ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CẢI TẠO ĐỘNG CƠ ÔTÔ TOYOTA -3Y THÀNH ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY BIOGAS

Mã đồ án	OTTN000000069
Đánh giá:	5.0
Mô tả đồ án	Đồ án có dung lượng 330MB. Bao gồm đầy đủ các file như: File bản vẽ cad 2D (Bản vẽ bố trí tổng thể cụm động cơ Toyota-3Y, bản vẽ sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu, bản vẽ biến thiên nhiệt độ và khí quyển, bản vẽ bộ truyền động từ động cơ sang máy phát điện, bản vẽ bộ chế hòa khí lắp trên động cơ Toyota-3Y, bản vẽ bộ chế hòa khí sau khi cải tiến trên động cơ Toyota-3Y, bản vẽ chế tạo tổng hợp, bản vẽ dẫn động từ van côn đến bướm ga bộ chế hòa khí…); file word (Bản thuyết minh, bản trình chiếu PowerPoint…). Ngoài ra còn cung cấp rất nhiều các tài liệu chuyên ngành, các tài liệu phục vụ cho thiết kế đồ án, các video mô phỏng........... THIẾT KẾ CẢI TẠO ĐỘNG CƠ ÔTÔ TOYOTA -3Y THÀNH ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY BIOGAS.
Giá:	750,000 VND

Nội dung tóm tắt

MỤC LỤC

Lời nói đầu.................................................................................................................. 3

1. Mục đích, ý nghĩa đề tài....................................................................................... 4

1.1. Mục đích.............................................................................................................. 4

1.2. Ý nghĩa................................................................................................................. 4

2. Chất khí gây hiệu ứng nhà kính và vấn đề ấm dần lên toàn cầu..................... 4

2.1. Chất khí gây hiệu ứng nhà kính........................................................................ 4

2.1.1. Hiệu ứng nhà kính........................................................................................... 4

2.1.2. Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính............................................................. 5

2.2. Vấn đề ấm dần lên toàn cầu.............................................................................. 10

3. Các loại nhiên liệu thay thế và thế mạnh của biogas ở Việt Nam.................. 12

3.1 Các loại năng lượng............................................................................................. 12

3.1.1. Năng lượng mặt trời........................................................................................ 12

3.1.2. Năng lượng gió................................................................................................. 14

3.1.3. Năng lượng địa nhiệt....................................................................................... 15

3.1.4. Thuỷ điện và thuỷ điện nhỏ........................................................................... 16

3.1.5. Năng lượng hạt nhân....................................................................................... 17

3.1.6. Nguồn năng lượng khác.................................................................................. 17

3.2. Thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam.................................................. 19

3.2.1. Thành phần chủ yếu của biogas.................................................................... 19

3.2.2. Các tính chất của biogas sử dụng làm động cơ đốt trong.......................... 20

3.2.3. Tình hình sử dụng biogas trên thế giới và nước ta hiện nay..................... 21

3.2.4. Thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam.............................................. 22

4. Yêu cầu đặt ra cho động cơ chạy bằng biogas.................................................. 23

5. Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu quả kinh tế chạy bằng nhiên liệu biogas 24

5.1. Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu................................................................... 24

5.1.1. Giới thiệu động cơ TOYOTA-3Y.................................................................. 24

5.1.2. Tính toán chu trình nhiệt của động cơ......................................................... 25

5.2. Hiệu quả kinh tế khi chạy bằng biogas........................................................... 41

6. Tính toán lắp đặt bộ điều tốc vạn năng lên động cơ......................................... 45

6.1. Giới thiệu bộ điều tốc vạn năng GATEC-20.................................................. 45

6.2. Tính toán lắp đặt bộ điều tốc vạn năng lên động cơ..................................... 47

6.2.1. Phương án lắp đặt bộ điều tốc lên động cơ.................................................. 47

6.2.2. Thiết kế bộ hoà trộn........................................................................................ 47

6.2.3. Thiết kế bộ truyền đai.................................................................................... 53

6.2.4. Tính toán van cung cấp khí........................................................................... 57

6.2.5. Tính toán thiết kế cơ cấu điều khiển............................................................ 59

7. Tính toán thiết kế bộ truyền động từ động cơ sang máy phát điện................ 60

7.1. Các thông số ban đầu......................................................................................... 60

7.2. Thiết kế bộ truyền bánh răng trong hộp số..................................................... 60

7.3. Thiết kế trục và tính then.................................................................................. 65

7.3. Chọn nối trục...................................................................................................... 67

8. Nguyên lí sử dụng lưỡng nhiên liệu trên động cơ TOYOTA-3Y.................... 69

8.1. Ưu, nhược điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu..................................... 69

8.2. Đặc điểm liên quan đến quá trình cháy trong động cơ TOYOTA-3Y........ 70

8.3. Phương pháp cung cấp và vận hành hệ thống nhiên liệu trên động cơ TOYOTA-3Y 71

Thực nghiệm

1. Lắp đặt bộ điều tốc cho động cơ TOYOTA-3Y................................................. 71

2. Thử nghiệm máy phát điện được kéo bằng động cơ sau khi cải tạo............... 73

Kết luận

Tài liệu tham khảo

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đề tài đúng thời hạn, em xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo, cô giáo trong khoa Cơ Khí Giao Thông nói chung, bộ môn Động Cơ nói riêng đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài được tốt nhất.

Em xin bày tỏ sự cảm ơn đến thầy giáo :……………… đã tận tình hướng dẫn và có những chỉ bảo quý giá để em có được sự thành công của đề tài như hôm nay.

Bên cạnh đó, em xin được cảm ơn thầy giáo :……………… đã giúp đỡ và có những đóng góp ý kiến quý báu giúp em nhận ra những thiếu sót và hoàn thành đề tài được hoàn hảo hơn nữa.

……..,ngày …..tháng ….năm 20….

Sinh viên thực hiện

.......................

1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài

1.1 Mục đích của đề tài

Thấy rõ được vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ

Nghiên cứu, thiết kế, cải tạo động cơ ô tô cũ chạy xăng thành động cơ tĩnh tại chạy bằng Biogas với việc sử dụng bộ điều tốc Gatec để kéo máy phát điện. Từ đó, sản xuất hàng loạt, áp dụng sử dụng phổ biến trên động cơ xăng nhiều xy lanh nhằm khai thác hiệu quả nguồn năng lượng Biogas cho động cơ tĩnh tại góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Nắm vững các thao tác trong quá trình lắp đặt, kiểm tra hiệu chỉnh cũng như chế tạo thay thế các chi tiết của hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ.

1.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nhiên liệu Biogas là nhiên liệu sạch nên khi sử dụng không gây ô nhiêm môi trường.

Tận dụng động cơ ôtô cũ, những sản phẩm từ hoạt động nông nghiệp và chăn nuôi nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế.

2. Chất khí gây hiệu ứng nhà kính và vấn đề ấm dần lên toàn cầu

2.1. Chất khí gây hiệu ứng nhà kính

2.1.1. Hiệu ứng nhà kính

Dải hấp thụ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí quyển và tác động của chúng đối với bức xạ mặt trời và bức xạ nhiệt từ mặt đất.

Khi tia sáng mặt trời đến mặt đất một phần năng lượng được hấp thụ và làm mặt đất ấm lên. Vì mặt đất có nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với mặt trời, bức xạ từ mặt đất trong vùng bước sóng dài hơn rất nhiều so với bức xạ mặt trời. Khí quyển hấp thụ hiệu quả hơn đối với bước sóng dài so với bước sóng ngắn. Chính sự bức xạ nhiệt bước sóng dài làm quả đất ấm lên, bầu khí quyển cũng ấm lên do truyền nhiệt, do chênh lệch nhiệt độ do nhiệt ẩn từ bề mặt. Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính cũng phát xạ ở bước sóng dài về phía không gian cũng như về phía mặt đất. Phần bức xạ của khí quyển ứng với bước sóng dài về phía mặt đất này gọi là hiệu ứng nhà kính.

Hình 2 - 1 Hiệu ứng nhà kính.

2.1.2. Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính

Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính gồm hơi nước, CO_x, C_xH_y, SO_x, O₃, CFC.

- Khí CO_X

+ Cơ chế hình thành: Khí CO_Xlà chất khí không màu, không mùi và không vị. CO_X được sản sinh trong quá trình hoạt động của con người, con người đã đốt rất nhiều nhiên liệu có chứa Cacbon, điển hình là trong sinh hoạt, công nghiêp, nông nghiệp và giao thông…

C + O_X à CO_X

+ Trữ lượng:

· Với CO có trữ lượng 250 tấn/năm. Hàm lượng CO trong không khí không ổn định, chúng thường biến thiên nhanh nên khó xác định chính xác.

· Tổng khối lượng CO₂ sinh ra do đốt cháy nhiên liệu là 2,5.10¹³ tấn/năm. Ngoài ra hoạt động núi lửa hằng năm sinh ra lượng CO₂bằng khoảng 40000 lần CO₂ hiện có.

+ Hiệu ứng.

· Khí CO xâm nhập vào cơ thể theo đường hô hấp chúng sẽ tác dụng thuận nghịch với Hemoglobin tạo thành cacboxyhemoglobin là mất khả năng vận chuyển máu và gây ngạt:

HbO₂ + CO à HbCO + O₂

· Thực vật ít nhạy cảm với CO nhưng nồng độ cao 100 – 10000ppm sẽ gây xoắn lá cây, chết mầm non, rụng lá và kìm hãm sự sinh trưởng của cây cối.

Hình 2 - 2 Nồng độ Cacbon dioxit trong những năm gần đây

· Toàn bộ CO₂ sinh ra không phải lưu đọng mãi trong khí quyển mà nó được cây xanh và biển hấp thụ đi khoảng một nữa. Lượng CO₂ lưu tồn trong khí quyển, thực vật hấp thụ để tồn tại và phát triển, nhưng hàm lượng CO₂ cao quá sẽ gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính.

Theo G.N.Plass , nếu nồng độ CO₂ trong khí quyển tăng gấp đôi thì nhiệt độ trung bình của Trái Đất tăng 3,6⁰ C.

- Khí C_XH_Y.

+ Cơ chế hình thành: C_XH_Y là hợp chất của hydro và cacbon, là khí không màu, không mùi, chủ yếu sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn, đặc biệt là tại các nhà máy lọc dầu, khai thác và vận chuyển xăng dầu, sự rò rỉ của ống dẫn khí đốt.

Tùy vào hợp chất của chúng mà tạo ra các chất ô nhiễm khác nhau và gây tác hại khác nhau. Trong các hợp chất C_XH_Y thì khí CH₄ được xếp vào chất khí nhà kính góp phần vào quá trình nóng lên của trái đất. CH₄ được sinh ra chủ yếu trong quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện thiếu không khí.

+ Trữ lượng: Từ năm 1999 đến năm 2006, CH₄ tăng không đáng kể, xem như không đổi, nhưng trong năm 2007 và 2008, trên toàn cầu trung bình CH₄ bắt đầu tăng trở lại, CH₄ tăng 90%.

+ Hiệu ứng: khí CH₄ cùng khí CO₂ là khí nhà kính, chúng là thủ phạm chính gây hiệu ứng nhà kính và hiện tượng ấm lên toàn cầu.

Hình 2 - 3 Nồng độ Methane trong nhưng năm gần đây

- Khí NO_X

+ Cơ chế hình thành: NO_X xuất hiện nhiều trong giao thông và trong công nghiệp. Trong không khí nitơ và ôxy có thể tương tác với nhau khi có nguồn nhiệt cao ³1100⁰C và làm lạnh nhanh để tránh phân hủy.

t>1100⁰C

N₂ + XO₂ à 2NO_X

Làm lạnh nhanh

+ Trữ lượng: NO_X sinh ra khoảng 48 triệu tấn/ năm (chủ yếu là NO₂)

+ Hiệu ứng: Tùy theo nồng độ mà NO₂ có tác hại khác nhau.

· NO_X sẽ làm phai màu thuốc nhộm vải, làm cứng vải tơ, nilông và gây han rỉ kim loại.

· Tùy theo nồng độ NO₂ mà người, cây cối sẽ bị ảnh hưởng ở mức độ khác nhau. Ở mức độ cao 100 ppm thì có thể gây chết người.

· NO₂ là chất khí nhà kính gây nên hiện tượng ám dần lên của trái đất.

Hình 2 - 4 Nồng độ Nitơ Oxit trong những năm gần đây

- Khí Ozon.

+ Cơ chế hình thành: Ozon là sản phẩm của chất chứa oxy (SO₂, NO₂, andehyt) khi có tia tử ngoại mặt trời kích thích.

Tia tử ngoại

NO₂ à NO + O

Kích thích

O + O₂ à O₃

Ngoài ra, dưới tác dụng của tia tử ngoại Mặc Trời chiếu vào phân tử O₂ sẽ phân tích chúng thành nguyên tử Oxy, các nguyên tử Oxy này lại tương tác với phân tử O₂ để thành 0₃. Ozon sinh ra và mất đi rất nhanh, chỉ tồn tại trong vài phút.

O₂ + hv à O + O ; O + O₂ à O₃

+ Trữ lượng: Ôzôn tập trung nhiều ở độ cao 25 km (tầng bình lưu) nồng độ khoảng 10 ppm. Còn ở sát mặt biển ozon còn chỉ khoảng 0,005 – 0,007 ppm.

+ Hiệu ứng:

· Ozon có tác dụng như lá chắn cản trở tia tử ngoại của Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất, điều tiết khí hậu. Nhưng nếu nồng độ trong khí quyển quá lớn sẽ gây ô nhiễm ozon và sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến con người.

· Ngoài ra Ozon còn ảnh hưởng đến quá trình phát triển của thực vật, chúng thường gây các bệnh đốm lá, khô héo mầm non.

· Nếu Ozon quá cao sẻ tham gia vào quá trình làm nóng lên của Trái Đất. Khi nồng độ Ozon tăng 2 lần thì nhiệt độ trung bình của Trái Đất tăng 1⁰ C gây ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu.

- Các hợp chất Halogen CFC

+ Cơ chế hình thành: CFC được sinh ra trong quá trình làm lạnh, xuất hiện nhiều trong tủ lạnh, máy điều hòa, xí nghiệp đông lạnh, thủy sản và trong các dung dịch tẩy rửa, bình cứu hỏa...Các chất này khếch tán sang tầng bình lưu và bị tấn công bằng bởi các tia cực tím Mặt Trời và phân hủy giải phóng nguyên tử Clo. Chính các nguyên tử này gây ra sự suy giảm tầng Ozon.

Cl + O₃ à ClO + O₂

ClO + O₃ à Cl + 2O₂

Hình 2

Hình 2 - 5 Nồng độ CFC trong những năm gần đây

+ Trữ lượng: Người ta ước tính mỗi nguyên tử Cl có thể phản ứng với 1000 phân tử Ozon. Lượng CFC sẽ gia tăng tỉ lệ với sự phát triển công nghiệp.

+ Hiệu ứng: Các chất CFC khi bị phân hủy sẽ tạo ra Cl kết hợp với Ozon sẽ gây thủng tầng Ozon tạo điều điện cho các tia cực tím chiếu xuống Trái Đất gây các bệnh ung thư da và mắt cho con người, thực vật sẽ bị tổn thương và chết.

- Hơi nước

Hơi nước gần mặt đất có thời gian tồn tại tính theo ngày, phần lớn các chất khí gây hiệu ứng nhà kính khác tồn tại khá lâu trong khí quyển. Mặt dầu không dễ biết được chính xác bao lâu nhưng người ta cũng ước tính được thời gian tồn tại, nghĩa là thời gian cần thiết để chất khí đó biến mất trong khí quyển.

* Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể loại bỏ bằng nhiều giải pháp:

• Biến đổi vật lí (ngưng tụ hơi nước trong khí quyển)

• Do các phản ứng hoá học trong khí quyển. Đó là trường hợp methane. Nó bị oxy hoá bởi phản ứng tự nhiên khi có gốc OH và sinh ra CO₂ và hơi nước ở cuối dây chuyền phản ứng.

• Do trao đổi vật lí qua bề mặt khí quyển và các bộ phận khác của hành tinh. Ví dụ như trao đổi giữa các chất khí của khí quyển và đại dương thông qua lớp biên.

• Do trao đổi hoá học qua mặt tiếp giáp giữa khí quyển và bộ phận khác của hành tinh. Đó là trường hợp CO₂ bị giảm do diệp lục hoá của cây cối hoặc CO₂ hoà tan vào nước đại dương sau đó phản ứng sinh ra acid carbonic, bicarbonate và ion carbonate.

Hai thang đo được dùng để mô tả ảnh hưởng của các chất khí khác nhau trong khí quyển. Thang đo thứ nhất là tuổi đời của khí quyển diễn tả thời gian hệ thống đạt cân bằng sau khi có một sự gia tăng nhỏ của một chất khí nào đó trong khí quyển. Những phân tử đơn lẻ có thể trao đổi với những hệ thống khác như đất, đại dương, hệ thống sinh học nhưng giá trị trung bình có tuổi đời khí quyển liên quan đến thời gian biến mất khí dư thừa. Đôi khi người ta có nhầm lẫn khi cho rằng thời gian tồn tại của CO₂ trong khí quyển chỉ vài năm vì thời gian trung bình đối với bất kì phân tử CO₂ nào tồn tại trong khí quyển trước khi bị lấy đi do hoà trộn vào đại dương, bởi diệp lục hoá hay những quá trình khác. Chính sự thay đỏi nồng độ của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính khác nhau bởi tất cả các nguồn phát sinh và biến mất xác định thời gian tồn tại của nó trong khí quyển chứ không chỉ có quá trình loại bỏ chúng.

Thang đo thứ hai là khả năng ấm lên toàn cầu (GWP). GWP phụ thuộc cả hiệu quả phân tử của chất khí gây hiệu ứng nhà kính và thời gian tồn tại của nó trong khí quyển. GWP được đo tương đối so với cùng một khối lượng CO₂ và được đánh giá đối với thang đo thời gian đặc biệt. Vì vậy nếu một phân tử có GWP cao trên thang thời gian ngắn (20 năm) nhưng chỉ có thời gian tồn tại ngắn, nó sẽ có GWP lớn trong thang đo 20 năm nhưng GWP nhỏ trong thang đo 100 năm. Ngược lại, nếu một phân tử có thời gian tồn tại lớn hơn CO₂ GWP của nó gia tăng theo thời gian.

2.2. Vấn đề ấm lên toàn cầu

Sự ấm lên của trái đất dựa trên sự gia tăng nhiệt độ trung bình của không khí gần mặt đất.

Nhiệt độ trung bình của không khí gần mặt đất đã tăng 0,74±0,18^o (1,33±0,32^o F) trong thế kỉ qua. Người ta nhận thấy rằng sự gia tăng nhiệt độ trên tỉ lệ với sự gia tăng nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính từ giữa thế kỉ XX đến nay.

Các nhà khoa học dự báo của không khí gần mặt đất có thể tăng từ 1,1÷6,4^oC (2÷11,5^oF) trong khoảng thời gian từ 1990 đến 2100. Phạm vi gia tăng nhiệt độ phụ thuộc vào kịch bản phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong tương lai. Mặc dù tất cả các nghiên cứu tập trung đến giai đoạn 2100, sự ấm dần lên của trái đất và mực nước biển dâng cao vẫn tiếp tục diễn ra hơn 1 thiên niên kỉ nữa ngay cả khi nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính ổn định. Điều này phản ảnh nhiệt dung lớn của các đại dương.

Sự ấm dần lên của trái đất sẽ gây ra những thay đổi khác bao gồm sự dâng lên của mực nước biển, sự gia tăng cường độ cực đoan của thời tiết, bão lụt thất thường gây thiên tai ảnh hưởng xấu đến nông nghiệp.

Hình 2 - 6 Quả đất đang dần nóng lên

Những điều chưa chắc chắn về mặt khoa học bao gồm độ gia tăng nhiệt độ chính xác trong tương lai và sự thay đổi này sẽ biến động như thế nào từ vùng này sang vùng khác trên hành tinh. Có những tranh luận đang diễn ra ở quy mô toàn cầu về hành động nào cần thực hiện để làm giảm hay đảo chiều sự ấm dần lên của trái đất trong tương lai. Hầu hết các quốc gia đã kí nghị định thư Kyoto đặt mục tiêu giảm chất khí gây hiệu ứng nhà kính.

Các nhà khoa học nghiên cứu sự gia tăng nhiệt độ trái đất bằng mô hình tính toán khí hậu. Các mô hình này dựa trên nền tảng các nguyên tắc vật lí của động học chất lỏng, truyền nhiệt bức xạ và các quá trình khác với các giả thiết đơn giản hoá cho phù hợp với công suất máy tính. Các mô hình này dự báo rằng ảnh hưởng tực tế của việc gia tăng nồng độ chất khí gây hiệu ứng nhà kính là việc khí hậu ấm dần lên. Tuy nhiên ngay cả khi cùng một giả thiết về mức độ tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch và mức độ phát thải CO₂ mức độ cảnh báo cũng thay đổi theo các mô hình và vẫn còn phạm vi đáng kể về độ nhạy cảm thời tiết.

Xét mức độ thiếu tin cậy về nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính và mô hình khí hậu, dự báo độ gia tăng nhiệt độ mặt đất khoảng từ 1,1÷6,4^oC (2÷11,5^oF) trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến 2100. Các mô hình này cũng được dùng để khám phá các nguyên nhân gây sự biến động nhiệt độ hiện nay so với kết quả dự báo bởi mô hình ứng các nguyên nhân do thiên nhiên hay con người gây ra.

Các mô hình khí hậu đã dự báo tốt sự thay đổi nhiệt độ trong thế kỉ qua nhưng chưa có thể cho biết tất cả các viễn cảnh xảy ra trong tương lai của khí hậu. Các mô hình đã không dự báo được sự thay đổi nhiệt độ trong khoảng thời gian từ 1910 đến 1945 đối với cả do tác động của thiên nhiên hay tác động của con người, tuy nhiên các mô hình này dự báo sự ấm dần lên của trái đất từ năm 1975 chủ yếu là do phát thải cá chất khí gây hiệu ứng nhà kính do con người gây ra.

3. Các loại nhiên liệu thay thế và thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam

3.1. Các loại năng lượng

3.1.1. Năng lượng mặt trời

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy. Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026 joule.

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời.

Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn.

Hình 3 -1 Nhà máy điện chạy bằng năng lượng mặt trời.

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này.

Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển. Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xoay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển. Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển.

Hiện nay ở các trại chăn nuôi dùng năng lượng mặt trời với mục đích chủ yếu là sấy thức ăn cho vật nuôi. Muốn sử dụng rộng rãi năng lượng mặt trời cho nhiều mục đích khác nhau như các hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, điều hoà không khí và cung cấp nước nóng ở mức độ cao, pin mặt trời thì đòi hỏi trước hết phải giải quyết những vấn đề kỹ thuật cơ bản, công nghệ chế tạo cũng như khả năng ứng dụng thực tế của chúng. Ở nước ta việc ứng dụng khả thi của năng lượng mặt trời là vào việc nấu nước nóng và sấy gỗ. Có thể nói là khả thi vì công nghệ tương đối đơn giản, quá trình chế tạo dễ dàng và giá thành thì tương đối phù hợp với kinh tế Việt Nam.

3.1.2 Năng lượng gió

Năng lượng gió được con người sử dụng hàng trăm năm nay. Con người đã sử dụng năng lượng gió để duy chuyển thuyền buồn hay kinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo ra công cơ học nhờ các cối xoay gió.

Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó turbine gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các turbine gió hiện đại.

Hình 3 - 2 Các turbine gió tại Hà Lan, phát điện nhờ sức gió, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời

Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục. Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sản xuất điện có thể được điều hòa một phần. Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành turbine khi không đủ gió. Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao. Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thổi vào ban ngày thường mạnh hơn vào đêm và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày. Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện.

Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường thí dụ như vì thải các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất

Đây là một loại năng lượng sạch chi phí để thu năng lượng khá thấp nhưng đòi hỏi phải phù hợp với điều kiện địa lý ở từng vùng. Ở các nước khác việc sử dụng loại năng lượng này khá phổ biến. Đặc biệt ở các vùng hải đảo.

3.1.3 Năng lượng địa năng

Một báo cáo mới đây của Viện công nghệ Massachusetts (MIT) cho biết, câu trả lời cho cuộc khủng hoảng năng lượng của Mỹ lại nằm sâu trong lòng đất. Công trình nghiên cứu trong 2 năm này cho thấy rằng nếu đầu tư hợp lý vào nghiên cứu địa năng thì có thể khai thác được nguồn năng lượng đủ để cung cấp cho 25 triệu hộ gia đình. Để thu được nhiệt năng của Trái đất, người ta phải khoan sâu vào lòng đất thu lấy hơi nóng từ các nguồn phóng xạ, các luồng hơi nóng từ tâm Trái đất và lớp vỏ ngoài. Từ những năm 70 Mĩ đã nhận thấy đây là cách giúp họ thoát khỏi tình trạng phải phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu. Tuy nhiên cho đến nay ngành công nghiệp non trẻ này mới chỉ cung cấp ít hơn 1% nhu cầu năng lượng của nước Mỹ. Một phần là do ngay cả chi phí cho cách đơn giản nhất để khai thác nhiệt năng, đó là tập trung thẳng vào các mạch, các nguồn như suối nước nóng hay núi lửa, cũng là rất tốn kém. Theo nghiên cứu của MIT vẫn còn một cách hiệu quả hơn, là tập trung khai thác các nguồn nhiệt năng nằm sâu hơn trong lòng đất. Công trình nghiên cứu này được Bộ năng lượng Mĩ (DOE) tài trợ đã giới thiệu một công nghệ mới là chuyển hóa nhiệt năng. Bằng cách này lưu chất (khí hay chất lỏng) được bơm lên theo mạch đá granite sâu 1.500 mét (dưới bề mặt Trái đất), và sinh ra chất lỏng, ẩm để rồi hơi nóng từ chất lỏng đó được dùng để vận hành các turbine. Mặc dù còn gặp những trở ngại về kĩ thuật như vấn đề hơi nóng có nhiệt độ quá thấp không đủ để chuyển hóa thành điện, nhưng một dự án khoan phá ở Soultz - Pháp, đã thành công ngoài sự mong đợi trong việc tái tạo năng lượng hơi nước bằng việc áp dụng những quan niệm mới, phương pháp khoan ít tốn kém và cách tận dụng hữu hiệu lưu chất (khí hoặc chất lỏng) được giữ ở áp suất thông thường của khí quyển. Công trình nghiên cứu của MIT kêu gọi mức đầu tư 20 triệu USD/năm trong vòng 15 năm để tiếp tục nghiên cứu việc khai thác địa năng. Nhóm nghiên cứu cho rằng họ không tìm thấy trong tương lai, kĩ thuật khai thác này có khó khăn hay hạn chế đáng kể nào. Theo bản báo cáo, khoản đầu tư tương đối của DOE có thể sẽ hỗ trợ được rất nhiều trong nghiên cứu phát triển kĩ thuật khai thác, xây dựng các nhà máy, hay thậm chí sử dụng CO₂ để thu hơi nóng từ lòng đất. Năm ngoái, DOE đã yêu cầu Quốc hội Mĩ lưu ý vào việc nghiên cứu phát triển địa năng, năng lượng mặt trời và nhiên liệu sinh học.

3.1.4 Thuỷ điện và thuỷ điện nhỏ

Thuỷ điện hiện nay là nguồn năng lượng chính của nước ta, nhà nước ta đã chủ trương xây dựng các nhà máy thuỷ điện với công suất rất lớn để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong công nghiệp, nông nghiệp cũng như trong đời sống sinh hoát của người dân. Với mật độ về thuỷ điện cao nhất thế giới, nước ta có rất nhiều lợi thế để xây dựng các nhà máy thuỷ điện, mặc dù vậy thuỷ điện là nguồn năng lượng đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, để xây dựng một nhà máy thuỷ điện phải mất một thời gian khá dài khối lượng công việc khảo sát, thăm giò rất lớn, phá hoại đất đai, làm biến đổi trầm tích. Thuỷ điện làm mất đi một diện tích đất canh tác rất lớn, ảnh

hưởng đến chất lượng nguồn nước, phá rừng, biến động thời tiết, làm cản trở giao thông vận tải thuỷ bộ có khi còn ảnh hưởng đến việc di dân.

Hình 3 – 3 Nhà máy thủy điện Tam Hiệp

Chính vì vậy để giảm bớt các yếu điểm trên mà vẫn tận dụng có hiệu quả và thực tế nguồn năng lượng thuỷ năng ta nên tiến hành xây dựng những nhà máy thuỷ điện vừa và nhỏ, huy động nguồn vốn địa phương phối hợp với sự hỗ trợ của TW.

Tuy nhiên việc xây dựng và sử dụng năng lượng từ thuỷ điện nhỏ đối với một trại chăn nuôi là không khả thi vì cần một nguồn vốn đầu tư lớn và sự hổ trợ kỹ thuật để vận hành.

3.1.5 Năng lượng hạt nhân

Nhà máy điện nguyên tử đầu tiên đi vào hoạt động năm 1954 tại Liên Xô, sau đó các nước ở châu Âu, châu Mỹ và một số nước ở châu Á đã lần lượt xây dựng và khai thác các nhà máy điện nguyên tử. Dự đoán đến năm 2020 nguồn năng lượng hạt nhân sẽ chiếm 60-65% tổng công suất điện năng trên thế giới.

Việc sử dụng điện hạt nhân tránh được các dạng ô nhiễm thông thường, tại các nhà máy nhiệt điện nhưng lại là nguồn gây nguy hiểm lớn về môi trường do các chât thải phóng xạ.

Hình 3 - 4 Nhà máy điện hạt nhân lớn nhất ở Anh

3.1.6 Nguồn năng lượng khác

a. Năng lượng từ khí sinh học (Biogas).

Việc sản xuất, sử dụng khí cần vốn đầu tư ít do tận dụng được nguồn có sẵn từ trại chăn nuôi là chất thải hữu cơ của vật nuôi. Ưu điểm của nguồn năng lượng này là việc nó thay thế được các nguồn năng lượng khác nhau như: Than, củi, điện, nhiên liệu khí hoá lỏng và dầu. Sau khi phân động vật được phân huỷ thì nó cho chất lưỡng hữu cơ giàu chất dinh dưỡng và không có mùi được sử dụng để cải thiện đất nông nghiệp tốt hơn phân bón tươi. Bên cạnh đó ngăn ngừa nạn chặt phá rừng bảo vệ môi trường. Chính vì vậy hiện nay, Biogas được sử dụng rộng rãi từ các trang trại nhỏ đến các trang trại lớn.

Để lắp đặt một hầm Biogas củng khá đơn giản không đòi hỏi kỹ thuật cao và chi phí lắp đặt thấp vì vậy rất nhiều các hộ gia đình chăn nuôi nhỏ và các trại chăn nuôi sử dụng Biogas cho các nhu cầu đun nấu, thắp sáng.

b. Nhiên liệu hóa lỏng LPG.

LPG là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí hóa lỏng có thể thu được từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tinh khiết khí thiên nhiên. Chúng thường có trong phần còn lại (cặn) của quá trình chưng cất dầu hỏa, được hóa lỏng ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển và ở nhiệt độ môi trường chúng thường là ở trạng thái khí. Về mặt lý thuyết LPG chữa 50% propan và 50% butan. Ô tô sử dụng LPG ít gây ô nhiễm môi trường nhờ giảm một lượng lớn các chất độc hại như HC, CO₂, NO_x, CO. Lượng khí độc của động cơ chỉ bằng 10% đến 20% so với lượng khí độc thải ra do động cơ chạy bằng xăng và Diesel. Do LPG có các đặc tính kĩ thuật như tính chống kích nổ cao, không có chì nên sản phẩm không có muội than không có hiện tượng đóng màng của động cơ, ít gây mòn xilanh, piston, segment và các chi tiết kim loại khác trong động cơ. Trữ lượng khí thiên nhiên trên thế giới để sản xuất ra LPG rất lớn, chi phí sản xuất ra LPG thấp và LPG có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn so với nhiên liệu truyền thống.

c. Nhiên liệu có nguồn gốc tư sinh khối Biofuel.

Nhiên liệu có nguồn gốc sinh khối sử dụng làm nhiên liệu trên động cơ ô tô chủ yếu là dầu thực vật và Biodiesel. Dầu thực vật là loại dầu được chiết xuất từ các hạt các loại củ của cây chứa dầu với chiết xuất lớn như đậu phộng, đậu nành, dầu cải, hướng dương, hạt dừa, hạt cọ......

Biodiesel là những mono ankylester, nó là sản phẩm của quá trình ester hóa của các Axit hữu cơ có nhiều trong dầu mỡ động thực vật. Dưới tác dụng của chất xúc tác được dầu thực vật + methanol hoặc enthanol cho sản phẩm là ester + glycerine + axit béo, các ester chính là Biodiesel. Thông thường biodiesel thường được sử dụng ở dạng nguyên chất hoặc ở dạng hỗn hợp với dầu diesel. Ví dụ B20 là hỗn hợp gồm 20% biodesel và 80% dầu diesel có nguồn gốc dầu mỏ.

Dầu thực vật và biodesel được sử dụng trên động cơ Diesel. Đối với dầu thực vật chỉ sử dụng trên động cơ có Buồng cháy phân cách, với biodesel được sử dụng trên buồng cháy phân cách và buồng cháy gián tiếp, đây chính là ưu điểm nổi bật của biodesel. Dầu thực vật và biodesl là loại nhiên liệu có chứa nhiều oxy nên có thể cháy với dư lượng không khí bé mà vẫn cháy hoàn toàn, do đó ít thải ra các chất gây ô nhiễm môi trường. Do có độ nhớt cao hơn dầu diesel nên khi sử dụng dầu thực vật và biodesel thường sấy nóng nhiên liệu hay pha loãng với dầu diesel, việc pha loãng này còn sử dụng với mục đích là tăng hệ số cetan khi sử dụng trên động cơ diesel.

d. Hydro nguồn năng lượng trong tương lai.

Hydro nguồn năng lượng an toàn, thân thiện với môi trường. Vì trong thành phần hóa học của Hydro chỉ chứa các nguyên tố như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên khi cháy sản vật cháy chỉ là H₂O, do đó Hydro là một nguồn nhiên liệu sạch lý tưởng.

Hydro được sản xuất từ nước và năng lượng mặt trời. Vì vậy hydro thu được hay còn gọi là hydro từ năng lượng mặt trời (solar hydrogen). Nước và ánh nắng mặt trời có vô tận trên khắp hành tinh. Năng lượng mặt trời được thiên nhiên ban cho hào phóng và vĩnh hằng khoảng 3*1024 J/ngày, tức khoảng bằng 104 lần năng lượng thế giới tiêu thụ hằng năm. Vì vậy hydro là nguồn năng lượng mặt trời là nguồn nhiên liệu vô tận, sử dụng từ thế kỷ này qua thế kỷ khác bảo đảm an toàn năng lượng cho loài người mà không sợ cạn kiệt, không thể có bảo đảm năng lượng cho mỗi quốc gia, không có quốc gia nào có quyền tranh giành năng lượng hydro như đã từng tranh giành năng lượng hóa thạch.

Để ta thu được năng lượng hydro có hai phương pháp sản xuất sau. Điện phân nước thông qua các pin mặt trời và phương pháp quang điện hóa phân rã nước nhờ năng lượng của ánh nắng mặt trời với sự có mặt của chất xúc tác quang, cả hai phương pháp đều có phương trình phản ứng xảy ra như sau:

H₂O H₂+1/2O₂

3.2. Thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam

3.2.1. Thành phần chủ yếu của biogas

Biogas được tạo thành từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí. Các chất hữu cơ có thể là: cây cối, rơm rạ, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực phẩm, các chất thải từ quá trình chăn nuôi...

Biogas từ các nguồn khác nhau thì có chất lượng tương đối khác nhau và phụ thuộc vào yếu nhất định. Hỗn hợp này thông thường bao gồm CH₄ (50-70%) và CO₂ (25-50%) và các tạp chất khác như H₂S. Hàm lượng H₂S nói chung vào khoảng từ 100ppm đến 2000 ppm. Lượng Nitogen (đến 10%), Hyđrogen (đến 5%), Oxygen, và các thành phần khác cũng có thể có mặt với nồng độ khác nhau.

3.2.2. Các tính chất của Biogas sử dụng làm nhiên liệu động cơ đốt trong

Bảng 3 – 1 Một số tính chất của Biogas

Các tính chất vật lý	Methane (CH₄)	Carbon Dioxide (CO₂)
Trọng lượng phân tử	16,04	44,01
Tỷ trọng	0,554	1,52
Điểm sôi (1at)	144 ⁰C	60,8 ⁰C
Điểm đông (1at)	-164,8 ⁰C	-38,83 ⁰C
Khối lượng riêng	0,66 kg/m³	1,82 kg/m³
Nhiệt độ nguy hiểm	64,44 ⁰C	48,89 ⁰C
Áp suất nguy hiểm	45,8 at	72,97at
Nhiệt dung C_p (1at)	6,962.10^-4 J/ kg-⁰C	2,643.10^-4 J/ kg-⁰C
Tỷ lệ C_p/C_v	1,307	1,303
Nhiệt cháy	55,432 J/kg
Giới hạn cháy	5-15% Thể tích
Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong không khí	0,0947 Thể tích 0,0581 Khối lượng

Tính chất vật lý và hoá học của Biogas có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn công nghệ sử dụng cho việc xử lý và đốt cháy Biogas. Thành phần chính của Biogas là CH₄ và CO₂.

* Nhiệt trị của nhiên liệu:

Giá trị nhiệt cao của methane, chất cháy cơ bản trong Biogas, là 1012 Btu/ft³(37,71.10³KJ/m³). Giá trị nhiệt thấp được định nghĩa bằng giá trị nhiệt cao trừ đi năng lượng cần thiết để làm bay hơi nước trong nhiên liệu và sản phẩm cháy. Đối với methane giá trị nhiệt thấp là 912 Btu/ft³(33,98.10³KJ).

* Các chất cơ bản trong biogas:

Ngoài hai thành phần chính là CH₄ và CO₂ còn có các tạp chất cơ bản dạng khí có mặt trong Biogas được liệt kê dưới đây:

- Hydrogen sulfide H₂S

- Hơi nước H₂O

- Sulfur dioxide SO₂

- Nitrogen oxides NO₂

- Hỗn hợp fluorine bay hơi (ví dụ: HF, SiF₄)

- Hợp chất nitrogen

- Carbon monoxide CO

3.2.3. Tình hình sử dụng nhiên liệu Biogas trên thế giới và nước ta hiện nay

a. Ngoài nước

Hiện nay ở quy mô toàn cầu, Biogas là nguồn năng lượng lớn. Tổng sản lượng ứng dụng chiếm 9 đến 10 % tổng năng lượng trên thế giới. Theo tính toán, nếu tận dụng xử lý được hết nguồn phế thải toàn cầu thì hàng năm người ta có thể tạo 200 tỷ m³ khí sinh học, tương đương 150 đến 200 triệu tấn nhiên liệu và kèm theo nó là khoảng 20 triệu tấn phân bón hữu cơ chất lượng cao. Có thể nói rằng, Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia có sự phát triển nhanh chóng về công nghệ xây dựng các bể lên men mêtan.

* Ấn Độ

Công nghệ khí sinh học bắt đầu ở Ấn Độ bắt đầu từ năm 1897. Ban đầu, các trạm Biogas chỉ có quy mô hộ gia đình. Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình Ấn Độ chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng Biogas. Năm 1985, Ấn Độ có khoảng 1 triệu bể với chi phí xây dựng khoảng 55 triệu đô la. Tính tới năm 1999 đã có tới 2,9 triệu công trình hầm khí sinh học gia đình và 2700 công trình hầm khí tập thể xử lý phân người được xây dựng. Ước tính số công trình này hàng năm tiết kiệm 3 triệu tấn củi và 0,7 triệu tấn Urê. Tháng 3 năm 2000, Ấn Độ có 3 triệu công trình hầm khí sinh học.

* Trung Quốc

Lịch sử phát triển khí sinh học ở Trung Quốc bắt đầu từ cuối thế kỷ XIX. Năm 1978 đã xây dựng 7,5 triệu bể với hàng năm tạo ra khoảng 2,5 tỷ m³ khí mêtan, tương đương 1,5 triệu tấn dầu mỏ. Cho đến năm 1979, trên lãnh thổ Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng khí Biogas. Riêng ở tỉnh Sichuan các trạm này có tổng công suất là 1.500kW. Đến 1985, Trung Quốc đã xây dựng được 70 triệu bể khí mêtan. Từ những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trước, người ta đã tính toán đến việc sử dụng năng lượng sinh học để thay thế các dạng năng lượng sử dụng nhiên liệu hoá thạch và Biogas đã trở thành đối tượng cho chương trình nghiên cứu năng lượng phục vụ nông thôn của Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Năng lượng và Công nghệ mới - Bộ Nông nghiệp Trung Quốc (1994). Cuối năm 2003, Trung Quốc có hơn 9,7 triệu hầm cho các hộ gia đình trên toàn quốc. Trên 90% hầm đang hoạt động tốt, sản xuất ra khoảng 2.980.000 m³/năm. Biogas chủ yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng và chạy các động cơ phát điện.

b. Trong nước

Công nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 1960. Lịch sử phát triển công nghệ khí sinh học ở Việt Nam chia thành 4 thời kỳ chính.

* Thời kỳ 1960 – 1975

Đã tiến hành thí nghiệm biện pháp sản xuất khí Methane từ phân động vật nhưng cuối cùng cũng không thành công. Nguyên nhân là do nhập cảnh ồ ạt các loại khí đốt Butan, Propan và phân hóa học.

* Thời kỳ 1976 – 1980

Chế tạo thiết bị sản xuất khí sinh học loại nắp nổi bằng tôn, bể phân hủy xây bằng gạch và cổ bể có gioăng nước để giữ kín khí được tích trong nắp chứa khí. Tuy nhiên, việc thử nghiệm trên bị thất bại do kỹ thuật và quản lý.

* Thời kỳ 1981 – 1990

Trong hai kế hoạch 5 năm (1981-1985 và 1986-1990), công nghệ khí sinh học đã trở thành một trong những lĩnh vực ưu tiên trong chương trình.

Năm 1990, TP Hồ Chí Minh có trên 700 công trình, Đồng Nai có 468 công trình, Hậu Giang có 240 công trình, Hà Bắc có 50, Lai Châu có 40, Quảng Ngãi có 43 công trình …

Nói chung toàn quốc có khoảng 2000 công trình. Đa số các công trình đều hoạt động tốt, với thể tích khoảng 2¸200 m³.

* Thời kỳ 1991 tới nay

Những năm 1999 trở lại đây nhiều nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu, triển khai nhiều công trình xử lý chất thải bằng hệ thống khí sinh học Biogas (mô hình hình cầu của Viện năng lượng với thể tích 5m³, 7m³, 8m³, 10m³, 15m³, mô hình NL-6…) đã tạo ra một nguồn phân bón đáng kể, khả năng giải quyết nguồn năng lượng sạch tại chỗ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ở miền Trung, Tây Nguyên, hàng loạt các mô hình bể Biogas cũng được áp dụng cho các hộ chăn nuôi gia súc, các nông trường chăn nuôi trên địa bàn như mô hình của Trung tâm Năng lượng mới (Sở KHCN TP Đà Nẵng, mô hình bể Biogas phá váng tự động của Phân Viện BHLĐ và Bảo vệ Môi trường miền Trung, Tây nguyên (Đề tài 203-02/VBH). Nhiều tổ chức quốc tế đang quan tâm phát triển công nghệ ở Việt Nam: họ tổ chức nhiều hội thảo, tài trợ nhiều dự án phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta. Các dự án NLSK có cơ hội tận dụng cơ chế phát triển sạch (CDM) để thu hút vốn đầu tư. Nhiều công nghệ đã được hoàn thiện, ứng dụng thương mại nên Việt Nam có thể nhập và ứng dụng, tránh được rủi ro về công nghệ.

3.2.4. Thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam

Nước ta có hơn 80% dân số sống ở nông thôn. Trong những năm qua phong trào xây dựng các hầm biogas qui mô gia đình ở các hộ chăn nuôi gia súc, gia cầm đã và đang được phát triển. Tuy nhiên, biogas hiện nay chủ yếu được dùng để thay thế chất đốt. Trong thực tế sản xuất và sinh hoạt ở nông thôn hiện nay, nhu cầu sử dụng động cơ kéo các máy công tác thông thường như bơm nước, máy phát điện, máy xay xác, máy lạnh, máy sấy… để bảo quản sản phẩm nông nghiệp, bảo vệ gia súc, gia cầm... là rất lớn.

4. Yêu cầu đặt ra cho động cơ khi sử dụng nhiên liệu biogas

Khi sử dụng khí biogas cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, do có chỉ số Octane cao nên có khả năng chống kích nổ tốt. Mặc khác khí biogas cũng được sử dụng trên động cơ có tỉ số nén cao được cải tạo từ động cơ Diesel nguyên thủy. Trong trường hợp này người ta sử dụng phương pháp đánh lửa bằng cách phun mồi một phần nhiên liệu để đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định mặt khác lượng nhiên liệu phun mồi phải ít nhất để giảm chi phí sản xuất. Kỹ thuật này có nhiều lợi thế khi sử dụng trên động cơ tĩnh tại nhưng lại rất hạn chế trên động cơ vận tải do việc điều chỉnh phức tạp ở chế độ quá độ. Chính vì vậy sử dụng khí biogas trên các phương tiện giao thông vận tải hiện nay vẫn còn nhiều hạn chế.

- Năng lượng tia lửa điện.

Năng lượng tối thiểu của tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp Methane – không khí cao hơn nhiều so với trường hợp các hydrocacbon khác. Vì vậy yêu cầu của hệ thống đánh lửa của động cơ khi sử dụng nhiên liệu biogas phải có tính năng cao hơn để đảm bảo tạo ra năng lượng đánh lửa lớn để phù hợp với từng chế độ tải của động cơ.

- Quá trình cháy của động cơ.

Tốc độ lan tràn màng lửa của hỗn hợp Methane – không khí tương đối thấp. Đặc điểm này làm giảm tính năng của động cơ vì làm tăng truyền nhiệt từ môi chất công tác qua thành. Để khắc phục nhược điểm này người ta tăng cường thêm vận động rối của hỗn hợp trong buồng cháy. Tuy nhiên tốc độ lan tràn màng lửa thấp sẽ có ưu điểm là làm giảm độ ồn của quá trình cháy.

- Ngoài ra để sử dụng được nhiên liệu Biogas thì động cơ phải thỏa mãn một số yêu cầu sau đây:

+ Tỷ số nén lớn để có thể hoạt động được với nhiên liệu khí;

+ Có khả năng sử dụng lưỡng nhiên liệu để khi nhiên liệu thay thế không đủ cung cấp thì có thể chuyển sang hoạt động với nhiên liệu truyền thống;

+ Độ giảm công suất khi sử dụng nhiên liệu Biogas so với nhiên liệu xăng không lớn quá;

+ Lượng tiêu thụ Biogas phù hợp với năng suất sinh khí của hầm Biogas;

+ Mức độ phát thải ô nhiễm phải thấp hơn động cơ xăng;

+ Tuổi thọ cao, giá thành phù hợp.

5. Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu quả kinh tế của động cơ khi chạy bằng nhiên liệu biogas

5.1. Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu

5.1.1 Giới thiệu động cơ Toyota 3Y

Động cơ 3Y được hãng ô tô Toyota sử dụng phổ biến từ năm 1989 đến năm 1998 trên các đời xe Toyota Corona, Toyota Corola….Đây là động cơ dùng nhiên liệu xăng, sử dụng bộ chế hòa khí 2 họng , hệ thống đánh lửa bán dẫn, cơ cấu phân phối khí kiểu xupap đặt….Cùng với cơ cấu cân xích thủy lực và sử dụng con đội thủy lực trong cơ cấu phân phối khí nên có tính năng kỹ thuật vượt trội với các động cơ thời bấy giờ.

Hình 5 – 1 Động cơ ô tô Toyota-3Y

Bảng 1 – 5 Các thông số cơ bản của động cơ

Tên động cơ 3Y (xăng)	Thứ nguyên	Giá trị
Công suất cực đại (Kw)	N_emax	65
Số vòng quay cực đại (vòng/phút)	n_max	4800
Moment xoắn cực đại (Nm)	M_max	155
Số vòng quay ứng với M_max	n	3400
Tỷ số nén	ε	8,8
Đường kính xylanh(mm)	D	86
Hành trình piston(mm)	S	98
Số xylanh	i	4
Số kỳ	τ	4

5.1.2 Tính toán chu trình nhiệt của động cơ

5.1.2.1 Tính nhiệt khi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng

Bước 1. Xác định các thông số cho trước của động cơ

Bảng 5 – 2 Các thông số động cơ

Tên thông số	Ký hiệu	Thứ nguyên	Giá trị
Công suất có ích	N_e	Kw	65
Tỷ số nén	ε		8,8
Số vòng quay	n	Vòng/ phút	4800
Đường kính xi lanh	D	mm	86
Hành trình piston	S	mm	98
Số xi lanh	i		4
Số kỳ	t		4
Góc mở sớm xupáp nạp	j₁	Độ	24⁰
Góc đóng muộn xupáp nạp	j₂	Độ	58⁰
Góc mở sớm xupáp thải	j₃	Độ	64⁰
Góc đóng muộn xupáp thải	j₄	Độ	30⁰

Bước 2. Chọn các thông số cần thiét trong quá trình tính toán

Bảng 5 – 3 Các thông số chọn

Tên thông số	Ký hiệu	Thứ nguyên	Giá trị
Áp suất khí nạp	P_k	MN/m²	0,098
Nhiệt độ khí nạp	T_k	⁰K	297
Hệ số dư lượng không khí	a		0,896
Áp suất cuối kỳ nạp	P_a	MN/m²	0,088
Áp suất khí sót	P_r	MN/m²	0,116
Nhiệt độ khí sót	T_r	⁰K	920
Độ sấy nóng khí nạp mới	DT	⁰K	20
Chỉ số đoạn nhiệt	m		1,45
Hệ số lợi dụng nhiệt tại z	x_z		0,85
Hệ số lợi dụng nhiệt tại b	x_b		0,95
Hệ số nạp thêm	l₁		1,02
Hệ số quét buồng cháy	l₂		1
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt	l_t		1,17
Hệ số điền đầy đồ thị	j_đ		0,97

Bước 3. Tính toán quá trình nạp

+ Hệ số nạp h_v

(5-1)

+ Hệ số khí sót g_r

(5-2)

+ Nhiệt độ cuối kỳ nạp T_a

(5-3)

Bước 4. Tính toán quá trình nén

+ Tỷ nhiệt trung bình đẳng tích của không khí

[KJ/Kmol.K]. (5-4)

= 20,43[KJ/Kmol.K].

+ Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy

(5-5)

Trong đó:

+ Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp công tác

(5-6)

Trong đó:

+ Chỉ số nén đa biến trung bình n₁

Chỉ số nén đa biến trung bình là nghiệm của phương trình

Chọn n₁=1,38 thay vào phương trình trên ta được:

(5-7)

Giải phương trình trên ta được n₁ = 1,371

+ Áp suất cuối quá trình nén P_c:

(5-8)

à P_c = 0,088.8,8^1,372 = 1,735 [MN/m²]

+Nhiệt độ cuối quá trình nén T_c

(5-9)

à T_c = 349,21. 8,8^0,372 = 795,6[⁰K].

Bước 5. Tính toán quá trình cháy

+ Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1Kg nhiên liệu.

(5-10)

Trong đó:

Bảng 5 - 4

Nhiên liêu	Thành phần trong 1 kg nhiên liệu [kg]			Khối lượng phân tử m_nl[kg/kmol]	Nhiệt trị thấp Q_H [kj/kg]
	C	H	O
Xăng	0,855	0,145	0	110 - 120	43995

[kmol kk/kg nl]

+ Số mol khí nạp mới M₁

(5-11)

+ Tính ΔM

(5-12)

[kmol kk/kg nl].

+ Lượng sản vật cháy M₂

[kmol kk/kg nl]. (5-13)

+ Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết b₀

(5-14)

+ Hệ số biến đổi phân tử thực tế b

(5-15)

+ Hệ số biến đổi phân tử tại z (b_z)

à (5-16)

+ Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn DQ_H

DQ_H = 120000(1-α)M_o = 120000(1-0,896)0,5119 = 6388,512

+ Tỷ nhiệt mol trung bình của môi chất tại z :

(5-17)

Trong đó:

(5-18)

(5-19)

+ Nhiệt độ cực đại của chu trình T_z: T_z là nghiệm của phương trình

(5-20)

Đưa về phương trình bậc 2 dạng Ax² + Bx + C = 0

Trong đó: Bảng 5 - 5

Động cơ	A	B	C
Động cơ đánh lửa cưỡng bức

A = = 1,07.0,00571 = 0,0061

B = = 1,07.20,6522 = 22,098

C = = - 81709,389.

Giải phương trình ta được T_z = 2631,43 [⁰K].

+ Áp suất cực đại của chu trình lý thuyết P_z.

(5-21)

Bước 6. Tính toán quá trình giãn nở

+ Tỷ số giãn nở sớm r: Động cơ xăng r = 1

+ Tỷ số giãn nở sau d: Động cơ xăng d = e = 8,8

+ Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở P_b:

(5-22)

Chọn n₂=1,244

+ Áp suất cuối quá trình giãn nở P_b

(5- 23)

+Kiểm nghiệm lại giá trị n₂ đã chọn

(5-24)

+ Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót P_r

(5-25)

Sai số:

Bước 7. Tính toán các thông số chỉ thị

+ Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết P`_i:

(5-26)

+ Áp suất chỉ thị trung bình thực tế P_i

à P_i = 1,06663.0,97 = 1,03463 [MN/m²]. (5-27)

+ Hiệu suất chỉ thị h_i

(5-28)

+ Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g_i

(5-29)

Bước 6. Các thông số có ích

+ Áp suất tổn thất cơ giới trung bình P_m

(5-30)

Trong đó:

Bảng 5 - 6

Động cơ	a	b
Động cơ xăng	0,05	0,0155

P_m = 0,05 + 0,0155.15,68 + 0,116 - 0,088 = 0,321 [MN/m²]

+ Áp suất chỉ thị trung bình P_e

P_e = P_i- P_mà P_e = 1,03463 – 0,321 = 0,71359 [MN/m²]. (5-31)

+ Hiệu suất cơ giới h_M

(5-32)

+ Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g_e

(5-33)

à [g/kW.h]

+ Hiệu suất có ích h_e

h_e = h_i.h_M = 0,3396.0,69 = 0,234

Bước 7. Kiểm nghiệm kích thước xi lanh

+ Thể tích công tác của một xi lanh V_h

(5-34)

+ Đường kính xi lanh.

(5-35)

DD = |D_t – D| = | 86,0027– 86| = 0,0027

4.1.3. Tính toán nhiệt khi động cơ chạy bằng Biogas

- Thành phần các chất trong Biogas

CH₄: 55,04 (%) H₂S: 0,0055 (%) H₂: 3,1545 (%)

CO₂: 31,8 (%) N₂: 10 (%)

- Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết 1 m³ khí biogas (ở đktc)

[m³ kk/m³ Bio] (5-36)

0,21 - Thành phần thể tích ôxy trong không khí.

C_nH_mO_r- Thành phần phần trăm của các chất khí chứa một trong ba nguyên tố C, H, O.

n,m,r - Số nguyên tử cacbon (C), Hydro (H), Ôxy (O) trong cấu tạo phân tử của các chất khí thành phần của khí biogas.

[m³ kk/m³ Bio]

[kmol kk/kg bio] (5-37)

- Thành phần theo thể tích hỗn hợp nạp vào động cơ

Theo kinh nghiệm, đối với động cơ gas hệ số dư lượng không khí nằm trong khoảng 1,05 ¸ 1,15 thì động cơ đạt N_emax. Chọn = 1,05

- Lượng hỗn hợp ứng với 1 m³ biogas là :

M₁ = ,[m³h²/m³khí biogas] = 1 + 1,05.5,317 = 6,583 [m³h²/m³khí biogas]

M₁ = 6,583 [m³h²/m³khí biogas] = 0,288 [kmol hh/kgbiogs] (5-38)

Trong đó, 1m³ khí biogas và 5,9125 m³k², khi tính toán giả thuyết thành phần Ôxy và Nitơ trong không khí là 21% và 79% nên:

+ Tỷ nhiệt mol trung bình của sản vật cháy

Thành phần và số lượng sản vật cháy của hỗn hợp khi a > 1.

M_H2= Sm/2(C_mH_nO_r) = 4,511[m³/m³khí biogas]

M_CO2= Sn(C_nH_mO_r) = 0,132[m³/m³ khí biogas]

M_O2= 0,21(a-1).M_o= 0,0592[m³/m³ khí biogas]

M_N2= 0,79.a.M_o+N₂= 4,511[m³/m³ khí biogas]

N₂: Thể tích khí N₂ trong khí biogas.

+ Tỷ nhiệt mol hỗn hợp sản phẩm cháy.

(5-45)

+ Tỷ nhiệt mol trung bình của hỗn hợp công tác

(5-46)

+ Chỉ số nén đa biến trung bình n₁

Chọn n₁ = 1,38

n₁ - 1 = = (5-47)

Sau khi thế số chọn n₁ để cân bằng 2 vế ta chon được n₁ = 1,372

Sai số hai vế D = 0,0005< 0,001 thỏa điều kiện

+ Nhiệt độ cuối quá trình nén.

T_c = T_a.e^n1-1 = 356.8,8^(1,372-1) = 800⁰K] (5-48)

+ Áp suất cuối quá trình nén

Pc = P_a.eⁿ¹ ,[MN/m²] = 0,088.8,8^1,372= 1,741[MN/m²]. (5-49)

Bước 3. Quá trình cháy

+ Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1m³ khí biogas (ở đktc)

M₀ = 5,317 ,[m³kk/m³khí biogas]

+ Lượng khí nạp mới tính theo m³

M₁ = 1 + a.Mo,[m³kk/m³khí biogas] (5-50)

=1 + 1,05.5,317 = 6,583 [m³kk/m³ khí biogas]

+ Lượng sản vật cháy M₂

M₂= M₁+ ΔM = 6,567 [m³hh/m³ khí biogas] (5-51)

Trong đó: ΔM = - 0,0158

+ Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết

b₀ = (5-52)

+ Hệ số biến đổi phân tử thực tế

b = 1+ = 1 + = 0,998 (5-53)

+ Hệ số biến đổi phân tử tại Z

b_Z = à b_Z = (5-54)

+ Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn

a > 1 nên DQ = 0

+ Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại Z

[KJ/Kmol⁰K] (5-55)

20,1472 +0,0046.T , [KJ/Kmol⁰K]

+ Nhiệt độ cực đại của chu trình T_Z

Nhiệt độ cực đại của chu trình T_z: T_z là nghiệm của phương trình

(5-56)

Đưa về phương trình bậc 2 dạng Ax² + Bx + C = 0

Trong đó:

Bảng 5 - 8

Động cơ	A	B	C
Động cơ đánh lửa cưỡng bức

A = = 0,9979.0,005 = 0,00229

B = = 0,9979.20,176 = 20,1064

Giải phương trình ta được T_z = 2721,813[⁰K]

+ Áp suất cực đại của chu trình.

P_Z = P_C .λ =1,741.3,4= 5,913 [MN/m²]. (5-57)

Bước 4. Quá trình giãn nở

+ Tỷ số giãn nở sớm ; r = 1

+ Tỷ số giãn nở sau.d = e = 8,8

+ Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở

= =1507,4 [⁰K]. (5-58)

+ Kiểm nghiệm lại trị số n₂

Kiểm nghiệm lại giá trị n₂ đã chọn

Chọn n₂ = 1,2723

(5.59)

Thay số vào công thức và giải ta được: n₂ = 1,272; sai số = 0,0005< 0,001

+ Áp suất cuối quá trình giãn nở P_b

,[MN/m²] à P_b = = 0,372 [MN/m²] (5-60)

+ Kiểm nghiệm lại hệ số khí sót

,[⁰K] = = 1022,1 ⁰K. (5-61)

Sai số = 11,1 %< 15% thoả điều kiện

Bước 5. Thông số chỉ thị

+ Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết.

,[MN/m²] (5-62)

P_i’ = 0,912 [MN/m²]

+ Áp suất chỉ thị thực tế

P_i = j_đ.P_i’ , [MN/m²] (5-63)

P_i = 0,97.0,912 = 0,885[MN/m²]

+ Suất tiêu hao nhiên liệu khí biogas chỉ thị

,[m³/Kw.h] = [m³/Kw.h]. (5-64)

+ Hiệu suất chỉ thị

h_i = = = 0,402 = 40,2 %. (5-65)

Bước 6. Thông số có ích

+ Tổn thất cơ giới

P_m = 0,05 + 0,0155.C_m+ P_r- P_a (5-66)

Trong đó:

C_m - Vận tốc piston

C_m = [m/s] (5-67)

P_m = 0,05 + 0,0155.15,68+ 0,116 - 0,088= 0,321 [MN/m²]

+ Áp suất có ích trung bình

P_e = P_i- P_m ,[Mn/m²] = 0,885- 0,321 = 0,564 [MN/m²] (5-68)

+ Hiệu suất cơ giới

h_m = . (5-69)

h_m = 63,7 %

+ Suất tiêu hao khí biogas có ích.

V_e = [m³/KW.h] (5-70)

+ Công suất cực đại của động cơ

N_e = ,[Kw] (5-71)

Trong đó:

[lít] (5-72)

à N_e = = 51,33 [Kw]

+ Mức tiêu hao khí biogas khi động cơ đầy tải

V_t= N_e.V_e= 51,33.0,702 = 36,03 [m³/h] (5-73)

+ Hiệu suất có ích của động cơ gas

h_e = h_i.h_m = 0,402.0,637= 0,256 = 25,6 %

5.2 Hiệu quả kinh tế khi chạy bằng biogas

- Hiệu quả kinh tế khi sử dụng động cơ cùng với công nghệ Gatec.

+ Không phải trang bị thêm một động cơ chỉ chạy bằng biogas đắt tiền cùng công suất với động cơ dự phòng, tiết kiệm được chi phí đầu tư vừa tránh phiền hà chuyển đổi hệ thống điện giữa hai máy phát.

+ Tận dụng được nguồn biogas để sản suất điện, không giới hạn khối lượng . Khi hết ga, máy có thể được chuyển sang chạy bằng xăng, dầu bình thường.

+ Không phải xả bỏ biogas để tránh vỡ túi khí, tránh lãng phí nguồn năng lượng vừa bảo đảm được an toàn và bảo vệ môi trường.

- Hiệu quả sản xuất biogas từ các nguồn nguyên liệu khác nhau.

Ở nước ta nguồn biogas chủ yếu được sản xuất từ chất thải vật nuôi khác nhau và có mức độ sinh khí khác nhau thể hiện ở bảng sau:

Bảng 5 - 8

Loại nguyên liệu	Lượng phân thải ra hằng ngày(kg/con)	Sản lượng khí hằng ngày (l/kg nguyên liệu tươi)
Chất thải bò	15 – 20	15 – 32
Chất thải trâu	18 – 25	15 – 32
Chất thải lợn	1,2 – 4	40 – 60
Chất thải gia cầm	0,02 – 0,05	50 – 60

- Hiệu quả khi sử dụng máy phát điện trong trang trại chăn nuôi.

+ Mức độ sinh khí khác nhau ngoài các nguồn nguyên liệu khác nhau còn phụ thuộc vào quy mô trang trại (số lượng vật nuôi ). Như vậy máy phát điện có công suất khác nhau có thể hoạt động tùy thuộc vào quy mô trang trại.

Đối với trang trại nuôi nhiều gia súc, gia cầm có thể tính toán quy đổi dựa trên số liệu ở bảng 5 - 8 để tìm ra lượng biogas sinh ra và dự toán được thời gian máy phát điện có thể chạy liên tục trong ngày. Mặc khác ta có thể tính toán được lượng biogas đã sử dụng khi biết công suất của máy phát điện. Nhưng trước khi cung cấp cho động cơ để ổn định lưu lượng biogas đặc biệt khi động cơ tăng tải đột ngột chúng ta cần lưu trữ biogas vào túi chứa. Thực tế cho thấy ở điều kiện áp suất thường, trung bình 1m³ biogas sản sinh được 1 Kwh. Như vậy nếu máy phát điện có công suất P (Kw) mỗi ngày chạy t(h) thì tiêu thụ hết:

Q = P.t (m³ biogas/ngày) (5-74)

+ Khi sử dụng khí biogas để chạy máy phát điện sẽ có lợi ích rất nhiều so với khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch, năng lượng điện đang có xu hướng bất ổn định.

· Giá nhiên liệu từ ngày 3 – 3 – 2010

+ Giá dầu: 14600 đồng/lít (loại 0,05S) và 14550 đồng/lít (loại 0,25S)

+ Giá xăng: 16900 đồng/lít (loại A92) và 17490 đồng/lít (loại A95)

· Giá điện dùng cho sản xuất từ ngày 1 – 3 – 2010

Bảng 5 - 10

STT	Giờ áp dụng	Đơn giá (chưa tính VAT)(đ/Kwh)	Đơn giá (đã tính VAT)(đ/Kwh)
1	Giờ thấp điểm	589	648
2	Giờ bình thường	1.023	1.126
3	Giờ cao điểm	1.938	2.132

- Giá điện sinh hoạt

Bảng 5 - 11

STT	Mức sử dụng của một hộ gia đình trong tháng	Giá bán điện (đ/kwh) chưa tính VAT
1	Cho 50 kwh đầu tiên	600
2	Cho kwh từ 51 – 100	1.004
3	Cho kwh từ 101 – 150	1.214
4	Cho kwh từ 151 – 200	1.594
5	Cho kwh từ 201 – 300	1.722
6	Cho kwh từ 301 – 400	1.844
7	Cho kwh từ 401 à trở lên	1.890

- Tính toán hiệu quả kinh tế khi sử dụng động cơ xăng/biogas kéo máy phát điện

+ Tiết kiệm khi chạy bằng biogas so với khi chạy bằng xăng

D_{b – x} = 0,48.P_d. X_x (đồng/giờ) (5-76)

Trong đó: P_d – Công suất đầu ra của máy phát điện (Kw)

X_x – Gía xăng (đồng/lít)

+ Tiết kiệm khi chạy bằng biogas so với khi sử dụng điện sản suất.

D_{b – d} = P_d.Y (đồng/giờ) (5-77)

P_d – Công suất đầu ra của máy phát điện (Kw)

Y – Gía điện (đồng/lít)

6.2.2 . Tính toán thiết kế bộ hòa trộn

- Yêu cầu của bộ hòa trộn

+ Sức cản nhỏ nhất, đơn giản chế tạo, tiện sử dụng. Đảm bảo lượng không khí và khí biogas thích hợp ở từng chế độ của động cơ;

+ Khi thiết kế phải tính toán phù hợp với bộ phận khác mà không làm thay đổi kết cấu nguyên thủy của động cơ.

- Mục đích

+ Nhằm xác định kích thước đường ống phun khí Biogas, kích thước các lỗ phun, kích thước họng bộ hỗn hợp và kích thước buồng hỗn hợp.

6.2.2.1.Tính toán buồng hỗn hợp

- Tính đường kính bộ hỗn hợp:

(6-1)

Trong đó:

a_n – Hệ số dao động của dòng chảy, phụ thuộc vào số xi lanh dùng chung một buồng hỗn hợp, chọn a_n = 13

V_h – Thể tích công tác của một xi lanh (dm³), V_h = 0,5689 (dm³)

i – Số xi lanh dùng chung một buồng hỗn hợp, i = 4

n – Số vòng quay của động cơ (v/ph), n = 4800 (v/ph)

Bảng 6 - 1

Số xilanh	1	2	3	4	5	6
Hệ số a_n	24,2	17,1	14,15	13	12,85	11,9

Từ công thức (6-1) ta có:

d_b = 13. = 42,9 (mm) (6-2)

- Chiều dài buồng hỗn hợp

l_b = (0,8-1,8)d_b= (34,32 ¸77,22). Chọn l_b= 35 (mm) (6-3)

6.2.2.2.Tính toán họng khếch tán

- Xác định sơ bộ đường kính

Đường kính họng được quyết định bởi lưu lượng không khí qua họng và tốc độ thực tế không khí qua họng trong giới hạn theo thực nghiệm.

Chọn sơ bộ đường kính của họng d_h theo kinh nghiệm.

Loại một họng:

d_h=(0,6-0,8)d_b = (25,74 ¸ 34,32). Chọn d_h = 26 (mm) (6-4)

- Độ chân không tại họng

(6-5)

Trong đó:

m_h – Hệ số lưu lượng của họng, phụ thuộc vào hình dáng, chất lượng của họng và số họng, m_h= 0,85-0,9.

((N/m²)

Δp_h= 16313,6 (N/m²)

- Tốc độ không khí thực tế qua họng

= 0,85= 140,16 (m/s) (6-5)

v_k= 140,16 (m/s)

- Lưu lượng không khí qua họng:

(6-7)

G_kk = 0,817.0,5689.10^-3. = 0,0893 (kg/s)

Ta xác định vị trí lắp vòi phun chính và đường kính vòi phun chính bằng phương pháp tính toán sau

+ S₂ – Tiết diện tại mặt cắt 2 – 2; S₁ = π = 5,306.10^-4 (m²)

+ v₂ – Vận tốc tại mặt cắt 2 – 2 ; v₂ = 140,16 (m/s)

Từ phương trình (6.12) ta có:

v₁ = → v₁ = = 51,46 (m/s)

Từ phương trình (6.11) → p₁ = p₂ – h₁.ρ.g + ρ

p₁ = 16313,6–0,05.1,2.9,81+0,5.1,2 = 29576 (N/m²)

- Tốc độ nhiên liệu

(6-12)

+ r_nl - Khối lượng riêng của nhiên liệu , r_nl = 1,018 (Kg/m³).

+ v_nl- Tốc độ dòng nhiên liệu qua lỗ.

+ P_biogas– Ấp suất biogas trong thiết bị lưu trữ, P_Bi = 343,35 [N/m²].

= 242,5 (m/s)

- Tiết diện lỗ phun Biogas chính

(6-13)

G_nl: Lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giờ ứng với công suất cực đại

G_nl = V_t= 36,03 (m³/h) = 0,01 (m³/s)

f_c= 4,05.10^-5(m²)

- Đường kính lỗ phun chính

d_c= (m) (6-14)

d_c=

d_c= 7,18.10^-3 (m) → d_c= 7,18 (mm).

Để thuận tiện cho việc chế tạo ta chọn d_c= 8 (mm). Ta bố trí lỗ phun chính cách họng một khoảng h = 50 (mm)

- Ta không tính toán đường kính vòi cấp Biogas không tải mà lấy theo kinh nghiệm. Để thay đổi lượng Biogas cấp vào ở chế độ không tải ta dùng giclơ không tải với nhiều đường kính trong khác nhau để dễ thay thế trong quá trình thử nghiệm động cơ.

Chọn đường kính trong của vòi cấp biogas không tải d_t = 4 (mm). Đường kính trong của vòi cấp biogas van chân không 6 (mm).

Để cải thiện chất lượng hòa trộn giữa biogas và không khí, xung quanh họng ventury ta khoang 6 lỗ với đường kính được chọn theo kinh nghiệm Φ2 và độ côn 20⁰.

6.2.3. Thiết kế bộ truyền đai

- Đặc điểm của bộ truyền đai thiết kế

Ta thiết kế bộ truyền đai dựa trên các thông số có sẵn của bộ truyền nguyên thủy của động cơ. Một mặt thiết kế, cải tạo bộ truyền thích hợp để dẫn động bộ điều tốc sao cho tối ưu nhất.

+ Bộ truyền nguyên thủy của động cơ được sử dụng bộ truyền đai dẹt trích công suất từ trục khuỷu động cơ dẫn động quạt gió làm mát và máy phát điện.

+ Ta cải tạo bộ truyền để dẫn động bộ điều tốc bằng cách thiết kế thêm bộ truyền đai trích công suất động cơ từ bánh đai máy phát điện. Trên bánh đai dẫn động máy phát điện (đai dẹt) ta hàn thêm một bánh đai thang để dẫn động bộ điều tốc.

- Phương pháp thiết kế bộ truyền

+ Chọn loại đai thiết kế.

Giả thiết vận tốc đai v > 10 m/s (theo bảng 5 -12 tài liệu 2) ta chọn đai loại B hay loại G. Tuy nhiên để tiện cho việc lắp đặt và tính toán ta chon đai loại B vì đai loại B thông dụng hơn. Như vậy kích thước tiết diện của đai loại B như sau:

a₀– chiều rộng đường trung hòa a₀= 14 (mm); h – chiều cao đai h = 13,5; a – chiều rộng đáy lớn a = 22(mm); h₀ – khoảng cách từ đáy lớn đến đường trung hòa; F – tiết diện đai F = 230(mm²)

n₁, D₁ - Số vòng quay và đường kính của bánh đai dẫn động trục khuỷu; D₁ = 140 (mm)

n₂, D₂ - Số vòng quay và đường kính của bánh đai dẫn động máy phát điện ; D₂ = 90 (mm)

n₃, D₃ - Số vòng quay và đường kính của bánh đai dẫn động quạt gió; D₃= 120 (mm)

n₄, D₄ - Số vòng quay và đường kính của bánh đai dẫn động bộ điều tốc; D₄

n₁ D₁ = n₂ D₂ à n₂ = n₁ = 4800. = 7467 ( Vòng/phút) (6.16)

Theo kết quả thực nghiệm trên bộ điều tốc, tại tốc độ 2000 (vòng/phút) thì quả văng ở vị trí cực đại khi đó van côn điều tốc mở cực đại.

+ Xác định đường kính bánh đai hình thang

· Xác định đường kính bánh đai nhỏ

Đường kính bánh đai nhỏ được chọn theo tiêu chuẩn (dựa vào bảng 5 -15 tài liệu 2)

D’₂ = 90 (mm)

Kiểm nghiệm lại vận tốc đai

v = = = 35,17 (m/s) (6-17)

Thỏa mãn v £ v_max = (30 ¸ 35) m/s

· Xác định đường kính bánh đai lớn.

D₄ = i.D₄.(1 - x) = = 366 (mm) (6-18)

Với x = 0,02

Lấy theo tiêu chuẩn (bảng 5 – 15 /tài liệu 2) ta chọn D₄ = 320 (mm)

Số vòng quay thực n’ của trục bị dẫn

n’ = (1 – 0,02).7467. = 2058 (vòng/phút) (6-19)

Sai số về số vòng quay so với yêu cầu

∆n = = 2,9%

Sai số ∆n nằm trong phạm vi cho phép (3¸5)%

· Tỷ số truyền

u = = = 3,7 (6-20)

+ Chọn sơ bộ khoảng cách trục A

Theo (bảng 5 -16) Chọn A = 0,95 D₄ = 0,95. 320 = 304 (mm)

+ Tính chiều dài L theo khoảng cách trục A.

Chọn sơ bộ theo (công thức 5 – 1 tài liệu 2)

L = 2A+( D₂’+ D₄)+ (6-21)

L = 2.304+(90 +320)+ = 1252 (mm)

Lấy L theo tiêu chuẩn, L = 1800 (theo bảng 5 -12 tài liệu 2)

Kiểm nghiệm số vòng quay v’ trong 1s

v’ = = = 9,5 đều nhỏ hơn v_max = 10

+ Xác định chính xác khoảng cách trục A theo chiều dài đai đã lấy theo tiêu chuẩn.

A = = 401,745 (mm) (6-22)

Kiểm nghiệm lại A theo điều kiện sau

0,55(D’₂ + D₄) + h £ A £ 2 ( D’₂ + D₄) à 225,5 £ A = 401,745 £ 820 thõa mãn.

Trong đó: h–chiều cao của tiết diện đai, h = 13,5 ( theo bảng 5 – 11 tài liệu 2)

Khoảng cách nhỏ nhất, cần thiết để mắc đai.

A_min = A – 0,015 L = 401,745 – 0,015.1800 = 374,745 (mm) (6-23)

Khoảng cách lớn nhất, cần thiết để tạo lực căng.

A_max = A + 0,03 L = 401,745 + 0,03.1800 = 455,745 (mm) (6-24)

+ Tính góc ôm a theo biểu thức sau

a₁ = 180⁰ - @ 147⁰ (6-25)

a₂ = 180⁰ + @ 212,6⁰ (6-26)

+ Xác định số đai cần thiết

Số đai Z được xác định theo điều kiện để tránh xảy ra sự trượt trơn giữa đai và bánh đai. Chọn Z = 1.

+ Xác định các kích thước chủ yếu của bánh đai.

· Chiều rộng bánh đai. B = ( Z – 1) t + 2S = 2.17 = 34 (6-27)

Với S = 17 (được tra bảng 10 – 3)

· Đường kính ngoài cùng của bánh đai (6-28)

Bánh dẫn: D_n1 = D₁ + 2h₀ = 90 + 2.4,8 = 99,6 (mm)

Bánh bị dẫn : D_n2 = D₂ + 2h₀ = 320 + 2.4,8 = 329,6 (mm)

+ Tính lực căng ban đầu S₀ và lực tác dụng R

S₀ = s₀ F = 1,2.230 = 276 (N) (6-29)

Với s₀ = 1,2 (N/mm²), F = 230 (mm²)

R = 3S₀Z Sin = 3.276.1.sin = 794 (N) (6-30)

6.2.4. Tính toán van cung cấp khí

* Đường kính cửa d₀ và cửa ra d₁ của van tiết lưu

- Động cơ chạy với tốc độ n vòng/phút, thời gian dành cho kỳ nạp t_nạp

= = 0,00625(s) (6-31)

Hệ số nạp xấp xỉ bằng 1 nên lưu lượng của hỗn hợp qua đường nạp động cơ

q_nạp = , Với V_h = 0,5689 (dm³) = 5,689.10^-4 (m³) (6-32)

à q_nạp = = = 0,091 (m³/s)

- Nếu đường kính đường nạp là d_nạp thì tốc độ dòng khí qua đường nạp là :

V_nạp = , Với d_nap = 42 (mm) = 0,042 (m) (6-33)

à V_nạp = = 65,7 (m/s)

- Độ chân không trung bình qua đường nạp

Δp_nạp = ρV_nạp, Với ρ = 1,018 (kg/m³) (6-34)

à Δp_nạp= .1,018.65,7² = 2198 (N/m²)

Áp suất biogas được giữ ổn định ở 343,35 ( N/m²). Như vậy độ chênh áp trước và sau vòi phun biogas trong giai đoạn nạp là:Δp_nạp + Δp_gas. Tốc độ biogas ra khỏi vòi phun trong kỳ nạp:

W_biogas= = = 68,23 (m/s) (6-35)

- Trong 3 kỳ còn lại của chu trình vận tốc Biogas ra khỏi vòi phun vào họng.

[m/s] (6-36)

- Lưu lượng Biogas thực tế cung cấp cho động cơ trong một chu trình Q_Biogas:

Q_Biogas= S.t_nap .(W_Biogas +3.V_Biogas ) (6-37)

Trong đó S là tiết diện lưu thông Biogas trong đường cung cấp. Trong trường hợp động cơ ở chế độ toàn tải, để công suất động cơ phát ra lớn nhất van tiết lưu phải mở hoàn toàn, lượng Biogas cung cấp cho động cơ là lớn nhất. Khi đó, lưu lượng Biogas tại các mặt cắt trong đường ống cấp đều bằng nhau.

- Đường ống cấp Biogas có tiết diện mặt cắt ngang là S.

Ta có tiết diện lưu thông Biogas S:

(6-38)

Công suất của động cơ do chính quá trình cháy Methan ( CH₄) trong Biogas sinh ra. Nhiệt trị thấp của CH₄ở điều kiện thường là Q_{H CH4} = 35,57 kJ/m³. Với hiệu suất có ích của động cơ là h thì công suất động cơ là:

(6-39)

Trong thành phần khí Biogas có 55,04 % CH₄, do vậy từ biểu thức trên ta tính được lượng Biogas cần cung cấp cho động cơ để tạo ra công suất đáp ứng yêu cầu của phụ tải.

N_e = η.0,5504.Q_Biogas.Q_CH4. (Kw)

→Q_Biogas = = = 0,00025(m³)

Tiết diện đường ống cấp Biogas

[m²]

Đường kính đường ống cung cấp

(6-40)

=> (m) = 18,7 [mm]

Chọn d_o = 19 (mm)

6.2.5 . Tính toán thiết kế cơ cấu điều khiển

Tính toán tỉ số truyền của cần điều khiển

- Sơ đồ tính toán

Hình 6 – 12 Sơ đồ tính toán tỉ số truyền cần ga điều khiển

1 – Cụm van điều tốc; 4 – Cần nối;

2 – Cần điều tốc; 5 – Cần bướm ga (họng chính);

3 – Thanh điều chỉnh; 6 – Lò xo điều tốc.

- Nguyên lý hoạt động:

Nhiệm vụ thiết kế cơ cấu điều khiển phải đảm bảo sao cho động cơ ô tô sau khi cải tạo sẽ có đặc tính của động cơ tĩnh tại cụ thể như sau:

+ Khi động cơ không hoạt động bướm ga ở vị trí mở cực đại. Lúc đó lò điều tốc 6 sẽ có nhiệm vụ kéo cần điều tốc 2 , thông qua thanh điều kiển 3, cần nối 4 sẽ làm cho cần bướm ga 5 của họng chính xoay 1 góc 90⁰, bướm ga sẽ mở hoàn toàn.

Mặt khác, thông qua khớp xoay của cần điều tốc 2 sẽ kéo van côn điều tốc mở cực đại.

+ Khi động cơ hoạt động, quả văng bộ điều tốc (văng ra theo mức độ tải) sẽ tác động vào cần điều tốc 2 đóng dần van côn. Lúc đó lò xo điều tốc 6 có xu hướng giản ra, thông qua thanh điều chỉnh 3, cần nối 4, cần bướm ga 5 của họng chính sẽ đóng theo mức độ tăng tải.

Trên cần điều tốc 2 có khoang nhiều lỗ để điều chỉnh độ căng của lò xo 6.

Trên cần điều tốc 2 và cần nối 4 có khoang nhiều lỗ để điều chỉnh sự làm việc của góc xoay bướm ga hoặc độ mở của van côn điều tốc.

+ Các thông số đo được trong quá trình thiết kế

y - độ dịch chuyển của van côn, y = 12 (mm).

a, b – khoảng cánh các cánh tay đòn điều kiển, a = 61 (mm), b = 80 (mm).

c – độ dài của cần nối c = 130 (mm)

d – khoảng cách từ tâm cần nối đến tâm của bướm ga, d = 90 (mm).

+ Tính toán tỷ số truyền của cơ cấu điều kiển

Tỷ số truyền của cơ cấu điều kiển được xác định như sau: Với độ mở bướm ga ở vị trí cực đại tương ứng với góc xoay 90⁰ của trục bướm ga, khi đó van côn dịch chuyển được một đoạn y = 12 (mm)

i = = = 7,5 [độ/mm]

Khi thiết kế cơ cấu điều kiển ta phải dựa vào kết cấu của động cơ, sau đó tìm phương pháp bố trí dẫn động, thiết kế các chi tiết để sao cho khi hoạt động động cơ sẽ phát huy được các chỉ tiêu về kinh tế , kỹ thuật tốt nhất.

7. Tính toán thiết kế bộ truyền động từ động cơ sang máy mát điện

7.1. Các thông số ban đầu

7.1.1. Các thông số đã có

Công suất cực đại của động cơ: 65[kW]

Tần số quay trục khuỷu khi công suất cực đại: 4800 [vòng/phút]

Đường kính xi lanh: 86 [mm]

Hành trình piston: 98 [mm]

Công suất cực đại của máy phát điện: 20[kW]

Số vòng quay của máy phát: 1500[vòng/phút]

7.1.2. Các thông số tính toán

Công suất động cơ cần thiết để kéo máy phát điện 20 [kW]

[kW] (7.1)

Trong đó: N_dc- công suất động cơ khi kéo máy phát điện công suất 20[kW]

N_MF- Công suất cực đại máy phát

η - Hiệu suất truyền động

Ta chọn: η₁ = 0,97 là hiệu suất của bộ truyền bánh răng trụ

η₂ = 1 là hiệu suất của khớp nối

η = η₁.η = 0,97.1² = 0,97

Tỉ số truyền của cặp bánh răng nghiêng

7.2. Thiết kế bộ truyền bánh răng trong hộp số

7.2.1. Chọn vật liệu làm bánh răng

Bánh răng nhỏ: chọn thép 45 tôi cải thiện bảng 3-8 ta có:

s_b= 800 [N/mm²] ; s_ch= 450 [N/mm²] ; HB = 210

Phôi rèn, giả thiết đường kính phôi (60¸90) mm.

Bánh răng lớn: chọn thép 35 thường hoá tra bảng 3-8 ta có:

s_b=500 [N/mm²] ; s_ch= 260 [N/mm²] ; HB = 170

Phôi rèn, giả thiết đường kính phôi (100¸300) mm.

o 7.2.2. Định ứng suất tiếp xúc và ứng suất cho phép

1. Ứng suất cho phép

Số chu kì tương đương của bánh lớn.

N_{tđ 2}= 60 u S(M_i/M_max)² n_i.T_i (7.5)

M_i,n_i,T_ilà moment xoắn, số vòng quay trong 1phút và tổng số giờ làm việc ở chế độ i .

M_max là moment xoắn lớn nhất tác dụng lên bánh răng.

u là số lần ăn khớp của 1 răng khi bánh răng quay 1 vòng.

N_tđ2= 60.4,5.310.10.1500.[1³.0,5 + (0,6)³.0,5]= 76.10⁷> N_o

với n_MF= 1500(v/ph). ( với N₀=10⁷ tra bảng 3-9)

Như vậy số chu kì làm việc tương đương của bánh nhỏ

N_tđ1= N_tđ2.i_n > N_o (7.6)

Do đó hệ số chu kì ứng suất k’_Ncủa cả hai bánh đều bằng 1.

Theo bảng 3-9: [s]_Notx= 2,6.HB (7.7)

[s]_tx= [s]_Notx. k’_N (7.8)

Ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh lớn: [s]_tx2= 2,6.170 = 442 [N/mm²]

Ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh nhỏ: [s]_tx2= 2,6.210 = 546 [N/mm²]

Để tính sức bền ta dùng trị số nhỏ: [s]_tx2= 442 [N/mm²]

2. Ứng suất uốn cho phép.

Số chu kì tương đương của bánh lớn:

N_tđ2= 60.4,5.310.10.1500.[1⁶.0,5 + (0,6)⁶.0,5]= 65,6.10⁷

Þ N_tđ1= 3,2.65,6.10⁷= 210.10⁷.

Cả N_tđ1 và N_tđ2 > N_o do đó k’’_N= 1.

[s]_u= do răng chịu ứng suất thay đổi mạch động (7.10)

Giới hạn mỏi uốn của thép 45: s_-1= 0,43.800 = 344 [N/mm²]

Giới hạn mỏi uốn của thép 35: s_-1= 0,43.500 = 215 [N/mm²]

Hệ số an toàn: n = 1,5.

Hệ số tập trung ứng suất ở chân răng: k_s = 1,8.

^o Bánh nhỏ: [s]_u1= = 191,1 [N/mm²]

^o Bánh lớn: [s]_u2= = 119,4 [N/mm²]

7.2.3. Chọn sơ bộ hệ số tải trọng k

Có thể chọn sơ bộ k = 1,3.

7.2.4. Chọn hệ số chiều rộng bánh răng

y_A= b/A = 0,25 (7.11)

7.2.5. Xác định khoảng cách trục

(7.12)

q^’-hệ số phản ánh sự tăng khả năng tải, tính theo sức bền tiếp xúc của bánh răng nghiêng so với bánh răng thẳng. Chọn q^’= 1,25.

Lấy A = 120 [mm]

7.2.6. Tính vận tốc vòng v của bánh răng và chọn cấp chính xác chế tạo bánh răng

Vận tốc vòng bánh răng trụ

(7.13)

Vận tốc này theo bảng 3-11 ta chọn cấp chính xác 7.

7.2.7. Định chính xác hệ số tải trọng k

Hệ số tải trọng k được tính theo công thức: k = k_tt.k_đ.

k_tt- hệ số tập trung tải trọng.

k_đ- hệ số tải trọng động.

Chiều rộng bánh răng: b = y_A.A = 0,25.120 = 30 [mm]

Đường kính vòng lăn bánh răng nhỏ:

(7.14)

Do đó: y_d= b/d₁= 30/57,14 = 0,525 (7.15)

Tra bảng 3-12 ta chọn được k_ttbảng= 1,08

Hệ số tập trung tải trọng thực tế: k_tt= (1,08+ 1)/2 = 1,04

Giả sử: theo bảng 3-14 ta tìm được k_đ= 1,2

Hệ số tải trọng k = k_tt.k_đ= 1,04.1,2 = 1,25 (7.16)

k ít khác so với trị số chọn sơ bộ nên không cần tính lại khoảng cách trục A.

Như vậy lấy chính xác: A = 120 mm.

7.2.8. Xác định mođun, số răng và góc nghiêng của răng

Mođun pháp: m_n= (0,01¸0,02).A = (1,2¸2,4) [mm]

Theo bảng 3-1 chọn: m_n= 2 mm.

Sơ bộ góc nghiêng: b = 10^o_;cosb=0,985

Tổng số răng của 2 bánh

(7.17)

Số răng bánh nhỏ

Lấy Z₁= 28 (7.18)

Số răng bánh lớn

Z₂= Z₁.i = 28.3,2 = 89,6 Lấy Z₂= 90 (7.19)

Tính chính xác góc nghiêng b

cosb = (7.20)

Vậy b = 10^o48’

Chiều rộng bánh răng b thỏa mãn điều kiện

b = 30mm >

7.2.9. Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng

Tính số răng tương đương: Z_tđ=Z/cos³b.

Bánh lớn: Z_tđ1=28/(0,983333)³= 29 (7.21)

Bánh nhỏ Z_tđ2=61/(0,983333)³= 95(7.22)

Hệ số dạng răng theo bảng 3-18

y₁= 0,451

y₂= 0,517 Lấy q’’=1,5.

Đối với bánh răng nhỏ

(7.22)

< [s]_u1=191,1 [N/mm²]

Đối với bánh răng lớn

s_u2= s_u1.y₁/y₂ = 45,5.0,451/0,517=39,6< [s]_u2 = 119,4 [N/mm²] (7.23)

7.2.10. Kiểm nghiệm sức bền của bánh răng khi chịu tải trọng đột ngột

Ứng suất tiếp xúc cho phép: [s]_txqt=2,5[s]_Notx. (7.24)

Bánh nhỏ: [s]_txqt1= 2,5.546 = 1365 [N/mm²]

Bánh lớn: [s]_txqt2= 2,5.442 = 1105 [N/mm²]

Ứng suất uốn cho phép: [s]_uqt=0,8.s_ch. (7.25)

Bánh nhỏ: [s]_uqt1= 0,8.450 = 360 [N/mm²]

Bánh lớn: [s]_uqt2= 0,8.260 = 208 [N/mm²]

Kiểm tra sức bền tiếp xúc

;k_qt=1,4 (7.26)

s_txqt< 1105 N/mm² Þ thỏa mãn.

Kiểm tra sức bền uốn : s_uqt= k_qt.s_u.

Bánh nhỏ: s_uqt1= 1,4.45,5 = 63,7 N/mm² < [s]_uqt1

Bánh lớn: s_uqt2= 1,4.39,6 = 55,44 N/mm² < [s]_uqt2.

7.2.11. Các thông số hình học chủ yếu của bộ truyền (bảng 3-2)

Mođun pháp : m_n= 2 [mm]

Số răng : Z₁= 28 ; Z₂= 90

Góc ăn khớp : a_n= 20^o

Góc nghiêng : b = 10^o48’

Đường kính vòng chia: : d₁= m_n.Z₁/cosb =2.28/cos10^o27’=57 [mm]

: d₂= m_n. Z₂/cosb =2.90/cos10^o48’=183 [mm]

Khoảng cách trục : A = 120 [mm]

Bề rộng bánh răng : b = 30 [mm]

Đường kính vòng đỉnh : D_e1= 57 + 2.2 = 61 [mm]

: D_e2=183+ 2.2 = 187 [mm]

Đường kính vòng chân: : D_i1= 57 - 2,5.2 = 52 [mm]

: D_i2= 183 - 2,5.2 = 178 [mm]

1.12.Tính lực tác dụng lên trục

Lực tác dụng lên bánh răng được chia làm 3 thành phần: lực vòng P, lực hướng tâm P_r và lực dọc trục P_a.

Lực vòng: (7.27)

Lực hướng tâm: (7.28)

Lực dọc trục: P_a = P.tgb = 2135.tg10^o48’ = 803[N] (7.29)

Hình 7 - 2 Các lực tác dụng lên bánh răng

7.3. Thiết kế trục và then

7.3.1. Thiết kế trục

1.Tính đường kính sơ bộ của các trục: (7.30)

Trong đó C là hệ số tính toán phụ thuộc ứng suất xoắn cho phép đối với đầu trục vào và trục truyền chung. Lấy C = 120.

Đối với trục I: N_I = 20,619 [Kw]

n_I = 4800 vòng/phút.

Þ ; chọn d₁ = 20 [mm]

Đối với trục II: N_II = 20 [Kw]

n_II = 1500 [vòng/phút]

o Þ ; chọn d₂ = 32 [mm]

o I.2.Chọn vật liệu chế tạo trục: (bảng 3-8)

o Vì trục chịu lực và moment xoắn rất lớn cho nên chọn vật liệu là thép 45 tôi cải thiện có:

o s_b= 800 [N/mm²]; s_ch= 450 [N/mm²].

o Để chuẩn bị cho bước tính gần đúng các trục trong 3 trị số d_I, d_II, ta có thể lấy trị số d_II=32 (mm) để chọn loại ổ bi. Vì các cặp bánh răng đều là bánh răng trụ răng nghiêng do đó ta chọn ổ bi đỡ chặn để chống lại lực dọc trục.

o Theo bảng 17P ta chọn bề rộng B = 19 [mm]

7.3.2. Thiết kế then

Để truyền moment xoắn và truyền động từ trục đến bánh răng và ngược lại thì ta dùng then. Then là chi tiết được tiêu chuẩn hoá.

Then ở đây ta dùng là then hoa vì then hoa có nhiều ưu điểm hơn so với then bằng, then bán nguyệt, then vát:

+ Sức bền dưới tác động của tải trọng thay đổi và va đập lớn

+ Ứng suất dập trên bề mặ then hoa nhỏ hơn

- Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu biogas, hệ thống đánh lửa giống như hệ thống đánh lửa của động cơ xăng nguyên thủy. Tuy nhiên năng lượng tối thiểu của tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp metan – không khí cao hơn nhiều so với các hidrocacbon khác. Vì vậy hệ thống đánh lửa khi sử dụng nhiên liệu biogas có năng lượng đánh lửa cao hơn để đảm bảo tạo ra một năng lượng đánh lửa từ 100 ¸ 110 mJ so với 30 ¸ 40 mJ đối với động cơ xăng truyền thống. Mặt khác giới hạn thành phần hỗn hợp có thể cháy được đối với khí metan rộng hơn các loại hidrocacbon khác nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn.

- Tốc độ lan tràn màng lửa của hỗn hợp không khí – biogas tương đối thấp. Đặc điểm này làm giảm tính năng của động cơ vì làm tăng truyền nhiệt từ môi chất qua thành. Để khắc phục tình trạng này người ta làm tăng vận động chảy rối của hỗn hợp trong buồng cháy.

8.3. Phương pháp cung cấp và vận hành hệ thống lưỡng nhiên liệu trên động cơ Toyota-3y

- Nguyên tắc là sử dụng độ chân không tại họng venturi trong buồng hỗn hợp và độ chân không sau họng venturi của bộ chế hòa khí nguyên thủy để hút khí biogas vào. Lượng hỗn hợp khí biogas – không khí được hút vào nhiều hay ít tùy thuộc vào độ chân không tại họng venturi hay sự thay đổi tải của động cơ.

- Hỗn hợp nhiên liệu ở dạng khí sẽ đồng nhất và tránh được hiện tượng ướt đường ống nạp như sử dụng nhiên liệu lỏng, hiện tượng này rất nhạy cảm khi động cơ khởi động và làm việc ở chế độ chuyển tiếp.

- Việc cung cấp khí dạng này sẽ có nhược điểm là quá trình cung cấp dài và phải cấp ga liên tục làm hạn chế khả năng khống chế tỉ lệ không khí- biogas sao cho thích hợp.Như vậy sẽ gây khó khăn cho việc thiết kế chế tạo bộ phụ kiện sao cho tối ưu nhất, đảm bảo cho động cơ phát huy được tính năng kỹ thuật tốt nhất.

B. Nội dung phần thực nghiệm

1. Lắp đặt bộ điều tốc biogas cho động cơ Toyota 3Y

- Động cơ Toyota 3y là động cơ sử dụng nhiên liệu xăng được lắp trên các đời xe từ năm 1989-1998, hiện nay nó không còn sử dụng nữa và được thay thế bằng những động cơ có tính năng tốt hơn. Chính vì vậy khi cải tạo động cơ thành động cơ tĩnh tại kéo máy phát điện chạy bằng biogas chúng em không khỏi gặp khó khăn khi đại tu toàn bộ động cơ. Việc thiết kế cải tạo động cơ chạy biogas phải đưa ra phương pháp cung cấp nhiên liệu phù hợp không làm thay đổi nhiều kết cấu nguyên thủy của động cơ, tính toán thiết kế dẫn động bộ điều tốc, thiết kế hệ truyền động từ động cơ đến máy phát điện, thiết kế sacxi và cuối cùng là lắp đặt, vận hành động cơ khi sử dụng nhiên liệu biogas.

- Khi lắp đặt bộ điều tốc phải tính toán thiết kế bộ truyền đai dẫn động điều tốc, thiết kế cơ cấu điều kiển sao cho phù hợp.

2. Thử nghiệm máy phát điện được kéo bằng động cơ Toyota 3Y sau khi cải tạo

- Sau khi cải tạo sang chạy bằng biogas, máy phát điện đã được chuyển giao cho một trang trại ở Thanh hóa vào ngày 15/05/2010.

- Máy phát điện thử nghiệm HTAT20L do Trung Quốc sản xuất có công suất định mức là 20[KW] (3 pha, số vòng quay 1500 vòng/phút) ta dùng hệ thống điện trên trại chăn nuôi với 2 máy bơm nước loại 6 [KW] và 1 máy xay xát loại 5 (KW).

Trong quá trình chạy thử, động cơ đã chạy ổn định kéo máy phát điện đạt công suất 12KW, với điện áp ổn định 380V.

Trong quá trình thực nghiệm và thực tế trên bộ phụ kiện vạn năng Gatec-20 rút ra kết luận sau: Gatec-20 hoạt động nhạy cảm theo từng chế độ tải của phụ tải.

- Độ giảm công suất của máy phát điện so với sử dụng nhiên liệu xăng:

Z = 0,4 = 40%

- Công suất của động khi chạy bằng biogas để kéo máy phát điện đạt 12 (KW).

KẾT LUẬN

Thiết kế cải tạo động cơ Toyota 3y thành động cơ tĩnh tại kéo máy phát điện chạy bằng biogas là một đề tài hết sức mới mẻ và có ý nghĩa thực tế to lớn. Trước hết, khi sử dụng nguồn nhiên liệu biogas sẽ góp phần đáng kể trong việc giảm ô nhiễm môi trường và hạn chế hiện tượng nóng dần lên của Trái Đất. Bên cạnh đó máy được chuyển giao đến cho người dân sử dụng nên phải yêu cầu khắc khe về kỹ thuật động cơ, đạt hiệu quả kinh tế cao khi sử dụng nhiên liệu biogas.Mặc khác phải có giá cả hợp lý, vận hành dễ dàng, gọn nhẹ để giúp cho người dân tiện sử dụng.

Khi thử nghiệm, mặc dù công suất điện không đạt như mong muống (giảm 40%) một phần cũng do nhiều lý do khách quan như thành phần biogas của trang trại, một phần có thể do chúng ta chưa cải tạo đúng. Nhưng với những kết quả đạt được như vậy đã mang lại những thành công ban đầu, tạo tiền đề cho những ngiên cứu mới tốt hơn.

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm hướng dẫn của thầy giáo .............., thầy giáo .................. đã duyệt, các thầy cô trong khoa cơ khí Giao Thông, đã tạo điều kiện giúp đỡ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Tất Tiến: Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo Dục, năm 2001

2. Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm: Thiết kế chi tiết máy, NXB Giáo Dục, năm 2001

3. Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại Học Đà Nẵng – Số 2(25) .2008, Số 3(32). 2009, Số 4(33).2009 và số 5(28) 2008

4. Nguyễn Đức Phú : Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong; Tập 1, 2, 3; NXB Đại Học và Trung Học chuyên nghiệp , Hà Nội -1977

5. Tô Xuân Giáp, Vũ Hào, Nguyễn Đắc Tam, Vũ Công Tuấn, Hà Văn Vui: Sổ tay thiết kế cơ khí, tập 3; NXB Khoa Học Kỷ Thuật, năm 1980

6. Nguyễn Văn Vũ, Đề tài: " Nghiên cứu thiết kế - chế tạo Động cơ Diesel RV145-2 có tính năng tiên tiến và kiểu dáng hiện đại phục vụ nông, lâm, ngư nghiệp" , Đồng Nai tháng 8/2009

7. Giáo trình TTKC ĐC lưu hành nội bộ ''tính toàn thiết kế hệ thống nhiên liệu động cơ xăng'' TS Trần Thanh Hải Tùng.

8. Chuyên đề năng lượng môi trường và xu thế phát triển ôtô; GS.TSKH. Bùi Văn Ga; Đà Nẵng 2009.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"

Các đồ án/ tài liệu liên quan

	ĐỒ ÁN XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẨN ĐOÁN CÁC CỤM CHI TIẾT TRÊN Ô TÔ
	ĐỒ ÁN KHAI THÁC HỆ THỐNG TREO TRÊN XE HYUNDAI COUNTY
	ĐỒ ÁN KHAI THÁC HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC MT TRÊN XE ISUZU TROOPER
	ĐỒ ÁN XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SỬA CHỮA VỪA HỆ THỐNG PHANH XE MAZ-537
	ĐỒ ÁN THIẾT KẾ GARA BẢO DƯỠNG, SỬA CHỮA Ô TÔ BUÝT
	ĐỒ ÁN PHÂN TÍCH MỘT SỐ KẾT CẤU SỬ DỤNG TRÊN ÔTÔ HIỆN NAY
	ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỐ TRÍ CHUNG ÔTÔ TRỘN BÊ TÔNG TRÊN CƠ SỞ XE SÁT SI NHẬP KHẨU HINO
	ĐỒ ÁN KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH ABS TRÊN XE TOYOTA VIOS
	ĐỒ ÁN KHẢO SÁT VÀ KIỂM NGHIỆM HỆ THỐNG PHANH ÔTÔ BUS THACO KINGLONG KB120SE
	ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ THIẾT KẾ HỘP SỐ TRÊN XE Ô TÔ

Ngân hàng Techcombank	Ngân hàng Vietcombank
Số tài khoản: 190.2999.4998.012 Chủ tài khoản: Lê Văn Hùng Chi nhánh: Hoàng Quốc Việt - Hà Nôi	Số tài khoản: 0491.0000.93308 Chủ tài khoản: Lê Văn Hùng Chi nhánh: Thăng Long - Hà Nôi

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CẢI TẠO ĐỘNG CƠ ÔTÔ TOYOTA -3Y THÀNH ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY BIOGAS

3.1. Các loại năng lượng

3.1.1. Năng lượng mặt trời

3.1.2 Năng lượng gió

3.1.3 Năng lượng địa năng

3.1.4 Thuỷ điện và thuỷ điện nhỏ

3.1.5 Năng lượng hạt nhân

3.1.6 Nguồn năng lượng khác

a. Ngoài nước

b. Trong nước

- Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết 1 m³ khí biogas (ở đktc)

- Thành phần theo thể tích hỗn hợp nạp vào động cơ

6.2.2.1.Tính toán buồng hỗn hợp

- Tính đường kính bộ hỗn hợp:

- Chiều dài buồng hỗn hợp

6.2.2.2.Tính toán họng khếch tán

Hoàn cảnh ra đời

Tầm nhìn phát triển

Đội ngũ thành viên

Tuyển dụng

Đồ án cơ khí

Đồ án ô tô

Đồ án điện & tự động hóa

Đồ án xây dựng

Báo cáo thực tập

Tài liệu

Thiết kế 2d, 3d

Bóc tách bản vẽ

Làm đồ án, luận văn

Hướng dẫn bảo vệ đồ án, luận văn

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CẢI TẠO ĐỘNG CƠ ÔTÔ TOYOTA -3Y THÀNH ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY BIOGAS

3.1. Các loại năng lượng

3.1.1. Năng lượng mặt trời

3.1.2 Năng lượng gió

3.1.3 Năng lượng địa năng

3.1.4 Thuỷ điện và thuỷ điện nhỏ

3.1.5 Năng lượng hạt nhân

3.1.6 Nguồn năng lượng khác

a. Ngoài nước

b. Trong nước

- Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết 1 m3 khí biogas (ở đktc)

- Thành phần theo thể tích hỗn hợp nạp vào động cơ

6.2.2.1.Tính toán buồng hỗn hợp

- Tính đường kính bộ hỗn hợp:

- Chiều dài buồng hỗn hợp

6.2.2.2.Tính toán họng khếch tán

- Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết 1 m³ khí biogas (ở đktc)