Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ

60 - Độ dày nhỏ nhất của ống chứa hỗn hợp nhiên liệu được xác định theo công thức sau: 5,1 2 1 1 2    Pf dP  (2.59) D – đường kính trong của thiết bị tận dụng, mm P - áp lực lớn nhất của dòng khí xả tác dụng lên vách bầu, MPa G - áp lực lớn nhất của trọng lượng bản thân và hệ thống ống tác dụng lên vách bầu, MPa P 1 - áp lực lớn nhất của dòng khí xả và nhiên liệu lỏng tác dụng lên vách ống, Mpa. d – đường kính trong của ống chứa hỗn hợp nhiên liệu, mm σ - ứng suất cho phép tính toán của vật liệu chế tạo, N/mm 2 (MPa) 2.4.5.2. Kết quả tính độ bền Việc tính kiểm tra bền các chi tiết của bộ tận dụng nhiệt cần dựa vào kết cấu và kích thước của thiết bị. Kim loại dùng để chế tạo vách bầu tận dụng là ống thép được làm bằng thép C20. Trong tính toán và đảm bảo bền ta chọn các số liệu của thép ống tương đương với thép ống STB33 có trong bảng 3/9.2 TCVN 6259 – 3: 2003, là loại thép ống có ứng suất cho phép thấp nhất trong bảng. Ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo vách bầu tận dụng chọn theo bảng 3/9.2, TCVN 6259 – 3 : 2003 là: σ = 60 Mpa. Bảng 2.13. Kết quả tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải TT Các thông số Ký hiệu Công thức Thứ nguyên Kết quả tính 1 Ứng suất cho phép của kim loại chế tạo bầu tận dụng tại nhiệt độ 500 0 C σ MPa 60 2 Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo ống chứa nhiên liệu ρ 0 g/cm 3 7,93 3 Chiều dài đoạn ống cuộn trong l mm 5000

61 bầu tận dụng 4 Đường kính trong của ống chứa nhiên liệu d 1 mm 10 5 Đường kính ngoài của ống chứa nhiên liệu d 2 mm 16 6 Khối lượng đoạn ống cuộn trong bầu tận dụng m kg 4,86 7 Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo vỏ bầu tận dụng ρ b g/cm 3 7,85 8 Đường kính trong của bầu tận dụng nhiệt D 1 mm 166 9 Đường kính ngoài của bầu tận dụng nhiệt D 2 mm 178 10 Chiều dài bầu tận dụng L mm 415 11 Khối lượng bầu tận dụng M kg 10,6 12 Lượng khí xả lớn nhất do động cơ sinh ra G kx kg/h 273,78 13 Tốc độ lớn nhất của dòng khí xả ω max m/s 14,2 14 Động năng lớn nhất do dòng khí xả sinh ra W max kJ 27,6 15 Diện tích bên trong bầu tận dụng F b mm 2 21631 16 Áp lực lớn nhất tác động lên vách bầu tận dụng P Mpa 3,1 17 Chiều dày tối thiểu của vách bầu tận dụng δ 1 2.58 mm 2,24 18 Ứng suất cho phép của kim loại f MPa 85

62 chế tạo ống chứa hỗn hợp nhiên liệu tại nhiệt độ 500 0 C 19 Áp lực của hỗn hợp nhiên liệu tác dụng lên vách ống P 2 MPa 0,018 20 Chiều dày tốt thiểu của vách ống chứa hỗn hợp nhiên liệu δ 2 2.59 mm 1,51 Từ việc tính toán trên, ta thấy rằng việc chọn bầu tận dụng là thép CT20, có chiều dày δ = 4mm và ống chứa hỗn hợp nhiên liệu là Inox 201 có chiều dày δ = 3mm để chế tạo bộ tận dụng nhiệt khí thải là thỏa mãn điều kiện bền. 2.5. Kết luận chương 2 Trong chương 2 nội dung được trình bày một cách khoa học, bố cục hợp lý và đã đảm bảo được cơ sở lý luận cần thiết cho luận văn cụ thể đó là tính chất của nhiên liệu (DO), tính chất của nhiên liệu thay thế bio-oils/biodiesel... Trên cơ sở đó đã tính toán và pha chế được hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel là 60% bio-oils và 40% biodiesel để sử dụng cho thử nghiệm trong luận văn. Do hỗn hợp nhiên liệu có độ nhớt cao cho nên phải tiến hành hâm nóng. Vậy việc tính toán, thiết kế thiết bị hâm nóng hỗn hợp nhiên liệu tận dụng nhiệt khí xả đã được thể hiện trong chương 2 và xác định được nhiệt độ cần hâm nóng là 80 0 C. Toàn bộ những giá trị tính toán được ở chương 2 là cơ sở cho chương 3 để tiến hành thử nghiệm trên động cơ.

63 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm 3.1.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm 3.1.1.1. Mục đích thử nghiệm Đánh giá khả năng làm việc của động cơ khi thay thế nhiên liệu diesel truyền thống bằng hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel. Đánh giá khả năng tận dụng nhiệt khí thải vào mục đích hâm nóng nhiên liệu so với việc tính toán bằng lý thuyết. Xác định nhiệt độ hâm nóng hợp lý cho hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel. So sánh đối chứng hàm lượng phát thải, các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của động cơ khi sử dụng 2 loại nhiên liệu diesel truyền thống và hỗn hợp nhiên liệu bio- oils/biodiesel. 3.1.1.2. Phạm vi thử nghiệm Thử nghiệm sử dụng trực tiếp hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel đã được hâm nóng đến nhiệt độ thích hợp trên động cơ diesel. Thử nghiệm đặc tính phát thải các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel được hâm nóng đến nhiệt độ phù hợp và so sánh đối chứng với nhiên liệu diesel truyền thống. 3.1.2. Sơ đồ bố trí và thiết bị thử nghiệm 3.1.2.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm Băng thử động lực học cao ETB được trang bị tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là băng thử được cung cấp bởi hãng AVL của Áo. Băng thử được điều khiển thông qua phần mềm PUMA được kết nối với máy tính PC. Phần mềm PUMA có chức năng ghi nhận các tín hiệu từ cảm biến lắp trên băng thử và lắp trên động cơ thông qua hộp chuyển đổi Cable boom. Các tín hiệu cảm biến được chuyển đổi để đưa về màn hình máy tính giúp người điều khiển có thể kiểm soát được quá trình làm việc của động cơ. Quá trình thay đổi tốc độ,

64 mômen, vị trí tay ga của động cơ được tiến hành thông qua bảng điều khiển K57. Hình 3-1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên băng thử động lực cao ETB 3.1.2.2. Thiết bị thử nghiệm a. Hệ thống hâm nóng nhiên liệu kiểu tích hợp điện - khí xả - Thiết bị hâm nóng bằng điện gồm: 04 điện trở sấy loại 400W và 02 điện trở sấy loại 1000W được bố trí đối xứng nhau, cách đáy két chứa hỗn hợp nhiên liệu khoảng 250mm và phía trên cảm biến nhiệt độ. 01 cảm biến nhiệt độ dạng khớp cầu được nối với thiết bị điều khiển kiểu rơle nhiệt cấp điện cho điện trở sấy. - Thiết bị tận dụng nhiệt khí xả gồm: 01 xiphong giãn nở, và thiết bị tận dụng nhiệt khí xả kiểu ống trơn. - Thiết bị phục vụ gồm: 01 bầu lọc có lưới bằng kim loại để chịu nhiệt độ cao và 01 bơm tuần hoàn.

65 Hình 3-2. Hệ thống hâm nóng bằng điện-khí xả thử nghiệm b. Thiết bị băng thử nghiệm động cơ Để động cơ làm việc ổn định, băng thử được trang bị các thiết bị phụ trợ như: thiết bị ổn định nhiệt độ nước làm mát AVL553, thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL554, thiết bị làm mát nhiên liệu AVL753, thiết bị điều khiển tay ga THA100 và thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu. Hình 3-3. Phòng thử nghiệm động cơ D243

66 Ngoài ra, băng thử còn được trang bị các hệ thống điều khiển, xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả như PUMA, EMCON300, Concerto và ISAC300, giúp cho quá trình điều khiển được dễ dàng và bảo đảm kết quả thử nghiệm chính xác. * Phanh điện APA100 Phanh điện APA100 có thể hoạt động được ở chế độ phanh điện và động cơ điện. Với chế độ động cơ điện thì phanh điện APA100 có khả năng làm việc với công suất định mức là 200kW trong dải tốc độ từ 2250 đến 4500vg/ph và mômen định mức là 849Nm trong dải tốc độ từ 0 đến 2250vg/ph. Khi phanh điện APA 100 hoạt động ở chế độ máy phát điện thì công suất định mức là 220kW trong dải tốc độ 2250 đến 4500vg/ph và mômen định mức 934Nm trong dải tốc độ từ 0 đến 2250vg/ph. Tốc độ vòng quay định mức của băng thử là 8000vg/ph. Tác dụng tương hỗ giữa lực từ của stato và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc kéo động cơ đốt trong quay. Vỏ stato được đặt trên hai gối đỡ nên cũng có xu hướng quay theo. Một cảm biến lực (loadcell) giữ vỏ stato ở vị trí cân bằng và xác định giá trị lực tương hỗ này. Thay đổi giá trị của lực này bằng cách thay đổi cường độ dòng điện vào băng thử. Tốc độ quay của băng thử được xác định bằng cảm biến tốc độ kiểu đĩa quang. * Thiết bị làm mát nước AVL553 Sơ đồ nguyên lý làm mát của thiết bị AVL553 được thể hiện trên hình 3.4. Theo các tiêu chuẩn thử nghiệm về động cơ cũng như về khí thải đều có yêu cầu về nhiệt độ nước làm mát. Hình 3-4. Sơ đồ nguyên lý làm mát nước AVL 553

67 Cụm làm mát nước có chức năng giữ ổn định nhiệt độ nước làm mát động cơ. Khi động cơ làm việc một phần nhiệt được truyền cho các chi tiết động cơ, do đó gây ra các ứng suất nhiệt cho các chi tiết nên cần phải làm mát động cơ. Ngược lại, khi động cơ bắt đầu làm việc, nhiệt độ động cơ còn thấp, do đó rất khó khởi động nên làm nóng nước vòng ngoài để hâm nóng động cơ, khi động cơ đã làm việc nhiệt độ động cơ tăng khi đó cụm AVL553 sẽ điều chỉnh nhiệt độ nước vòng ngoài phù hợp để làm mát nhiệt độ nước làm mát động cơ. Các van được điều khiển bằng điện và khí nén sẽ đóng mở để cho nước vòng ngoài qua nhiều hay ít, đảm bảo nhiệt độ nước làm mát động cơ theo đúng yêu cầu. * Thiết bị làm mát dầu AVL554 Theo tiêu chuẩn thử nghiệm về động cơ cũng như về khí thải đều có yêu cầu về nhiệt độ dầu bôi trơn phải nằm trong giới hạn cho phép. Vì vậy cụm làm mát dầu có chức năng giữ ổn định nhiệt độ dầu bôi trơn, sơ đồ bố trí thiết bị làm mát dầu được thể hiện trên hình 3.5. Khi động cơ làm việc một phần nhiệt sẽ truyền cho dầu bôi trơn, làm nhiệt độ dầu bôi trơn tăng lên, do đó ảnh hưởng đến chất lượng bôi trơn nên cần làm mát dầu bôi trơn. Hình 3-5. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu AVL 554 * Bộ điều khiển tay ga THA100 Bộ điều khiển tay ga THA100 thể hiện trên hình 3.6. Bộ điều khiển này có

68 chức năng thay đổi vị trí cung cấp nhiên liệu, kéo thanh răng bơm cao áp đối với động cơ diesel, đóng mở bướm ga đối với động cơ xăng. Thiết bị chính của bộ THA100 là động cơ điện biến bước, thay đổi chiều dài của đoạn dây kéo ga để thay đổi vị trí cung cấp nhiên liệu tuỳ theo từng chế độ thử và được điều khiển từ máy tính. Hình 3-6. Bộ điều khiển tay ga THA100 * Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu Hình 3.7 thể hiện sơ đồ nguyên lý làm việc của cân nhiên liệu (Fuel balance 733S) sử dụng trong hệ thống thiết bị thử nghiệm đối với nhiên liệu diesel truyền thống. Thiết bị này thực hiện theo nguyên lý đo kiểu khối lượng, có vai trò quan trọng quyết định đến độ chính xác lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ. Cân nhiên liệu 733S dùng cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu tiêu thụ cung cấp cho động cơ bằng cách cân lượng nhiên liệu trong bình chứa. Yêu cầu cảm biến phản ứng với tốc độ nhanh, độ nhạy và độ chính xác cao. Các kết quả thu thập sẽ được ECU tính ra lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ. Thiết bị AVL753 có nhiệm vụ điều hoà nhiệt độ nhiên liệu đồng thời đảm bảo cung cấp ổn định lưu lượng nhiên liệu cho động cơ.

69 Hình 3-7. Sơ đồ xác định lượng hỗn hợp nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ D243 Trên hình 3.7 trình bày sơ đồ đo lượng hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel cấp vào động cơ. Lưu lượng hỗn hợp nhiên liệu cấp vào và hồi về két nhiên liệu được đo bằng lưu lượng kế, qua đó cho phép xác định lượng hỗn hợp nhiên liệu cấp vào động cơ theo thời gian. Số liệu đo được chuyển về máy tính và xác định được suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ. c. Hệ thống đo phát thải khí Tủ phân tích khí xả CEB-II (Combustion Emission Bench) là hệ thống bao gồm toàn bộ các môđun thực hiện quá trình phân tích các thành phần khí thải (các bộ phân tích) và các thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc chính xác của hệ thống như: Khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đoán, khối điều khiển…. Ngoài ra, tủ phân tích còn được lắp đặt một máy tính công nghiệp với phần mềm điều khiển GEM110. Việc kết nối máy tính điều khiển với các bộ phân tích được thực hiện thông qua các tín hiệu số, tùy thuộc vào bộ phân tích mà có thể kết nối với máy tính qua mạng CAN, LON hay qua cáp nối tiếp RS232. Các bộ phân tích lắp đặt trong tủ được sử dụng để đo các thành phần có trong khí thải như: mônôxit cácbon (CO), cácbon điôxit (CO 2 ), ôxygen (O 2 ), ôxit nitơ (NO và NO x ), hyđrô cácbon (HC), đồng