Báo cáo tóm tắt Đề tài Nghiên cứu công nghệ sử dụng biogas cho xe gắn máy

1

MỞ ĐẦU

TệNH CẤP THIꢀT CỦA Đꢁ TÀI: Biogas được sản xuất từ phế

thải nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm là một loại nhiên liệu thay

thế góp phần giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, tận dụng năng lượng và

bảo vệ môi trường. Ngoài ra, là một dạng năng lượng tái sinh nên biogas

không làm tăng phát thải CO₂là loại khí nhà kính chủ yếu làm biến đổi

khí hậu do trái đất nóng lên. Vì vậy nghiên cứu sử dụng biogas làm

nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được quan tâm từ lâu trên thế

giới cũng như ở Việt Nam. Tuy nhiên, trên thế giới chưa có nghiên cứu

nào về xe máy dùng biogas. Trong khi đó xe máy ở nước ta với số lượng

khoảng hơn 30 triệu chiếc hiện và sẽ còn là phương tiện giao thông chủ

yếu trong hàng thập kỷ nữa.

Chính vì thế, đề tài “Nghiên cứu công nghệ sử dụng biogas

cho xe gắn máy” là cần thiết, có tính thời sự, tính khoa học và thực tiễn

cao.

MỤC ĐệCH NGHIểN CꢂU: Mục tiêu chính của nghiên cứu này

là thiết kế chuyển đổi xe gắn máy truyền thống thành xe gắn máy sử

dụng hai nhiên liệu lỏng – khí. Xe gắn máy được chuyển đổi để có thể

sử dụng một cách linh hoạt với các loại nhiên liệu lỏng – khí như khí

biogas, khí thiên nhiên.

ĐỐI TꢃỢNG NGHIểN CꢂU: Theo những phân tích trên đây,

đề tài chọn đối tượng nghiên cứu là động cơ xe gắn máy Honda wave α

110cc sử dụng nhiên liệu biogas.

PHẠM VI NGHIểN CꢂU: Do tính chất hết sức phức tạp của

vấn đề nghiên cứu, đề tài này chỉ giới hạn nghiên cứu những vấn đề sau

đây:

-

Nghiên cứu hệ thống cấp biogas làm nhiên liệu cho xe gắn máy;

2

-

Nghiên cứu mô phỏng quá trình cấp biogas cho xe gắn máy;

Nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy của động cơ xe gắn máy

Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu biogas;

PHꢃꢄNG PHÁP NGHIểN CꢂU: đề tài sử dụng phương pháp

nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.

-

Nghiên cꢅu lý thuyꢆt: Nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên liệu

biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave  110cc bằng

phương pháp hút qua họng Venturi bởi cụm van ba chức năng

để xác lập đường đặc tính của hệ số tỷ lệ tương đương theo tải của

động cơ;

-

Nghiên cꢅu thꢇc nghiꢈm: Thực nghiệm đo diễn biến áp suất

trong buồng cháy động cơ xe gắn máy wave  110cc sử dụng

nhiên liệu xăng RON92 và nhiên liệu biogas nén 85% CH₄.

Bố cục của đề tài ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát

triển của đề tài, nội dung chính được trình bày trong 4 chương với

cấu trúc như sau:

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng biogas làm nhiên

liệu cho động cơ đốt trong.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về sử dụng biogas cho động cơ đốt

trong đánh lửa cưỡng bức.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xe gắn máy sử dụng nhiên

liệu biogas nén

3

Chꢉꢊng 1

TỔNG QUAN Vꢁ NGHIểN CꢂU ꢂNG DỤNG BIOGAS LÀM

NHIểN LIꢋU CHO ĐỘNG Cꢄ ĐỐT TRONG.

1.1. Vấn đề năng lượng và môi trường

Trước tình hình nguồn nhiên liệu hóa thạch đang lâm vào khủng

hoảng vì cạn kiệt và vấn đề ô nhiễm môi trường đang trở nên ngày một

trầm trọng, để giảm nồng độ các chất ô nhiễm từ khí xả động cơ của

phương tiện giao thông cơ giới, đề tài đề xuất giải pháp sử dụng nguồn

nhiên liệu “sạch” hơn cho xe gắn máy: khí sinh học biogas.

1.2. Tình hình sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

1.2.1. Tình hình sản xuất và ứng dụng biogas trên thế giới

Hình 1.7: Sản lượng biogas ở các nước EU năm 2009

(Nguồn European Biogas Association – EBA)

Tiềm năng biogas được ước tính trên cơ sở các nguồn sinh khối

đang tồn tại trên hành tinh. Các số liệu thống kê cho thấy con người chỉ

mới sử dụng một phần rất nhỏ biogas so với tiềm năng có thể sản xuất

được từ các nguồn sinh khối có sẵn.

1.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng biogas tại Việt Nam

Trong khoảng thời gian gần đây, việc sử dụng biogas đã trở nên

quen thuộc đối với người dân Việt Nam.

4

1.2.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas cho động cơ xe

gắn máy

Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc cung cấp nhiên liệu

cho động cơ ô tô và động cơ xe gắn máy qua đường nạp bằng cách hút

hoặc phun với áp suất thấp [6], [7], [14]. GS.TSKH Bùi Văn Ga đã

thành công với bộ phụ kiện cung cấp LPG cho động cơ xe gắn máy theo

kiểu hút qua họng Venturi [6], [29], [30], [31]. Gần đây, GS.TSKH Bùi

Văn Ga và nhóm GATEC của Đại học Đà Nẵng cũng rất thành công với

bộ phụ kiện GATEC 21 cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại và các

phương tiện giao thông cơ giới.

1.3. Các tiêu chuẩn sử dụng nhiên liệu khí cho động cơ đốt trong và tính

chất lý hóa của nhiên liệu biogas

Có thể nâng cấp biogas thành khí thiên nhiên (H S< 4ppm,

2

CH > 95%, CO < 2% thể tích, H O<10^-4kg/mm³, loại bỏ cặn,

4

2

siloxanes) để ứng dụng cho động cơ trên các phương tiện cơ giới. Tùy

theo quy mô sản xuất và mục đích sử dụng, biogas có thể được hòa vào

mạng lưới khí thiên nhiên để vận chuyển đến nơi tiêu thụ. Khi đó, tiêu

chuẩn dành cho khí thiên nhiên hoàn toàn có thể áp dụng cho biogas.

1.4. Công nghệ xử lý các tạp chất trong biogas

Hiện nay, có nhiều công nghệ khác nhau để nâng cấp khí biogas

thô đạt đến hàm lượng methane theo các tiêu chuẩn về nhiên liệu khí

dùng cho động cơ đốt trong. Các quá trình này đều liên quan đến việc

loại bỏ đáng kể lượng CO₂và H₂S có mặt trong biogas [5], [6], [56].

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm bằng tháp nước có vật liệu đệm

nhằm tăng cường bề mặt tiếp xúc pha giữa biogas với nước, với lưu

lượng biogas đầu vào là 1,5 m³/h, sau quá trình lọc thu được biogas sạch

với nồng độ của CH₄lên đến 96,7%, nồng độ CO₂chỉ còn 1,87%, và các

thành phần khí khác chiếm 1,43%, H₂S được hấp thụ gần như hoàn toàn.

5

1.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng biogas làm nhiên

liệu cho động cơ đốt trong

Những nghiên cứu ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật của động

cơ khi sử dụng biogas làm nhiên liệu thay thế như: Tỷ số nén, góc đánh

lửa sớm tối ưu, tốc độ cháy của hỗn hợp biogas – không khí, mức độ

phát thải các chất ô nhiễm, đánh giá công suất khi cải tạo động cơ sang

sử dụng nhiên liệu biogas...

Biogas có tốc độ lan tràn màng lửa thấp hơn các loại nhiên liệu

khí khác. Vì vậy, góc đánh lửa sớm phải tăng để đảm bảo quá trình cháy

diễn ra hoàn hảo, nâng cao hiệu suất và công suất của động cơ. Jewell

(1986) cho rằng góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ 25 kW chạy bằng

biogas chứa 60% methane nằm trong khoảng 33⁰- 45⁰trước điểm chết

trên. Theo Walsh (1986) cho rằng động cơ 55 kW sử dụng biogas tương

tự có góc đánh lửa sớm tối ưu là 45⁰trước điểm chết trên.

GS.TSKH Bùi Văn Ga và các cộng sự ở Đại học Đà Nẵng đã

nghiên cứu chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, dầu sang sử

dụng biogas. Động cơ chạy bằng xăng dầu truyền thống có thể được

chuyển đổi sang chạy bằng biogas nhờ các bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên

liệu đã mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và bảo vệ môi trường.

Sử dụng khí biogas nén trên xe gắn máy vấp phải khó khăn là

chứa nhiên liệu áp suất cao. Trường hợp lưu trữ ở trạng thái lỏng thì

cũng gặp nhiều khó khăn vì phải làm lạnh sâu đến nhiệt độ rất thấp (đến

-161,5⁰C ở áp suất 1 atm đối với CH₄tinh khiết) và như vậy bình chứa

phải có cấu tạo với các vỏ bọc kép chân không chi phí rất cao.

GS.TSKH Bùi Văn Ga và nhóm GATEC của Đại học Đà Nẵng cũng rất

thành công với bộ phụ kiện GATEC cung cấp biogas cho động cơ tĩnh

tại và các phương tiện giao thông cơ giới.

6

Các tác giả Nguyễn Ngọc Dũng, Trần Đăng Long, Huỳnh Thanh

Công và cộng sự ở Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh

đã nghiên cứu phương pháp phun nhiên liệu biogas trên đường nạp và

đánh giá tính năng của động cơ xe gắn máy trên băng thử.

Như đã trình bày ở trên, biogas đã được nghiên cứu sử dụng

thành công cho nhiều loại động cơ đốt trong dùng trong nông nghiệp,

vận tải nhỏ, máy phát điện… còn ứng dụng biogas cho xe máy chưa

được chú ý thích đáng, hoặc chỉ dừng lại ở mức đánh giá sơ bộ sự sụt

giảm công suất của động cơ xe gắn máy khi sử dụng loại nhiên liệu

này ở phòng thí nghiệm.

1.6. Kꢆt luꢌn

Kết quả nghiên cứu tổng quan về tình hình sử dụng biogas cho

động cơ đốt trong cho phép rút ra được những kết luận như sau:

- Việc sử dụng xe gắn máy đã đóng góp rất lớn cho sự phát triển

kinh tế chung trong điều kiện xã hội nước ta. Do đó, việc tìm kiếm, ứng

dụng những nguồn nhiên liệu mới thay thế nguồn nhiên liệu có nguồn

gốc hoá thạch đang là vấn đề quan tâm hàng đầu.

- Nhiên liệu biogas là nguồn năng lượng tái tạo có trữ lượng lớn

và được sản sinh trong các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con

người. Tuy vậy, để sử dụng nguồn năng lượng này một cách có hiệu quả

thì cần phải hoàn thiện công nghệ sản xuất, lọc và lưu trữ biogas để làm

nhiên liệu cung cấp cho xe gắn máy.

Từ các căn cứ nêu trên cho thấy đề tài “Nghiên cứu công nghệ

sử dụng biogas cho xe gắn máy” là cần thiết, có tính thời sự, tính khoa

học và thực tiễn cao.

7

Chương 2

Cꢄ SỞ LÝ THUYꢀT Vꢁ QUÁ TRÌNH CUNG CẤP BIOGAS CHO

ĐỘNG Cꢄ XE GꢍN MÁY HONDA WAVE  110CC

2.1. Tính toán lý thuyết quá trình nén lưu trữ khí biogas sạch

Năng lượng cần thiết để nén khí biogas sạch là thông số quan

trọng của hệ thống nén và lưu trữ khí biogas. Công cần thiết cho quá

trình nén được biểu diễn bằng biểu thức [6], [58]:

2

^C















P



²

(2.1)

W  C₁RT

1

1



P





 ¹

Trong đó: W là công cần thiết cho quá trình nén; C₁=k/(k-1);

C₂=(k-1)/k; k: Tỉ số nhiệt dung riêng (C_p/C_v), k=1,3; R: Hằng số khí của

biogas; T₁: Nhiệt độ ban đầu [độ F]; p₁: Áp suất ban đầu [psi]; p₂: Áp

suất cuối quá trình nén [psi].

2.2. Tính toán hiệu quả lưu trữ khí biogas bằng phương pháp nén

Hình 2.12 giới thiệu biến thiên năng lượng biogas lưu trữ được

trong bình chứa dung tích 30 lít theo áp suất nén ứng với thành phần

CH₄trong biogas thay đổi từ 40% đến 80%.

Hình 2.2: Biến thiên năng lượng tích lũy

trong biogas theo áp suất nén

Hình 2.3: Hiệu quả năng

lượng sử dụng biogas nén

Với biogas có X_CH4= 80% thì giá trị giới hạn của Q/W khoảng

100 (hình 2.3). Vì vậy, hiệu quả kinh tế của việc sử dụng biogas nén trên

phương tiện giao thông cơ giới là rất rõ rệt.

8

2.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén cho xe gắn máy hai bánh

2.3.1. Các chủng loại xe gắn máy chạy xăng có thể chuyển sang chạy

bằng biogas

Hình 2.4: Động cơ có buồng cháy phù hợp với việc sử dụng

nhiên liệu khí

Hình 2.4 giới thiệu hai kiểu kết cấu buồng cháy động cơ xe máy

hiện đang lưu hành ở nước ta. Các động cơ thế hệ mới như DREAM

100, WAVE 100, 110 của Nhật, BONNUS 125cc, SWAN 110 của

Trung Quốc... có kết cấu buồng cháy như hình 2.4

2.3.2. Đặc điểm quá trình cung cấp biogas cho động cơ xe gắn máy

Biogas có chứa một số tạp chất, chủ yếu là CO₂. Vì vậy ta có thể

xem thành phần nhiên liệu biogas chứa X% CH₄và (100-X)% CO₂tính

theo thể tích. Chúng ta có thể xác định độ đậm đặc của hỗn hợp được

định nghĩa bởi tỷ số giữa tỷ lệ khối lượng nhiên liệu/không khí thực tế

(F/A)_tttrên tỷ lệ khối lượng nhiên liệu/không khí lý thuyết (F/A)_lt, tức là:



F/ A_tt

 =

(2.6)



F/ A_lt

Nếu gọi m_alà lưu lượng không khí (kg/s) thì lưu lượng khối

lượng O₂là:

9

2.3.3. Bản chất kỹ thuật của giải pháp cung cấp biogas cho xe gắn máy

Bản chất kỹ thuật Giải pháp này đề xuất hệ thống cung cấp

nhiên liệu biogas nén trong bình áp suất cao, sau đó được giảm áp và

thông qua hệ thống van chân không cung cấp cho động cơ xe gắn máy.

Đồng thời xe có thể chạy được bằng 2 nhiên liệu, hoặc nhiên liệu biogas

nén, hoặc bằng xăng như trước khi cải tạo (hệ thống nhiên liệu xăng

không thay đổi).

Để đảm bảo các yêu cầu trên, hệ thống cung cấp là cụm van

chân không ba chức năng gồm một van cung cấp công suất (van cung

cấp chính), một van gia tốc (van làm đậm) và một van không tải (đường

cấp biogas cho chế độ chạy không tải).

2.4. Lắp đặt hệ thống cung cấp biogas trên xe gắn máy hai bánh

Hình 2.10 giới thiệu xe gắn máy kiểu WAVE 110cc đã được lắp

đặt xong các phụ kiện của hệ thống nhiên liệu biogas. Hai bình chứa có

dung tích 3,5 lít mỗi bình được nén ở áp suất 75 bar để chạy thử nghiệm.

Các van giảm áp, bộ phụ kiện GATEC – 25 và ống dẫn khí đều được bố

trí hợp lý với hình dạng và kết cấu của xe không thay đổi nhiều.

Hình 2.10: Hình ảnh lắp đặt hệ thống cung cấp biogas nén trên xe gắn

máy Wave  110cc

10

2.5. Xây dựng mô hình tính toán cho hệ thống cung cấp biogas nén kiểu

van ba chức năng cho xe gắn máy Honda Wave α 110cc

Hệ thống cung cấp nhiên liệu gồm những cụm chi tiết chính

như: bình chứa biogas nén (1), van giảm áp (5), cụm van chân không ba

chức năng (7, 14, 15) được bố trí như hình 2.11.

15

9

10

1

2

3

4

5

6

7

8

11

12

13

14

Hình 2.10: Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp biogas kiểu van chân

không ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc

1- Bình chứa biogas nén; 2- Đồng hồ theo dõi áp suất bình chứa; 3-

Khóa dòng; 4- Lọc dòng; 5- Cụm van giảm áp; 6- Bộ chia dòng; 7- Van

công suất; 8- Lỗ cung cấp chính qua họng Venturi; 9- Van làm đậm; 10-

Họng hút Venturi; 11- Lỗ cung cấp của mạch làm đậm; 12- Trụ ga; 13-

Lỗ không tải; 14- Van không tải; 15- Mở cưỡng bức van làm đậm;

Bằng cách thiết lập các phương trình lưu lượng lưu lại trong các

dung tích V_i, các phương trình lưu lượng cho các phần tử tiết lưu, kết

hợp với các giả thuyết và điều kiện biên, ta được hệ phương trình vi

phân áp suất trong các dung tích như sau:

11

k1

k













dv_1,3

dt













v₁²_,3

k.R.T

p₃

p₁

1



1

 _1,3

 _3,5

 _5,7

 _3,9









l_1,3



k 1



2l_1,3

k1





dv_3,5

dt

v₃²_,5

k





k.R.T

p₅

p₃





3









1









l_3,5



k 1



2l_3,5

k1





dv_5,7

dt

v₅²_,7

k









k.R.T

p_h

p₅





5





1









l_5,7



k 1



2l_5,7

k1

k





dv

v₃²_,9







k.R.T

p₉

p₃





3,9

3









1













dt

l_3,9



k 1



2l_3,9

k1









dv_9,11

dt

v₉²_,11

k









k.R.T

p_kt



9







1

 _9,11





l_9,11



k 1



p₉

2l_9,11

k1





dv_3,13

dt

v₃²_,13

k





k.R.T

p₁₃

p₃





3











1

 _3,13









l_3,13



k 1



2l_3,13

(2.56)

k1













dv_13,15

dt

v₁²_3,15

k









k.R.T

p_h

p₁₃

13







1

 _13,15

l_13,15



k 1



2l_13,15





Và hệ phương trình vi phân tốc độ dòng trung bình qua các phần tử tiết

lưu được xác lập như sau:

4².C₅.k.R.T_{0 _ 5}.T₅.₅

4².C₅.V₅.T₅ k.T_{0 _ 5}.p₅.(.D₅²)²

4².C₉.k.R.T_{0 _ 9}.T₉.₉

4².C₉.V₉.T₉ k.T_{0 _ 9}.p₉.(.D₉²)²

4².C₁₃.k.R.T_{0 _ 13}T₁₃.₁₃

4².C₁₃.V₁₃.T₁₃ k.T_{0 _ 13}.p₁₃.(.D₁²₃

k.R.T_{0 _ 3}

V₃





dp₃

dt









Q_1,3 Q_3,5 Q_3,9 Q_3,13

Q_3,5 Q_5,7A₅

Q_3,9 Q_9,11A₉

Q_3,13 Q_13,15A₁₃



₃

A



5





(2.57)

dp₅

dt















9







dp

9





dt

dp₁₃

dt

A₁₃



2







)













2.6. Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas cho xe gắn máy

Honda Wave α 110cc

2.6.1. Xác định các thông số ban đầu

12

Tính toán sau đây được thực hiện đối với động cơ Honda Wave

 110cc có đường kính xy lanh D_xl= 50mm, với hành trình của piston S

= 49,5mm, tỉ số nén  = 9:1. Động cơ có thể làm việc ở tốc độ lớn nhất

với n = 8000 vòng/phút khi chạy bằng biogas với 85% CH₄.

2.6.2. Kết quả mô phỏng

Bằng cách giải các hệ phương trình vi phân (2.56) và (2.57) tìm

quan hệ giữa tỷ lệ tương đương  của hỗn hợp theo các chế độ tải của

động cơ hình 2.15.

Hình 2.15 chỉ ra 3 đường đặc tính của bộ tạo hỗn hợp cho động

cơ xe gắn máy sử dụng biogas nén đã được tính toán mô phỏng ứng với

cụm van chân không ba chức năng đều làm việc và phát huy tác dụng.

Hình 2.15: Quan hệ giữa tỷ lệ tương đương hỗn hợp và tải động cơ của

cụm van chân không ba chức năng cung cấp biogas nén cho xe gắn máy

Honda wave  110cc

Theo đó kí hiệu % là giá trị tính theo (%) của vị trí bướm ga; ₁

là giá trị hệ số tỷ lệ tương đương do mạch không tải và mạch chính tạo

nên và có đường đặc tính như hình 2.15 với giá trị hệ số tỷ lệ tương

đương   1 (₁= 1,06 đến 1,12); còn đường đặc tính ₂ứng với trường

hợp điều chỉnh vít tiết lưu mạch chính để có giá trị  < 1 ở vùng tải nhỏ

nhằm tiết kiệm nhiên liệu (giá trị ₂= 0,95 đến 1,03). Đường đặc tính

₃ứng với đường đặc tính mạch chính ₁(không điều chỉnh vít tiết lưu lỗ

13

cung cấp mạch chính) đồng thời có sự làm việc của mạch làm đậm.

Mạch làm đậm được điều chỉnh để van gia tốc tham gia cung cấp bổ

sung thêm nhiên liệu; và thời điểm bắt đầu làm việc khi vị trí bướm ga ở

40% trở lên. Theo đó, đường đặc tính có được hệ số tỷ lệ tương tương

lớn hơn một rõ rệt (hệ số tỷ lệ tương đương  có thể đạt đến 1,21).

2.7. Kꢆt luꢌn

- Việc lọc tạp chất trong biogas phụ thuộc vào yêu cầu và quy mô

sử dụng của nhiên liệu khí. Đối với quy mô nhỏ, phương pháp lọc đơn

giản sử dụng tháp có vật liệu đệm với dung môi bằng nước cho kết quả

đáp ứng tiêu chuẩn nhiên liệu khí sử dụng cho các phương tiện vận tải

cơ giới. Đối với những trạm cấp biogas lớn, ta có thể kết hợp loại trừ

H₂S bằng các phương pháp lọc hấp phụ, hấp thụ truyền thống và phương

pháp loại trừ CO₂bằng nén tách ở áp suất cao.

- Hệ thống cung cấp biogas nén cho xe gắn máy bao gồm bình

chứa biogas áp suất cao, van giảm áp, bộ phụ kiện tạo hỗn hợp. Có thể

sử dụng bình chứa khí thiên nhiên nén dung tích 3,5 lít chịu được áp suất

200 bar để lưu trữ nhiên liệu trên xe gắn máy biogas. Mặt khác có thể

điều chỉnh bộ phụ kiện cung cấp LPG cho xe gắn máy gồm 3 van chức

năng: van không tải, van cấp ga chính và van làm đậm để cung cấp

biogas nén cho xe gắn máy.

- Kết cấu bộ phụ kiện GATEC–25 thích hợp để hiệu chỉnh làm hệ

thống cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy. Kết quả

tính toán mô phỏng cho thấy đặc tính cung cấp của hỗn hợp nhiên liệu

khí biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave  110cc kiểu van

chân không ba chức năng với giá trị hệ số tỷ lệ tương đương   1, phù

hợp các dải làm việc tương ứng của động cơ xe gắn máy trong thực tế.

Điều này còn có ý nghĩa vô cùng to lớn trong việc định hướng cho thực

nghiệm khi cần điều chỉnh lượng cung cấp biogas cho xe gắn máy để đạt

công suất lớn nhất có thể.

14

CHꢃꢄNG 3

NGHIểN CꢂU THꢎC NGHIꢋM XE GꢍN MÁY

SỬ DỤNG NHIểN LIꢋU BIOGAS NÉN

3.1. Sơ đồ bố trị thực nghiệm và các trang thiết bị

Thực nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm động cơ đốt

trong AVL, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Phòng thử nghiệm xe gắn máy được trang bị đầy đủ các trang

thiết bị hiện đại nhằm mục đích kiểm nghiệm, nghiên cứu phát triển

động cơ đốt trong. Thiết bị chính dùng trong quá trình thực nghiệm bao

gồm: băng thử xe gắn máy Chassis Dynamometer 20’’, thiết bị đo diễn

biến áp suất trong buồng cháy động cơ.

Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát các trang thiết bị trong phòng thử nghiệm xe máy

3.1.1. Xe gắn máy thử nghiệm

Xe gắn máy thử nghiệm là xe Honda wave α 110cc có thời hạn

sử dụng là 90.000 km đường chạy, đây là đối tượng được sử dụng khá

phổ biến hiện nay của người dân. Lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu

biogas nén gồm bình chứa khí nén, van giảm áp và bộ phụ kiện gồm 3

van chức năng lên xe gắn máy thử nghiệm và đưa vào băng thử Chassis

Dynamometer 20’’(hình 3.2).

15

Hình 3.2: Xe gắn máy Honda wave α 110cc sau khi lắp đặt hệ thống

cung cấp nhiên liệu biogas nén và đưa lên băng thử Chassis

Dynamometer 20^’’

3.1.2. Băng thử Chassis Dynamometer 20”

Băng thử Chassis Dynamometer 20” có thể xác định được một

số thông số kỹ thuật của xe như tốc độ, gia tốc và công suất kéo của xe.

1. Con lăn

2. Gối trục

3. Động cơ điện

Hình 3.3: Đưa xe gắn máy lên băng thử Chassis Dynamometer 20’’

16

3.1.3. Hệ thống đo áp suất chỉ thị trong buồng cháy của động cơ

Biến thiên áp suất chỉ thị trong xy lanh được ghi nhận bởi cảm

biến áp suất GU12P và tốc độ động cơ được xác định bởi cảm biến tốc

độ Encoder 364C như sơ đồ hình 3.4

Hình 3.4: Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm đo áp suất buồng cháy của

động cơ

17

Bằng cách sử dụng các loại cảm biến có độ nhạy và ổn định cao,

kết hợp với bộ mã hóa, khuếch đại tín hiệu có độ chính xác và tin cậy để

đo đạc các thông số chỉ thị của động cơ như: diễn biến áp suất buồng

cháy, tín hiệu kích nổ, góc đánh lửa hay góc phun sớm, xác định vị trí

điểm chết trên.

3.2. Quy trình thử nghiệm xe gắn máy trên băng thử

-

Lắp ráp hoàn thiện bộ phụ kiện Gatec 25 lên xe;

Lắp xe lên băng thử kiểm tra các thông số đảm bảo điều kiện

vận hành xe; như: áp suất lốp, tình trạng hoa lốp, lượng dầu bôi

trơn động cơ...

-

Kẹp chặt bánh trước của xe bằng cơ cấu khí nén;

Lắp đặt hệ thống đường thải của xe vào hệ thống thải của phòng

thử;

-

Điều chỉnh tâm bánh xe chủ động và tâm của rulô cùng nằm trên

một mặt; phẳng để tránh xe bị trượt làm mòn lốp và gây sai số

đến kết quả đo;

Giữ chặt xe bằng 2 dây móc để xe luôn ở phương thẳng đứng

khi vận hành;

-

Bật quạt hút và quạt đẩy trong phòng;

Chạy ấm máy động cơ;

Bật hệ thống máy tính điều khiển Indiset 620;

Khởi động phần mềm điều khiển Dynamometer;

Thiết lập chế độ đo theo tốc độ không đổi (với tốc độ xe 10  60

km/h).

18

3.3. Kết quả thực nghiệm đo áp suất buồng cháy trong xylanh

Kết quả thực nghiệm là bảng giá trị thể hiện quan hệ giữa áp

suất chỉ thị p_itrong xy lanh theo tốc độ góc trục khuỷu của động cơ

(nhận được từ cảm biến áp suất và cảm biến tốc độ) ứng với góc đánh

lửa sớm của xe nguyên bản, và các chế độ vận hành khác nhau được tiến

hành cho hai nhiên liệu xăng RON92 và biogas có 85% CH₄.

Trên cơ sở các giá trị thể hiện quan hệ giữa áp suất chỉ thị p_i

trong xy lanh theo tốc độ góc trục khuỷu của động cơ (nhận được từ cảm

biến áp suất và cảm biến tốc độ) ứng với góc đánh lửa sớm của xe

nguyên bản. Đề tài tiến hành xử lý các số liệu và tính toán xây dựng quy

luật biến thiên áp suất chỉ thị p_itrong xy lanh theo tốc độ góc của động

cơ (ứng với góc đánh lửa sớm của xe nguyên bản) cho hai loại nhiên liệu

xăng RON92 và biogas nén có 85% CH₄. Ngoài ra, kết quả tính toán còn

sử dụng để vẽ đồ thị công chỉ thị và các tính toán khác.

Hình 3.5 giới thiệu biến thiên áp suất chỉ thị p_itrong xy lanh

theo tốc độ góc trục khuỷu của động cơ xe gắn máy Honda wave α

110cc (ứng với n = 3000 vòng/phút). Qua đồ thị cho thấy, biến thiên áp

suất trong buồng cháy động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc khi sử

dụng nhiên liệu xăng RON92 khá tốt, phản ánh quy luật tăng lên mạnh

mẽ của áp suất trong buồng cháy và đạt giá trị cực đại p_max 58 bar sau

điểm chết trên 10 độ góc quay trục khuỷu. Trong khi đó, diễn biến áp

suất trong buồng cháy động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc khi sử

dụng nhiên liệu biogas 85% CH₄có quy luật tăng giống như khi sử dụng

xăng RON92 nhưng giá trị cực đại chỉ đạt p_max 34,5 bar và kéo dài sau

điểm chết trên khoảng 19 độ góc quay trục khuỷu. Sự tụt giảm áp suất

cực đại khi chuyển từ xăng sang biogas có thể được giải thích bởi 2 lý

do. Thứ nhất là sự giảm hệ số nạp do sử dụng nhiên liệu khí, thứ hai là

19

do CO₂trong biogas là khí bẩn làm giảm nhiệt trị và chất lượng quá

trình cháy của động cơ.

Hình 3.5: Diễn biến áp suất theo góc quay trục khuỷu của động cơ xe

gắn máy Honda wave α 110cc

Hình 3.6: Đồ thị công chỉ thị chu trình của động cơ xe gắn máy Honda

wave α 110cc