vào
không ảnh hưởng đến quá trình cung cấp nhiên liệu hỗn hợp Biogashydrogen.
3.3.2. Bộ hòa trộn cung cấp Biogas và bổ sung hydrogen cho động
cơ.
3.3.2.1. Yêu cầu, nhiệm vụ, phân loại bộ hỗn hợp
a. Yêu cầu.
b. Nhiệm vụ.
c. Phân loại bộ hoà trộn
Với kết cấu sẵn có của đường ống nạp động cơ EV2600NB
dịng khơng khí trong đường ống nạp đi thẳng. Do vậy chọn phương

án bộ hòa trộn theo kiểu trực giao để thiết kế.
3.3.3. Phương án thiết kế bộ hòa trộn
Bộ hịa trộn có thể thiết kế theo nhiều kiểu khác nhau nhằm
mục đích tạo sự hịa trộn đồng đều hỗn hợp khí Biogas-hydrogen và
khơng khí.
u cầu:
+ Sức cản bộ trộn nhỏ nhất, đơn giản dễ chế tạo, tiện sử
dụng. Đảm bảo lượng khơng khí và khí Biogas-hydrogen thích hợp ở
từng chế độ công tác của động cơ.
+ Khi lắp ráp kết cấu, kích thước phải phù hợp với bơ phận
khác liên quan trên động cơ EV2600NB mà không thay đổi kết cấu
nguyên thủy của động cơ.
Tùy thuộc vào phương pháp cấp Biogas-hydrogen vào họng
của bộ hịa trộn ta có kết cấu của một số bộ hòa trộn như sau:

D

C
C
R
UT.L


12

Hình 3. 7Kết cấu một số kiểu bộ hịa trộn.
(a) Bộ hịa trộn với các lỗ phun bố trí xung quanh họng. (b) Bộ hòa
trộn với vòi phun nhiều lỗ. (c) - Bộ hòa trộn một lỗ phun.
1Vòi phun Biogas. 2 Bulơng cố định họng; 3Họng bộ hịa trộn ;
4 Mặt bích lắp vào đường nạp; 5Thân họng; 6 Lỗ lắp bulơng; 7

họng của bộ hịa trộn; 8 Lỗ phun Biogas.; 9 Ống nối với bầu lọc
gió.
3.3.4. Tính tốn bộ hịa trộn

C
C
R
UT.L

D

3.3.4.1. Sơ đồ tính tốn bộ hịa trộn

Hình 3. 8 Sơ đồ tính tốn bộ hịa trộn
3.3.4.2. Đường kính họng khuếch tán
3.3.4.3 Đường kính đường ống cấp Biogas vào họng của bộ hòa trộn
3.3.4.4. Các phương án cấp Biogas vào họng khuếch tán của bộ hòa
trộn.


13
Phương án 1: Biogas được cấp vào họng qua tiết diện hình vành
khăn.
Phương án 2: Biogas được cấp vào họng qua các lỗ bố trí đều.
Phương án 3: Biogas được phun trực tiếp vào họng của bộ hỗn hợp.
a. Phương án cung cấp Bioagas vào họng qua tiết diện hình
vành khăn.
b. Phương án cung cấp Biogas vào họng qua các lỗ bố trí
đều quanh họng.
c. Phương án cấp Biogas trực tiếp vào họng bộ hòa trộn

Với kết cấu này Biogas được cấp vào khơng gian trước họng
của bộ hịa trộn bằng đường ống có đường ống có đường kính d0 = 29
(mm). Kết cấu như sau:

C
C
R
UT.L

D

Hình 3.12. Kết cấu bộ hịa trộn
3.3.5. Tính tốn van tiết lưu
Van tiết lưu là thiết bị điều chỉnh lưu lượng của dịng khí
Biogas đi vào động cơ, tính tốn van tiết lưu dựa trên cơ sở lượng
Biogas qua tiết diện lưu thông của van vào xi lanh động cơ phù hợp
với từng chế độ làm việc của động cơ.
3.3.5.1. Nhiệm vụ, yêu cầu của van tiết lưu
a. Nhiệm vụ
- Cung cấp lượng Biogas phù hợp với từng chế độ tải của
động cơ.
b. Yêu cầu.
- Kích thước của van phù hợp với yêu cầu lượng Biogas cần
nạp vào.


14
- Điều khiển nhẹ và bảo đảm làm kín tốt.
- Trở lực bé đối với dịng khí Biogas nạp vào.
- Đảm bảo kín, tránh lọt khí Biogas ra mơi trường

3.3.5.2. Phân loại van tiết lưu
Dựa vào phần tử điều chỉnh dịng mơi chất vantiết lưu được
chia ra thành các loại sau:

a.Van cơn

b.Van cánh
Hình 3. 133 Phân loại các loại van

C
C
R
UT.L

Sau khi nghiên cứu về kết cấu, cách điều khiển của hai loại
van trên và sự lắp đặt, bố trí của van lên hệ thống cung cấp Biogas
cho động cơ EV2600NB ta chọn van tiết lưu dạng van cánh để điều
chỉnh lượng Biogas cho động cơ.
3.4. KẾT CẤU BỘ HÒA TRỘN
Chọn dạng hòa trộn cho bộ tạo hỗn hợp venturi là kiểu vành
khăn.
Ta có bản vẽ thiết kế cơ bản của bộ tạo hỗn hợp với bổ sung
1 vòi phun hydrogen như sau:

D

Hình 3. 4 Kết cấu bộ hịa trộn hình vành khăn


15

3.5. NHẬN XÉT
Kết quả nghiên cứu của chương này cho phép chúng ta rút ra
được những kết luận sau:
- Biogas được cấp vào khơng gian trước họng của bộ hịa
trộn có đường kính d0 = 29 (mm).
- Thiết kế bộ hòa trộn biogas bổ sung hydrogen, bộ tạo hỗn
hợp venturi này là kiểu vành khăn.
- Điều chỉnh lượng cấp biogas bằng van tiết lưu dạng cánh.
CHƯƠNG 4. MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY CỦA KHƠNG KHÍ
VÀ HỖN HỢP BIOGAS –HYDROGEN VÀO ĐỘNG CƠ
Mơ phỏng dịng chảy qua hệ thống dự báo được sự xáo
trộn của dòng chảy qua bộ hòa trộn. Phần sau đây sẽ mơ phỏng
dịng chảy trong hệ thống thí nghiệm bằng phần mềm Ansys®
Fluent V16.
4.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
4.1.1. Sơ đồ khối của phương pháp mơ phỏng

C
C
R
UT.L

D

Hình 4. 1 Sơ đồ khối của phương pháp mô phỏng
4.1.2 . Cơ sở lý thuyết của phương pháp mơ phỏng
4.1.3. Xây dựng mơ hình bộ hỗn hợp trong Ansys® Fluent V16
Để so sánh độ đồng đều của hỗn hợp ứng với các cấu hình hệ
thống nạp khác nhau, mô phỏng được thực hiện với 2 trường hợp.
Các trường hợp cấp biogas qua khe hẹp 2mm gồm: (1) Bổ sung 1 vịi

phun hydrogen có đường kính 4mm Hình 4.2 (2) Bổ sung 2 vịi phun
hydrogen có đường kính 4mm được bố trí chia đều.


16

Hình 4. 2 (1) Bổ sung 1 vịi phun hydrogen có đường kính 4mm

C
C
R
UT.L

D

Hình 4. 3 (2) Bổ sung 2 vịi phun hydrogen có đường kính 4mm
4.1.4. Chia lưới và chọn điều kiện tính tốn
4.1.4.1. Chia lưới
Với sự hỗ trợ của cơng cụ chia luới tự động trong phần mềm
Ansys® Fluent (hình 3.8) có 6263 nút và 27559 phần tử.

a. Mơ hình chia lưới với 1 vịi
phun hydrogen.

b. Mơ hình chia lưới với 1 vòi phun

hydrogen với 9617 nut và 43238
phần tử
Hình 4. 4 Mơ hình chia lưới

17
4.1.4.2. Các điều kiện tính tốn
Ðiều kiện biên được chọn gồm:
- Áp suất dư khơng khí p_air [Pa].
- Áp suất dư của biogas p_bio [Pa].
- Áp suất dư của hydrogen p_H2 [Pa].
- Áp suất dư của hỗn hợp p_mix [Pa].
Chọn áp suất dư khơng khí là: p_air = 0 [Pa].
Nguồn khí biogas sử dụng cho động cơ thuờng được lưu trữ
trong các túi chứa khơng có áp suất dư hoặc áp suất dư rất nhỏ
(khoảng 50-500 Pa). Trong tính tốn này, ta chọn áp suất biogas tại
vị trí trước bướm ga là: p_bio = 100[Pa] và áp suất hydrogen tại vị trí
trước bướm ga là: p_H2 = 200[Pa]. Áp suất dư của hỗn hợp được
tính theo thể tích xi lanh Vh(m3) và tốc độ động cơ n(vòng/phút).
Thời gian động cơ thực hiện một hành trình là ts=60/(2n) (s). Lưu
lượng trung bình của hỗn hợp cung cấp cho xi lanh là:

Qmix  v

Vh
nV
 v h
ts
30 (m3/s)

C
C
R
UT.L

Áp suất dư trung bình trên đường nạp là:
1
2
pmix  mix Vmix
2
(Pa)

D

pmix 

1
 mix
2

 nvVh

 7, 5 D 2
nap







2

 Pa 

(3.7)
Bảng 3.3: Điều kiện biên đầu ra bộ tạo hỗn hợp
n (v/ph)
1000
p_mix_out
(Pa)
1608

1200
2316

1400
3153

1600
4118

1800
5212

2000
6435

2200
7786

-

4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ

TRONG CÁC TRƯỜNG HỢP
4.2.1. Phân bố nồng độ các chất và tốc độ dòng chảy qua bộ hịa
trộn
a. Phương án bố trí 1 vịi phun


18

Nồng độ CH4

Nồng độ Oxy

Hình 4. 5 Phân bố nồng độ CH4 và Oxy trên bộ hòa trộn tại M6C4
bổ sung 5%hydrogen, n=2200 v/p, BG 100%
Hình 4.5 giới thiệu kết quả tính nồng độ CH4 và O2. Chúng
ta thấy dịng chảy qua bộ hịa trộn khơng bị xáo trộn.

C
C
R
UT.L

D

Hình 4. 6 Phân bố nồng độ hydrogen trên bộ hòa trộn tại M6C4 bổ
sung 5%hydrogen n=2200 v/p, bướm ga 100%


19
Hình 4. 7 Phân bố nồng độ CO2 (a) và Trường tốc độ dòng chảy (b)

trên bộ hòa trộn tại M6C4 bổ sung 5%hydrogen, n=2200 v/p, bướm
ga 100%

Hình 4. 8 Phân bố nồng độ CH4 (a) và Oxy (b) trên bộ hòa trộn tại
M6C4 bổ sung 5%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100%

C
C
R
UT.L

D

Hình 4. 9 Phân bố nồng độ H2 trên bộ hòa trộn tại M6C4 bổ sung
5%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100%


20
Hình 4. 10 Phân bố trường vận tốc và nồng độ CO2 trên bộ hòa trộn
tại M6C4 bổ sung 5%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100%

Hình 4. 11 Phân bố nồng độ CH4 (a) và Oxy trên bộ hòa trộn tại
M6C4 bổ sung 10%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100%
b. Phương án bố trí 2 vịi phun

C
C
R
UT.L

D

Hình 4. 12 Trường vận tốc (a) và trường tốc độ nồng độ CH4 (b) trên
bộ hòa trộn tại M6C4 bổ sung 10%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga
100%


21

Hình 4. 13 Trường tốc độ nồng độ H2 trên bộ hòa trộn tại M6C4 bổ
sung 10%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100%
Hình 4.13 giới thiệu kết quả tính tốn trường nồng độ H2 của
hỗn hợp đi qua bộ hòa trộn .

C
C
R
UT.L

D

(a)

(b)

Hình 4. 14 Phân bố trường vận tốc theo (a) nồng độ CH4 và (b) nồng
độ Oxy trên bộ hòa trộn Biogas bổ sung 10%hydrogen, n=2200 v/p,
bướm ga 100%

22

Hình 4. 16 Phân bố trường vận tốc
theo nồng độ CO2 trên bộ hòa trộn
Biogas bổ sung 10%hydrogen,
n=2200 v/p, bướm ga 100%

Hình 4. 15 Phân bố trường
vận tốc theo nồng độ H2
trên bộ hòa trộn Biogas bổ
sung 10%hydrogen,
n=2200 v/p, bướm ga
4.2.2. Ảnh hưởng phương án cấp hydrogen
100% đến hệ số tương
đương 
Cuối q trình nén (góc quay trục khuỷu khoảng 340 0 ÷ 360
0), nồng độ khối lượng mơi chất trong xylanh động cơ bắt đầu ổn
định. Chính vì vậy, ta có thể kiểm tra thành phần biogas và hydrogen
cung cấp trong q trình nạp và tính hệ số tương đương.
Xét phương trình phản ứng:
CH4 + 2O2
3CO2 + 2H2O
(4.1)
Xch4
H2 + 1/2 O2
H2O
(4.2)
XH2
Nồng độ oxy lý thuyết được tính theo phương trình trên, dựa
vào nồng độ nhiên liệu sử dụng Xch4, XH2 xuất ra từ số liệu mơ

phỏng khi góc quay trục khuỷu trong khoảng 340 0 ÷ 360 0.

C
C
R
UT.L

D

Hệ số tương đương: được tính bằng lượng oxy lý thuyết trên
lượng oxy sử dụng thực tế nạp vào động cơ.


23
Ba trường hợp sau đây có thể xảy ra đối với hỗn hợp:
Hỗn hợp giàu:

>1

Hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết:
Hỗn hợp nghèo:

=1

<1

C
C
R
UT.L

Hình 4. 1717 Ảnh hưởng của phương án cấp hydrogen đến biến thiên
hệ số tương đương tại M6C4 bổ sung 10%hydrogen, n=2200 v/p,
bướm ga 100%

D

Khi cấp hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen hòa trộn trước
qua phương án cấp 2 vịi phun hydrogen thì khơng khí và nhiên liệu
hầu như hịa trộn đồng đều trong q trình nạp. Khi kết thúc quá trình
nạp hệ số tương đương giảm nhẹ sau đó ổn định trong suốt kỳ nén.
Khi phương án cấp 1 vòi phun hydrogen, một bộ phận nhiên liệu vào
xi lanh khi chưa kịp hịa trộn với khơng khí khiến cho hệ số tương
đương trong xi lanh ban đầu tăng cao. Sau đó piston tiếp tục hút
khơng khí vào xi lanh làm cho hệ số tương đương giảm dần đến giá
trị ổn định trong kỳ nén. Cuối kỳ nén, hệ số tương đương bình quân
trong buồng cháy của cả 2 phương án cung cấp xấp xỉ như nhau.
4.3. NHẬN XÉT
Kết quả mô phỏng trên đây cho phép chúng ta dự báo được
phương án cấp 2 vòi phun hydrogen đảm bảo q trình hịa trộn giữa
biogas và hydrogen tốt hơn phương án cấp 1 vòi phun hydrogen.