Đề tài Xây dựng mô hình thí nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu từ hạt Jatropha

vào khoảng 60°C liên kết este của glyxêrin trong dầu thực vật bị phá hủy và các axít béo sẽ được este hóa với mêtanol. Chất glyxêrin hình thành phải được tách ra khỏi dầu diesel sinh học sau đấy. Thông qua việc chuyển đổi este này dầu diesel sinh học có độ nhớt ít hơn dầu thực vật rất nhiều và có thể được dùng làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel mà không cần phải cải biến động cơ để phù hợp. Tùy theo lượng sinh học người ta chia ra thành: Hình 1.9: Mẫu sinh học diesel RME: Mêthyl este của cây cải dầu (Brassica napus) theo DIN EN 14214 (có giá trị toàn châu Âu từ 2004) . SME: Mêthyl este của dầu cây đậu nành hay dầu cây hướng dương. PME: Meethyl este của dầu dừa hay dầu hạt cau. Bên cạnh đó còn có meethyl este từ mỡ nhưng chỉ có những sản phẩm hoàn toàn từ dầu thực vật(PME và đặc biệt là RME) là được dùng trong các loại xe diesel hiện đại, khi được các nhà sản xuất cho phép. Bảng 1 – 1: Thông số của dầu diesel sinh học Vì vậy trên thế giới nhiều nước đã tiến hành nghiên cứu trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên liệu sinh học cho chế biến năng lượng sinh học. Nghiên cứu về dầu diesel sinh học bắt đầu được thực hiện từ những năm 1990. Năm 1983, ngưòi Mỹ có tên là Gruham Quick đã sử dụng dầu từ hạt lanh chạy máy động cơ. Năm 1990 Mỹ đề ra “Luật không khí sạch” trong đó ethnol được sử dung thay thế chất MTBE là chất phụ gia vào xăng đựoc coi là chất ngấm vào nước ngầm có thể gây ung thư. Năm 2005 Mỹ có Luật năng lượng đề ra tiêu chuẩn bắt buộc trong xăng tiêu dùng phải pha nhiên liệu sinh học với tỷ lệ tăng dần hàng năm. Dự kiến đến 2017 hàng năm sản xuất 132 tỷ lít nhiên liệu sinh học, giảm 20% lượng xăng. Hiện nay Mỹ có 114 nhà máy đang sản xuất ethnol sinh học,79 nhà máy đang xây dựng, mở rộng 11 nhà máy và 200 nhà máy sẽ hoạt động vào tháng 9 năm 2008. Hãng dầu mỏ lớn thứ 3 nước Mỹ là Conoco Phillips sẽ đầu tư 22,5 triệu USD cho đại học Iowa State University (ISU, Mỹ) trong 8 năm để phát triển các công nghệ sinh học mới. Mới đây tại Hội nghị năng lượng sinh học Trường đại học Georgia (Mỹ), giáo sư vật lý đã nghỉ hưu 70 tuổi - hiện là lão nông – Zimmy Grine đã giới thiệu một loại ethanol nhiên liệu được chưng cất từ lúa mì và lạc. Theo tính toán về nhiệt lượng thì 1,5 lít ethanol có thể thay thế 1 lít xăng. Nếu pha ethanol với xăng thì tuỳ theo độ tinh khiết của chúng có thể giảm lượng xăng từ 10 đến 15% mà công suất và hiệu suất mài mòn động cơ không đổi. Ấn Độ dự kiến số ô tô của quốc gia này vào năm 2007 là 10 triệu chiếc và hàng năm nhu cầu nhập dầu mỏ của họ tăng khoảng 10%. Năm 2004 trong tổng số 114 triệu tấn dầu của quốc gia này có đến 75 % là nhập từ nước ngoài với số tiền là 26 tỷ USD. Trong báo cáo năm 2003 của Uỷ ban phát triển nhiên liệu sinh học của Ấn Độ cho rằng khả năng sản xuất 29 triệu lít cồn ethanol của họ đủ tạo ra hỗn hợp nhiên liệu 5% cồn cho đến kế hoạch lần thứ 12. Braxin sản xuất 14 tỷ lít cồn (tương đương 20 vạn thùng) từ cây mía. Luật pháp nước này qui định tất cả các loại xe phải sử dụng xăng pha với 22% cồn ethanol và nước này đã có 20% số lượng xe chỉ dùmg cồn ethanol. Chương trình sản xuất cồn này của họ tạo việc làm cho 1 triệu người và tiết kiệm được 60 tỷ USD tiền nhập dầu trong 3 thập kỷ qua. Số tiền này lớn gấp 10 lần chi cho chương trình trên và gấp 50 lần số tiền trợ cấp ban đầu.Từ sau 1985 sản lượng ethanol nhiên liệu đạt bình quân 10 triệu tấn/năm, thay thế luỹ kế 200 tấn dầu mỏ. Hiện nay toàn bộ xăng chạy ô tô của Braxin đều pha 20-25% ethanol sinh học và đã có loại ô tô chạy hoàn toàn bằng ethanol sinh học. Năm 2005 có 70% số ôtô đã sử dụng nhiên liệu sinh học. Lượng tiêu thụ ethnol sinh học ở quốc gia này đạt 12 triệu tấn năm 2005, thay thế 45% lượng tiêu thụ xăng và chiểm 1/3 tổng lượng tiêu thụ nhiên liệu cho các loại xe, tạo công ăn việc làm cho 700.000 người. Braxin có thể sản xuất được lượng ethanol thay thế 10% nhu cầu xăng dầu của thế giới trong vòng 20 năm tới với lượng xuất khẩu khoảng 200 tỷ lit, so với mức 3 tỷ lít hiện nay. Trong khối EU nhiên liệu sinh học là một ưu tiên trong chính sách môi trường và giao thông. Theo ước tính của các nhà kinh tế sử dụng nhiên liệu sinh học trong các loại hình vận tải ở châu Âu có thể tiết kiệm được 120 triệu thùng dầu thô vào năm 2010.Từ đầu năm 2004 các trạm xăng ARAL và Sell ở Đức bắt đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EU mà theo đó từ 31/12/2005 ít nhất 2% và đến 31/12/2010 ít nhất 5,75% các nhiên liệu dùng để chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo.Tại Áo một phần chỉ thị của EU đã đựơc thực hiện sớm hơn và từ 1/11/2005 chỉ có dầu diesel với 5% nguồn gốc sinh học được bán. EU đặt mục tiêu đến 2020 sản xuất 20% điện năng từ các nguồn năng lượng tái sinh. EU qui định các nước thành viên phải sử dụng ít nhất 10% nhiên liệu sinh học từ nay đến 2020. Mỹ đề ra đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học trong giao thông. Indonesia đã phải trợ cấp khoảng 7 tỷ USD cho năng lượng. Nước này đặt mục tiêu đến năn 2010 nhiên liệu sinh học đáp ứng 10% nhu cầu cho ngành điện và giao thông. Hiện nay ở đây phần lớn xe buýt và xe tải chạy bằng dầu diesel sinh học- một hỗn hợp dầu cọ với nhiên liệu hoá thạch - do Công ty dầu khí quốc doanh Pertamina cung cấp. Công ty điện lực PLN đang sử dụng dầu cọ trong dự án thí điểm nhằm hướng tới chuyển tất cả các nhà máy điện trong nước dùng dầu diesel sinh học và năm 2010. Ở Trung Quốc các tỉnh Hà Nam, An Huy, Cát Lâm, Hắc Long Giang…đã sản xuất ethanol từ lương thực tồn kho với sản lượng hàng năm đạt 1,02 triệu tấn. Hắc Long Giang đã sản xuất thử ethanol đạt khối lượng 5000 tấn/năm. Nước này đang nghiên cứu công nghệ sản xuất ethanol từ xenlulose và hiện đã có cơ sở đạt 600 tấn/năm. Theo kế hoach đến 2010 sản lượng nhiên liệu sinh học của Trung Quốc khoảng 6 triệu tấn. Đến năm 2020 là 19 triệu tấn, trong đó ethanol 10 triệu tấn và diesel 9 triệu tấn. Malaysia hiện có 3 nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học với công suất 276.000 tấn /năm. Chính phủ nước này đặt chỉ tiêu sản xuất 1 triệu tấn dầu diesel sinh học xuất khẩu vào năm 2007-2008. Hiện nay Malaysia đã trồng được 10 ngàn cây Jatropha. Thái Lan đã xây dựng chương trình phát triển năng lượng thay thế các nguồn nhiên liệu hoá thạch. Năm 2001, Nhật đã dùng tế bào Rhizopus oryzae cố định để sản suất diesel sinh học với tỷ lệ chuyển hoá đạt 80%. Với công nghệ nêu trên tỷ lệ chuyển hoá có thể đạt trên 95%, cao hơn phương pháp hoá học, giá thành giảm từ 15-20%. 1.4.2. Đặc tính của Biodiesel Biodiesel còn được gọi Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. biodiesel, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng sạch, phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl, ethyl ester của những acid béo. Mặt khác chúng không độc và dể phân giải trong tự nhiên . - Tính chất vật lý của biodiesel tương tự diesel nhưng tốt hơn diesel về mặt chất thải. - Biodiesel khắc phục được những nhược điểm của dầu thực vật như độ nhớt quá lớn ( cao gấp 6 – 14 lần biodiesel), chỉ số cetan thấp. - Các loại dầu biodiesel đều có tỷ lệ % trọng lượng oxy khá lớn, đây là điều mà diesel không có. Bảng 1 – 2. Tính chất hóa lý của các loại dầu + Tuy nhiên khi sử dụng dầu biodiesel ta cũng gặp phải một số sự cố sau - Dễ bị oxy hoá vì trong nhiên liệu diesel sinh học có các phân tử chứa các nối đôi nên chưa ổn định dễ bị phản ứng với oxy nên đặc biệt quan trọng trong việc bảo quản dầu thực vật. - Phân tử của nhiên liệu diesel sinh học có độ lớn khác với diesel thông thường và các phân tử diesel sinh học trong các kênh dẫn tinh vi không có khả năng bôi trơn đầy đủ ở áp suất cao và vì thế là nguyên nhân dẫn đến hao mòn nhanh hơn trong bơm cao áp. - Khi dùng nhiên liệu diesel sinh học cho một xe cơ giới không thích nghi với nó, diesel sinh học sẽ phá huỷ các ống dẫn nhiên liệu và các vòng đệm bằng cao su. Nguyên nhân là do diesel sinh học có tính chất hoá học của một chất làm mềm, chất cũng có trong các ống dẫn nhiên liệu và vòng đệm bằng cao su. Diesel sinh học sẽ thay thế các chất làm mềm trong các ống và vòng đệm này, vật liệu lúc đầu sẽ phồng lên, lúc này nếu dùng dầu diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ thì dầu diesel này sẽ rửa sạch diesel sinh học, không có chất làm mềm vật liệu sẽ cứng và bị thẩm thấu nước. - Một vấn đề khác là việc nhiên liệu đi vào nhớt động cơ tại các động cơ diesel có bộ phun nhiên liệu trực tiếp. Vấn đề này thường xảy ra trong thời gian vận hành khi động cơ được vận hành có những thời gian chạy không tải lâu dài. Lượng nhiên liệu phun càng ít thì chất lượng phân tán của miệng phun càng giảm và vì thế có xu hướng hình thành những giọt nhiên liệu không cháy bám vào thành của xylanh nhiều hơn và sau đó là đi vào hệ thống tuần hoàn bôi trơn. Tại đây độ bền hóa học kém của RME là một nhược điểm: RME bị phân hủy dần trong hệ tuần hoàn bôi trơn vì nhiệt độ cao tại đây, dẫn đến các chất cặn thể rắn hay ở dạng keo. Vấn đề này và tính bôi trơn kém đi của nhớt động cơ khi có nồng độ nhiên liệu cao có thể dẫn đến việc động cơ bị hao mòn nhiều hơn, vì thế mà người ta khuyên là khi vận hành bằng PME nên rút ngắn thời kỳ thay nhớt. - Một ưu điểm của PME có thể lại trở thành nhược điểm khi được sử dụng thực tế ở các loại xe cơ giới: dễ bị phân hủy bằng sinh học và đi cùng là không bền lâu. Oxi và nước tích tụ sẽ làm xấu đi các tính chất của PME sau một thời gian tồn trữ. Vì thế mà PME thường ít được khuyên dùng cho các xe ít được vận hành. - Ngoài ra thì vì việc đốt cháy khác nhau nên các động cơ mới không được chứng nhận là thích nghi với PME có thể có vấn đề với các bộ phận điện tử của động cơ, những thiết bị mà đã được điều chỉnh để dùng với Diesel thông thường. Điều tốt và có lý nếu dùng Diesel thông thường này lại trở thành điều xấu khi dùng Diesel sinh học: nếu sử dụng Diesel sinh học thì việc tăng lượng nhiên liệu phun sẽ làm loãng nhớt động cơ. Nếu sử dụng thuần túy Diesel sinh học thì việc đốt các hạt muội than trong bộ lọc trở thành không cần thiết nữa. Vì thế trong tương lai sẽ có những thiết bị cảm biến nhiên liệu dùng để nhận biết chất lượng của nhiên liệu. Lượng và thời điểm phun nhiên liệu đều có thể được tối ưu hóa. - Kinh nghiệm trong lĩnh vực xe chuyên chở cho thấy là việc sử dụng Diesel sinh học nhiều năm có thể dẫn đến hư hỏng bơm nhiên liệu, đặc biệt là ở những động cơ có bộ phận bơm – phun nhiên liệu trực tiếp. Xe này tuy đã được cho phép vận hành với Diesel sinh học nhưng nhà sản xuất bộ phận bơm phun (Bosch AG) thì lại không cho phép công khai dùng với RME. Người ta nói là vì phân tử RME có độ lớn khác với Diesel thông thường và các phân tử RME trong các kênh dẫn tinh vi không có khả năng bôi trơn đầy đủ ở áp suất cao và vì thế là nguyên nhân dẫn đến hao mòn nhanh hơn. 1.4.3. Sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam Gây trồng cây cung cấp nguyên liệu, sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học là một vấn đề mới đối với Việt Nam. Vừa qua Bộ Công nghiệp đã xây dựng đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2020, với mục tiêu sản xuất xăng E10 và dầu sinh học nhằm thay thế một phần nhiên liệu truyền thống hiện nay. Theo đề án, trong giai đoạn 2006-2010, Việt Nam sẽ tiếp cận công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học, xây dựng mạng lưới thí điểm phân phối nhiên liệu sinh học tại một số tỉnh, thành, quy hoạch vùng trồng cây nguyên liệu cho năng suất cao, đào tạo cán bộ chuyên sâu vê kỹ thuật. Giai đoạn 2011-2015, sẽ phát triển mạnh sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế một phần nhiên liệu truyền thống, mở rộng quy mô sản xuất và mạng lưới phân phối phục vụ cho giao thông và các ngành sản xuất công nghiệp khác, đa dạng hóa nguồn nguyên liệu. Đến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 5 tỷ lít xăng E10 và 500 triệu lít dầu diesel sinh học B10/năm.Theo các chuyên gia, xăng E10 là xăng pha cồn với hàm lượng cồn tối đa là 10%, đáp ứng hoàn toàn mọi hoạt động binh thường của ô tô, xe máy. Dầu diesel sinh học luôn được pha trộn vào dầu DO, với tỷ lệ phổ biến 5-30%, để giảm bớt ô nhiễm môi trường. Từ tháng 8/2007 một hệ thống sản xuất nhiên liệu sinh học từ dầu ăn phế thải với công suất 2 tấn/ ngày sẽ được triển khai tại Công ty Phú Xương thành phố Hồ Chí Minh. Dự án được triển khai với nguyên liệu đầu vào từ 4-5 tấn/ngày.Theo ước tính giá dầu là 7,500đ/lít thấp hơn giá giá bán diesel trên thị trường khoảng 400đ/lít. Bộ Công nghiệp đang triển khai công nghệ sản xuất các loại hoá chất, phụ gia cần thiết để pha chế nhiên liệu sinh học với xăng. Các đơn vị thuộc Bộ sẽ ứng dụng và làm chủ công nghệ sản xuất các chất phụ gia, chất xúc tác để pha chế xăng với ethanol và diesel sinh học và diesel khoáng, triển khai sản xuất các hoá chất, phụ gia cung cấp cho các cơ sở pha chế. Dự kiến năm 2007 làm chủ công nghệ này và sản xuất với qui mô nhỏ. Năm 2011-2015 mở rộng cơ sở sản xuất phụ gia và bảo đảm cho nhu cầu trộn xăng E5/E10, dầu B5/B10. Tổng kinh phí dự kiến cho dự án này là 20 tỷ đồng Việt Nam. 1.4.4. Các vấn đề cần thực hiện khi dùng nhiên liệu Biodiesel So với dầu diesel thì dầu Biodiesel có độ nhớt cao hơn, chỉ số cetan thấp hơn, sức căng bề mặt lớn hơn nên để có sự phun đều, phun tơi nhiên liệu vào buồng cháy không nên chỉ dựa vào năng lượng của tia phun mà cần có sự hỗ trợ của một trong các năng lượng tạo hỗn hợp khác như: + Tạo thêm xoáy lốc mạnh hoặc rối mạnh trong buồng cháy. + Sử dụng năng lượng xoáy lốc mạnh của loại buồng cháy xoáy lốc. + Sử dụng năng lượng của khí cháy trong buồng cháy dự bị. Theo hướng này thì sử dụng buồng cháy phân cách có lợi điểm là làm thời gian cháy trễ bớt nhạy cảm với tính chất của nhiên liệu, sự đốt cháy nhiên liệu tốt hơn, sự đóng cặn lên thành buồng cháy cũng ít hơn và các chất ô nhiễm trong khí thải cũng ít hơn. 1.4.5. Ứng dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ đốt trong ở Việt Nam 1.4.5.1. Sử dụng biodiezel Ngoài việc chỉ ra khiếm khuyết của quá trình tinh chế không xử lý hết tạp chất khiến lượng cặn cacbon trong nhiên liệu cao dễ gây hỏng động cơ, đề tài còn hoàn thiện qui trình pha chế hỗn hợp biodiezel - diezel ở quy mô công nghiệp và pha chế được 20.000 lít biodiezel B5. Sản phẩm này chạy thử nghiệm với các động cơ với quãng đường trên 30.000 km cho kết quả tốt hơn so với dầu diezel.  Việt Nam đang ứng dụng nhiên liệu sinh học chủ yếu là xăng pha cồn và nhiên liệu sinh học làm từ mỡ cá pha với dầu diezel. Việc xuất khẩu cá tra và cá basa ở nước ta mỗi năm một tăng, kèm theo đó là phụ phẩm mỡ cá thải ra rất lớn. Ước tính, nguồn nguyên liệu mỡ cá tới hơn 5 triệu tấn mỗi năm. Từ năm 2007, đã có bốn cơ sở tự nghiên cứu sản xuất diezel từ mỡ cá ở qui mô pilot thử nghiệm, nhưng khi đưa sản phẩm ứng dụng vào thực tế đã gây hỏng máy móc. Trước thực tế đó, Viện hóa học công nghiệp đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu đánh giá hiện trạng công nghệ sản xuất và thử nghiệm hiện trường nhiên liệu sinh học từ mỡ cá nhằm góp phần xây dựng tiêu chuẩn biodezel ở Việt Nam”. Đây là đề tài khoa học độc lập cấp Nhà nước do tiến sĩ Vũ Thị Thu Hà, phó giám đốc Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về lọc hóa dầu, Viện hóa học công nghiệp làm chủ nhiệm. Đề tài thu thập các mẫu biodiezel của bốn cơ sở tự sản xuất ở miền Nam. Phân tích đánh giá chất lượng mẫu sản phẩm thu thập trên thị trường bằng các phương pháp thử nghiệm ở Việt Nam và gửi mẫu đến hai phòng thí nghiệm độc lập trên thế giới phân tích. Kết quả, sản phẩm biodiezel của bốn cơ sở sản xuất ở miền Nam không đạt chuẩn chất lượng theo qui định của dự thảo tiêu chuẩn Việt Nam. Tạo ra dòng sản phẩm mới Theo tiến sĩ Vũ Thị Thu Hà, các sản phẩm biodiesel của bốn cơ sở miền Nam không đạt tiêu chuẩn chất lượng là do chỉ tiêu cặn cacbon của các cơ sở cao trên 0,1%. Trong khi tiêu chuẩn của Việt Nam cao nhất là 0,05%. Độ nhớt cũng không đạt tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học. Nguyên nhân là do giai đoạn chuyển hóa nhiên liệu thành biodiesel và quá trình tinh chế không xử lý hết tạp chất. Từ các kết quả trên, các nhà khoa học đã thực hiện cách tách chất rắn, tách nước, chuyển hóa axit béo tự do mới và sản xuất được 1.000 kg biodiezel từ mỡ cá ba sa. Từ đó, hoàn thiện qui trình pha chế hỗn hợp biodiezel - diezel ở qui mô công nghiệp và đã tạo ra gần 20.000 lít biodiezel B5. Sản phẩm được ứng dụng chạy thử nghiệm trên ba ôtô với quãng đường 10.000 km mỗi xe. Sau đó chạy đại trà trên 6 ô tô với quãng đường trên 30.000km mỗi xe. Kết quả cho thấy, các chỉ tiêu thử nghiệm đối với nhiên liệu sinh học B5 đều tốt hơn diezel, khẳng định việc sản xuất biodiezel từ mỡ cá ở Việt Nam. Biodiezel là một dạng nhiên liệu sinh học. Biodiezel có thể được sử dụng cho xe buýt, xe tải nặng, các phương tiện cho ngành đường sắt, nông nghiệp, xây dựng, thậm chí hệ thống sưởi trong gia đình và máy phát điện. Với xu hướng diezel hoá động cơ, hiện nay có khoảng 28 quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu sản xuất biodiezel.  Hiện tại, phòng thí nghiệm đã tiến hành trồng thử nghiệm 50ha và dự kiến sẽ trồng trên diện tích khoảng 100.000ha. Kết quả chiết xuất ban đầu cho thấy, các mẫu biodiesel được sản xuất từ cây jatropha hoàn toàn đáp ứng được tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về nhiên liệu sinh học. Như vậy, trong một vài năm tới, nếu nhân rộng diện tích trồng cây jatropha ở Việt Nam, chúng ta hoàn toàn chủ động được nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel đạt TCVN. Bên cạnh đó, cùng với việc chiết xuất thành công glycerin và chế biến bã của cây jatropha thành thức ăn gia súc hoặc phân bón, chúng ta có thể tận thu nguồn nguyên liệu, góp phần hạ giá thành sản phẩm biodiesel.Để tạo dựng hành lang pháp lý cho việc sử dụng nhiên liệu biodiesel, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành Tiêu chuẩn Việt Nam về loại nhiên liệu biodiesel (TCVN 7717-07). Ông Vũ Văn Diện, Phó Tổng cục trưởng Tổng cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng, cho biết: Bộ Khoa học và Công nghệ cũng đang tiến hành nghiên cứu để công bố quy chuẩn kỹ thuật về loại nhiên liệu này. Các doanh nghiệp sản xuất cần kiểm tra chất lượng nhiên liệu biodiesel theo tiêu chuẩn Việt Nam trước khi đưa sản phẩm ra thị trường.TS Hà cho biết thêm, việc dùng nguyên liệu biodiesel cần tuân thủ chặt chẽ chất lượng nhiên liệu biodiesel pha và mức 5%. Với những lợi thế về môi trường và nguồn nguyên liệu ổn định, biodiesel đáng được cân nhắc để trở thành một trong những loại nhiên liệu của tương lai. 1.4.5.2. Sử dụng ethanol sinh học Trước thực trạng xăng ethanol giúp tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường và được thế giới sử dụng rộng rãi nhưng lại chưa được cấp phép sử dụng ở Việt Nam, chiều 22/10, các nhà khoa học, nhà sản xuất đã cùng đại diện Hiệp hội taxi Hà Nội… đã có cuộc tọa đàm tại báo Khoa học và Đời sống về việc “Tại sao chưa sử dụng xăng ethanol ở Việt Nam”. Ngày 15/9, ngoài việc thử nghiệm trên 50 taxi của Hiệp hội Taxi Hà Nội, xăng A92 pha 5% ethanol của Công ty cổ phần hóa dầu và nhiên liệu sinh học dầu khí (PVB) – thuộc Tập đoàn Dầu khí Quốc gia – còn được bán ra thị trường. Tuy nhiên, 6 ngày sau, Bộ Công thương chỉ đạo tạm ngừng bán xăng ethanol do chưa kết thúc quá trình thử nghiệm cũng như chưa có quy chuẩn về loại xăng này. Là đơn vị tiên phong đưa xăng pha 5% cồn ethanol (E5) ra thị trường, Tổng giám đốc PVB Vũ Thanh Hà cho biết, nước ngoài đã dùng xăng ethanol từ năm 1970 và PVB chỉ copy cách làm của thế giới để áp dụng ở Việt Nam. Trong hơn một tháng, mỗi ngày công ty bán 1.000 lít cho 50 xe taxi chạy thử nghiệm và ở tuần đầu, xe của cá nhân vào mua chừng 30 khối. “Việc thử nghiệm hiện trường đối với xăng E5 hiện nay chỉ là giai đoạn cuối. Trước đó, chúng tôi đã nghiên cứu, pha mẫu và test trong phòng thí nghiệm, tiếp đó thử mẫu trên các loại phương tiện, rồi thử trên động cơ một xi lanh, thử trên động cơ ô tô trên băng. Hiện nay, ngoài kiểm tra về mặt kỹ thuật và, chúng tôi muốn xem người sử dụng đánh giá thế nào về sản phẩm”, ông Hà nói. Hình 1.10: Xăng ethanol bán thử nghiệm năm 2008CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MÔ HÌNH KHẢO NGHIỆM ĐỘNG CƠ 2.1. Tổng quan về khảo nghiệm động cơ đốt trong 2.1.1. Định nghĩa và yêu cầu chung 2.1.1.1. Định nghĩa Khảo nghiệm động cơ là phương pháp dùng để kiểm tra và nghiên cứu động cơ đốt trong, để xác định các thông số cơ bản của động cơ, từ đó điều chỉnh sao cho động cơ có độ tin cậy làm việc và tuổi bền đạt mức cao nhất. 2.1.1.2. Yêu cầu chung Khảo nghiệm cần phải tiến hành cho từng động cơ với mục đích kiểm tra các thông số cơ bản và chất lượng lắp ráp của động cơ. Khảo nghiệm phải tiến hành khi nghiệm thu lần cuối. Các động cơ phải được khảo nghiệm định kỳ để kiểm tra các thông số, độ tin cậy làm việc và độ bền cũng như để kiểm tra tính ổn định của động cơ. Khảo nghiệm phải được tiến hành trong các điều kiện kỹ thuật cho phép. 2.1.2. Mục đích và nội dung nghiên cứu động cơ đốt trong 2.1.2.1. Mục đích nghiên cứu động cơ đốt trong Với trình độ hiểu biết hiện nay, chúng ta chưa có khả năng xác định một cách chính xác những tính chất đặc trưng và công dụng thực tế của động cơ đốt trong bằng con đường tính toán lý thuyết. Bởi vậy, nghiên cứu động cơ đốt trong vẫn là một công việc cần thiết nhằm mục đích kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và các thông số của động cơ, trên cơ sở đó có thể rút ra kết luận về khả năng và phương hướng hoàn thiện nó. 2.1.2.2. Nội dung nghiên cứu động cơ đốt trong 1. Nghiên cứu kiểm tra Kiểm tra các thông số cơ bản và chất lượng lắp ráp của động cơ sau khi chế tạo hoặc sữa chữa động cơ. Có hai loại nghiên cứu kiểm tra đó là : “ kiểm tra sản xuất và kiểm tra định kỳ ”. Cụ thể như sau : Kiểm tra sản xuất được tiến hành cho các động cơ trước khi xuất xưởng, kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc nghiệm thu hay loại bỏ một động cơ cụ thể. Kiểm tra định kỳ được tiến hành cho động cơ chọn từ dây chuyền sản xuất một cách ngẫu nhiên. Mục đích kiểm tra định kỳ là kiểm tra tính ổn định của sản xuất, kết quả kiểm tra định kỳ sẽ là cơ sở để đánh giá chất lượng dây chuyền công nghệ đang được áp dụng. 2. Nghiên cứu so sánh Mục đích của nghiên cứu so sánh là đánh giá động cơ về mọi phương diện và lập hồ sơ kỹ thuật của nó. Đối tượng nghiên cứu có thể là động cơ chế thử hoặc động cơ của một hãng chế tạo khác. Nghiên cứu động cơ chế thử là kiểm tra mức độ đúng đắn của phương pháp tính toán, thiết kế và chế tạo. kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở quyết định tiến hành sản xuất hàng loạt hay phải điều chỉnh những giải pháp đã sử dụng. Nghiên cứu động cơ của hãng chế tạo khác nhằm mục đích thu thập thông tin phục vụ cho công việc cải tiến hoặc thiết kế động cơ mới. 3. Nghiên cứu khoa học hay nghiên cứu cơ bản Mục đích nghiên cứu cơ bản động cơ đốt trong là tìm ra những quy luật chi phối các quá trình diễn ra trong động cơ đốt trong, giải thích bản chất của chúng, thiết lập những phương pháp tính toán và thực nghiệm mới…. Kết quả nghiên cứu cơ bản có thể được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp vào quá trình thực hiện động cơ. Nghiên cứu động cơ đốt trong được tiến hành trong các phòng thí nghiệm hoặc trong điều kiện sử dụng thực tế (gọi là thử nghiệm trực tiếp). Nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm cho phép chúng ta điều chỉnh động cơ một cách dễ dàng và sử dụng đa dạng các thiết bị nghiên cứu, kết quả thu được không phụ thuộc vào những ngẫu nhiên bên ngoài. Thử nghiệm trực tiếp cho phép chúng ta đánh giá với mức độ chính xác nhất định, độ tin cậy, tuổi bền và sự hoạt động bình thường của động cơ trong điều kiện sử dụng thực tế. Thông thường kết quả thử nghiệm thực tế có tác dụng bổ sung cho nghiên cứu tại phòng thí nghiệm. 2.1.3. Xưởng khảo nghiệm động cơ đốt trong 2.1.3.1. Tổ chức xưởng khảo nghiệm động cơ đốt trong Xưởng khảo nghiệm động cơ đốt trong là nơi thực hiện những công việc nghiên cứu động cơ. Nó là một bộ phận trong cơ cấu tổ chức của một cơ sở thiết kế, chế tạo hoặc nghiên cứu động cơ. Quy mô xưởng thí nghiệm động cơ tuỳ thuộc vào mục tiêu, tính chất và nội dung nghiên cứu cũng như khả năng tài chính của cơ sở quản lý. Nói chung xưởng khảo nghiệm động cơ không thể tự thoả mãn đầy đủ về nguồn nhân lực cũng như trang thiết bị mà phải hợp tác với các cơ sở chế tạo và các phòng khảo nghiệm khác như :“ nhiên liệu, dầu bôi trơn, sức bền vật liệu, xưởng gia công cơ khí.v.v… Một xưởng khảo nghiệm động cơ đốt trong bao gồm các phòng khảo nghiệm sau : + Phòng khảo nghiệm chi tiết động cơ. + Phòng khảo nghiệm hệ thống nhiên liệu. + Phòng khảo nghiệm động cơ. - Phòng khảo nghiệm chi tiết động cơ: là nơi tiến hành nghiên cứu các chi tiết (hoặc cụm chi tiết) riêng lẻ của động cơ hoặc chuẩn bị chúng để nghiên cứu ở phòng khảo nghiệm. Nội dung nghiên cứu ở đây bao gồm : “ thí nghiệm về sức bền, tuổi bền các chi tiết trên các thiết bị giá tải, kiểm tra về các kích thước, độ cứng,.v.v... của các chi tiết so với thiết kế, phòng khảo nghiệm chi tiết động cơ cũng là nơi đánh giá tình trạng các chi tiết tháo ra từ động cơ được nghiên cứu ở phòng khảo nghiệm hoặc sau khi thử nghiệm thực tế. Phòng khảo nghiệm động cơ được trang bị các thiết bị chuyên dùng để khảo nghiệm như : “ bơm dầu bôi trơn, bơm, nước làm mát, thiết bị cân bằng trục khuỷu.v.v…. Để thực hiện đầy đủ nội dung nghiên cứu, phòng khảo nghiệm chi tiết động cơ phải vận dụng các trang thiết bị của phòng thí nghiệm khác như: “vật liệu học, sức bền vật liệu”. - Công việc nghiên cứu các bộ phận của hệ thống nhiên liệu: vòi phun, bơm cao áp, bộ chế hoà khí, bộ điều tốc… được thực hiện tại phòng thí nghiệm. Phòng khảo nghiệm về hệ thống nhiên liệu được trang bị các thiết bị cơ bản sau: Bàn khảo nghiệm bơm cao áp. Thiết bị khảo nghiệm bộ chế hoà khí. Các loại lưu lượng kế dùng để đo lưu lượng nhiên liệu và không khí. - Phòng khảo nghiệm động cơ: là một bộ phận quan trọng của xưởng khảo nghiệm động cơ. Nơi đây thực hiện khảo nghiệm trên các động cơ hoàn chỉnh, làm việc ở các chế độ tải và các tốc độ quay khác nhau. Có thể tại phòng khảo nghiệm động cơ có những nội dung nghiên cứu sau: Xây dựng các đường đặc tính của động cơ. Xác định thành phần khí thải. Nghiên cứu tính năng khởi động của động cơ. Xác định hệ số nạp và các hiệu suất của động cơ. Nghiên cứu độ ổn định của các chu trình công tác. 2.1.3.2. Tổng quát về phòng khảo nghiệm động cơ đốt trong Một phòng khảo nghiệm động cơ bao gồm những thành phần cơ bản sau: - Động cơ được khảo nghiệm. - Phanh động cơ (phụ tải). - Các hệ thống phục vụ động cơ và phanh làm việc như: Hệ thống nhiên liệu. Dầu bôi trơn. Nước làm mát. Truyền động. Khởi động. Hệ thống điện. Hệ thống thông gió. Những thiết bị và dụng cụ đo 2.1.3.3. Các loại phanh động cơ Để khảo nghiệm động cơ trên bệ thử cần phải trang bị thiết bị gây tải và tiêu thụ công suất do động cơ sinh ra. Thiết bị gây tải cho động cơ thường được gọi là phanh động cơ, nhiệm vụ của phanh là tạo ra momen hãm gây tải cho động cơ và cho phép đo được momen quay của động cơ, hoặc công suất của động cơ từ đó ta tính được các thông số khác có liên quan. Tuỳ theo mức độ thuận lợi của các loại phanh mà ta có thể sử dụng một trong các loại phanh sau : - Phanh cơ học. - Phanh không khí. - Phanh điện. - Phanh thuỷ lực. - Phanh tổng hợp Phanh động cơ dùng trong khảo nghiệm động cơ đốt trong phải thoả mãn các yêu cầu sau: + Sai số cho phép 1,5% theo TCVN_1684_75. + Thiết bị phanh có khả năng phanh động cơ trong phạm vi tải trọng và tốc độ quay tương đối rộng. + Quá trình phanh phải ổn định. + Đảm bảo duy trì một chế độ, tốc độ cho trước trong trường hợp có sự thay đổi tải trọng không lớn trong một thời gian ngắn. + Bảo đảm đo được số vong quay và momen chính xác. + Có thể chạy rà động cơ. + Sử dụng được năng lượng do động cơ phát ra trong quá trình phanh. + Có khả năng điều khiển từ xa. 2.2. Mô hình khảo nghiệm động cơ sử dụng tạo tải bằng điện trở Máy phanh điện là một máy điện được đẫn động bởi động cơ khảo nghiệm, nó biến đổi cơ năng của động cơ thành điện năng cung cấp cho phụ tải điện. Phụ tải điện có thể là biến trở kim loại hoặc biến trở nước cũng có thể là nguồn điện hoà mạng. Máy phanh điện một chiều có ưu điểm là đơn giản, vạn năng làm việc trong dải số vòng quay rộng ở cả hai chế độ máy phanh và động cơ điện. Chế độ động cơ điện dùng để khởi động động cơ khảo nghiệm. Phương pháp điều chỉnh của máy phanh điện một chiều là điều chỉnh dòng kích thích. Máy phanh điện xoay chiều ba pha có ưu điểm là đơn giản khoảng thay đổi tần số quay rộng và làm việc ở cả chế độ động cơ và máy phát. Với máy phanh điện khi khởi động động cơ khảo nghiệm thì máy phanh làm việc ở chế độ động cơ với dòng điện lấy từ lưới điện. Máy phanh điện dễ sử dụng tạo ra tải liên tục vô cấp, chính xác, nhưng đối với động cơ khảo nghiệm nhiều xi lanh, công suất lớn thì phải dùng động cơ cỡ lớn nên có nhược điểm là rất cồng kềnh. Trong quá trình khảo nghiệm động cơ tuỳ theo thiết bị phanh mà điều chỉnh tải trọng của động cơ bằng cách điều chỉnh phụ tải nguồn điện lưới hoặc điều chỉnh điện trở nước của máy phanh bằng cách điều chỉnh sự ngập nước của biến trở. Hình 2.1: Sơ đồ khảo nghiệm động cơ dùng phanh điện 1. Động cơ khảo nghiệm; 2. Hộp số; 3. Động cơ điện; 4. Biến trở nước +) Cụm phụ tải có kết cấu như sau - Mô tơ - quạt (20) - Dây điện (7) - Ống nước (16) - Bơm nước (15) - Đồng hồ báo ampe kế (21) - Các lò xo nhiệt (23) - Đồng hồ báo vôn kế (19) - Két đựng nước (24) - Két làm mát nước (22) - Hộp điều khiển (17) - Cầu dao nguồn (29) - Cầu dao motơ- quạt (30) Hình 2.2: Cụm phụ tải 2.3. Mô hình khảo nghiệm động cơ sử dụng tạo tải bằng phanh điện Động cơ được truyền đến hệ thống điện để vận hành hệ thống điện. Để thay đổi cơ cấu ta tác động vào khối diện trở bên hệ thống điện. * Ưu điểm: Máy phanh điện bằng điện trở điều khiển đơn giản, vạn năng làm việc trong dải số vòng quay rộng được của động cơ khảo nghiệm, động cơ điện làm viêc ở chế độ khởi động động cơ sau đó chuyển sang chế độ máy phát do vậy rất tiện lợi trong sử dụng. Chế độ động cơ điện dùng để khởi động động cơ khảo nghiệm còn chế độ máy phát dùng để phanh động cơ khảo nghiệm. Phương pháp điều chỉnh của máy phanh tạo tải bằng điện trở tác động bằng cách tác động vào dòng điện cung cấp cho máy phát thông qua biến trở. * Nhược điểm: Dải thay đổi của điện trở nhỏ do vậy không đảm bảo khảo sát hết phạm vi công suất của động cơ, đòi hỏi các thiết bị phụ trợ đắt tiền và kinh phí cao. 2.4. Mô hình khảo nghiệm động cơ sử dụng băng phanh tạo tải bằng bơm thuỷ lực và van tiết lưu mạch ra Dùng sức cản thuỷ lực của một số chất lỏng để chống lại sự quay, tạo tải cho động cơ loại này khá phức tạp khi chế tạo do đòi hỏi độ chính xác cao chịu tải trọng lớn. Năng lượng mà phanh thuỷ lực hấp thụ được chi phí để thực hiện công thuỷ lực và công ma sát (quay roto trong chất lỏng), ở đây năng lượng phanh được chuyển hoá thành nhiệt năng chi phí để đốt nóng chất lỏng(thường là nước hoặc dầu). Công thức tính công suất thuỷ lực: Mtl = c.ω2.r5 Ntl = c.ω3.r5 c- hệ số tỷ lệ phụ thuộc bề mặt làm việc roto và hệ số ma sát ω- tốc độ góc trục roto r- bán kính trung bình bề mặt làm việc roto Mtl- mômen thủy lực Ntl- công suất thuỷ lực Hình 2.3: Sơ đồ mạch thủy lực 1. Van giới hạn áp suất; 2. Bơm thuỷ lực; 3. Van tiết lưu; 4. Bộ phận làm mát dầu thuỷ lực; 5. Bơm cung cấp dầu cho bộ phận làm mát; 6. Thùng dầu. *Nguyên lý làm việc của sơ đồ trên: Mạch tạo tải cho động cơ khảo nghiệm: Bơm bánh răng 2 có trục chủ động được lắp với trục của động cơ khảo nghiệm thông qua 1 khớp nối mềm, khi động cơ khảo nghiệm làm việc thì dầu thuỷ lực được bơm 2 hút từ thùng dầu sau đó qua van tiết lưu 3 trước khi chảy về thùng. Van tiết lưu 3 lắp ở đầu ra của bơm bánh nên khi thay đổi lưu lượng qua van thì tốc độ động cơ cũng thay đổi theo. Mạch làm mát dầu thuỷ lực: dầu cần làm mát được bơm bánh răng 5 (bơm bánh răng 5 nhận truyền động từ động cơ điện 1 chiều) hút từ thùng đưa đến bộ phận làm mát 4, tại đây dầu sẽ chảy qua các ống bên trong bộ phận làm mát và toả nhiệt ra môi trường bên ngoài do đằng trước bộ phận làm mát 4 có 1 động cơ điện 3 pha lắp cánh quạt thổi trực tiếp vào. Sau khi qua bộ phận làm mát dầu sẽ đi về thùng dầu. Phanh thuỷ lực có ưu điểm dễ dàng thay đổi công suất nhưng không thể quay ngược do đó không thể dùng máy phanh để khởi động động cơ. Theo kết cấu phanh thuỷ lực được chia làm 3 loại: loại chốt, loại đĩa, loại cánh. Theo loại chất lỏng có 2 loại chủ yếu là máy phanh dầu và phanh nước. Máy phanh dầu thuỷ lực dùng để khảo nghiệm động cơ lắp trực tiếp hoặc qua trục thu công suất. Máy phanh có khoảng điều chỉnh khá rộng và cho độ chính xác cao nhất ở tất cả các bàn đo. Máy phanh gồm một bơm thuỷ lực đặt cố định được truyền chuyển động bởi đầu ra của trục khuỷu qua trục phanh. Điều chỉnh lưu lượng dòng dầu thủy lực qua bơm bằng một van tiết lưu. Đóng van theo chiều kim đồng hồ sẽ tăng áp suất của bơm và tăng tải tác động lên động cơ, khi không sử dụng cần phải nối van hoàn chỉnh một vòng cho mở hoàn toàn điêu này sẽ đảm bảo không tải khi chuẩn bị gây tải cho động cơ ở chế độ tiếp theo. Máy phanh thủy lực hoạt động theo nguyên tắc chung là dùng sức cản thuỷ lực( dầu SE200) để tạo tải cho bơm dầu được quay bởi động cơ khảo nghiệm. Công suất của máy phanh được tính theo đại lượng áp suất phanh và số vòng quay trên trục của máy phanh. Để máy phanh làm việc có hiệu quả thì nhiệt độ của dầu không được vượt quá 1800F nếu cao hơn sẽ có hại cho các thiết bị bên trong bơm thuỷ lực. Phanh thuỷ lực này có nhược điểm là tốc độ quay nhỏ, cồng kềnh do dầu chỉ làm việc có hiệu quả ở một nhiệt đọ nhất định. Độ chính xác không cao do phụ thuộc vào độ nhớt của dầu thuỷ lực. 2.5. Lựa chọn mô hình sa bàn khảo nghiệm động cơ theo phương pháp sử dụng bơm thuỷ lực Ta lựa chọn mô hình sử dụng bơm thuỷ lực với tiết lưu mạch ra có ưu điểm dễ dàng thay đổi tải, đồng thời cũng dễ chế tạo và lắp đặt: Hình 2.4: Sơ đồ lắp ráp băng phanh thủy lực sử dụng van tiết lưu mạch ra Động cơ Đầu đo Ten rô Ổ đỡ trục Khớp mềm Bơm thủy lực CBT_E550 Thùng dầu thủy lực Két làm mát Quạt gió Van tiết lưu (KTL) Van áp suất (RV_04T_H) Ống dẫn dầu * Nguyên lý làm việc của mô hình: Khi động cơ chạy sẽ truyền mô men quay cho bơm 5 thông qua trục để đo tenzo. Trục được nối với bơm nhờ khớp nối mềm 4 và ổ bi đỡ 3. Bơm quay sẽ mút dầu vào thùng. Để làm mát cho hệ thống ta dùng bơm gắn với động cơ điện 12V. Bơm mút dầu từ thùng lên qua két làm 7. Dầu được làm mát quát gió 8 gắn với động cơ điện ba pha. Sau đó từ két làm mát dầu sẽ chảy về thùng. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÀN KHẢO NGHIỆM ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT NHỎ 3.1. Tính toán thiết kế giá lắp động cơ khảo nghiệm Thiết kế và tính toán mô hình và phương pháp gá lắp động cơ, giá băng phanh tạo tải để khảo nghiệm động cơ máy kéo qua trục thu công suất, xuất phát từ yêu cầu của việc khảo nghiệm nhiều loại động cơ khác nhau, việc tận dụng nguyên liệu có sẵn ở khoa, chúng tôi đưa ra phương án thiết kế giá treo động cơ và băng phanh như sau: - Băng phanh thủy lực có thể kiểm tra các động cơ Điêzen D6, D12, D15 công suất lên tới 16,2HP (12,1 kw), do đó yêu cầu giá treo động cơ có thể chịu được trọng lượng động cơ do đó yêu cầu về lắp đặt và ghép nối là không quá phức tạp, từ đó ta chọn vật liệu chế tạo khung như sau: Hai thanh xà ngang đỡ động cơ 1chịu uốn làm bằng thép V7 của Liên Xô và bộ khung hình chữ nhật làm bằng thép [ có số hiệu No14. Có các thông số sau: Thép V7: b = 70 mm; d = 8 mm; Ix = 48,2 cm4; ix = 2,13 cm4; F = 10,7 cm2 ;σch = 250. Thép [ : h = 140 mm; b = 58 mm; d = 4,9 mm; Ix = 491 cm4; ix = 5,6 cm4; Wx = 70,2 cm3; Sx = 40,8 cm3; F = 15,6 cm2. Hình 3.1: Khung dầm đỡ của mô hình khảo nghiệm (Trên là bản vẽ 3D còn bản vẽ chi tiết ở phần phụ lục) +) Từ các số liệu trên tính trọng lượng của động cơ đặt lên khung V7 (N.cm) Lực đặt lên thanh lớn nhất = 13421,7 (N) Hai thanh ngang có thể đỡ được vật có trong lượng là: (kg) Xét hệ số an toàn do dùng máy khi nổ ta chọn n = 2 Giá có thể treo động cơ nặng tới mmax = (kg) Vì ta khảo nghiệm các động cơ nhỏ từ 5 – 30 HP nên trọng lượng động cơ không lớn. Vậy khung đủ bền. +) Kiểm tra theo tải trọng động thanh thép [ có số hiệu No14a - Kiểm tra động cơ theo điều kiện cộng hưởng: - Tần số dao động cưỡng bức là: no = 2200 vòng/phut. Tần số dao động tự do xác định theo công thức: ω= Trong đó : : là độ võng của khung do trọng lượng G = (165x10)/2= 825 (N) của động cơ gây ra từ giữa dầm.Gl3 Ta có : = Vậy tần số dao động riêng là : n= Tỷ số : n/no=1617/2200 = 0,735 Như vậy sai khác giữa n và no là trên 30%.khung không bị nguy hiểm do cộng hưởng. Kiểm tra độ bền khung: Mặt cắt nguy hiểm ngay tại giữa dầm khung (theo công thức 13-21 sách sức bền vật liệu tập 2.trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội). σmax = σG + σp.kd = trong đó: Kd Vậy ta có : σmax = = < [ σ ]=10000(N/Cm2) Vậy khung dầm đã cho đủ bền. 3.2. Tính toán bơm thủy lực Quá trình khảo nghiệm động cơ đòi hỏi băng phanh phải làm cho động cơ khảo nghiệm bị quá tải. Với nguồn động lực là các động cơ D6 ; D12 ; D15  có công suất tương ứng 6HP; 12HP ; 15HP ta làm cơ sở để tính toán và lựa chọn công suất của bơm. Công suất truyền động cho bơm: Để làm quá tải động cơ thì công suất của bơm phải lớn hơn công suất của động cơ. Trong đề tài ta chỉ sử dụng các động cơ D6 ; D12 ; D15 để khảo nghiệm nên ta lấy công suất của động cơ D15 để tính. Nđc = 16,2HP = 12,1 kw. Hình 3.2: Cấu tạo bơm thủy lực Hình 3.3: Bơm thủy lực CBT – E550 - Áp suất của bơm bánh răng ăn khớp ngoài năm trong khoảng 10 – 300 bar (Bảng 3.2. giáo trình truyền động thủy lực – khí nén). Ta chọn p = 200 bar. - ηt : Hiệu suất bơm bánh răng, ηt = 0,85. Lưu lượng của bơm cần tính : (l/ph). Vậy ta phải chọn bơm có lưu lượng lớn hơn 30,855 (l/ph) Ta chọn bơm CBT – E550 có các thông số: n = 3000 r/min; p = 25 Mpa; V = 50 ml/r, Q = n.V = 1287.0,05 = 64,35 (l/ph). Do đó: Công suất bơm: N = p.Q = 200.64,35 = 12870 (W) = 12,87 kW Mô men quay cực đại của bơm ứng với i3: Mmax= 9,736.= 9,736. = 0,09763 (kNm) = 97,63 (Nm) 3.3. Tính toán thiết kế bộ truyền cho bơm thuỷ lực Hình 3.4: Sơ đồ cấu tạo chung của bộ truyền Bộ truyền gồm: Trục truyền; ống nối then hoa; khớp nối mềm; ổ bi đỡ 3.3.1. Tính toán thiết kế trục 3.3.1.1. Chọn vật liệu Trục phanh là chi thiết đặc biệt quan trọng trong hệ thống dẫn động. Đối với đề tài này trục dùng để truyền động cho bơm thủy lực và trong quá trình khảo nghiệm ta thay đổi tải cho động cơ bằng cách điều chỉnh van tiết lưu. Chính vì vậy mà trục chịu tải trọng lớn do đó ta chọn vật liệu làm trục là thép 40X. Theo sách sức bền vật liệu trường Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội tập 1, phụ lục 2 ta có các đặc trưng cơ học của thép 40X như sau: Môđun đàn hồi: G = 8,1.106 (N/cm2). Giới hạn bền: [] = 1000 (N/mm2). Giới hạn chảy: [] = 800 (N/mm2). Ứng suất xoắn: [τx] = 250 (N/mm2). 3.3.1.2. Tính sức bền trục 1. Tính sơ bộ trục Để xác định đường kính sơ bộ của trục có thể dùng công thức tính sơ bộ chỉ xét đến tác dụng của mô men xoắn: d (3.1) trong đó: Mx: Mô men xoắn của trục truyền (Nmm) Trục truyền momen quay do động cơ sinh ra ở trục khuỷu tới trục bơm của băng phanh. Do đó vấn đề đặt ra ở đây là tính toán sức bền xoắn của trục theo công suất của bơm thủy lực: Vì trục truyền được nối với đầu vào của trục bơm nên Mx = Mmax 97,63.103 (Nmm) d: Đường kính trục (mm). [τx]: Ứng suất xoắn cho phép (N/mm2). Thay vào biểu thức (3.1) ta được: d = 12,48 (mm). 2. Tính gần đúng trục Qua quá trình tính toán của hệ thống ta chọn chiều dài trục là: L = 240mm Hình 3.5: Sơ đồ trục chịu mô men xoắn khi làm việc Ta có: (kNm) = 53,5 (Nm). Từ hình vẽ ta có: (Nm). Vậy đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm tính theo công thức: (3.2) Với = (Nm). Trong đó: - mômen tương đương; - mô men uốn và xoắn tại tiết diện tính toán; - ứng suất cho phép; = 90 (N/mm2) (Bảng 7 – 2 trang 119 sách thiết kế chi tiết máy). Thay các giá trị trên vào (3.2) ta được: (mm). Vậy ta chọn đường kính trục tại chỗ nguy hiểm nhất là d = 30 (mm). 3.3.1.3. Tính kiểm nghiệm theo hệ số an toàn Ta coi ứng suất uốn biến đổi theo chu kỳ đối xứng, còn ứng suất xoắn biến đổi theo chu kỳ mạch động. Hệ số an toàn tại các tiết diện nguy hiểm phải thỏa mãn các điều kiện: n = (3.3) trong đó: [n]: hệ số an toàn cho phép, lấy n = 2,5 (Trang 124 sách thiết kế chi tiết máy); : hệ số an toàn riêng theo uốn; : hệ số an toàn xét riêng theo xoắn. Ta có: (3.4) (3.5) và : giới hạn mỏi theo uốn và theo xoắn, ta tính gần đúng theo công thức: 0,4 = 0,4.1000 = 400 (N/mm2). 0,25 = 0,25.1000 = 250 (N/mm2). và : biên độ ứng suất uốn và ứng suất xoắn : trị số trung bình của ứng suất. Nếu bỏ qua các thành phần ứng suất kéo, nén trục thì ứng suất uốn coi như biến đổi theo chu kỳ đối xứng, ta có: = 0; = (3.6) Còn ứng suất xoắn biến đổi theo chu kỳ mạch động: (3.7) = = 2649,375 (mm3): mô men chống uốn của tiết diện trục và = 5298,75 (mm3): mô men cản xoắn của tiết diện trục và : hệ số xét đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình đến độ bền mỏi vì ta chọn thép hợp kim nên: = 0,15; = 0,1. : hệ số tăng bền bề mặt trục vì không dùng các biện pháp tăng bền nên = 1. (Bảng 10 – 3 trang 141 sách chi tiết máy). (Bảng 7 – 4 trang 123 sách thiết kế chi tiết máy). Từ (3.6) ta có: = (N/mm2). Từ (3.7) ta có: = (N/mm2). Từ (3.4) ta có: Từ (3.5) ta có: Từ (3.2) ta có: n =. Vậy trục làm việc đủ an toàn. 3.3.2. Kiểm tra bền đầu trục then hoa Then hoa truyền mô men xoắn từ trục dẫn động vào trục bơm thủy lực của băng phanh nhưng khi làm việc những hư hỏng chủ yếu của then hoa bị dập do đó phải có sức bền dập của then hoa. Công thức tính: (3.8) trong đó: Mx : Mô men xoắn; D : Đường kính ngoài: D = 35 mm; d : Đường kính trong: d =30 mm; Rtb: Đường kính trung bình của trục then Rtb = (mm); φ: Hệ số tính đến số răng làm việc, thường φ = 0,75; L : Chiều dài làm việc của then; L = 40 mm Z : Số răng; F: Diện tích chịu dập (mm2): (3.9) Với: r = 0,3 (mm) (Bảng 7- 26 trang 147 sách thiết kế chi tiết máy) Từ (3.9) ta có: σd : Ứng suất dập. - Thay các giá trị trên vào (3.8) ta được: (N/mm2) Tra bảng 7-22 trang 142 của sách Thiết kế chi tiết máy có [σd] = 100 – 140 (N/mm2) như vậy điều kiện bền dập thỏa mãn. 3.3.3. Tính toán khâu đo mô men xoắn Ta chọn đoạn dán tenzo để đo mô men xoắn có đường kính trục d = 30 mm và chiều dài đoạn đó là l = 50 mm. Vì d = 30 mm trục vẫn bị xoắn khi có tải nhưng vẫn lằm trong giới hạn bền cho phép. 3.3.4. Tính toán thiết kế ổ bi đỡ Trục truyền mô men cho băng phanh có lắp ổ bi lòng cầu hai dãy, ổ đỡ vòng bi được lắp trên một giá bằng 2 bulông M12. Ổ đỡ làm nhiệm vụ giữ cho trục truyền từ động cơ tới băng phanh không bị đảo, võng trong quá trình làm việc. Từ cấu trúc của trục truyền ta chọn ổ bi lòng cầu hai dãy kiểu 1307 có các kích thước d = 35mm; D = 80 mm; B = 21mm. Hình 3.6: Ổ bi đỡ hai dãy Vậy sau khi tính toán thiết kế xong ta có kết cấu trục: Hình 3.7: Hình kết cấu của trục (Trên là bản vẽ chung còn bản vẽ chi tiết chế tạo ở phụ lục). 3.3.5. Tính toán thiết kế ống lồng then hoa Ống then dùng để nối trục truyền với khớp nối mềm vì vậy khi chế tạo đòi hỏi phải chịu được mô mem xoắn và ứng suất dập. Hình 3.8: Ống lồng then hoa 3.3.6. Tính toán thiết kế khớp nối mềm Ta lựa chọn loại khớp nối trục có đệm vuông và kiểm nghiệm về áp suất của nó. Trong đó: Pmax – Áp suất lớn nhất, sinh ra trên bề mặt làm việc, N/mm2 Mx – Mô men xoắn truyền qua trục nối, N.mm K – Hệ số tải trọng, ta chọn K = 2 h – Chiều cao làm việc của gờ hoặc đệm, mm a – Cạnh hình vuông của đệm hoặc gờ, mm [P] – Áp suất cho phép, thép với thép ta chọn [P] = 25 N/mm2 Tra bảng 9-8 (thiết kế chi tiết máy) ta có các kích thước chủ yếu của trục nối: chọn h = 25 mm; a = 65 mm. Ta có: = 25 N/mm2. Vậy khớp nối mà ta chọn phù hợp với yêu cầu làm việc. Hình 3.9: Khớp nối mềm Và đây là khớp nối mền thật lắp trong mô hình : Hình 3.10: Ảnh chụp khớp nối mềm Một đầu có then hoa được nối với trục ăn khớp với nhau bởi một ống lồng. Còn đầu kia cũng có rãnh then hoa và nối với bơm. 3.3.7. Tính toán thiết kế giá bơm thủy lực Giá bơm được thiết kế nhằm mục đích treo bơm tại vị cố định sao cho phù hợp với trục truyền truyền đến. Giá bơm được lắp trên giá động cơ bằng 4 bu lông M12. Đế giá bơm có xẽ rãnh để có thể di chuyển theo phương dọc trục để dàng cho quá trình lắp ráp mô hình. Giá được chế tạo bằng vật liệu thép V7 có các thông số b = 70 mm; d = 8 mm; Ix = 48,2 cm4; ix = 2,13 cm4; F = 10,7 cm2 ;σch = 250 đảm bảo sự cứng vững không rung động. (Thiết kế chế tạo như bản vẽ ở phụ lục). 3.4. Lắp ráp đồng bộ băng phanh +) Lắp ráp bộ truyền cho bơm thủy lực Puli bánh đà được nối với trục truyền qua một mặt bích. Đầu kia của trục được chế tạo then hoa để lắp với khớp nối mềm bằng một ống then hoa, khớp nối mềm được bắt với trục bơm. Hình 3.11: Lắp ráp bộ phận truyền động cho bơm thủy lực Hình 3.12: Hệ thống truyền động cho bơm từ bánh đà của động cơ D15 Bộ điều khiển phanh được lắp đặt trên nắp thùng dầu theo đúng trật tự làm việc, dòng dầu qua van an toàn trước rồi mới đến van tiết lưu. +) Lắp đặt toàn bộ mô hình khảo nghiệm khi chưa có hộp số Hình 3.13: Toàn bộ mô hình khảo nghiệm Hình 3.14: Thay đổi van tiết lưu để thay đổi tải cho động cơ +) Lắp mô hình khảo nghiệm khi có hộp số Hình 3.15: Hình khảo nghiệm khi có hộp số CHƯƠNG 4: KHẢO NGHIỆM ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU JATROPHA 4.1. Mục đích khảo nghiệm động cơ Khi sử dụng nhiên liệu JATROPHA nguồn nhiên liệu mới cho động cơ đốt trong. Với trình độ hiểu biết hiện nay, chúng ta chưa có khả năng xác định một cách chính xác những tính chất đặc trưng và công dụng thực tế của động cơ đốt trong bằng con đường tính toán lý thuyết. Bởi vậy, nghiên cứu động cơ đốt trong vẫn là một công việc cần thiết nhằm mục đích kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và các thông số của động cơ, trên cơ sở đó có thể rút ra kết luận về khả năng và phương hướng hoàn thiện nó.Tạo tiền đề phát triển nguồn nhiên liệu mới trong tương lai. 4.2. Các bước tiến hành khảo nghiệm động cơ trên băng phanh 4.2.1. Thiết bị và dụng cụ khảo nghiệm động cơ - Hộp hiển thị tốc độ và nhiệt độ dầu; - Nhiệt kế đo khí thải động cơ; - Bơm thủy lực; - Két làm mát dầu; - Bơm điện bơm dầu cho két làm mát dầu; - Nhiệt kế đo nhiệt độ nước làm mát,dầu thủy lực cho bơm; - Các cốc thí nghiệm; - Van giới hạn áp suất; - Van tiết lưu dòng; - Nhiên liệu Diesel và Jatropha (10, 20, 30, 40, 50 %); - TenRo đo mô men xoắn; - Máy tính và chương trình phần mềm chuyên dùng; - Bộ khuếch đại tín hiệu. 4.2.2. Tiến hành khảo nghiệm bao gồm - Thử tính chất khởi động; - Thử các chế độ làm việc; - Kiểm tra hệ thống số vòng quay; - Kiểm tra hệ thống điều chỉnh nhiệt độ động cơ cũng như của dầu; - Kiểm tra hệ thống điều khiển dòng dầu; - Kiểm tra hệ thống tín hiệu an toàn của van giới hạn áp suất; - Đo xác định công suất từng chế độ làm việc của động cơ thông điều chỉnh van tiết lưu (tăng tải động cơ); - Tháo động cơ và đo đạc các chi tiết; - Kiểm tra sự làm việc của động cơ sau khi khảo nghiệm nhiên liệu Jatropha. 4.2.3. Quá trình khảo nghiệm phải xác định - Áp suất không khí, nhiệt độ, độ ẩm tương đối của môi trường không khí nơi thử; - Áp suất và nhiệt độ của khí vào tuabin khí ở các động cơ diesel tăng áp. - Nhiệt độ khí thải; - Áp suất không khí và nhiệt độ ở động cơ diesel tăng áp khi có bộ phận làm mát ( trước và sau khi làm mát); - Nhiệt độ trong hệ thống làm mát; -Áp suất và nhiệt độ trong hệ thống bôi trơn, dầu thủy lực; - Áp suất nén và áp suất cực đại của chu trình; - Mômen xoắn; - Số vòng phút của động cơ; - Số vòng /phút ổn định nhỏ nhất không tải hoặc dưới mức toàn tải; - Khởi động; - Sự hoạt động của hệ thống tín hiệu an toàn và bảo vệ; - Sự hoạt động của hệ thống điều khiển tự động. 4.2.4. Kết thúc khảo nghiệm động cơ - Thu thập các số liệu và xử lý theo các công thức tính toán; - Lập bảng và xây dựng các đồ thị, đường đặc tính của động cơ; - Kiểm tra tính năng kỹ thuật và tính năng kinh tế từ các số liệu đã xác định ở trên; - Rút ra các kết luận và đánh giá động cơ. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ A – Kết Luận Sau một thời gian làm đề tài khẩn trương, nghiêm túc dưới sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Cơ Điện trường Đại Học Nông Nghệp Hà Nội và đặc biệt dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy PGS.TS Đặng Tiến Hòa tới nay tôi đã hoàn thành đề tài và rút ra một vài kết luận sau: Đã xây dựng thành công mô hình khảo nghiệm động cơ; Bộ phận truyền động và bơm bình thường không xảy ra vấn đề gì khi cho mô hình hoạt động; Đã thiết lập được hệ thống các thiết bị dùng trong khảo nghiệm động cơ; Đã đề xuất được một số phương án khai thác sử dụng thiết bị. B – Kiến nghị Vì thời gian thực hiện đề tài hạn chế và chưa có thiết bị đầu đo Tenzô nên tôi chưa khảo nghiệm được động cơ sử dụng nhiên liệu từ hạt Jatropha vi vậy rất mong bộ môn tiếp tục hoàn chỉnh và để khảo nghiệm. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyên lý động cơ đốt trong Bộ môn động lực - Trường đại học nông nghiệp Hà Nội 2. Giáo trình: Kết cấu động cơ đốt trong - PGS.TS Đặng Tiến Hòa 3. Giáo trình: Sức bền vật liệu tâp - TS Lê Minh Lư 5.Thiết kế tính toán ôtô máy kéo - Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên Xuất bản ĐH và THCN – 1985 6. Giáo trình: Truyền động thủy lực và khí nén Chủ biên:Bùi Hải Triều – Trường đại học nông nghiệp Hà Nội 7. Động lực học chuyển động máy kéo – ô tô Của thầy PGS.TS Nông Văn Vìn. 8. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 và 2. Tác giả: Trịnh Chất - Lê Văn Uyển. Xuất bản: ĐHBK in 2000. 9. Đề tài Tốt nghiệp Mô hình động cơ Diesel Mitsubishi Nguồn: 10. Hệ thống thủy lực - Nguyễn Thành Trí Xuất bản trung tâm dạy nghề kĩ thuật cao Việt Nam – Singapore Đồ án tốt nghiệp – Mai Xuân Đoàn – CKĐL42 – Năm 2001. Trên các wesite. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong bộ môn Động Lực – Khoa Cơ Điện – Trường Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội, các bạn trong lớp Động Lực 50 và gia đình cùng người thân. Đặc biệt được sự chỉ dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.Ts Đặng Tiến Hòa đến nay tôi đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp. Nhân dịp này tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô cùng toàn thể bạn bè đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm đề tài. Hà Nội, ngày 30 tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện Phạm Viết Thiết PHỤ LỤC