Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6d22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG
NHIÊN LIỆU BIOGAS CHO
ĐỘNG CƠ 6D22 KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN CHO TRẠI
CHĂN NUÔI
Đà Nẵng - 2012
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG
NHIÊN LIỆU BIOGAS CHO
ĐỘNG CƠ 6D22 KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN CHO TRẠI
CHĂN NUÔI
Sinh viên thực hiện: Hồ Văn Thư 07C4A
Võ Duy Thịnh 07C4B
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng
Giáo viên duyệt: ThS. Nguyễn Quang Trung
Đà Nẵng - 2012
2
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, trên lãnh thổ Việt Nam có rất nhiều trang trại chăn nuôi lớn tập
trung với quy mô công nghiệp, các trang trại này cần rất nhiều năng lượng để phục
vụ cho hoạt động sản xuất của mình, đặc biệt là điện năng. Nguồn cung cấp điện

năng chủ yếu là từ lưới điện quốc gia, tuy nhiên việc gia tăng giá điện và cắt điện
thường xuyên trong các năm gần đây gây rất nhiều khó khăn trở ngại cho các trang
trại trong quá trình sản xuất của mình.
Các trại chăn nuôi trong quy hoạch xây dựng thường có sẵn hầm biogas với
thể tích hầm lớn, tuy nhiên lượng biogas đó chỉ mới được tận dụng để làm khí đốt,
phần dư thừa bị đốt bỏ gây lãng phí. Trong khi đó, biogas hoàn toàn có thể sử dụng
làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như
kéo máy phát điện, máy bơm nước… phục vụ cho nhu cầu sử dụng năng lượng cho
chính các trang trại. Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển công nghệ chuyển đổi động
cơ dùng nhiên liệu truyền thống sang dùng biogas là một hướng đi mang nhiều lợi
ích thiết thực.
Đây là lý do mà chúng em đã chọn đề tài: “Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi” để
phục vụ cho đồ án tốt nghiệp của mình.
Chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô giáo trong bộ
môn, các thành viên thuộc Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng Năng lượng thay thế
Đại học Đà Nẵng và đặc biệt là PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng đã giúp chúng em
hoàn thành đề tài.
Đà Nẵng, ngày 12 tháng 06 năm 2012.
Sinh viên thực hiện
Hồ Văn Thư Võ Duy Thịnh
3
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC 1
1. Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu 4
1.1 Tính cấp thiết của đề tài 4
1.2 Mục đích của đề tài 5

1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5
1.4 Ý nghĩa của đề tài 5
2. Sản xuất và sử dụng biogas 6
2.1 Giới thiệu về biogas 6
2.2 Sơ đồ sản xuất biogas từ chất thải chăn nuôi 6
3. Nhu cầu năng lượng ở một trại chăn nuôi 10
3.1 Nhu cầu năng lượng của một trại chăn nuôi 10
3.2.3 Năng lượng hoá thạch 10
3.2.5 Năng lượng từ khí sinh học (Biogas) 11
4. Mô hình bố trí động cơ chạy biogas kéo máy phát điện ở một trang trại chăn
nuôi 11
4.1 Hầm biogas 11
4.2 Hệ thống lọc khí H2S 12
4.3 Túi chứa khí. 14
4.4 Động cơ 14
5. Khảo sát động cơ 6D22 15
5.1 .Giới thiệu động cơ 15
5.2 Thông số kỹ thuật của động cơ 15
5.3 Cơ cấu piston- thanh truyền – trục khuỷu 16
5.3.1 Piston 16
5.3.2 Thanh truyền.
17
5.3.3 Trục khuỷu 17
5.4 Các cơ cấu, hệ thốngkhác trên động cơ 17
5.4.1 Cơ cấu phân phối khí 17
5.4.2 Hệ thống làm mát 18
5.4.3 Hệ thống bôi trơn 19
5.4.4 Hệ thống nhiên liệu 19
6. Tính toán chu trình nhiệt cho động cơ 6D22 20
1

Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
6.1 Tính toán chu trình nhiệt cho động cơ 6D22 trước cải tạo 20
6.1.1.Thông số kỹ thuật của động cơ: 20
6.1.2. Thông số chọn để tính toán : 20
6.1.3.Trình tự các bước tính toán: 20
6.1.4.Vẽ đồ thị công: 27
6.2. Tính toán chu trình nhiệt động cơ sử dụng 100% biogas 31
6.2.1. Thông số cho trước của động cơ 31
6.2.2. Thông số chọn của động cơ . 32
6.2.3. Thông số tính toán 32
6.2.4.Trình tự các bước tính toán: 33
6.2.5.Vẽ đồ thị công: 40
6.3 So sánh và nhận xét kết quả tính toán 42
7.2. Tính toán thiết kế bộ hòa trộn. 49
7.2.1 Lựa chọn phương án thiết kế bộ hòa trộn 49
7.2.2 Lựa chọn bộ hòa trộn. 50
7.2.3 Tính toán thiết kế bộ hòa trộn. 50
7.2.4. Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo bộ hòa trộn: 54
7.3. Tính toán thiết kế van tiết lưu biogas. 57
7.3.1 Nhiệm vụ, yêu cầu của van tiết lưu 57
7.3.2. Phân tích chọn phương án thiết kế van tiết lưu 57
7.3.3.Tính toán van tiết lưu 58
7.4. Điều khiển tốc độ động cơ . 61
7.4.1.Nhiệm vụ, yêu cầu của bộ điều tốc: 61
7.4.2.Các phương án điều tốc động cơ sau khi cải tạo: 61
7.4.3.Lựa chọn phương án điều tốc: 63
7.4.4.Bộ điều tốc điện tử GAC: 63
7.5.Tính toán giảm tỷ số nén cho động cơ 65
7.5.1 Lựa chọn phương án để giảm tỷ số nén động cơ. 65

7.5.2 Tính toán đoạn piston cần tiện bớt để đạt giá trị tỷ số nén cần thiết 66
7.5.3 Tính bền piston sau khi cải tạo 68
7.6.Thiết kế hệ thống đánh lửa. 70
7.6.1 Tổng quan hệ thống đánh lửa trên động cơ 70
7.6.2 Lựa chọn các phương án cho hệ thống đánh lửa. 71
7.6.3 Hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm 71
7.6.4 Thiết kế dẫn động bộ chia điện 76
7.6.5 Thay thế vòi phun bơm cao áp bằng bugi đánh lửa: 77
8. Lắp đặt, vận hành và đánh giá kết quả: 79
8.1. Giới thiệu về trại chăn nuôi 79
8.2 Lắp đặt và vận hành 79
8.2.1 Chuẩn bị: 79
8.2.2 Lắp đặt: 79
8.2.3 Vận hành: 81
8.3 Đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật sau 3 tháng vận hành 82
8.3.1 Tính kinh tế: 82
8.3.2 Tính kỹ thuật: 84
9. Kết luận: 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85
2
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
3
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
1. Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu.
1.1 Tính cấp thiết của đề tài.
Từ khoảng hơn mười năm gần đây, việc sử dụng biogas đã trở nên quen thuộc
đối với người dân Việt Nam. Ở một nước nông nghiệp như Việt Nam thì phát triển
công nghệ biogas là một hướng đi tất yếu. Các hầm biogas một mặt cung cấp khí

sinh học cho người dân và mặt khác, giúp người dân xử lý các chất thải từ chăn
nuôi và các hoạt động sản xuất khác, góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường;
ngoài ra, bả thải từ quá trình sản xuất biogas có thể sử dụng làm phân bón nông
nghiệp.
Những năm trở lại đây, ô nhiễm môi trường, hiện tượng ấm lên của Trái Đất
cùng với sự cạn kiện các nguồn năng lượng hóa thạch đang là vấn đề vô cùng nhức
nhối của toàn cầu. Nhân loại đang cố gắng tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế
mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng có khả năng tái sinh, thân thiện với môi
trường. Biogas - nhiên liệu sinh học “sạch” - còn được nghiên cứu để sử dụng làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong ngoài việc phục vụ cho nhu cầu đun nấu, thắp sáng
truyền thống. Ở Việt Nam, phần lớn các công trình nghiên cứu hiện nay tập trung
vào vấn đề tận dụng nguồn biogas để làm nhiên liệu cho động cơ tĩnh tại kéo máy
phát điện.
Theo thông kê, tiềm năng biogas của nước ta có thể đạt tới 4 tỷ m
3
/năm, nếu
sử dụng để chạy động cơ kéo máy phát điện thì có thể sản xuất được tới 4 tỷ kW
điện, tương đương với 10% nhu cầu năng lượng điện, tiết kiệm 1,6 tỷ lít dầu (nếu sử
dụng làm nhiên liệu cho động cơ), giảm phát thải 4 triệu tấn CO
2
(tương đương 1,5
tấn C) vào bầu khí quyển. Nếu so với mức phát thải C tương đương của nước ta
hiện nay là 24 triệu tấn/ năm thì mức này giảm được 6,5% [1]. Tuy nhiên, các động
cơ thiết kế chuyên dùng cho biogas hiện nay có giá thành rất đắt, các động cơ
biogas đơn giản, cỡ nhỏ thì làm việc không tin cậy và không phù hợp với nguồn
biogas đa dạng ở nước ta. Bởi vậy, nghiên cứu chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên
liệu truyền thống sang dùng biogas có ý nghĩa thực tiễn hết sức to lớn trong bối
cảnh hiện tại.
4
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống

nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
1.2 Mục đích của đề tài.
Đề tài tập trung nghiên cứu quy trình tính tóan, thiết kế chuyển đổi động cơ
6D22 sử dụng nhiên liệu diesel sang dùng 100% biogas lắp đặt cho một trại chăn
nuôi quy mô trung bình hoặc nhỏ và đánh giá quá trình chạy thử nghiệm động cơ
trong thực tế.
1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Trên lãnh thổ nước ta hiện nay có rất nhiều trang trại chăn nuôi lớn tập trung
với quy mô công nghiệp, các trang trại này cần rất nhiều năng lượng để phục vụ cho
hoạt động sản xuất của mình, đặc biệt là điện năng. Nguồn cung cấp điện năng chủ
yếu là từ lưới điện quốc gia, tuy nhiên việc gia tăng giá điện và cắt điện thường
xuyên trong các năm gần đây gây rất nhiều khó khăn trở ngại cho các trang trại
trong quá trình sản xuất của mình. Các trại chăn nuôi trong quy hoạch xây dựng
thường có sẵn hầm biogas với thể tích hầm lớn, tuy nhiên biogas sản xuất được đó
chỉ mới được tận dụng để làm khí đốt, phần dư thừa bị đốt bỏ hoặc xả ra môi trường
gây lãng phí và làm ô nhiễm môi trường; trong khi đó, biogas hoàn toàn có thể thay
thế nhiên liệu truyền thống (xăng, diesel) để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như kéo máy phát điện, máy bơm nước
phục vụ cho nhu cầu sử dụng năng lượng cho chính các trang trại.
Xuất phát từ chính nhu cầu thực tế đó, đề tài “Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ
thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi”
đưa ra phương án giải quyết bài toán tận dụng nguồn biogas để sản xuất điện năng.
Với việc kéo máy phát cho công suất điện tối đa hơn 100kW sau khi cải tạo, động
cơ 6D22 chuyển đổi sang sử dụng 100% biogas hoàn toàn có thể đáp ứng được nhu
cầu về điện năng cho các trang trại chăn nuôi có quy mô trung bình.
1.4 Ý nghĩa của đề tài.
Sử dụng nhiên liệu khí Biogas để làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong sẽ
làm giảm mức độ phát thải khí CO
2
, NO

x
, HC, CO … góp phần thực hiện các công
ước quốc tế về môi trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia.
Tìm ra một giải pháp cho vấn đề sử dụng tối ưu nguồn biogas mà hiện nay
đang bị lãng phí ở các trang trại chăn nuôi tập trung.
5
Tớnh toỏn, thit k lp t h thng
nhiờn liu biogas cho ng c 6D22 kộo mỏy phỏt in cho tri chn nuụi
Ngoi ra, s dng ngun nng lng biogas t cht thi chn nuụi chy
ng c kộo mỏy phỏt in s giỳp tit kim chi phớ cho tri chn nuụi, tng thu
nhp cho ngi sn xut, gim giỏ thnh sn phm.
2. Sn xut v s dng biogas
2.1 Gii thiu v biogas.
Biogas l ngun nng lng tỏi sinh. Nú c dựng ch khớ sinh hc c
sn xut t s phõn hy k khớ cht hu c nh cht thi cú ngun gc t ng vt
v thc vt. Biogas cú th c sn xut t cht thi sinh hot, chn nuụi hoc t
rỏc thi.Biogas cú thnh phn c bn l mờtanv cacbonic.
Hin nay ngoi cỏc hm biogas cỏc trang tri chn nuụi, cỏc quc gia phỏt
trin (M, Phỏp, c, an Mch ) ang y mnh vic s dng biogas t cỏc
trm x lớ nc thi v t cỏc bói chụn lp rỏc. Di sc ộp ngy mt tng ca giỏ
du thụ, cỏc quc gia ny h tr mnh m vic nghiờn cu sn xut v ng dng
biogas, vỡ vy ó thỳc y s phỏt trin ca ngun nng lng ny. Cụng ngh sn
xut biogas quy mụ gia ỡnh cng c ph bin cỏc nc ang phỏt trin, c
bit l Trung Quc, n , Vit Nam
2.2 S sn xut biogas t cht thi chn nuụi.
PHN TặI
Bỉ PHN HUY
Bỉ AẽP SUT
GAS TI ặU
1

2
3
4
5
6
Hỡnh 2-1 S h thng sn xut biogas.
1 - B lng cỏt; 2 - ng dn phõn; 3 - ng dn b thi; 4 - B ng cht thi;
5 - H thng lc H
2
S; 6 - Bỡnh cha khớ biogas sch.
6
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
Để sản xuất biogas, người ta xây dựng hoặc chế tạo các thiết bị khí sinh học.
Trong thực tế, hầu hết các thiết bị khí sinh học được áp dụng ở các nước đang phát
triển là những thiết bị đơn giản, hoạt động theo chế độ nạp nguyên liệu bổ sung
thường xuyên hàng ngày.
Nguyên lý làm việc của hệ thống:
Phân tươi từ chuồng trại được đưa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát rồi qua
ống dẫn phân (2) vào bể phân huỷ. Ở bệ phân huỷ xãy ra quá trình lên men tạo khí
sinh học như sau:
Hình 2-2 Các giai đoạn hình thành khí biogas.
Sau khi lên men hỗn hợp khí biogas được dẫn vào hệ thống lọc khí H
2
S, sau đó
hỗn hợp được dẫn vào bình chứa biogas (6), các chất bã sau khi phân huỷ được dẫn
ra bể chứa chất thải (4) và được tưới cho cây trồng.
2.3 Thành phần và tính chất của biogas.
Biogas là một hỗn hợp của nhiều chất khí (bảng 2-1 [2]). Thành phần các chất
khí trong biogas tùy thuộc vào nguyên liệu tham gia vào quá trình phân giải và các

điều kiện trong quá trình đó như nhiệt độ, độ pH, chất lượng nước… Nó cũng tùy
thuộc cả vào các giai đoạn phân giải.
Tính chất của biogas phụ thuộc vào thành phần các chất khí trong nó biogas là
chất khí không màu, cháy được (nhờ CH
4
), có mùi trứng thối (H
2
S), không duy trì
sự sống ; bigas là một khí ướt vì nó chứa hơi nước bão hoà bay hơi từ dịch phân
giải.

7
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
Bảng 2-1 Thành phần chủ yểu của biogas
Thành phần Tỷ lệ (%)
CH
4
50-70
CO
2
30-45
N
2
0-3
H
2
0-3
O
2

0-3
H
2
S 0-3

Vì thành phần của biogas thay đổi, nên các tính chất của nó cũng thay đổi
theo, thành phần chủ yếu của biogas là CH
4
và CO
2
nên tính chất của nó phụ thuộc
vào tính chất của 2 chất khí này (Bảng 2-2).
Bảng 2-2 Tính chất của CH
4
và CO
2

Các tính chất vật lý Methane (CH4) Carbonic (CO2)
Trọng lượng phân tử 16.04 44.01
Tỷ trọng 0.554 1.52
Điểm sôi 259.0 0F (=144
o
C) 60.8
0
C
Điểm đông -296.6 0F(-164.8
0
C) -69.9 0F (-38.83
0
C)

Khối lượng riêng 0.66kg/m3 1.82kg/m3
Nhiệt độ nguy hiểm 116.0 F (=64.44
0
C) 88.0 0F(=48.89
0
C)
Áp suất nguy hiểm 45.8 at 72.97at
Nhiệt dung Cp (1atm) 6.962.10-4 J/kg-
0
C

Tỷ lệ Cp/Cv 1.307 1.303
Nhiệt cháy 55.403J/kg

Giới hạn cháy 5-15% Thể tích

Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong
không khí
0.0947 Thể tích
0.0581 Khối lượng

Với tỷ lệ phổ biến của biogas là 60% CH
4
và 40% CO
2
thì khối lượng riêng của
biogas là 1,2196kg/m
3
, nhiệt trị 8.576Kcal/m
3

, tỷ trọng so với không khí là 0,94 [2].
Như vậy, biogas nhẹ hơn không khí.
2.4 Tình hình sử dụng biogas hiện nay.
Các xu hướng chính sử dụng nhiên liệu biogas trên thế giới được thể hiện ở hình
dưới.
8
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
Hình 2-3. Sơ đồ tổng quan về tình hình sử dụng biogas hiện nay.
2.5 Khả năng ứng dụng biogas để chạy động cơ đốt trong.
Biogas qua quá trình xử lý nếu đạt tỷ lệ thể tích CH
4
> 60% và H
2
S khoảng
0,3 – 0,4 % thì có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong [3].
Các động cơ đánh lửa cưỡng bức cố định có thể cung cấp năng lượng cho rất
nhiều loại thiết bị tải bao gồm:
+ Máy phát điện.
+ Máy bơm.
+ Quạt.
+ Thiết bị nâng chuyển.
+ Bơm nhiệt, điều khoà không khí.
Nguồn
biogas.
Đốt trực tiếp.Động cơ.
Bán cho nhà
cung cấp.
Tạo
năng

lượng.
Công suất
trên trục.
Vận tải.
Cấp nhiệt,
làm lạnh.
Sấy.
Quạt, bơm,
máy nén.
Xe khách,
Xe tải,
Máy kéo
Phát nhiệt
điện.
Turbin lỏng. Tur bin khí.Điều hoà
hay đun
nước
Phát điện.Máy phát
thuỷ lực.
9
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
Ngoài ra, biogas cũng là nguồn năng lượng tiềm năng để cung cấp cho các
phương tiện vận tải như xe ca, xe tải cũng như các thiết bị công nghiệp khác như
máy kéo…
3. Nhu cầu năng lượng ở một trại chăn nuôi.
3.1 Nhu cầu năng lượng của một trại chăn nuôi
- Nhu cầu về chất đốt : Ở trại chăn nuôi có quy mô lớn thì nhu cầu chất đốt cần
rất lớn để đun nấu phục vụ sinh hoạt của nhân viên, đun sôi nước, thiêu hủy xác
chết vật nuôi ….

- Nhu cầu chạy các máy, động cơ: động cơ đốt trong sử dụng ở các trang trại
dùng để kéo các máy công tác như bơm nước, máy xay xát, quạt thông gió, máy
phát điện… nhằm phục vụ quá trình chăn nuôi gia súc, gia cầm.
- Nhu cầu thắp sáng: Thắp sáng là nhu cầu tất yếu trong sinh hoạt của con người
cũng như vật nuôi, ánh sáng đóng vai trò rất quan trọng trong việc ấp trứng, nuôi
gia cầm …
- Ngoài ra còn các nhu cầu khác như: Sưởi ấm khi gia súc vào mùa đông, sấy
thức ăn cho vật nuôi…
3.2 Nguồn cung cấp năng lượng ở trại chăn nuôi hiện nay.
3.2.1 Năng lượng mặt trời.
Hiện nay ở các trại chăn nuôi dùng năng lượng mặt trời với mục đích chủ yếu
là sấy thức ăn cho vật nuôi. Ngoài ra, năng lượng mặt trời còn có thể được sử dụng
cho nhiều mục đích khác nhau như các hệ thống sưởi ấm, cung cấp nước nóng, hệ
thống sản xuất điện năng bằng pin mặt trời tuy nhiên, chi phí và tính công nghệ cao
nên chưa được ứng dụng nhiều.
3.2.2 Điện năng.
Hiện nay, điện năng là nguồn năng lượng chủ yếu cho các trại chăn nuôi để
chiếu sáng, chạy máy bơm, quạt, sưởi, sấy thức ăn… cho trang trại. Thông thường,
điện năng được cung cấp cho các trại chăn nuôi thông qua lưới điện quốc gia.
3.2.3 Năng lượng hoá thạch.
Các loại năng lượng này bao gồm: Than đá, dầu mỏ. Than đá được sử dụng
để làm chất đốt, các sản phẩm sau khi chưng cất dầu mỏ (xăng, diesel) được sử
dụng cho việc chạy động cơ đốt trong.
10
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
3.2.4 Năng lượng gió.
Năng lượng gió tự nhiên có thể sử dụng để thông gió cho các trang trại chăn
nuôi, kéo cối xay gió Ở các nước tiên tiến, năng lượng gió còn dùng để chạy
tuabin phát điện.

3.2.5 Năng lượng từ khí sinh học (Biogas).
Hầu hết các trang trại ở Việt Nam hiện nay đều có hầm biogas. Biogas có thể
được sử dụng làm chất đốt, thắp sáng, và chạy động cơ đốt trong. Tức là nó có thể
thay thế được các nguồn năng lượng khác nhau như: Than, củi, điện, nhiên liệu khí
hoá lỏng và dầu.
4. Mô hình bố trí động cơ chạy biogas kéo máy phát điện ở một trang trại chăn
nuôi
Bố trí chung của một hệ thống động cơ kéo máy phát điện sử dụng biogas được
mô tả ở sơ đồ sau:
Hình 4-1. Hệ thống sản xuất điện chạy biogas
1 – Hầm Biogas; 2 – Lọc khí H
2
S; 3 – Túi chứa; 4 – Máy phát điện;
4.1 Hầm biogas.
Là nơi sản sinh ra biogas, hiện nay có rất nhiều loại hầm sinh khí được sử
dụng ở khắp trên các vùng miền của tổ quốc. Một số kiểu hầm thông dụng ở nước ta
hiện nay là hầm kiểu vòm cố định, kiểu nắp nổi, kiểu nạp từng mẻ, kiểu phủ bạt
HDPE (hình 4-2), riêng kiểu hầm phủ bạt nhựa HDPE được áp dụng ở các cơ sở sản
xuất lớn, chăn nuôi tập trung công nghiệp hoặc các nhà máy chế biến có lượng chất
thải lớn. Hầm phủ bạt HDPE có tuổi thọ và độ bền cao (10-15 năm), tuy vốn đầu tư
tốn kém nhưng giá thành tính trên đơn vị thể tích hố ga lại rất rẻ [4].
11
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
Hình 4-2. Các kiểu hầm biogas thông dụng
1 - Kiểu vòm cố định; 2 - Kiểu nắp nổi; 3 – Kiểu phủ bạt HDPE;
4 -Kiểu nạp từng mẻ
4.2 Hệ thống lọc khí H
2
S.

Khí H
2
S có trong khí Biogas khi sử dụng sẽ tạo thành SO
x
gây ăn mòn thiết
bị, tạo ra ô nhiễm môi trường nên cần phải tách H
2
S ra khỏi hỗn hợp khí.
Phương pháp tách H
2
S theo công nghệ GATEC là sử dụng phoi sắt, vốn là
sản phẩm phế thải trong gia công tiện sắt. Phoi sắt trước khi sử dụng phải được oxi
hóa để tạo thành một lớp oxyt sắt trên bề mặt. Quá trình này có thể thực hiện tự
nhiên bằng cách phơi ngoài không khí một thời gian hoặc có thể đốt để oxy hóa
nhanh hơn. Phản ứng xảy ra như sau:
Fe + 1/2 O
2
→ FeO
2Fe + 3/2O
2
→ Fe
2
O
3
3Fe + 2O
2
→Fe
3
O
4

Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe
2
O
3
(Fe
3
O
4
). Các phản ứng
trên có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới nước trên phoi sắt. Quá trình
oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ màu xám của phoi sắt thành
màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp như minh họa dưới đây:
12
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
Hình 4-3 Phoi sắt trước khi bị Oxi hóa (trái) và
sau khi bị Oxi hóa (phải)
Quá trình hấp phụ H
2
S trên bề mặt phoi sắt là hấp phụ hoá học, dựa trên cơ
sở các phản ứng hoá học sau:
Quá trình hấp phụ: Fe
2
O
3
+ 3H
2
S = Fe
2
S

3
+ H
2
O
Quá trình nhả hấp phụ: 2Fe
2
S
3
+ 3O
2
= 2Fe
2
O
3
+6S
Phoi sắt sau khi được đốt sẽ được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 1:1 về thể tích,
sau đó được cho vào thiết bị chứa để tăng khả năng tiếp xúc giữa Biogas và phoi
sắt.
Bảng 4-1 Hiệu quả lọc H
2
S
Cấu tử
Trước lọc
(%vol)
Sau lọc H
2
S
(%vol)
CH
4

69,33 73,243
CO
2
20,63 23,092
H
2
S 5,32 0,270
N
2
1,00 1,071
O
2
1,55 0,000
CO 0,10 0,107
H
2
O 0,10 0,107
H
2
1,97 2,110
Hỗn hợp khí Biogas được dẫn vào thiết bị, trong thiết bị hàm lượng khí H
2
S
bị hấp phụ lại bằng các phản ứng trên. Sau khi hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị hàm
lượng H
2
S rất ít. Bảng 4-1 [3] thể hiện hiệu quả của thiết bị lọc H
2
S theo công nghệ
GATEC

13
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
Hình 4-4 Mô hình thiết bị tách H
2
S cỡ lớn (trái) và nhỏ(phải)
Thiết bị lọc tách H
2
S thường đuợc làm bằng các ống nhựa PVC đường kính
lớn, hoặc các bồn nước bằng nhựa, tuy nhiên cần phải đảm bảo yêu cầu có độ kín
tuyệt đối để tránh thất thoát biogas ra ngoài. Kết cấu của bộ phận lọc cần thuận tiện
cho việc tái sinh phoi sắt, hoặc thay thế phoi sắt. Thiết bị có giá thành rẻ, dễ chế tạo,
lắp đặt nhưng hiệu quả xử lý cao.
4.3 Túi chứa khí.
Túi chứa khí để mục đích lưu trữ khí biogas đã qua xử lí nhằm cung cấp ổn
định một lượng biogas đã lọc cho động cơ. Trong hệ thống máy phát điện biogas ở
trang trại chăn nuôi có thể có túi chứa hoặc sử dụng trực tiếp sau khi qua hệ thống
lọc H
2
S.
4.4 Động cơ
Biogas ngoài việc sử dụng cho động cơ thiết kế dành riêng chạy biogas còn có
thể sử dụng được cho cả động cơ xăng lẫn động cơ diessel cải tạo sang sử dụng
biogas.
Từ động cơ xăng và diesel, có thể có 5 giải pháp chuyển đổi động cơ truyền
thống sang chạy bằng biogas tĩnh tại như sau:
- Chuyển động cơ diesel tĩnh tại sang chạy bằng 2 nhiên liệu biogas/diesel.
- Chuyển đổi động cơ diesel ô tô thành động cơ tĩnh tại chạy bằng 2 nhiên
liệu biogas/ diesel.
- Chuyển đổi động cơ xăng tĩnh tại thành động cơ biogas/xăng.

- Chuyển động cơ xăng ô tô thành động cơ tĩnh tại biogas/xăng.
- Chuyển động cơ diesel (tĩnh tại hay ô tô) thành động cơ biogas.
14
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
5. Khảo sát động cơ 6D22
5.1 .Giới thiệu động cơ.
Động cơ 6D22 là sản phẩm của hãng Mitsubishi - Nhật Bản được lắp trên xe
bus và xe tải dòng sản phẩm Mitsubishi Fuso loạt được sản xuất vào những năm
1980[5].
Hình 5-1 Mitsubishi Fuso MP và
Mitsubishi Fuso F sử dụng động cơ 6D22
Động cơ 6D22 ngày nay không được sản xuất nữa, các động cơ không được
sử dụng trên ô-tô do công nghệ cũ và không đạt tiêu chuẩn khí thải. Tuy nhiên,
những động cơ còn hoạt động tốt được tận dụng để chuyển đổi thành động cơ tĩnh
tại kéo máy phát điện bằng cách thêm vào đầu phát, các cảm biến, bảng điều khiển
và bộ điều tốc cho máy phát điện. Các loại máy phát điện này hiện nay được sử
dụng khá phổ biến ở các nước Đông Dương và Trung Quốc.
Hình 5-2 Cụm máy phát điện sử dụng động cơ 6D22
5.2 Thông số kỹ thuật của động cơ.
Bảng 5-1 Thông số kỹ thuật của động cơ 6D22.
15
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
Tên thông số Ký hiệu Giá trị Thứ nguyên
Số xilanh i 6
Cách bố trí Thẳng hàng
Thứ tự làm việc 1-5-3-6-2-4
Công suất cực đại Ne 165 KW
Số vòng quay n 2200 vòng/phút

Tỷ số nén
ε
17
Số kỳ
τ
4
Đường kính xilanh D 130 mm
Hành trình piston S 140 mm
Hệ thống nhiên liệu Sử dụng bơm Bosch
Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức các te ướt
Hệ thống làm mát Cưỡng bức, sử dụng môi chất lỏng
Hệ thống phân phối khí 12 xupap treo, trục cam bố trí trong thân máy
5.3 Cơ cấu piston- thanh truyền – trục khuỷu.
5.3.1 Piston.
Piston động cơ 6D22 chế tạo bằng hợp kim nhôm, có đặc điểm:
- Đường kính piston D = 130 [mm], chiều dài L = 159 [mm].
- Đỉnh piston dạng khoét lõm ω, đường kính lõm d = 68 [mm].
- Đường kính 2 lõm xupap nạp và xả lần lượt là d
1
= 55 [mm] và d
2
= 52[mm]
- Đường kính ngoài chốt piston d
chốt ngoài
= 50 [mm], đường kính trong chốt piston
d
chốt trong
= 26 [mm]
- Đầu piston có 2 rãnh xécmăng khí và 1 rãnh xécmăng dầu. Rãnh trên cùng cách
đỉnh piston 25,3 [mm]. Chiều rộng rãnh xéc măng dầu là 3 [mm], chiều sâu 4 [mm],

cách nhau 8,3 [mm]. rãnh xéc măng dầu rộng 6 mm, cách rãnh xéc măng khí 5 mm.
16
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
Hình 5-3 Piston động cơ 6D22
5.3.2 Thanh truyền.
- Đường kính đầu to D
to
= 90 [mm]
- Đường kính đầu nhỏ D
nhỏ
= 50 [mm]
- Đường kính trong bạc lót D
bạc lót trong
= 84 [mm]
- Chiều dài thanh truyền L = 350 [mm]
-Tiết diện thanh truyền dạng chữ I.
- Đầu to thanh truyền lắp với chốt khuỷu nhờ bốn bulông, giữa đầu to và chốt
khuỷu có bạc lót.
- Đầu nhỏ thanh truyền được lắp lỏng với chốt piston. Ở đầu chốt piston có
seclip để giữ chốt không di chuyển theo phương ngang. Ở đầu nhỏ thanh truyền có
lỗ hứng dầu bôi trơn chốt piston.
5.3.3 Trục khuỷu.
- Trục khuỷu nguyên, đủ cổ
- Chiều dài trục khuỷu L = 1200 [mm]
- Đường kính cổ trục D
cổ trục
= 84 [mm]
- Chiều dài chốt khuỷu l
chốt khuỷu

= 53 [mm]
- Bề dày má khuỷu Δ = 26 [mm]
5.4 Các cơ cấu, hệ thốngkhác trên động cơ .
5.4.1 Cơ cấu phân phối khí.
- Cơ cấu phân phối khí kiểu xupáp treo, trục cam nằm trong thân máy dẫn động
các xupáp gián tiếp thông qua đũa đẩy và con đội
17
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
- Nắp máy rời, mỗi xilanh có 1 nắp máy riêng, mỗi máy có 1 xupap nạp và 1
xupáp xả.
- Đường kính nấm xupap nạp d
nạp
= 55 [mm]
- Đường kính nấm xupap thải d
thải
= 50 [mm]
- Đường kính thân xupap d
thân
= 12 [mm]
- Chiều dài xupap l
xupap
= 175 [mm]
- Trục cam chế tạo thép cacbon trung bình, được tôi cứng bề mặt, trục cam được
bố trí trong thân máy.
- Trục cam được dẫn động trực tiếp từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng.
- Trên các bánh răng đều có dấu ăn khớp do nhà chế tạo quy định. Khi tháo lắp
phải chú ý điều này để lắp cho chính xác.
5.4.2 Hệ thống làm mát.
- Hệ thống làm mát của động cơ 6D22 tương tự như các động cơ được lắp trên ô

tô.
- Hệ thống gồm các bộ phận chính két nước, bơm nước, van hằng nhiệt, áo nước
và quạt gió.
- Quạt gió được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ, nó sẽ giúp tăng tốc độ lưu
động của không khí khi qua két làm mát khiến hiệu quả làm mát cao hơn.
- Két nước dùng để hạ nhiệt độ của nước từ động cơ rồi lại đưa vào làm mát động
cơ, két nước làm mát giúp tăng diện tích tiếp xúc của nước cần làm mát để tỏa nhiệt
tốt hơn.
- Van hằng nhiệt là bộ phận dùng để hâm nóng động cơ nhanh chóng và điều
khiển nhiệt độ của nước làm mát. Nó được đặt trong khoang giữa két nước và động
cơ. Khi nhiệt độ nước làm mát trở nên cao, van đến két nước mở ra để làm nguội
động cơ.
- Bơm nước được dẫn động từ trục khuỷu thông qua dây đai, bơm nước có nhiệm
vụ tuần hoàn nước làm mát qua động cơ và về lại két làm mát với lưu lượng và áp
suất nhất định. Bơm nước trong động cơ 6D22 thuộc loại bơm ly tâm. Trục bơm
nước cùng trục với trục quạt gió.
- Hệ thống áo nước bao quanh thân máy, các xilanh, trên nắp máy để lấy đi lượng
nhiệt thừa, đảm bảo động cơ vận hành tốt trong mọi điều kiện làm việc.
18
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
5.4.3 Hệ thống bôi trơn.
- Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu đến các bề mặt ma sát, đồng thời lọc
sạch các tạp chất lẫn trong dầu nhờn khi dầu nhờn tẩy rửa các bề mặt ma sát này,
làm mát các ổ trục, bao kín các khe hở
- Hệ thống bôi trơn của 6D22 thuộc hệ thống bôi trơn cacte ướt. Bôi trơn cưỡng
bức bằng bơm bánh răng dẫn động bởi trục khuỷu động cơ.
- Hệ thống bôi trơn 6D22 gồm thùng chứa dầu (cacte), bơm dầu bôi trơn, bầu lọc
thô, 2 bầu lọc tinh, các đường ống dẫn dầu, đồng hồ hiển thị áp suất dầu.
- Dầu bôi trơn chứa trong cácte được bơm dầu hút lên đẩy qua bầu lọc thô, ở đây

dầu được lọc các tạp chất cơ học cỡ lớn, sau đó dầu được đẩy vào đường dầu chính
để đến bôi trơn các cổ trục, chốt khuỷu, trục cam, piston – xilanh, bôi trơn cơ cấu
phân phối khí… phần lớn lượng dầu bôi trơn sẽ rớt xuống cacte, phần còn lại
(khoảng 15 – 20% lượng dầu do bơm dầu cung cấp) đi qua lọc tinh rồi về cacte.
5.4.4 Hệ thống nhiên liệu.
Hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel có những nhiệm vụ sau:
- Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một
khoảng thời gian quy định.
- Lọc sạch nước và tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu.
- Cung cấp lượng nhiên liệu cần thiết cho mỗi chu trình ứng với chế độ làm việc
quy định của động cơ.
- Cung cấp nhiên liệu đồng đều vào các xilanh theo trình tự làm việc quy định
của động cơ.
- Cung cấp nhiên liệu vào xi lanh động cơ đúng lúc theo một quy luật đã định.
- Đảm bảo phun tơi và phân bố đều hơi nhiên liệu trong thể tích môi chất trong
buồng cháy bằng cách phối hợp chặt chẽ hình dạng, kích thước và phương hướng
của các tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy và cường độ vận động của môi chất
trong buồng cháy.
- Hệ thống nhiên liệu gồm thùng chứa chứa diesel, nhiên liệu qua lọc thô trước
khi được hút lên bởi bơm chuyển, từ đó sẽ chuyển vào bầu lọc tinh trước khi cấp
vào bơm cao áp, bơm cao áp của động cơ 6D22 thuộc loại bơm dãy được dẫn động
bởi một trục ăn khớp bánh răng với trục khuỷu động cơ. Nhiên liệu sau khi vào vòi
19
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
phun sẽ có áp suất cao, ứng với thứ tự làm việc của động cơ, nhiên liệu sẽ được
phun tơi vào buồng cháy động cơ nhờ các vòi phun. Lượng nhiên liệu thừa hoặc khi
qua các van an toàn sẽ được đưa về bình nhiên liệu bởi các đường dầu hồi.
6. Tính toán chu trình nhiệt cho động cơ 6D22.
6.1 Tính toán chu trình nhiệt cho động cơ 6D22 trước cải tạo.

6.1.1.Thông số kỹ thuật của động cơ:
Bảng 6-1 : Thông số kỹ thuât động cơ trước khi cải tạo
Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị
Công suất định mức Ne
dm
kW 165
Tỷ số nén
ε
17
Số vòng quay định mức n
dm
Vòng/ phút 2200
Đường kính xi lanh D mm 130
Hành trình piston S mm 140
Số xi lanh i 6
Số kỳ
τ
4
6.1.2. Thông số chọn để tính toán :
Bảng 6-2 Các thông số chọn để tính toán
Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị
Áp suất khí nạp p
k
MN/m
2
0,1
Nhiệt độ khí nạp T
k
K 298
Hệ số dư lượng không khí

α
1,5
Áp suất cuối kỳ nạp p
a
MN/m
2
0,09
Áp suất khí sót p
r
MN/m
2
0,103
Nhiệt độ khí sót T
r
K 750
Độ sấy nóng khí nạp mới
∆T
20
Chỉ số đoạn nhiệt m 1, 5
Hệ số lợi dụng nhiệt tại z
ξ
z
0,85
Hệ số lợi dụng nhiệt tại b
ξ
b
0,9
Tỷ số tăng áp
λ
1,8

Hệ số nạp thêm
λ
1
1,02
Hệ số quét buồng cháy
λ
2
1
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt
λ
t
1,1
Hệ số điền đầy đồ thị
ϕ
đ
0,97
6.1.3.Trình tự các bước tính toán:
a. Tính quá trình nạp:
+ Tính hệ số khí sót γ
r
:
20
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi
m
a
r
t
a
r

r
k
r
p
p
p
p
T
TT
1
21
2
.
1
)(








−
∆+
=
λλελ
λ
γ
[6-1]

0301,0=
r
γ
+ Tính hệ số nạp η
v
:


















−
∆+−
=
m
a
r

t
k
a
k
k
v
p
p
P
P
TT
T
1
21
.
.
)()1(
1
λλελ
ε
η
[6-2]
851,0=
v
η
+ Tính nhiệt độ cuối quá trình nạp T
a
[K]:
)1(

1
r
m
m
r
a
rrtK
a
p
p
TTT
T
γ
γλ
+








+∆+
=
−
[6-3]
][742,331 KT
a
=

+ Tính số mol không khí để đốt cháy một kg nhiên liệu M
0
[kmolKK/kgnl]:
)
32412
(
21,0
1
0
nl
O
HC
M −+=
[6-4]
]/[495,0
32
004,0
4
126,0
12
87,0
.
21,0
1
0
kgNLkmolKKM =







−+=
+ Tính số mol khí nạp mới M
1
:
01
.MM
α
=
[động cơ Diesel, động cơ phun Diesel] [6-5]
[mol] 0,742
1
=M
b. Tính quá trình nén:
+ Tỷ nhiệt của không khí
vkk
mC
[kJ/kmol.K]:
TT
b
aCm
v
vvkk
.
2
00419,0
806,19
2
+=+=

[6-6]
]./[430,20 KkmolkJCm
vkk
=
+ Tỷ nhiệt mol của sản phẩm cháy
v
Cm
′′
[kJ/kmol.K]:
T
b
aCm
v
vv
2
′′
+
′′
=
′′
[6-7]
Nếu 0,7≤α<1 thì:
α
.504,3997,17" +=
v
a
[6-7a]
21
Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống
nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi

( )
5
10 4,25234,360"
−
+=
α
v
b
[6-7b]
Nếu α≥1 thì:
α
634,1
867,19" +=
v
a
[6-7c]
5
10.
36,184
38,427"
−






+=
α
v

b
[6-7d]
Với α=1,5 ≥1, ta có:
956,20" =
v
a
0055,0" =
v
b
21,776=
′′
v
Cm
[kJ/kmol.K]
+ Tỷ nhiệt của hỗn hợp cháy
v
Cm
′
[kJ/kmol.K]:
Có thể viết dưới dạng:
T
b
aCm
v
vv
2
′
+
′
=

′
[6-8]
Trong đó:
r
vrv
v
aa
a
γ
γ
+
′′
+
=
′
1
.
; [6-8a]
840,19=
′
a
r
vrv
v
bb
b
γ
γ
+
′′

+
=
′
1
.
[6-8b]
0042,0=
′
v
b
Khi đó :
]/[470,20 kgNLkmolKKCm
v
=
′
+ Tính chỉ số nén đa biến trung bình n
1
:
)1(
2
314,8
1
1
1
1
+
′
+
′
+=

−n
a
v
v
T
b
a
n
ε
[6-9]
Chọn trước n
1
rồi tính, bằng phương đoán nghiệm, ta có n
1
= 1,370.
+ Tính nhiệt độ cuối kỳ nén T
c
[K]:
1
1
.
−
=
n
ac
TT
ε
[6-10]
][382,946 KT
c

=
+ Tính áp suất cuối kỳ nén p
c
[MN/m
2
]:
1
.
n
ac
pp
ε
=
[6-11]
]/[365,4
2
mMNp
c
=
22