TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Nhiên liệu biogas đang được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu, đặc biệt tại các quốc gia như Trung Quốc, Nhật Bản, Đức và Mỹ Năng lượng này được chiết xuất từ chất thải của con người, động vật và rác thải trong môi trường hiếm khí, tạo ra khí biogas với khoảng 60% là metan (CH4) Biogas là nguồn năng lượng tái tạo, có thể thay thế nhiên liệu truyền thống, phục vụ cho các hoạt động trong công nghiệp, nông nghiệp và giao thông vận tải, giúp giảm chi phí và đảm bảo nguồn nhiên liệu ổn định Hơn nữa, khí phát thải từ biogas không gây ô nhiễm môi trường, làm cho nó trở thành nguồn năng lượng tiềm năng trong tương lai Tại Việt Nam, với đất đai rộng lớn, khí hậu ôn hòa và nhiều trang trại chăn nuôi, biogas đang thu hút sự đầu tư và phát triển, đồng thời đang được thử nghiệm cho động cơ đốt trong.
Động cơ cỡ nhỏ hiện đang được sử dụng rộng rãi trong đời sống xã hội, đặc biệt là ở các vùng nông thôn Với giá thành thấp và phù hợp với thu nhập của nông dân, động cơ này trở thành lựa chọn lý tưởng cho các nông trang trại vừa và nhỏ Nhờ những yếu tố này, động cơ cỡ nhỏ ngày càng trở nên gần gũi với đời sống nông thôn và được chọn làm nguồn động lực chính cho sản xuất nông nghiệp.
Tại Việt Nam, nền kinh tế nông nghiệp chiếm ưu thế, dẫn đến việc sử dụng động cơ có công suất nhỏ phổ biến ở các vùng nông thôn Đây là nguồn động lực quan trọng cho quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa nông thôn.
Tình hình nghiên cứu và sử dụng biogas hiện nay
Cộng đồng châu Âu đã kêu gọi các quốc gia thành viên đạt mục tiêu sử dụng 5,75% nhiên liệu sinh học vào năm 2010, bao gồm biogas, ethanol và biodiesel Thụy Điển dẫn đầu trong việc triển khai dự án "thành phố biogas" với khoảng 4.000 phương tiện công cộng hoạt động bằng biogas Tại đây, cứ 10 trạm bơm nhiên liệu thông thường sẽ có một trạm cung cấp biogas Chính phủ Thụy Điển đã áp dụng các chính sách thuế nhằm đảm bảo giá biogas thấp hơn 30% so với xăng, khuyến khích người dân sử dụng nhiên liệu thân thiện với môi trường.
Tại châu Á, Philippines hiện có hơn 653 hệ thống biogas và 9 công ty chuyên cung cấp thiết bị biogas Chính phủ Thái Lan đã sản xuất 3.000MW điện từ biogas, với mục tiêu đến năm 2011 sẽ đạt 8% năng lượng điện quốc gia từ nguồn năng lượng tái sinh Ngoài ra, Nepal, Ấn Độ và Trung Quốc cũng đang phát triển hệ thống biogas một cách mạnh mẽ.
Hình 1.1: Một Trạm cung cấp Biogas ở Thụy Điển
Hình 1.2 :Xe bus chạy bằng nhiên liệu Biogas
Hình 1.3 :Tàu tốc hành chạy bằng Biogas
Các nhà khoa học Trung Quốc đã thử nghiệm một phương pháp mới để xử lý rơm rạ từ lúa gạo, mở ra cơ hội thuận lợi cho việc sản xuất biogas tại quốc gia này.
Lúa là cây nông nghiệp thiết yếu cho sự sống ở Nam và Trung Á Sau mỗi vụ thu hoạch, Trung Quốc còn tồn đọng khoảng 230 triệu tấn rơm rạ, được sử dụng làm thức ăn cho gia súc và để sưởi ấm.
4 nhà ở, sản xuất giấy Tuy nhiên, phần lớn trong số rơm rạ lại bị tiêu hủy, gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường sinh thái
Rơm rạ từ cây lúa là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu sinh học, đặc biệt là khí sinh học Biogas Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng rơm chứa một lượng lớn polisacarit và gỗ, là những chất khó phân hủy bởi vi khuẩn, cho thấy khả năng tận dụng nguồn tài nguyên này trong việc phát triển năng lượng tái tạo.
Các chuyên gia từ trường đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh đang thử nghiệm phương pháp xử lý rơm bằng natri hidrocid, một dung dịch kiềm mạnh Phương pháp này giúp phá vỡ các liên kết sinh học khó phân hủy, cho phép vi khuẩn dễ dàng tiêu hủy rơm Kết quả cho thấy sản xuất gas sinh học sau khi xử lý natri hidrocid tăng từ 27% đến 64,5% Trung Quốc đã xây dựng ba trạm xử lý rơm thử nghiệm và các nhà khoa học đang tiếp tục ứng dụng công nghệ này trong xử lý rơm và sản xuất biogas.
Tại Châu Âu, Châu Úc và Châu Á, quá trình phân hủy kị khí được sử dụng để xử lý chất thải hữu cơ từ các ngành công nghiệp như sản xuất bia, bột giấy và thực phẩm Các mô hình xử lý này có thời gian lưu thấp, thể tích bể ủ nhỏ hơn và tỷ lệ chịu tải cao hơn, mang lại hiệu quả trong việc quản lý chất thải công nghiệp.
Visy Paper AD Plant, Brisbane,
Anheuser Busch Plant, St Louis Kirchstockach, Đức (BTA)
Trước khi biogas được sử dụng để phát điện hoặc tạo nhiệt, nó cần được thu gom, bơm và lưu trữ trong thiết bị chứa gas Lượng gas lưu giữ phụ thuộc vào sự biến động của quá trình sinh khí trong hầm ủ, và thiết bị chứa gas phải thích ứng với sự dao động này, đồng thời ngăn không cho không khí xâm nhập Túi chứa gas với lớp màng kép đáp ứng các yêu cầu trên, đồng thời mang lại hiệu quả hoạt động cao, thời gian sử dụng lâu dài, dễ lắp đặt và đảm bảo an toàn Chi tiết về túi chứa gas được thể hiện trong hình ảnh sau đây.
Kohn Kaen Brewery AD Plant, Thái Lan
Hình 1.4: Cấu tạo của túi chứa khí với lớp màng kép
Túi chứa gas được thiết kế với lớp màng kép gồm ba lớp bền chắc, tạo hình dáng túi và được gắn chặt vào nền móng bê tông cốt thép bằng đai thép mạ kẽm Lớp màng đáy kín lỗ trống, trong khi lớp màng bên trong lưu giữ gas và điều chỉnh độ căng theo công suất chứa Lớp màng bên ngoài duy trì độ căng an toàn bằng bơm cấp khí có van chống nổ, đồng thời bảo vệ lớp màng bên trong khỏi tác động thời tiết và yếu tố xấu Hệ thống còn được trang bị van an toàn để ngăn ngừa áp suất vượt quá mức cho phép.
Hàng trăm túi chứa khí với lớp màng kép đang được sử dụng an toàn trên toàn thế giới, ngay cả trong những điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Túi chứa khí biogas được thiết kế với 7 lớp màng đặc biệt, giúp chống lại tia UV và khả năng chịu đựng sự thay đổi khắc nghiệt của thời tiết Kết cấu bằng Polyester mang lại độ bền cao cho sản phẩm.
Các túi khí có thể liên kết với nhau để tạo khả năng lưu trữ lớn
Biogas được lọc và nén ở áp suất cao để hóa lỏng, giúp dễ dàng lưu trữ và vận chuyển với thể tích nhỏ Mặc dù phương pháp này yêu cầu thiết bị kỹ thuật cao, dẫn đến chi phí tăng, nhưng nó vẫn được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu.
Hình 1.5: Mô hình nhiều túi chứa biogas
Hình 1.6: Hệ thống nén biogas cỡ nhỏ dùng cho các trang trại
1.2.2 Việt Nam Đặc thù vẫn còn là nền kinh tế nông nghiệp, biogas đã trở nên quen thuộc với người dân nông thôn nước ta hơn 10 năm nay Theo GS.TSKH Bùi Văn Ga, Giám đốc
Hình 1.7: Hệ thống nén, trữ biogas theo công nghiệp ở Westfaalse Ahlen
Trường Đại học Đà Nẵng cho biết, biogas hiện nay chủ yếu được sử dụng cho việc đun nấu Tuy nhiên, với 75% dân số sống ở nông thôn, cần có nguồn năng lượng lớn để phục vụ sản xuất và đời sống Việc ứng dụng biogas để vận hành động cơ đốt trong sẽ đóng góp đáng kể vào giải quyết vấn đề năng lượng và bảo vệ môi trường ở khu vực nông thôn.
Biogas, được tạo ra từ chất thải hữu cơ, hoàn toàn không ảnh hưởng đến an ninh lương thực và mang lại nhiều lợi ích, như giải quyết vấn đề năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường Đây là nguồn năng lượng tái sinh dồi dào, giúp giảm hiệu ứng nhà kính trong khí quyển Cần tập trung nghiên cứu và phát triển năng lượng tái sinh, đặc biệt là biogas ở khu vực nông thôn, để phục vụ cho các hoạt động như đun nấu, phát điện cho máy móc nông nghiệp, và cung cấp nhiên liệu cho xe tải nhỏ và xe máy Tuy nhiên, để khuyến khích người dân sử dụng nguồn nhiên liệu mới này, Nhà nước cần hỗ trợ giá trong giai đoạn đầu.
Hình 1.8: Ứng dụng khí biogas cho mục đích nấu nướng và thắp sáng tại Việt Nam
Lý do thực hiện đề tài
Hình 1.14: Giá dầu thế giới [8]
Cuộc khủng hoảng kinh tế toàn cầu đã khiến giá dầu thế giới biến động mạnh, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và mức phát thải ô nhiễm ngày càng cao.
Sự phát triển nhanh chóng của các trang trại chăn nuôi heo đang dẫn đến việc chất thải được thải trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho đất, nước và không khí.
Chất thải này có thể được chuyển đổi thành biogas, một nguồn năng lượng tái tạo, để sử dụng cho động cơ đốt trong, nhằm thay thế các nguồn năng lượng truyền thống như xăng và dầu.
Mục tiêu và đối tƣợng nghiên cứu
Giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí tại các trang trại có thể được thực hiện bằng cách tận dụng chất thải từ trang trại heo để sản xuất biogas, từ đó cung cấp năng lượng cho máy phát điện.
Hình 1.15: Sơ đồ qui trình thu hồi khí gas sinh học (biogas)
Phát triển các công nghệ phù hợp cho hệ thống máy phát điện như:
Bộ điều tốc điện tử đáp ứng theo từng chế độ tải, hệ thống lọc và lưu trữ biogas sạch.
Nội dung nghiên cứu
1) Vấn đề 1: Điện áp đầu ra máy phát không ổn định: Hầu hết các loại máy phát điện qua khảo sát sử dụng bộ điều tốc cơ khí Do thời gian tác động chậm nên khả năng đáp ứng tải của động cơ không được linh hoạt Vì vậy, điện áp đầu ra của máy phát không ổn định khi có sự thay đổi nhiên liệu hoặc áp suất của bình chứa biogas giảm
Hình 1.16: Hệ thống điều tốc cơ khí hiện tại
2) Vấn đề 2: Lọc và xử lý biogas: hệ thống lọc chưa được hoàn thiện hoặc chưa có Vì vậy, biogas đang sử dụng chưa được loại bỏ hoàn toàn các hợp chất gây hại cho thiết bị (động cơ đốt trong, bếp gas, ) và sức khỏe con người như: H 2 S, CO 2 , hơi nước…
Hình1.17: Một hệ thống lọc biogas hiện hữu tại một trang trại
3) Vấn đề 3: Lưu trữ biogas: Do có H 2 S và hơi nước trong thành phần nên biogas có tính ăn mòn kim loại Vì vậy, biogas không thể được lưu trữ trong các bình chứa kim loại với áp suất nén cao Hiện nay, hầu hết các trang trại đều sử dụng các thiệt bị lưu trữ đơn giản và thô sơ (như túi ni-lông trên hình) nên khả năng lưu trữ thấp do áp suất lưu trữ thấp, thể tích lưu trữ lớn và độ an toàn không cao
Hình 1.18 : Thiết bị lưu trữ biogas hiện nay tại trang trại
Dựa trên khảo sát thực tế tại các trang trại ở tỉnh Bình Dương, đề tài nghiên cứu trong Luận văn Thạc Sỹ này sẽ tập trung vào việc phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất nông nghiệp tại địa phương.
Nghiên cứu cải tiến hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động cơ và điện áp đầu ra của máy phát điện nhằm nâng cao khả năng đáp ứng khi điều kiện tải thay đổi, đặc biệt trong quá trình khởi động động cơ và kéo tải Hệ thống điều khiển này cho phép kiểm soát và ổn định số vòng quay của động cơ cũng như điện áp phát ra một cách linh hoạt.
Thiết kế và chế tạo hệ thống lọc biogas là rất quan trọng để loại bỏ các thành phần độc hại như H2S, bên cạnh việc giữ lại metan (CH4) có thể đốt cháy trong động cơ đốt trong Việc này không chỉ bảo vệ thiết bị mà còn đảm bảo sức khỏe cho con người.
Để ứng dụng biogas trong sinh hoạt và công nghiệp, đặc biệt là trong động cơ đốt trong, cần loại bỏ các thành phần như CO2 và hơi nước Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp xử lý hóa học nhằm tách biệt các thành phần có hại này.
Đề tài này tập trung vào thiết kế và chế tạo hệ thống máy phát điện công suất 20 KVA, 3 pha Mục tiêu là phát triển một hệ thống máy phát điện hiệu quả, đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng Qua quá trình thực nghiệm, chúng tôi sẽ đánh giá hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống, nhằm đảm bảo tính khả thi trong thực tế.
50Hz phù hợp với qui mô sử dụng điện năng trang trại thí nghiệm (khoảng 500 con heo)
Nghiên cứu đặc tính ổn định của hệ thống máy phát điện và đặc tính phát thải của động cơ đốt trong là rất quan trọng Các đặc tính này bao gồm tần số điện áp phát ra, thông số vận hành của động cơ như nhiệt độ nước làm mát, khí nạp và khí xã, cũng như các thông số liên quan đến ô nhiễm khí thải.
Do hạn chế về công nghệ, thời gian và kinh phí, nghiên cứu này không đề cập đến vấn đề lưu trữ biogas sạch.
Hình 1.19: Phạm vi nghiên cứu
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Nâng cao nhận thức của người dân về tầm quan trọng của năng lượng tái sinh
Giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất, nước, và không khí tại các trại chăn nuôi
Tiết kiệm chi phí sản xuất thông qua sử dụng nguồn nhiên liệu được sinh ra từ
24 hầmBiogas Cụ thể, sử dụng gas chạy máy phát điện, thắp sáng, sưởi ấm cho heo con,…
Mô hình hầm ủ biogas cải tiến được xây dựng nhằm sử dụng khí biogas để vận hành máy phát điện, đáp ứng nhu cầu điện sản xuất cho các trang trại chăn nuôi gia súc và gia cầm tại tỉnh Bình Dương Mục tiêu là nhân rộng mô hình này ra toàn tỉnh, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết về động cơ sử dụng biogas
2.2.1 Động cơ sử dụng biogas
Động cơ sử dụng biogas chủ yếu là động cơ đốt trong, và nhiên liệu gas đang trở nên phổ biến trên toàn cầu Dưới đây là một số loại động cơ thường gặp sử dụng biogas.
Động cơ sử dụng gas theo phương pháp hòa trộn trước, không có buồng cháy phụ
Hình 2.2a – Động cơ gas sử dụng phương pháp hòa trộn trước
Động cơ gas có cấu trúc tương tự như động cơ xăng với phương pháp hòa trộn trước Nhiên liệu được pha trộn qua bộ trộn để đạt tỉ lệ hòa khí tối ưu trước khi vào xilanh Hỗn hợp khí-gas sau đó được đốt cháy nhờ tia lửa điện từ bugi.
Hình 2.2b: Đặc tính của động cơ xăng và động cơ biogas(
1: Công suất, 2: Momen, 3: Mức tiêu hao nhiên liệu Đường nét liền: xăng, Đường chấm gạch: Biogas
Sử dụng cùng một động cơ nhưng với các loại nhiên liệu khác nhau sẽ tạo ra những đường đặc tính khác nhau Cụ thể, công suất của động cơ khi chạy bằng xăng luôn cao hơn so với khi sử dụng biogas Đồng thời, mô-men xoắn của động cơ chạy bằng xăng cũng cao hơn so với mô-men xoắn của động cơ khi sử dụng biogas.
Hình 2.3 – Động cơ Diesel - gas o Mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng xăng cũng cao hơn so với khi dùng biogas
Động cơ nhiên liệu kép Diesel-gas có tỉ số nén cao tương đương với động cơ diesel, nhưng hỗn hợp gas-không khí vào xilanh được tạo ra từ bộ trộn là rất nghèo, không thể tự cháy ở tỉ số nén cao Để khởi động quá trình cháy, một lượng nhiên liệu diesel được phun vào xilanh và tự bốc cháy, từ đó kích thích quá trình cháy chính của gas Phương pháp này chỉ hiệu quả với khí gas có thành phần mêtan cao, trong khi biogas không thể sử dụng do hàm lượng CO2 vượt mức cho phép.
Hình 2.4 – Động cơ gas sử dụng phương pháp hòa trộn trước, buồng cháy phụ
Động cơ gas sử dụng phương pháp hòa trộn trước với buồng cháy phụ, trong đó bộ trộn tạo ra hỗn hợp nghèo trước khi đưa vào buồng cháy Sau đó, một lượng nhiên liệu (xăng) được phun vào buồng cháy phụ để kích thích quá trình cháy chính của hỗn hợp gas.
Động cơ sử dụng gas theo phương pháp hòa trộn sau phun gas với áp suất cao trực tiếp vào buồng cháy hoặc đường ống nạp Khi gas được phun ở áp suất cao, nó chưa kịp hóa hơi và giãn nở, vì vậy cần có hệ thống nhiên liệu thứ hai để hỗ trợ quá trình cháy chính của gas Hệ thống nhiên liệu phụ, có thể là xăng hoặc diesel, tạo ra nhiệt độ ban đầu cao, giúp khí gas hóa hơi, giãn nở và dễ dàng bắt lửa.
Hình 2.5 – Động cơ gas sử dụng phương pháp phun trên đường ống nạp
Động cơ gas phun trực tiếp trên đường ống nạp
Hình 2.6a – Động cơ gas - diesel
Động cơ này hoạt động bằng cách nén gas với áp suất cao khoảng 350 bar, sau đó phun vào cuối kỳ nén Một lượng nhỏ diesel cũng được phun vào xilanh cùng với gas, giúp khởi động quá trình cháy chính của gas Phương pháp phun này đảm bảo gas được đốt cháy hoàn toàn, mang lại hiệu suất nhiệt cao và tăng công suất động cơ.
Hình 2.6b minh họa đặc tính của động cơ 1 xilanh biogas – diesel hoạt động ở 1500 vòng phút, bao gồm các thông số quan trọng như mức tiêu hao biogas khi sử dụng nhiên liệu kép, mức tiêu hao diesel khi chỉ dùng diesel, và mức tiêu hao diesel khi áp dụng nhiên liệu kép Ngoài ra, hình cũng chỉ ra mức tiết kiệm diesel và hiệu suất của động cơ trong chế độ nhiên liệu kép, cũng như nhiệt độ khí xả.
Hình 2.6b thể hiện đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu kép ở các chế độ tải khác nhau Đặc biệt, động cơ này có khả năng thay thế đến 80% diesel bằng biogas, mang lại hiệu quả sử dụng nhiên liệu tốt nhất trong dải công suất từ 70% đến 90% Tuy nhiên, nhiệt độ của động cơ khi hoạt động với nhiên liệu kép thường cao hơn so với khi sử dụng diesel.
Động cơ sử dụng nhiên liệu gas ngày càng phổ biến trên thế giới, nhưng tại Việt Nam, chúng còn mới lạ và ít được áp dụng Việc lựa chọn động cơ này cho phát triển biogas ở Việt Nam hiện chưa khả thi Tuy nhiên, nghiên cứu về chuyển đổi động cơ gas theo phương pháp hòa trộn trước, không có buồng cháy phụ, cho thấy tiềm năng thực hiện tại Việt Nam Động cơ gas có cấu tạo tương tự như động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí, vì vậy, việc chuyển đổi từ động cơ xăng sang sử dụng biogas có thể thực hiện dễ dàng mà không cần thiết kế mới Để chọn lựa động cơ phù hợp, cần chú ý đến nhiều đặc điểm và thông số quan trọng.
Tỉ số nén của động cơ () đóng vai trò quan trọng trong việc xác định công suất và khả năng kích nổ của nhiên liệu Đối với động cơ sử dụng biogas, tỉ số nén tối ưu nằm trong khoảng từ 10 đến 14.
Tốc độ làm việc của động cơ biogas là yếu tố quan trọng trong nghiên cứu nhằm phục vụ cho việc vận hành máy phát điện Để đảm bảo hiệu quả, cần chọn tốc độ động cơ phù hợp với máy phát điện, trong đó tốc độ 1500 v/p cho loại 4 cực từ và 3000 v/p cho loại 2 cực từ là những mức tối ưu thường được sử dụng.
Hệ thống nhiên liệu kiểu chế hòa khí rất quan trọng vì biogas có tính chất tương tự như xăng, cho phép động cơ hoạt động hiệu quả khi sử dụng nhiên liệu biogas.
38 cần có bộ hòa trộn hỗn hợp kiểu thành venturi giống như động cơ xăng; cũng như tính đơn giản của yêu cầu nghiên cứu chuyển dổi
Hệ thống đánh lửa trong động cơ biogas là cần thiết để đốt cháy nhiên liệu, tương tự như cách hoạt động của nhiên liệu xăng Biogas có tính chất gần giống với xăng và yêu cầu phương pháp hòa trộn ngoài để đảm bảo quá trình đốt cháy cưỡng bức hiệu quả.
Bộ điều tốc cho động cơ biogas là thiết bị thiết yếu để duy trì ổn định tốc độ cho máy phát điện Nếu động cơ không được trang bị sẵn bộ điều tốc, việc thiết kế và lắp đặt thêm bộ điều tốc là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
2.2.2 Các bộ phận chính của một động cơ sử dụng biogas a Bộ trộn (mixing valve)
Lý thuyết hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu
Hiện nay, có hai phương pháp hòa trộn được sử dụng cho động cơ đốt trong là:
Phương pháp hòa trộn trước và phương pháp hòa trộn sau
2.3.1 Phương pháp hòa trộn trước Đây là phương pháp hòa trộn kiểu truyền thống Nhiên liệu và không khí được hòa trộn, hình thành hòa khí (hỗn hợp khí) trước khi được hút vào động cơ Phương pháp này dựa trên cơ sở lý thuyết về cơ lưu chất, tính toán quá trình chuyển động của dòng khí trên đường ống nạp, nhằm tạo ra hỗn hợp đồng nhất cho quá trình cháy Phương pháp hòa trộn này khá đơn giản, được sử dụng phổ biến trên đa số động cơ xăng cổ điển dùng chế hòa khí Đối với động cơ dùng biogas, có một số kiểu bộ hòa trộn sau:
Bộ trộn kiểu VR có đặc trưng là họng gas vào và ra được bố trí vuông góc với nhau Khi động cơ hoạt động, áp suất chân không trên đường ống nạp tăng, làm cho màng dịch chuyển lên xuống, từ đó đóng mở họng gas để gas thoát ra và hòa trộn với không khí xung quanh Tỉ lệ hỗn hợp khí phụ thuộc vào áp suất gas vào, độ nhấc của van màng và lượng không khí hút vào, mối quan hệ này được thể hiện rõ trong các đồ thị liên quan.
Hình 2.11 Đặc tính bộ trộn kiểu VR
Ap suất ra của bộ trộn VR
Bộ trộn này có thiết kế đơn giản và không sử dụng mạch điều khiển điện tử, dẫn đến việc không đạt được tỉ lệ hòa trộn tối ưu và lượng khí thải vượt mức cho phép.
Bộ trộn kiểu ORIFICE/OR
Hình 2.12 – Nguyên lý bộ trộn kiểu OR
Bộ trộn này sử dụng gas từ phía trên và không khí từ họng chính, với cấu trúc họng chính có tiết diện thu hẹp để tăng tốc độ khí và tạo ra chênh lệch áp suất Điều này dẫn đến việc hút gas qua khe hở giữa vách bộ trộn và jích-lơ gas, hình thành hỗn hợp Tỉ lệ hỗn hợp được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí của jích-lơ gas hoặc jích-lơ khí, trong đó jích-lơ gas có thể được điều chỉnh tự động bằng động cơ bước bên ngoài Biểu đồ đặc tính hòa trộn của bộ trộn này sẽ được trình bày dưới đây.
Hình 2.13 – Đặc tính bộ trộn kiểu OR
Hình 2.14 – Bộ trộn kiểu VE
Bộ trộn kiểu VE hoạt động tương tự như bộ chế hòa khí của động cơ xăng, với gas được đưa vào qua nhiều lỗ nhỏ xung quanh họng nạp Khi dòng khí đi qua tiết diện co hẹp, vận tốc tăng lên, dẫn đến giảm áp suất cục bộ và hút theo lượng gas tương ứng để tạo thành hỗn hợp Tỉ lệ hỗn hợp có thể được điều chỉnh dễ dàng thông qua một jích-lơ gas nằm bên ngoài họng nạp.
Hình 2.15a – Đặc tính bộ trộn kiểu VE
Bộ trộn Venturi là loại đơn giản và cho hỗn hợp hòa trộn đồng đều nhất Ta có thể tính toán bộ trộn venturi như sau:
Bộ trộn Venturi, như trong Hình 2.15b, bao gồm các lỗ khoan với các thông số quan trọng: c1 là vận tốc khí vào, cv là vận tốc khí tại vị trí thắt, dv là đường kính tại chỗ thắt và di là đường kính họng nạp, trong khi ci là vận tốc ở đầu họng nạp.
Hình 2.15c : Bộ trộn venturi với 1 lỗ cung cấp gas
Khi lưu lượng khí cao, vận tốc dòng khí tăng, dẫn đến áp suất trong bộ trộn giảm xuống mức thấp nhất tại vị trí thắt Sự chênh lệch áp suất giữa biogas và dòng khí trở nên rất lớn, khiến phần lớn nhiên liệu đi qua các lỗ để hòa trộn hiệu quả với không khí.
Khi lưu lượng khí thấp, vận tốc dòng khí giảm, dẫn đến áp suất cao tại chỗ thắt Sự chênh lệch áp suất giữa biogas và không khí trở nên thấp hơn, khiến một phần nhỏ nhiên liệu đi qua các lỗ để hòa trộn vào không khí.
Các bước cơ bản để xác đinh thông số bộ trộn ventruri [13]
Bước 1: Xác định thể tích khí vào V, lưu lượng khí vào V 1 được xác định theo số vòng quay (rpm) tot h n
Bước 2: Xác định vận tốc khí vào
Bước 3: Tiết diện ngay chỗ thắt s m
Bước 4: Xác định lượng gas cần thiết
Lượng gas phụ thuộc vào: o Công suất động cơ o Nhiệt trị của khí sinh học o Hiệu suất động cơ tương ứng
Bước 5: Xác định tiết diện các lỗ ở chỗ thắt
d g : đường kính lỗ nhiên liệu g c g c
A f f c : lượng nhiên liêu tiêu hao c g : vận tốc nhiên liệu
Hình 2.16 – Bộ trộn kiểu xoáy lốc VO
Bộ trộn kiểu xoáy lốc VO có thiết kế đặc biệt với 8 lưỡi cánh hướng gió xoáy ở trên và cánh hướng dòng ổn định ở dưới Khi động cơ hoạt động, không khí được hút qua các cánh này, tạo ra xoáy theo một chiều nhờ vào góc nghiêng của các cánh Gas được đưa vào từ phía trên và dưới tác động của dòng khí xoáy, được hút vào tâm dòng xoáy để hòa trộn, tạo thành hỗn hợp hoàn hảo.
Dòng khí xoáy rối có thể gây tổn thất và cản trở chuyển động trong đường ống nạp, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất động cơ Để khắc phục tình trạng này, các nhà thiết kế đã thêm cánh hướng dòng phía trước cánh bướm ga, giúp ổn định hướng chuyển động của dòng khí sau khi đi qua bộ trộn Nhờ đó, sau khi đi qua cánh hướng dòng, dòng khí gần như không còn hiện tượng xoáy.
Tỉ lệ hòa trộn của bộ trộn được điều chỉnh dựa trên độ xoáy của dòng khí sau khi đi qua cánh hướng gió Để hiệu chỉnh tỉ lệ hỗn hợp, người ta thay đổi góc nghiêng của cánh hướng gió Bên cạnh đó, tỉ lệ hỗn hợp cũng phụ thuộc vào áp suất của gas đầu vào Một phương pháp khác để điều chỉnh tỉ lệ hỗn hợp là điều chỉnh jich-lơ tỉ lệ gas phía trên Đặc tính của bộ trộn được thể hiện trong đồ thị kèm theo.
Hình 2.17- Đặc tính bộp trộn kiểu VO
2.3.2 Phương pháp hòa trộn sau
Phương pháp hòa trộn được sử dụng cho động cơ gas mồi cháy bằng diesel, hay còn gọi là động cơ Gas Diesel Trong phương pháp này, gas được phun với áp suất cao vào xilanh để cung cấp năng lượng ban đầu, giúp hóa hơi lượng gas Động cơ này tiêu thụ một lượng nhỏ nhiên liệu diesel để khởi động quá trình cháy, sau đó gas, thường là mêtan, được nén ở áp suất cao khoảng 350.
Động cơ sử dụng phương pháp hòa trộn nhiên liệu gas và diesel có cấu trúc hệ thống nhiên liệu phức tạp, bao gồm máy nén áp suất cao, thiết bị điều áp, bộ lọc, kim phun và bộ phận điều khiển riêng cho nhiên liệu gas, bên cạnh hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel thuần tuý.
Phương pháp hòa trộn hiện tại có độ phức tạp cao và không phù hợp với điều kiện tại Việt Nam Các bộ trộn được thiết kế chủ yếu cho động cơ chạy gas, với sự đa dạng về loại hình và dãy công suất hoạt động Việc nghiên cứu chuyển đổi sử dụng biogas cho động cơ xăng thông qua chế hòa khí là khả thi, nhưng cần xem xét giá thành, dãy công suất, tính phổ biến và yêu cầu thiết kế để lựa chọn bộ trộn phù hợp.
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sử dụng chế hòa khí sang sử dụng biogas tại Việt Nam hoàn toàn khả thi qua các bước phân tích Trong chương tiếp theo, chúng tôi sẽ làm rõ hơn về vấn đề này và đề xuất phương án chuyển đổi tối ưu, đáp ứng các tiêu chí đã đặt ra.
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Thông số kỹ thuật của máy phát điện
Máy phát điện được chọn là máy phát điện của Trung Quốc sản xuất:
- Máy phát điện xoay chiều 3 pha
Hình 3.6: Đầu phát điện (Alternator)
Thực hiện chuyển đổi
Hệ thống máy phát điện bao gồm động cơ đốt trong và đầu phát, với kết nối các-đăng hoặc truyền động đai được thay thế bằng khớp nối trực tiếp tùy động Thiết kế này giúp nâng cao khả năng thích ứng của máy phát điện trong điều kiện tải cao và tốc độ động cơ lớn, đồng thời giảm thiểu rung động lớn khi hoạt động ở chế độ tải cao.
Hình 3.7: Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện đề xuất trong nghiên cứu
Trục các đăng không còn được sử dụng trong thiết kế mới, mà thay vào đó, trục của máy phát và bánh đà được liên kết bằng các lá thép Sự cải tiến này giúp khử độ lệch tâm giữa trục máy phát và trục khuỷu động cơ, đồng thời giảm thiểu rung động so với các thiết kế trước đây sử dụng trục các đăng.
Hệ thống nhiên liệu : o Thay thế bộ chế hòa khí bằng bộ trộn biogas o Việc điều khiển bướm ga trên bộ trộn được thực hiện bằng động cơ bước
Hệ thống đánh lửa : giữ nguyên hệ thống đánh lửa cũ
Kết cấu cơ khí : giữ nguyên
Hệ thống điều khiển : điện tử
3.6 Điều khiển hệ thống nhiên liệu
Lượng khí biogas sản sinh từ hầm chứa phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, dẫn đến tình trạng thừa hoặc thiếu khí Sử dụng bộ điều tốc cơ khí có thể gây ra sự thay đổi tốc độ động cơ khi lượng biogas cung cấp biến động, làm cho điện áp đầu ra không ổn định và có nguy cơ hư hại cho hệ thống điện.
Bộ điều tốc điện tử thay thế cho bộ điều tốc cơ khí
Hình 3.9: Động cơ bước và bộ trộn
Bộ trộn Động cơ bước
Bộ điều tốc điện tử nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ và tần số điện áp đầu ra của máy phát, từ đó điều khiển độ mở bướm ga trên bộ trộn thông qua động cơ bước.
Bộ điều tốc điện tử hoạt động liên tục cùng với động cơ
Ổn định tốc độ động cơ ở 1500v/p Phù hợp với đầu vào máy phát điện
Chương 4 : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY BIOGAS
4.1 Hệ thống máy phát điện sử dụng biogas được thiết kế và chế tạo trong Đề tài này bao gồm:
Động cơ đốt trong, đánh lửa cưỡng bức, sử dụng LPG chuyển đổi sang sử dụng biogas và đầu phát điện
Hình 4.1: Hệ thống động cơ máy phát được lắp đặt tại nơi thử nghiệm
Bộ trộn biogas – không khí – động cơ bước:
Hình 4.2: Bộ trộn(1) và động cơ bước(2)
Bộ trộn kiểu venturi được sử dụng trong việc nghiên cứu vì tính phổ biến cũng chư chất lượng hỗn hợp sau khi hòa trộn là tốt nhất
Bộ điều tốc điện tử linh hoạt
Hình 4.3 Bộ điều tốc điện tử và bộ điều khiển bằng tay
4.2 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều tốc điện tử :
Hệ thống điều tốc điện tử linh hoạt đã được thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm trên động cơ sử dụng biogas, nhằm khắc phục những hạn chế của bộ điều tốc cơ khí hiện tại, đặc biệt là vấn đề thời gian đáp ứng chậm.
4.2.1 Bộ điều tốc cơ khí có đặc điểm: Ưu điểm: Hoạt động khá đơn giản, thuần túy cơ khí
Khuyết điểm: Tốn không gian bố trí, cần độ chính xác gia công lắp đặt, hoạt động không linh hoạt
Hình 4.4: Điều tốc cơ khí đang được sử dụng ở các trang trại heo
4.2.2 Bộ điều tốc điện tử:
Chọn cảm biến tín hiệu tốc độ động cơ: có 2 phương án
Lắp thêm cảm biến tốc độ cho động cơ là một giải pháp hiệu quả nếu động cơ không có sẵn cảm biến Cảm biến có thể được lắp ở vị trí như trục khủy, trục cam hoặc bánh đà, với các loại cảm biến từ và Hall được ưa chuộng nhờ độ bền cao Tuy nhiên, phương án này có nhược điểm là chi phí lắp đặt cao và tín hiệu từ cảm biến có thể không chính xác.
Tận dụng cảm biến từ động cơ là một giải pháp khả thi, giúp giảm thiểu nguyên công do hầu hết các loại động cơ đều sử dụng hệ thống đánh lửa Đối với động cơ khảo sát, bộ đánh lửa tích hợp IIA cung cấp một đầu dây cho tín hiệu tốc độ, cho phép chúng ta sử dụng đầu dây này làm cảm biến tốc độ Tuy nhiên, cần xử lý tín hiệu này một cách phù hợp với mạch điều khiển điện tử, mang lại nhiều ưu điểm cho phương án này.
Bộ đánh lửa tích hợp IIA (Intergrated Igniton Assembly)
Bộ đánh lửa IIA được sử dụng trong động cơ của đề tài, với tất cả các thành phần được tích hợp thành một cụm nhỏ gọn, mang lại sự nhẹ nhàng và độ tin cậy cao.
Hình 4.6: Bộ đánh lửa IIA
Bộ đánh lửa tích hợp IIA có cách sử dụng đơn giản, với trục của bộ đánh lửa đồng thời là trục của bộ chia điện và trục roto của cảm biến tốc độ IIA được trang bị 3 đầu dây ra, giúp kết nối dễ dàng và hiệu quả.
GND được kết nối trực tiếp với thân bộ chia điện và nhận nguồn từ thân động cơ Một đầu dây vào cung cấp nguồn BAT+ cho bộ chia điện, kết nối với tiếp điểm IG của công tắc chính (màu đen sọc cam) Đầu dây tín hiệu Ne được sử dụng để
Khi động cơ hoạt động, tín hiệu đánh lửa có màu đen được nhận biết thông qua dạng xung tín hiệu Ne, như được minh họa trong hình bên dưới.
Dạng tín hiệu Ne của bộ đánh lửa, đo bằng Discope AVL 865, cho thấy sự thay đổi khi động cơ hoạt động ở tốc độ 1500 rpm Tín hiệu Ne thường ở mức thấp, nhưng khi có tín hiệu đánh lửa, xung Ne sẽ tăng vọt lên đỉnh 60V trước khi trở về mức 12V Đối với tốc độ 3000 rpm, biên độ đỉnh của tín hiệu Ne đạt 150V Để sử dụng tín hiệu Ne hiệu quả, cần xử lý tín hiệu trước khi đưa vào mạch điều khiển bằng phương pháp xén mức cao, với mức áp so sánh 5V; nếu tín hiệu lớn hơn 5V, lấy 5V, còn nếu nhỏ hơn 5V, lấy toàn bộ tín hiệu.
Quá trình điều khiển bướm ga tự động là một hệ thống điều khiển kín với hồi tiếp, trong đó mạch điều khiển điện tử đóng vai trò trung tâm Tín hiệu đầu vào bao gồm tốc độ động cơ, tín hiệu NE từ bộ đánh lửa và điện áp máy phát điện Tín hiệu đầu ra là xung điều khiển cho động cơ bước, giúp điều chỉnh cánh bướm ga mở và đóng.
Mạch điều khiển nhận hai tín hiệu: tín hiệu điều khiển từ tần số máy phát và tín hiệu hồi tiếp từ cùng nguồn Dựa trên hai tín hiệu này, mạch sẽ thực hiện tính toán để tạo ra tín hiệu điều khiển cho động cơ bước.
Thiết kế mới này có tín hiệu hồi tiếp, giúp ổn định điện áp đầu ra của máy phát Nhờ vào tín hiệu hồi tiếp, hệ thống có khả năng tránh sụt áp khi tăng tải đột ngột, từ đó nâng cao tính ổn định và độ tin cậy.
