TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP
BIOGAS-DIESEL
Thực nghiệm được tiến hành trên hiện trường với động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel được cải tạo từ động cơ diesel Vikyno EV2400 và băng thử công suất FROUDE. Thành phần CH4 trong biogas thay đổi từ 65% đến 91%.
Kết quả nghiên cứu cho thấy ở chế độ 1400 vòng/phút, công suất cực đại của động cơ nhiên liệu kép bắt đầu vượt công suất cực đại của động cơ diesel khi thành phần CH4 trong biogas lớn hơn 85%. Khi tốc độ động cơ tăng, động cơ nhiên liệu kép có công suất vượt động cơ diesel ứng với biogas nghèo hơn. Khi tốc độ động cơ lớn hơn 1800 vòng/phút, công suất động cơ nhiên liệu kép lớn hơn công suất động cơ diesel ứng với thành phần CH4 trong biogas khoảng 50%-60%. Kết quả này cho thấy, ở chế độ tốc độ định mức của động cơ nhiên liệu kép, chúng ta có thể sử dụng biogas nghèo, không cần lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi cải tạo.
Động cơ nhiên liệu kép chạy bằng biogas khi làm việc trên đường đặc tính cục bộ thì hiệu quả kinh tế thấp. Thực nghiệm cho thấy khi độ mở bướm ga 100% thì suất tiêu hao nhiên liệu diesel của động cơ nhiên liệu kép thay đổi từ 12,5% (ở vùng tốc độ thấp) lên đến 15,5% (ở vùng tốc độ cao), còn khi độ mở bướm ga là 70% thì tỷ lệ này thay đổi từ 15% đến 19%.
1. Giới thiệu
Trong nhiều trường hợp sử dụng trong thực tế, động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel thể hiện nhiều ưu điểm. Trước hết là việc cải tạo đơn giản hơn việc chuyển động cơ diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức. Trong trường hợp này chỉ cần lắp thêm bộ phụ kiện GATEC 20 lên động cơ diesel nguyên thủy là nó có thể chạy bằng biogas [1]. Mặt khác, động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel được cải tạo theo công nghệ GATEC có thể sử dụng lại nhiên liệu diesel khi cần thiết mà không cần sự can thiệp kỹ thuật nào. Điều này rất có lợi đối với những nơi có qui mô sản xuất biogas cỡ nhỏ để tận dụng biogas có sẵn cung cấp cho động cơ và khi hết biogas, động cơ có thể sử dụng lại dầu diesel [4].
Tuy nhiên, khi chuyển sang chạy bằng nhiên liệu kép, chúng ta phải phun một lượng nhiên liệu diesel mồi tối thiểu để đánh lửa và làm mát vòi phun. Điều này làm giảm tính kinh tế của động cơ biogas [2] nhưng giúp chúng ta có thêm một phương án điều chỉnh công suất động cơ khi làm việc với biogas nghèo. Chúng ta có thể duy trì công suất động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel bằng công suất định mức của động cơ diesel trước khi cải tạo. Do đó việc vận hành máy công tác của hệ thống không bị ảnh hưởng bởi sự chuyển đổi nhiên liệu.
Quá trình cháy trong động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel đã được nghiên cứu bằng phương pháp mô hình hóa [3]. Trong phần sau đây chúng tôi sẽ trình bày kết quả thực nghiệm đo công suất động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel được cải tạo từ động cơ diesel Vikyno EV2400.
2. Bố trí thí nghiệm
Động cơ Vikyno EV2400 được cải tạo thành động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel. Bướm ga cung cấp biogas cho động cơ được điều khiển tự động nhờ servo moteur nhận tín hiệu từ máy tính (hình 1). Lượng phun diesel tối thiểu để đánh lửa và làm mát vòi phun được điều chỉnh nhờ một vít hạn chế bắt trên thân máy (hình 2).
Động cơ sau khi cải tạo được lắp lên hệ thống đo lực với băng thử thủy lực FROUDE đặt trên bệ máy di động (hình 3). Nhờ hệ thống này chúng ta có thể di chuyển hệ thống thử nghiệm đến nơi cung cấp biogas phù hợp để tiến hành thí nghiệm. Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát, tốc độ động cơ, lực và vị trí độ mở bướm ga được chuyển vào bộ nhớ máy tính nhờ card biến đổi A/D. Hệ thống đo được chuẩn để đảm bảo giá trị ban đầu của cảm biến lực bằng 0 và sẵn sàng chạy thử nghiệm. Màn hình máy tính hiển thị các thông số đo như hình 4.
Thí nghiệm được tiến hành trước tiên bằng việc đo suất tiêu hao nhiên liệu diesel tối thiểu theo tốc độ động cơ. Hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel được nối với một túi chứa nhiên liệu đặt trên cân điện tử. Kết hợp giữa thời gian, tốc độ và công suất động cơ, chúng ta có thể xác định được suất tiêu hao nhiên liệu diesel. Khi chuyển sang chạy bằng biogas theo phương pháp nhiên liệu kép, chúng ta điều chỉnh vít hạn chế lượng phun tối thiểu sao cho lượng phun diesel nằm trong khoảng từ 10% đến 20% so với khi động cơ chạy hoàn toàn bằng diesel.
Khí biogas được cung cấp từ hai nguồn:
– Nguồn đi qua lọc hấp phụ bằng bentonite để lọc H2S: Hàm lượng CH4 trung bình trong biogas khoảng 60% và hàm lượng H2S khoảng 100ppm
– Nguồn qua lọc hấp thụ bằng NaOH để lọc đồng thời H2S và CO2: Hàm lượng CH4 trung bình trong biogas khoảng 91% và hàm lượng H2S trung bình khoảng 10ppm
Hai nguồn nhiên liệu này được pha trộn để đạt được giá trị nồng độ CH4 trung gian giữa 60% và 91%, chúng ta pha trộn hai nguồn khí này theo các tỉ lệ khác nhau. Trước khi kết nối túi chứa biogas vào hệ thống nạp nhiên liệu động cơ, chúng ta tiến hành phân tích thành phần nhiên liệu biogas (hình 5).
3. Kết quả và bình luận
Hình 6 giới thiệu đường đặc tính ngoài động cơ EV2400 cho bởi nhà chế tạo khi chạy bằng diesel và đường đặc tính ngoài động cơ nhiên liệu kép sử dụng biogas có thành phần CH4 khác nhau. Trong thực tế sử dụng, công suất cực đại của động cơ đạt được khi bắt đầu hiện tượng nhả khói đen ứng với chế độ tốc độ và chế độ tải cho trước. Hình 6 cho thấy công suất cực đại của động cơ thực tế nhỏ hơn công suất cực đại cho bởi nhà chế tạo. Hai đường công suất này tiến lại gần nhau khi động cơ đạt chế độ tốc độ định mức.
Khi chuyển sang chạy ở chế độ nhiên liệu kép, chúng ta duy trì một lượng phun nhiên liệu tối thiểu để đánh lửa và làm mát vòi phun. Do lượng không khí dư của động cơ diesel lớn nên khi chuyển sang làm việc chế độ nhiên liệu kép, hệ số tương đương của hỗn hợp có thể lớn hơn khi làm việc với nhiên liệu diesel. Điều này dẫn đến công suất động cơ nhiên liệu kép có thể lớn hơn công suất của động cơ này khi chạy hoàn toàn bằng diesel.
Nhiên liệu biogas có thành phần CH4 càng cao thì công suất cực đại ứng với một tốc độ cho trước càng cao và vị trí tốc độ mà ở đó công suất động cơ nhiên liệu kép bắt đầu lớn hơn công suất động cơ diesel càng dịch về phía tay trái
Hình 7 trình bày kết quả so sánh công suất ngoài động cơ EV2400 cho bởi nhà chế tạo khi chạy bằng diesel và công suất động cơ nhiên liệu kép sử dụng biogas với thành phần CH4 thay đổi ở các chế độ tốc độ khác nhau. Ở chế độ 1400 vòng/phút công suất ngoài động cơ nhiên liệu kép bắt đầu đạt công suất ngoài của động cơ diesel khi thành phần CH4 trong biogas lớn hơn 85%. Tương tự như vậy, ở chế độ tốc độ 1600 vòng/phút, công suất động cơ nhiên liệu kép bắt đầu vượt công suất động cơ diesel khi thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas lớn hơn 73%. Khi tốc độ động cơ lớn hơn 1800 vòng/phút, công suất động cơ nhiên liệu kép lớn hơn công suất động cơ diesel ứng với thành phần CH4 trong biogas rất thấp, khoảng 50%-60%.
Kết quả này cho thấy, ở chế độ tốc độ định mức của động cơ nhiên liệu kép, chúng ta có thể sử dụng biogas nghèo, không cần lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi cải tạo.
Hình 8 và hình 9 giới thiệu ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến được đặc tính của động cơ nhiên liệu kép. Việc đóng mở bướm ga làm thay đổi lưu lượng biogas cung cấp cho động cơ nghĩa là thay đổi hệ số tương đương f. Vị trí 100% độ mở bướm ga tương ứng với giá trị f=1. Khi bướm ga đóng hoàn toàn, động cơ nhiên liệu kép chạy không tải bằng diesel. Kết quả cho thấy trong cả hai trường hợp ứng với thành phần CH4 trong biogas là 65% (hình 8) hay 91% (hình 9), khi thay đổi vị trí bướm ga, công suất động cơ thay đổi từ đường đặc tính ngoài đến đường đặc tính không tải. Tại các vị trí bướm ga cục bộ này, động cơ đều làm việc ổn định.
Kết quả nghiên cứu này cho phép chúng ta định hướng việc nghiên cứu điều khiển động cơ nhiên liệu kép về phía tác động thay đổi lưu lượng biogas cung cấp cho động cơ. Đây là điểm khác cơ bản với động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức. Nếu chúng ta tiết lưu hỗn hợp như trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức thì có thể động cơ nhiên liệu kép không làm việc được vì khi tiết lưu mạnh, hỗn hợp nạp vào xi lanh giảm, dẫn đến giảm nhiệt độ cuối quá trình nén, hậu quả là tia nhiên liệu diesel không cháy được để đánh lửa.
Hình 10 giới thiệu ảnh hưởng của thành phần CH4 trong biogas đến suất tiêu hao nhiên liệu diesel của động cơ nhiên liệu kép khi chạy trên đường đặc tính ngoài. Kết quả này cho thấy khi tốc độ động cơ thay đổi từ nmin đến nmax, suất tiêu hao nhiên liệu tính theo g/HP.h hầu như không thay đổi. Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong biogas đến suất tiêu hao nhiên liệu diesel trong động cơ nhiên liệu kép không đáng kể.
Khi thành phần CH4 trong biogas thấp, độ mở bướm ga ảnh hưởng mạnh đến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ nhiên liệu kép. Hình 11 và hình 12 giới thiệu suất tiêu hao nhiên liệu diesel của động cơ nhiên liệu kép khi độ mở bướm ga là 100%, 50% và 30%. Ứng với độ mở bướm ga 100%, suất tiêu hao nhiên liệu diesel thay đổi từ 14% (ở tốc độ thấp) đến 16% (ở tốc độ cao) so với khi động cơ chạy hoàn toàn bằng diesel. Khi đóng bướm ga đến 50% thì mức thay đổi tỷ lệ này từ 23% đến 34%. Khi độ mở bướm ga còn 30% thì suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ nhiên liệu kép thay đổi từ 30% (ở vùng tốc độ thấp) đến 45% (ở vùng tốc độ cao).
Về mặt lý thuyết khi cần điều khiển bơm cao áp động cơ chạm chốt hạn chế nhiên liệu tối thiểu thì lượng phun diesel ứng với mỗi chu trình là không đổi. Tuy nhiên khi tốc độ động cơ tăng, do hiện tượng tiết lưu, lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình gia tăng một tỷ lệ nhất định.
Khi động cơ sử dụng nhiên liệu biogas có thành phần CH4 cao thì độ mở bướm ga thay đổi trong phạm vi từ 70% đến 100% ảnh hưởng rất ít đến suất tiêu hao nhiên liệu diesel của động cơ nhiên liệu kép (hình 13 và hình 14). Khi độ mở bướm ga 100% thì suất tiêu hao nhiên liệu diesel của động cơ nhiên liệu kép thay đổi từ 12,5% (ở vùng tốc độ thấp) lên đến 15,5% ở vùng tốc độ cao. Còn khi độ mở bướm ga là 70% thì tỷ lệ này thay đổi từ 15% đến 19%.
Kết quả này cho thấy khi động cơ nhiên liệu kép chạy bằng biogas làm việc trên đường đặc tính cục bộ thì hiệu quả kinh tế thấp.
4. Kết luận
- Công suất định mức của động cơ nhiên liệu kép có thể lớn hơn công suất động cơ diesel trước khi cải tạo. Khi tốc độ định mức của động cơ tăng, động cơ nhiên liệu kép có công suất vượt động cơ diesel ứng với biogas nghèo hơn.
- Khi tốc độ động cơ lớn hơn 1800 vòng/phút, công suất động cơ nhiên liệu kép lớn hơn công suất động cơ diesel ứng với thành phần CH4 trong biogas khoảng 50%-60%. Do đó ở chế độ tốc độ định mức của động cơ nhiên liệu kép, chúng ta có thể sử dụng biogas nghèo, không cần lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi cải tạo.
- Khi làm việc trên đường đặc tính cục bộ thì hiệu quả kinh tế của động cơ nhiên liệu kép thấp. Khi độ mở bướm ga 100% thì suất tiêu hao nhiên liệu diesel của động cơ nhiên liệu kép thay đổi từ 12,5% (ở vùng tốc độ thấp) lên đến 15,5% (ở vùng tốc độ cao), còn khi độ mở bướm ga là 70% thì tỷ lệ này thay đổi từ 15% đến 19%.
Tài liệu tham khảo
- Bui Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Hoàng Nguyên: Tính toán van cung cấp hỗn hợp biogas-không khí cho động cơ tự cháy do nén bằng phần mềm FLUENT. Tạp chí Khoa học và Công nghệ-Đại học Đà Nẵng, số 4(39)/2010, pp. 88-95
- Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch: So sánh hiệu quả kinh tế của các giải pháp cải tạo động cơ chạy bằng xăng dầu sang chạy bằng biogas. Hội nghị Cơ học Thủy Khí toàn quốc, Qui Nhơn, 22-24/7/2010, pp.185-192
- Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến: Mô phỏng quá trình cháy dual fuel biogas-diesel. Tạp Chí Giao Thông Vận Tải, số 4/2011, pp. 32-34
- Ga Bui Van, Nam Tran Van, Xuan Nguyen Thi Thanh, Dong Nguyen Van, Thong Nguyen Minh: Utilization of Poor Biogas in Biogas -Diesel Dual Fuel Engine. Da Nang International Forum on Green Technology and Management-IFGTM 2011, Danang City on July 28-29, 2011, pp. 41-50
