Lưu lượng khí cấp vào buồng đốt bị giảm đi nhiều lần so với lưu lượng khí sinh ra do tổn thất trên đường đi và bị nén bởi hai van chống cháy ngược trước khi cấp vào động cơ.
* Mắc nối tiếp xen kẻ 3 bản cực âm và 2 bản cực dương của bộ điện phân: Bảng 3.2: Kết quả lưu lượng khí sinh ra
Lưu lượng khí sinh ra Lưu lượng khí cấp vào buồng đốt I (A) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3
30 2.5 2.75 3 0.7 0.725 0.7 40 3 3 3.25 0.825 0.85 0.8 50 3.5 3.25 4 0.875 0.9 0.825 60 3.75 3.75 4.25 0.9 0.925 0.9 70 4 4.25 4.75 1 0.975 1 80 4.25 4.5 5 1.1 1.1 1.2
Hình 3.10 Biểu đồ lưu lượng khí sinh ra và cấp vào buồng đốt Từ biểu đồ (Hình 3.10) ta thấy được:
Cường độ dịng điện của trường hợp này giảm gần một nữa so với cường độ dịng điện của trường hợp (Hình 3.9) nhưng kết quả lưu lượng khí sinh ra gần bằng nhau. Kết quả cũng thể hiện được lưu lượng khí sinh ra từ 3 lần đó của trường hợp này có sự ổn định hơn so với trường hợp (Hình 3.9).
* Mắc nối tiếp 1 bản cực âm và 1 bản cực dương của bộ điện phân: Bảng 3.3: Kết quả lưu lượng khí sinh ra
Lưu lượng khí sinh ra Lưu lượng khí cấp vào buồng đốt 0 1 2 3 4 5 6 30 40 50 60 70 80
BIỂU ĐỒ LƯỢNG KHÍ SINH RA VÀ CẤP VÀO BUỒNG ĐỐT ( LÍT/ PHÚT )
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3
Q (lít/phút)
I (A) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3 3 3 3.5 3.75 0.65 0.7 0.7 10 3.75 4 4 1 0.95 1 15 4.5 4.5 4.75 1.05 1.25 1.25 20 5.25 5.25 5.5 1.25 1.4 1.45 25 6 6.25 6.25 1.4 1.5 1.55 30 6.5 6.75 7 1.55 1.6 1.65
Hình 3.11 Biểu đồ lưu lượng khí cấp sinh ra và cấp vào buồng đốt
So sánh biểu đồ của 3 hình trên ta có thể thấy được lưu lượng khí sinh ra trong trường hợp này thu được nhiều nhất. Ngoài tối ưu được các cặp cực mang điện của hệ thống mà còn giảm thiểu được nguồn điện bị tổn thất bởi điện trở của các tấm. Thơng qua biến trở chỉnh dịng điện, ta chỉ cần chỉnh một dịng nhỏ có thể thu được một lưu lượng khí lớn.
Bên cạnh đó khi lưu lượng khí sinh ra cao sẽ tạo ra một áp suất lớn tại bình chứa nên áp suất cho lưu lượng khí đi qua 2 van chống cháy ngược cũng cao hơn do đó lưu lượng khí được cấp vào động cơ được nhiều hơn và ổn định hơn so với các trường hợp trên. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 10 15 20 25 30
BIỂU ĐỒ LƯU LƯỢNG KHÍ SINH RA CẤP VÀO BUỒNG ĐỐT
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3
Q (L/phút)
CHƯƠNG 4. BỐ TRÍ LẮP ĐẶT VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG CUNG CẤP LƯỠNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HHO CHO ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI
KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN
4.1. Giới thiệu chung về động cơ đã được cải tạo
Động cơ kéo máy phát điện Honda GX200 truyền thống được cải tạo thành động cơ phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu và điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ được trình bày trên (Hình 9).
Hình 4.1 Sơ đồ cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ tĩnh tại phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử
Hệ thống điều khiển động cơ gồm: Cảm biến Hall 8 để làm mốc xác định thời điểm phun và thời điểm đánh lửa, đồng thời cũng cung cấp xung tín hiệu để xác định tốc độ động cơ; vi điều khiển 1 là board mạch Arduino Mega 2560 được cài đặt chương trình
điều khiển vịi phun 4, servo motor 5 và hệ thống đánh lửa 6. Giao tiếp giữa cảm biến 8 và các bộ phận 4, 5, 6 với vi điều khiển 1 thông qua mạch công suất và chống nhiễu 2. Mạch 2 bảo vệ vi điều khiển, khử nhiễu phát sinh do tia lửa điện và do đóng mở vịi phun. Mạch này đóng vai trị quan trọng trong đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và vi điều khiển không bị treo. Hệ thống chỉ sử dụng duy nhất một cảm biến Hall, loại bỏ các cảm biến khác sử dụng thông thường trên động cơ ô tô, xe gắn máy.
Nguyên lý hoạt động cơ hệ thống điều khiển động cơ như sau: Khi nam châm vĩnh cửu 9 gắn trên bánh đà quét qua cảm biến Hall 8 thì một xung điện phát sinh được gửi đến vi điều khiển 1 thông qua mạch công suất/chống nhiễu 2. Xung tín hiệu được đưa vào chân số 3 của vi điều khiển. Chương trình cài đặt trong vi điều khiển sẽ xử lý tín hiệu, xác định độ rộng xung, loại bỏ các tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, tính tốc độ đồng cơ, đồng thời xác định thời điểm đánh lửa và thời điểm phun nhiên liệu. Vi điều khiển được kết nối với 3 biến trở: Biến trở thứ nhất kết nối với chân A0 để điều khiển vị trí bướm ga thông qua servo motor 5; biến trở thứ hai kết nối với chân A1 điều chỉnh thời gian mở vòi phun; biến trở thứ ba kết nối với chân A2 điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Trong quá trình thử nghiệm, tốc độ động cơ, độ mở bướm ga, thời gian mở vịi phun và góc đánh lửa sớm được hiển thị trên màn hình LCD.
Hình 4.3 Kiểm tra vị trí ĐCT
Hình 4.5 Lắp đặt vịi phun
Hình 4.7 Cụm đánh lửa tổ hợp gắn trên động cơ
4.2. Bố trí lắp đặt bộ sinh khí trên máy phát đã được cải tạo
4.2.1. Nguyên lý hoạt động của bộ sinh khí HHO
Khi đóng mạch điện (máy biến thế 1 hoặc bình ắc quY) cung cấp cho bình điện phân, nước trong bình điện phân nóng lên, bay hơi theo đường ống đến bình chứa 3.Khí HHO tiếp tục vào bình chứa và khí được nén lại với 1 áp suất nhỏ. Lúc này khoảng khơng trên mặt nước bình chứa có áp suất nên đẩy nước ngược lại xuống bộ điện.
1 - Máy biến áp hoặc bình ắc quy, 2 - Bộ đện phân, 3 - Bình chứa, 4 - Van bi, 5 - Đồng hồ lưu lượng khí, 6 - Van chống cháy ngược OXYGEN, 7 - Van chống cháy
ngược ACETYLENE, 8-Lưu lượng kế, 9 - Tay hàn gió đá
4.2.2.Các phương pháp phun lưỡng nhiên liệu Biogas - HHO vào động cơ đã cải tạo
a. Phun lưỡng nhiên liệu Biogas - HHO đã được hòa trộn bằng điều khiển điện tử: * Nguyên lý hoạt động:
Ắc qui (30) phóng điện đi qua 2 điện cực của bộ điện phân (29), để quá trình này được diễn ra ổn định hơn, có thể sử máy biến áp. Nước từ bình chứa (28) sẽ cấp liên tục vào bộ điện phân (29) lúc này, dịng điện đi qua nước (có lẫn tạp chất chất tạo thành dung dịch điện phân) xảy ra quá trình điện phân nước tạo ra hỗn hợp khí H2 và O2. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực, hydro sinh ra ở điện cực âm và oxy được sinh ra ở cực dương. Khí sinh ra với áp suất cao được đẩy ngược vào bình chứa (28) dựa vào áp suất đó giúp q trình di chuyển của nước vào bộ điện phân ổn định hơn. Thông qua van giảm áp (27) lượng khí được cấp vào động cơ (9). Trên đường cấp vào buồng đốt động cơ được lắp 2 van chống cháy ngược (24) (25) là thiết bị giúp ngăn ngừa nguy cơ nổ bình khí khi xuất hiện quá trình cháy ngược từ đuốc hàn lan tỏa về van giảm áp hoặc bình khí. Để thuận lời trong việc điều chỉnh lưu lượng khí HHO cấp vào buồng đốt thì chúng sẽ thơng q việc điều chỉnh dòng điện hàn của máy biến áp dựa vào 2 lưu lượng kế (26), (5) được đặt 1 tại sau bình chưa để đo được lượng khí sinh ra của bộ điện phân, 2 tại đầu cổ nạp để đo lưu lượng khí thực tế được cấp vào buồng đốt. Khí được sinh ra từ bộ điện phân thông qua máy hút chân khơng được nén vào bình chứa HHO.
Khí từ 3 bình chứa HHO, CH4, CO2 được hịa trộn theo một tỷ lệ vào bình CNG trước khi cấp vào động cơ.
Hình 4.9 Sơ đồ bố trí
1 – Bình nhiên liệu khí, 2 – Van giảm áp, 3 – Van điện tử, 4 – Lưu lượng kế tổng, 5 – Lưu lượng kế không tải, 6 – Van chỉnh khơng tải, 7 – Vịi phun, 8 – Servo motor, 9 – Động cơ Honda GX200, 10 – Máy phát điện, 11 – Mạch công suất chống nhiễu, 12 – Vi điều khiển Adruno 2560, 13 – Máy tính, 14 – Điều chỉnh độ mở bướm ga, 15 – Điều chỉnh lượng phun bổ sung, 16 – Điều chỉnh góc đánh lửa sớm, 17 – Vi điều khiển bộ tạo tải, 18 – Điều chỉnh tải, 19 – Thiết bị gây tải, 20 – Dimmer, 21 – Servo motor, 22 – Thiết bị đo công suất P, I, V, 23 – Aptomat, 24 – Van chống cháy nổ ngược OXYGEN, 25 – Van chống cháy nổ ngược ACETYLENE, 26 – Lưu lượng kế thu từ máy điện phân, 27 – Van giảm áp, 28 – Bình chứa khí và nước, 29 – Bộ điện phân, 30 – Ắc quy, 31 – Máy hút chân khơng.
* Tính tốn q trình trộn lưỡng nhiên liệu Biogas - HHO vào bình chứa:
- Dụng cụ gồm có:
+ Đồng hồ áp suất + Ống mềm chịu áp lực
+ Đầu nối tiêu chuẩn vào các bình * Quy trình phối khí:
+ Xã hết khí trong bình CNG (4)
+ Nạp khí CH4 từ bình (1) vào bình (4) để đạt áp suất p1
CH4
+ Nạp CO2 từ bình (2) vào bình (4) để đạt áp suất p3 + Nạp khí HHO từ bình (3) vào bình (4) để đạt áp suất p2
Hình 4.10 Các bình hịa trộn
* Tính tốn thành phần nhiêu liệu Phương trình trạng thái khí lý tưởng
𝑝𝑟𝑖. 𝑉 = 𝑛𝑖𝑅𝑇
Trong đó:
pri: áp suất riêng của khí i
V: thể tích bình hồ trộn (CNG) (4) (m3) n: số mol của khí i (mol)
R: hằng số khí lý tưởng 8.314(J/mol.K) T: nhiệt độ tuyệt đối (k)
Số mol CH4 nạp vào bình:
𝑛𝐶𝐻4 = 𝑝1. 𝑉 𝑅𝑇
Số mol HHO nạp vào bình:
(1) (2) (3) (4)
(4.1)
𝑛𝐻𝐻𝑂 = (𝑝2− 𝑝1)𝑉 𝑅𝑇
Số mol CO2 nạp vào bình:
𝑛𝐶𝑂2 = (𝑝3− 𝑝2)𝑉 𝑅𝑇 Thành phần mol: 𝐶𝐻4 =𝑝1. 100 𝑃3 (%) 𝐻𝐻𝑂 = (𝑝2− 𝑝1).100 𝑝3 (%) 𝐶𝑂2 =𝑝1. 100 𝑝3 (%) Thành phần Biogas: { 𝐶𝐻4 = 𝑝1. 100 𝑝1+ 𝑝3− 𝑝2 (%) 𝐶𝑂2 = 100 − 𝐶𝐻4
Thành phần H2 trong hổn hợp với Biogas:
(𝑝2− 𝑝1).100
𝑝3 (%)
Bảng 4.1 Tỉ lệ hoà trộn các thành phần Biogas và HHO
p1 p2 p3 CH4 HHO CO2 %CH4 BIOGAS
1 2 3 33 33 34 50 M50C50 2 3 4 50 0,25 0,25 70 M70C30 3 4 5 60 20 20 75 M75C25 2 2,5 3 67 17 16 80 M80C20 2 2,5 3,5 60 13 27 73 M73C23 (4.3) (4.4) (4.5) (4.6) (4.7) (4.8) (4.9)
Cân chỉnh các giá p1, p2, p3 để đạt:
+ Thành phần Biogas M6C4, M7C3, và M8C2 + Thành phần HHO: 5%, 10%, 15%, 20%, 30% + Áp suất bình (4) nhỏ hơn 5 Bar
Chúng ta khơng chọn phương pháp hịa trộn này, việc sử dụng và bảo quản HHO với quy mô nhỏ không thuận tiện lắm nên tốt nhất là sử dụng ngay khi điều chế hoặc khi cần mới điều chế. Vì khi điện phân nước, khí HHO sinh ra có thành phần H2 và O2 khi có tỉ lệ 2H:O=2:1 sẽ dẫn đến cháy nổ.
b. Phun nhiên liệu Biogas điều khiển điện tử kết hợp phun trực tiếp nhiên liệu HHO để làm sạch:
* Nguyên lý hoạt động:
Ắc quy (30) phóng điện đi qua 2 điện cực của bộ điện phân (29), để quá trình này được diễn ra ổn định hơn, có thể sử máy biến áp tạo ra dòng 12V. Nước từ bình chứa (28) sẽ cấp liên tục vào bộ điện phân (29) lúc này, dịng điện đi qua nước (có lẫn tạp chất chất tạo thành dung dịch điện phân) xảy ra quá trình điện phân nước tạo ra hỗn hợp khí H2 và O2. Q trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực, Hydro sinh ra ở điện cực âm và Oxy được sinh ra ở cực dương. Khí sinh ra với áp suất cao được đẩy ngược vào bình chứa (28) dựa vào áp suất đó giúp q trình di chuyển của nước vào bộ điện phân ổn định hơn.
- Phản ứng trên catot: 2 H2O + 2e- → H2 + 2OH- - Phản ứng trên anot: 2 OH- → H2O + 1/2 O2 + 2e- - Tổng quát: 2 H2O + điện năng →2 H2 + O2
Thông qua van giảm áp (27) lượng khí được cấp vào động cơ (9). Trên đường cấp vào buồng đốt động cơ được lắp 2 van chống cháy ngược (24) (25) là thiết bị giúp ngăn ngừa nguy cơ nổ bình khí khi xuất hiện quá trình cháy ngược từ đuốc hàn lan tỏa về van giảm áp hoặc bình khí. Để thuận lời trong việc điều chỉnh lưu lượng khí HHO cấp vào
vào 2 lưu lượng kế (26), (5) được đặt 1 tại sau bình chưa để đo được lượng khí sinh ra của bộ điện phân, 2 tại đầu cổ nạp để đo lưu lượng khí thực tế được cấp vào buồng đốt. Lượng khơng khí thốt ra phụ thuộc vào cường độ dịng điện đi vào bình điện phân, thời gian điện phân, khối lượng nước ban đầu và cả chất xúc tác để tạo ra dung dịch điện phân (NaOH).
Hình 4.11 Sơ đồ bố trí
1 – Bình nhiên liệu khí, 2 – Van giảm áp, 3 – Van điện tử, 4 – Lưu lượng kế tổng, 5 – Lưu lượng kế không tải, 6 – Van chỉnh khơng tải, 7 – Vịi phun, 8 – Servo motor, 9 – Động cơ Honda GX200, 10 – Máy phát điện, 11 – Mạch công suất chống nhiễu, 12 – Vi điều khiển Adruno 2560, 13 – Máy tính, 14 – Điều chỉnh độ mở bướm ga, 15 – Điều chỉnh lượng phun bổ sung, 16 – Điều chỉnh góc đánh lửa sớm, 17 – Vi điều khiển bộ tạo tải, 18 – Điều chỉnh tải, 19 – Thiết bị gây tải, 20 – Dimmer, 21 – Servo motor, 22 – Thiết bị đo công suất P, I, V, 23 – Aptomat, 24 – Van chống cháy nổ ngược OXYGEN, 25 – Van chống cháy nổ ngược ACETYLENE, 26 – Lưu lượng kế thu từ máy điện phân, 27 – Van giảm áp, 28 – Bình chứa khí và nước, 29 – Bộ điện phân, 30 – Ắc quy, 31 – Máy hút chân không.
* Tính tốn lưu lượng khơng khí đi nạp đi vào động cơ trong kỳ nạp:
𝑄𝑘. 𝑘ℎí =𝜌𝑘. 𝑘ℎí. 𝜋. 𝐷
2𝑘. 𝑘ℎí. 𝑉𝑘. 𝑘ℎí 4
Trong đó: Qk.khí – khối lượng riêng của không khí trước ống nạp, 𝜌𝑘. 𝑘ℎí =1.1 - 1.29, kg/m3, chọn 𝜌𝑘. 𝑘ℎí= 1.2 kg/m3.
Dk.khí – Đường kính của đường nạp khơng khí, Dk.khí= 2 mm
Vk.khí – Tốc độ khơng khí đi vào đường nạp, m/s
𝑉𝑘.𝑘ℎí = 𝜑𝑘.𝑘ℎí.. √2. ∆𝑃𝑘.𝑘ℎí 𝜌𝑘.𝑘ℎí
Trong đó : 𝜑𝑘.𝑘ℎí.= Hệ số tốc độ của họng , 𝜑𝑘.𝑘ℎí.= 0.8-0.9. chọn 𝜑𝑘.𝑘ℎí.= 0.8.
∆𝑃𝑘.𝑘ℎí- Độ chân khơng của họng, ∆𝑃𝑘.𝑘ℎí=2-1.5kPa. Chọn ∆𝑃𝑘.𝑘ℎí= 3kPa.
Vk.khí= 𝜑𝑘.𝑘ℎí.. √2.∆𝑃𝜌 𝑘.𝑘ℎí 𝑘.𝑘ℎí = 0.8. √2.3.103 30 = 11.3 (m/s) 𝑄𝑘. 𝑘ℎí =𝜌𝑘.𝑘ℎí.𝜋.𝐷2𝑘.𝑘ℎí.𝑉𝑘.𝑘ℎí 4 .=1,2.3,14.0,002.11,3 4 =0.0021(kg/s)
Lưu lượng khơng khí nạp vào động cơ trong kỳ nạp Qk.khí= 0.0021 (kg/s)
(4.10)
(4.11)
(4.12)
4.2.3 Kết quả thử nghiệm động cơ có bổ sung HHO:
Bảng 4.2 Cơng suất động cơ và công suất điện sinh ra khi sử dụng Biogas và hỗn hợp lưỡng nhiên liệu Biogas + HHO
Tốc độ động cơ (vg/ph)
Nhiên liệu Công suất điện sinh ra (KW) 2000 Biogas 1.4 Biogas + 10% HHO 1.425 Biogas + 20% HHO 1.45 2400 Biogas 1.55 Biogas + 10 % HHO 1.6 Biogas + 20% HHO 1.65 2800 Biogas 1.8 Biogas + 10% HHO 2 Biogas + 20% HHO 2.1 3600 Biogas 2 Biogas + 10% HHO 2.2 Biogas + 20% HHO 2.3 4000 Biogas 1.9 Biogas + 10% HHO 2.1 Biogas + 20% HHO 2.2
Từ bảng 4.2 Trình bày kết quả chạy thử nghiệm tại từng chế độ khi sử dụng nhiên liệu Biogas và lưỡng nhiên liệu Biogas + HHO với từng áp suất phun khác nhau tăng dần từ 0.3 Kg/cm2 – 0.5 Kg/cm2 và tỉ lệ phần trăm hòa trộn khác nhau. Kết quả cho thấy cơng suất động cơ tăng lên và bên cạnh đó kéo theo máy phát điện sản sinh ra công suất điện cũng theo khi ta cấp bổ sung khí HHO vào đường ống nạp.
Hình 4.13 Biểu đồ so sánh công suất động cơ
Khi bổ sung khí HHO và đường ống nạp, do tốc độ cháy của HHO (265 - 325