Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ RV70-N

khó bố trí. + Van cánh làm việc không kín. + Phải thường xuyên bảo dưỡng và tra dầu mỡ. + Vì là bộ điều tốc điều khiển bằng cơ khí nên độ rơ ở các khâu khớp vẫn còn làm cho độ nhạy của hệ thống thấp. 4.5. So sánh và chọn phương án cải tạo BĐT loại 1 BĐT loại 2 BĐT loại 3 Yêu cầu khi làm việc song song 2 nhiên liệu Tốt Tốt Tốt Khi sử dụng lại diesel Khó Dễ Dễ Kết cấu hệ thống nhiên liệu Thay đổi nhiều Ít thay đổi Ít thay đổi Kết cấu đường nạp Ít thay đổi Ít thay đổi Ít thay đổi Kết cấu hệ thống cung cấp biogas Rất phức tạp Đơn giản Đơn giản Về chế tạo Khó Dễ Khó Về lắp đặt Khó bố trí Dễ bố trí Khó bố trí Chi phí sản xuất Cao Thấp Thấp Khả năng ứng dụng trong điều kiện hiện nay Thấp Cao Thấp Với đặc điểm của động cơ RV70-N chạy máy phát điện cung cấp điện cho các trang trại chăn nuôi, với đặc điểm của hệ thống nạp thải và hệ thống nhiên liệu như vậy và từ phân tích các ưu, nhược điểm của các bộ điều tốc, từ kết quả so sánh trên thì ta chọn phương án sử dụng bộ điều tốc biogas riêng dẫn động van côn (BĐT loại 2) bởi vì: + Kết cấu trên thõa mãn yêu cầu khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas) và chuyển sang sử dụng lại diesel khi hệ thống cung cấp biogas có sự cố một cách đơn giản, thuận tiện cho người sử dụng. + Các bộ phận như bộ điều tốc, van côn, vít hạn chế dễ chế tạo, dễ lắp đặt và dễ bố trí trên động cơ. + Thuận tiện cho người sử dụng bởi vì kết cấu dễ điều chỉnh, dễ vận hành. 4.6. Tính toán, thiết kế phương án đã chọn 4.6.1. Cơ sở lý thuyết Hiện nay, có rất nhiều bộ điều tốc khác nhau. Sau khi tìm hiểu, em chọn việc tính toán và thiết kế dựa trên cơ sở bộ phụ kiện vạn năng chuyển đổi nhiên liệu biogas, nhiên liệu lỏng Gatec-20 đã được tác giả Bùi Văn Ga đăng ký bản quyền số 1-2008-02381. Bộ phụ kiện này về nguyên lý có thể ứng dụng trên tất cả các loại động cơ xăng và dầu. Tuy nhiên khi sử dụng bộ phụ kiện này trên động cơ RV70-N thì các tính năng của động cơ cũng như các tính năng của bộ điều tốc không được phát huy hết, bên cạnh đó thì một số kết cấu của bộ điều tốc này trở nên thừa và không phù hợp với động cơ này. Bài toán đặt ra là phải xác định các kích thước và định kết cấu của các chi tiết trong bộ điều tốc sao cho khi tính toán, thiết kế lại bộ điều tốc này thì nó chỉ phù hợp với động cơ RV70-N. 4.6.2. Giới thiệu bộ phụ kiện vạn năng GATEC 20 4.6.2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc a). Cấu tạo bộ phụ kiện GATEC-20 Hình 4-9. Cấu tạo của bộ phụ kiện GATEC-20 sử dụng loại van côn 1 – Puly dẫn động đai; 2. Hai ổ bio đỡ; 3. Trục của bộ điều tốc; 4. Vít điều chỉnh; 5. Lò xo điều tốc; 6. Thanh đẩy; 7. Quả văng; 8. Giá đỡ quả văng; 9. Nắp bộ điều tốc. 4 3 2 5 6 7 8 9 1 b). Nguyên lý làm việc của bộ phụ kiện GATEC-20 Bộ điều tốc này có tác dụng giữ tốc độ động cơ không thay đổi và đồng thời điều khiển công suất ra. Bộ điều tốc cơ học ly tâm được dùng qua puly truyền đai với puly của trục khuỷu động cơ thuộc loại mọi chế độ, nó khống chế tốc độ động cơ ở bất kỳ điểm nào giữa các vị trí tốc độ chạy từ không đến cực đại. Khi chạy không tải lúc này van mở hết nhiên liệu, lò xo 2 với độ căng rất lớn (theo hướng giảm nhiên liệu cung cấp). Ngược lại bộ quả văng 7 chụm vào (theo hướng làm tăng nhiên liệu). Động cơ sẽ chạy không tải trong điều kiện ở đó hai lực cân bằng nhau. Ở vị trí tốc độ từ thấp đến cao và có tải động cơ sẽ quay ở một tốc độ không đổi tại một điểm ở đó lực căng lò xo và lực ly tâm của văng bằng nhau. Nếu tải trọng tăng lên tốc độ động cơ giảm đi và lực ly tâm của quả văng trở nên nhỏ hơn làm cho cần điều khiển 1 điều khiển van đĩa mở rộng ra (theo hướng cung cấp khí biogas) để phục hồi lại tốc độ ban đầu. Như vậy tốc độ động cơ được điều khiển một cách tự động ở một số vòng quay không đổi. Chú ý là trước khi lắp bộ điều tốc vào vận hành phải kiểm tra đủ dầu cho trục bộ điều tốc và tra mỡ cho hai ổ bi. Cố gắng tạo bệ đỡ bộ điều tốc tránh rung. 4.6.2.2. Ưu và nhược điểm * Ưu điểm: + Làm việc tin cậy, kết cấu đơn giản. + Khi hệ thống nhiên liệu cấp biogas có vấn đề thì động cơ chuyển sang sử dụng diesel dễ dàng. * Nhược điểm: + Kết cấu hệ thống trở nên cồng kềnh hơn. + Van côn làm việc không kín. + Phải thường xuyên bảo dưỡng và tra dầu mỡ. 4.6.3. Tính toán, thiết kế buồng hỗn hợp a. Xác định lưu lượng không khí hòa trộn * Lưu lượng không khí cần thiết để đốt cháy 0,1215 kg nhiên liệu Diesel được xác định theo công thức: Gkk = a*Gnl*L0 (4.1) Trong đó: + a - Hệ số lượng dư không khí, a = 1,15 + L0 - Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1kg nhiên liệu diesel, L0 = M0*ρkk*22,4 = 0,495*1,15*22,4 = 12,742 [kgkk/kgnl] + Gnl - Lượng nhiên liệu diesel tiêu hao trong 1h, Gnl = 0,1215 [kg/h]. => Lưu lượng không khí cần thiết để đốt cháy 0,1215 kg diesel là: GkkD = 1,15*0,1215*12,742 = 2,32 [kg/h] = 2,32/1,15 = 1,548 [m3/h] * Lưu lượng không khí cần thiết để đốt cháy 3,545 m3 biogas là: Theo tính toán ở phần tính toán nhiệt ta có: Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1m3 nhiên liệu biogas là: V0 = 5,643 [m3 kk/m3 biogas] => Lưu lượng không khí cần thiết để đốt cháy 3,545m3 biogas trong 1h là: GkkB = 5,643*3,545 = 20,004 [m3 /h] => Vậy lưu lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn lượng diesel và biogas ở chế độ toàn tải là: Gkk = GkkD + GkkB = 20,004 + 1,548 = 21,553 [m3/h]. b. Tính toán họng khuếch tán Họng của bộ hòa trộn cần phải đảm bảo tạo được độ chân không cần thiết để tăng sức hút biogas và đồng thời lại không gây sức cản lớn đối với lưu động của không khí. Mối quan hệ giữa tiết diện họng và lưu lượng không khí được xác định theo biểu thức: [m3/h] Trong đó: + μh là hệ số lưu lượng của họng, mh = 0,8 ¸ 0,9. Chọn μh = 0,85. + fh = πdh2/4 là tiết diện của họng, [m2] + Khối lượng riêng của không khí ρkk = 1,15 [kg/m3] + Wkk tốc độ của dòng không khí đi qua họng. Wkk được tính như sau: [m/s] (4.2) Với: - Dnạp – Đường kính đường ống nạp động cơ, Dnạp = 34 [mm] - Qnap – Là lưu lượng không khí lý thuyết cung cấp vào động cơ trong kỳ nạp, [m3/h] - Vh – Thể tích công tác của xilanh, Vh = 0,377 [dm3] - t – Thời gian kỳ nạp, [s] - ηv – Hệ số nạp, ηv = 0,754 Do đó từ (4.2) ta có: [m2/s] Vậy đường kính họng là: [m] = 18 [mm] Độ chân không tại họng là: Trong đó: + S – Hành trình piston, S = 75 [mm] + D – Đường kính xilanh, D = 80 [mm] + ni – Tốc độ động cơ, n = 2400 [vg/ph] + ηv – Hệ số khí nạp, ηv = 0,754 Đường kính buồng hỗn hợp phải có kích thước đủ lớn để không gây tổn thất áp suất khi dòng không khí và dòng biogas hòa trộn với nhau. Theo kinh nghiệm thiết kế người ta thường chọn dh/db = (0,4 ÷ 0,75). Từ đó chúng ta tính được đường kính buồng hỗn hợp db = (24 ÷ 45) [mm]. Để thuận tiện cho việc cải tạo, chúng ta chọn đường kính buồng hỗn hợp db = 34 [mm], theo kích thước sẵn có của đường ống nạp động cơ. c. Tính đường kính lỗ phun biogas Tốc độ của dòng biogas qua van tiết lưu trong kỳ nạp được xác định theo biểu thức: [m/s] Trong đó: + Δph – Độ chân không tại họng, Δph = 397,567 [N/m2] + pBio – Áp suất của biogas, pBio = 100Pa = 100 [N/m2] + ρBio – Khối lượng riêng của biogas là ρBio = 0,8808 [kg/m3] [m/s] Vậy đường kính lỗ cấp biogas là: [m] Chọn: dvp = 7 [mm]. Nếu dùng một lỗ để phun nhiên liệu qua họng vào hòa trộn với không khí thì chất lượng hòa trộn không được tốt. Để cải thiện chất lượng hòa trộn giữa biogas và không khí thì xung quanh họng ta khoan 6 lỗ có đường kính được tính như sau: Lượng nhiên liệu qua một lỗ: [m3/h]. Trong đó: + fnl1 - Tiết diện của một lỗ phun + vnl - Tốc độ nhiên liệu qua lỗ phun, chọn v = 28 [m/s] Suy ra: [m] = 3 [mm] Ta lấy đường kính của mỗi lỗ phun là dl = 3 [mm]. Các thông số kích thước bộ hòa trộn Giá trị Đường kính họng dh [mm] 18 Đường kính buồng db [mm] 34 Đường kính vòi phun dvp [mm] 7 Đường kính mỗi lỗ phun dlp [mm] 3 Số lỗ phun 6 d. Kết cấu của họng Để thuận tiện trong gia công chế tạo đồng thời đảm bảo được tính đồng bộ với đường nạp của động cơ, kết cấu của họng như sau: Hình 4-10. Kết cấu họng 4.6.4. Tính toán, thiết kế van côn Hình 4-11. Sơ đồ tính toán van côn cấp biogas a). Sơ đồ tính toán: * Đường kính cửa vào d0 và cửa ra D1 của van tiết lưu. Thời gian dành cho kỳ nạp tnạp là: [s] Trong kỳ nạp vận tốc biogas ra khỏi vòi phun vào họng là WBiogas = 33,613 [m/s] Trong 3 kỳ còn lại của chu trình vận tốc biogas ra khỏi vòi phun vào họng là: [m/s] Lưu lượng Biogas thực tế cung cấp cho động cơ trong một chu trình QBiogas: QBiogas= S0*tnap*(WBiogas + 3*VBiogas ) Trong đó S0 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. + Tiết diện đường ống cấp biogas: [m2] + Đường kính đường ống cung cấp biogas: => d0 = 36 [mm] Khi van tiết lưu đóng kín động cơ chạy với lượng diesel được cố định theo giả thiết tính toán bằng cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu diesel. Vậy đường kính làm việc lớn nhất của van đảm bảo đóng kính đường cung cấp biogas, Dmax = 36 [mm]. Tùy theo từng chế độ tải mà lượng biogas được điều chỉnh bởi van tiết lưu đi vào động cơ đảm bảo công suất động cơ bằng công suất yêu cầu của phụ tải. Lưu lượng trong đường cấp biogas từ sau van tiết lưu đến đường ống nạp của động cơ phụ thuộc vào lượng biogas đi qua van và độ chân không của họng nạp. Do vậy đường kính của đường ống cấp được lựa chọn chỉ cần đảm bảo không gây tổn thất lớn, và lắp ráp thuận tiện với đường ống nạp. Chọn đường kính đường ống nạp D1 = 15 [mm]. => Như vậy ta chỉ cần tìm mối quan hệ giữa Dmin, Dmax, L, và góc côn α. Trong đó: + Dmax – Đường kính làm việc lớn nhất của van, [mm] + Dmin – Đường kính làm việc nhỏ nhất của van, [mm] + α – Góc côn của van, [độ] + L – Hành trình làm việc của van côn, [mm] * Hành trình làm việc của van được xác định như sau: * Góc côn α của van được chọn có ảnh hưởng đến độ nhạy và sự lưu thông của van. * Đường kính làm việc nhỏ nhất của van được chọn sao cho dễ gia công chế tạo và có tính đến độ nhạy của van. Chọn Dmin = 12,5 [mm] Như vậy ta xét mối quan hệ giữa L và α theo công thức: Ta có bảng sau: Bảng 4-1. Mối quan hệ giữa α và L α [độ] L [mm] α [độ] L [mm] 10 134 45 28 15 89 50 25 20 67 55 23 25 53 60 20 30 44 65 18 35 37 70 17 40 32 Thông qua mối quan hệ trên để thuận tiện cho quá trình chế tạo đồng thời liên quan đến độ nhạy của van ta có thể chọn α = 600 suy ra L = 20 [mm]. b). Kết cấu của van côn như sau: Để đảm bảo van đóng kín ta chọn Dmax = 38 [mm] Hình 4-12. Kết cấu van côn (van tiết lưu) Gọi x là hành trình làm việc của van côn ứng với từng chế độ làm việc. Như vậy ứng với từng giá trị của x, ta xác định được từng đường kính làm việc của van côn tức là xác định được từng tiết diện lưu thông của van tiết lưu. Quan hệ giữa chúng được xác định theo hàm: Dlv = 2*x*tg(α/2) + Dmin Tiết diện lưu thông: Từ đó ta xây dựng được bảng sau: Bảng 4-2. Mối quan hệ giữa L, Dlv và Slt x [mm] Dlv [mm] Slt [mm2] x [mm] Dlv [mm] Slt [mm2] 0 12,5 872,644 12 26,4 449,633 2 14,8 823,096 14 28,7 349,797 4 17,1 765,166 16 31,0 241,579 6 19,4 698,855 18 33,3 124,980 8 21,7 624,162 20 36 0 10 24,0 541,088 4.6.5. Tính toán, thiết kế cơ cấu hạn chế lượng phun diesel làm mồi a). Tính toán: + Khoan trên nắp bơm cao áp lỗ Ф4 sau đó tarô lỗ M5 sao cho tâm lỗ nằm giữa càng điều tốc diesel (2). + Đánh dấu vị trí chạy không tải của động cơ khi sử dụng nhiên kiệu diesel, sau đó ta vặn vít điều chỉnh sao cho đầu vít vừa chạm vào càng điều tốc (2) thì dừng lại, dùng đai ốc (7) khóa lại, sau đó lấy vít hạn chế ra ta đo được chiều dài làm việc của vít hạn chế là 17mm. b). Kết cấu và vị trí lắp đặt của vít hạn chế như sau: Hình 4-13. Kết cấu và vị trí lắp đặt cơ cấu hạn chế lượng phun dùng vít 1. Nắp bơm cao áp; 2. Càng điều tốc diesel; 3. Trục khuỷu; 4. Vít hạn chế; 5. Quả văng; 6. Bánh răng trục khuỷu; 7. Đai ốc khóa. 4.6.6. Tính toán, thiết kế bộ điều tốc biogas 4.6.6.1. Sơ đồ tính toán bộ điều tốc Hình 4-14. Sơ đồ tính toán bộ điều tốc biogas 1. Van côn cấp biogas; 2. Trục điều tốc; 3. Lò xo điều tốc; 4. Càng điều tốc; 5. Quả văng. Biogas từ bộ phận cung cấp Vào động cơ * Nguyên lý làm việc: Khi tốc độ động cơ cao thì lực ly tâm các quả văng (5) thắng lực lò xo (3) đẩy trục điều tốc (2) đi ra ngoài tác dụng lên càng điều tốc (4) làm cho càng điều tốc quay một góc α quanh tâm O2 đẩy van côn (1) dịch chuyển theo hướng đóng dần đường cấp biogas lại. * Tính toán bộ điều tốc bằng phương pháp phân đoạn: a). Xét cân bằng của 01 quả văng Viết phương trình cân bằng mômen tại O1 ta có: ΣMO1 = 0 => F1*b = Flt1*a => (4.3) Trong đó: + Flt1 – Lực ly tâm của 01 quả văng [N] + F1 – Phản lực do 01 quả văng gây ra [N] + a – Khoảng cách từ trọng tâm quả văng tới tâm quay O1. + b – Khoảng cách từ điểm đặt lực F1 tới tâm O1. + m1 – Khối lượng của 01 quả văng đang xét [kg]. + R – Tâm quay của quả văng [m] + ω – Tốc độ quay của trục điều tốc [rad/s] b). Xét cân bằng trục điều tốc Viết phương trình cân bằng lực của càng điều tốc ta có: F – F’ = 0 (4.4) Trong đó: + F’ – Lực do càng điều tốc tác động lên. + F – Phản lực do lực ly tâm các quả văng sinh ra. Từ (4.4) => F’ = F (4.5) c). Xét cân bằng càng điều tốc Xét phương trình cân bằng mômen tại tâm O2 ta có: ΣMO2 = 0 => Flx * l = F’ * c (4.6) Từ (4.5) và (4.6) ta có: (4.7) Trong đó: + c, l – Khoảng cách từ các điểm đặt lực tới tâm quay O2. d). Xác định hành trình của càng điều tốc Theo tính toán ở mục 4.6.4 ta có hành trình làm việc của van côn là: L = 20 [mm] Nếu ta gọi hành trình của càng điều tốc là H thì ta có: [mm] (4.8) e). Tính toán với các thông số cụ thể: Chọn vật liệu làm quả văng là gang xám có khối lượng riêng là: ρ = 8,4*103 [kg/m3] Hình 4-15. Kết cấu quả văng bộ điều tốc biogas Dựa vào đo đạc ta xác định được thể tích của 01 quả văng là: V1 = 3,567*10-6 [m3] => Khối lượng của 01 quả văng là m1 = 3,567*10-6 * 8,4*103 = 0,03 [kg] Cũng dựa trên đo đạc và dựa vào kết cấu của bộ phụ kiện GATEC - 20 ta xác định được các thông số khác là: + a = 6 [mm]; b = 10 [mm] + c = 21 [mm]; l = 30 [mm]; d = 60 [mm] + R = 18 [mm] + [rad/s] Do đó từ (4.7) ta có: [N] Từ (4.8) ta có hành trình làm việc của càng điều tốc là: [mm] 4.6.6.2. Tính toán, thiết kế các chi tiết của bộ điều tốc a). Tính toán bộ truyền đai thang a1). Yêu cầu bài toán: Thiết kế bộ truyền đai hình thang truyền dẫn từ trục khuỷu động cơ đến trục bộ điều tốc biogas theo các số liệu sau: công suất N1 = 4,766[kW], số vòng quay của trục dẫn n1 = 2400 [vg/ph], khoảng cách trục A = 360 [mm] (xác định dựa vào vị trí đặt bộ điều tốc), tải trọng ổn định. a2). Tính toán bộ truyền đai thang: Bộ truyền đai thang được đặc trưng bởi các thông số hình học chủ yếu sau : + D1 và D2 - đường kính bánh dẫn và bánh bị dẫn. + A - khoảng cách trục. + α1 và α2 - góc ôm của đai trên bánh nhỏ và bánh lớn. + L - chiều dài đai. + δ và b - chiều dày và chiều rộng của tiết diện đai dẹt. Hình 4-16. Các kích thước của bộ truyền đai + B - chiều rộng bánh đai. 1. Chọn loại đai: Giả thiết vận tốc của đai v > 5 [m/s] và dựa vào công suất truyền N1 = 4,766 [kW] nên ta chọn đai loại A. Bảng 4-3. Bảng hướng dẫn chọn tiết diện đai hình thang, [6] Công suất truyền [kW] Vận tốc đai [m/s] < 5 5 ÷ 10 > 10 Loại tiết diện Dưới 1 O, A O, A O 1 ÷ 2 O, A, Б O, A O, A 2 ÷ 4 A, Б O, A, Б O, A 4 ÷ 7,5 Б, B A, Б A, Б 7,5 ÷ 15 B Б, B Б, B Hình 4-17. Kích thước tiết diện đai hình thang 2. Xác định đường kính D1 của bánh dẫn: Theo [6] ta chọn D1 = 100 [mm] Kiểm nghiệm vận tốc của đai: [m/s] v < vmax = (30 ÷ 35) [m/s] 3. Tính đường kính D2 của bánh lớn: D2 = iD1(1-ξ) Trong đó: + i – tỷ số truyền của bộ truyền đai, chọn i = 2 + ξ – hệ số trượt, ξ = 0,02 + D1, D2 – đường kính của bánh dẫn và bánh bị dẫn. => D2 = 2*100*(1-0,02) = 196 [mm] Chọn theo tiêu chuẩn D2 = 200 [mm] * Số vòng quay của trục bị dẫn là: [vg/ph] * Số vòng quay thực của trục bị dẫn: [vg/ph] Sai số về số vòng quay so với yêu cầu là: < (3÷5%), thỏa mãn. Vậy tỷ số truyền là: 4. Khoảng cách trục A: Theo yêu cầu của vị trí lắp đặt bộ truyền ta chọn A = 360 [mm] 5. Tính chiều dài đai theo khoảng cách trục A theo công thức: Theo tiêu chuẩn lấy L = 1200 [mm] Kiểm nghiệm số vòng chạy u trong một giây: 6. Tính lại khoảng cách trục A theo chiều dài đai đã lấy theo tiêu chuẩn: Theo điều kiện: 0,55(D1 + D2) + h ≤ A ≤ 2(D1 + D2) với h = 8 [mm] => 173 < A = 361 < 600. Vậy thỏa điều kiện. + Khoảng cách nhỏ nhất, cần thiết để mắc đai: Amin = A – 0,015L = 361 – 0,015*1200 = 343 [mm] + Khoảng cách lớn nhất, cần thiết để tạo lực căng: Amax = A + 0,03L = 361 + 0,03*1200 = 396 [mm] 7. Tính góc ôm theo công thức sau: 8. Tính các kích thước khác của bộ truyền đai: + Chọn số đai của bộ truyền là Z = 1 + Chiều rộng của bánh đai là: B = (Z - 1)t + 2S Theo [6] ta có: t = 16 [mm]; S = 10 [mm]; h0 = 3,5 [mm]; e = 12,5 [mm] => B = 2*10 = 20 [mm] + Đường kính ngoài của bánh đai: * Bánh nhỏ: Dn1 = D1 + 2ho = 100 + 2*3,5 = 107 [mm] * Bánh lớn: Dn2 = D2 + 2h0 = 200 + 2*3,5 = 207 [mm] + Đường kính trong của bánh đai: * Bánh nhỏ: Dt1 = Dn1 – 2e = 107 – 2*12,5 = 82 [mm] * Bánh lớn: Dt2 = Dn2 – 2e = 207 – 2*12,5 = 182 [mm] 9. Tính lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục: + Lực căng ban đầu: S0 = σ0*F Trong đó: + σ0 – Ứng suất căng ban đầu, theo [6] có: σ0 = 1,5 [N/mm2] + F – diện tích tiết diện đai, F = 81 [mm2] => S0 = 1,5*81 = 121,5 [N] + Lực tác dụng lên trục: [N] b). Tính toán, thiết kế trục 1. Chọn vật liệu: Chọn vật liệu chế tạo trục là thép 35 thường hóa, đường kính phôi dưới 100[mm], σb = 520 [N/mm2], HB = 190, σch = 270 [N/mm2]. 2. Tính sơ bộ đường kính của trục: Theo công thức: [mm] Trong đó: + d - đường kính trục [mm] + N2 - Công suất truyền, N2 = N1 * η1 = 4,766 * 0,96 = 4,575 [kW] Với: η1 – Hiệu suất bộ truyền đai, theo [6] ta có: η1 = 0,96 + n2 - số vòng quay trong một phút của trục, n2 = 1200 [vg/ph] + C - hệ số phụ thuộc ứng suất xoắn cho phép, theo [6] chọn C = 120 [mm]. Chọn d = 20 [mm] Hình 4-18. Sơ đồ phân tích lực trên trục 3. Tính gần đúng trục Trong đó: - l = 33 [mm]; k = 16 [mm] - Rd – Phản lực tại bánh đai, Rd = 360,953 [N] - Ra, Rb – Phản lực tại các gối đỡ. + Mômen xoắn sinh ra trên trục là: [N.mm] + Tính phản lực tại các gối đỡ: Ra + Rb = Rd = 360,962 [N] Để đơn giản trong kết cấu và tính toán ta chọn Ra = Rb = 360,962/2 = 180,481 [N] + Tính mômen tại tiết diện nguy hiểm: tiết diện nguy hiểm 1-1. Ở tiết diện 1-1: Mu = Rd * l = 360,962 * 33 = 11911,750 [N.mm] + Tính đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm theo công thức : [mm] Trong đó: + Tỷ số , d0 – Đường kính trong của trục rỗng, chọn β = 0,6 + [σ] – ứng suất cho phép, theo [6] ta có [σ] = 58 [N/mm2] + Mtđ – Mômen tương đương [N.mm] [N.mm] [mm] Vậy ta chọn d = 20 [mm] => Đường kính lỗ rỗng của trục là d0 = 0,6d = 12 [mm] 4. Tính chính xác trục Trong bước tính gần đúng khi xác định đường kính trục chưa xác định đến một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của trục như đặc tính thay đổi chu kỳ ứng suất, sự tập trung ứng suất, yếu tố kích thước chất lượng bề mặt, vì vậy sau khi định kết cấu trục cần kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi có kể các yếu tố nêu trên. Kết cấu trục vừa được thiết kế sẽ thỏa mãn độ bền mỏi nếu hệ số an toàn tại tiết diện nguy hiểm phải thỏa mãn các điều kiện sau: Trong đó: + nσ – hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp, + nτ – hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất tiếp, Theo yêu cầu làm việc, trục quay một chiều nên ứng suất pháp (uốn) biến đổi theo chu kỳ đối xứng: ; σm = 0 và ứng suất tiếp (xoắn) biến đổi theo chu kỳ mạch động: Trong đó: + σa và τa – Biên độ ứng suất pháp và tiếp sinh ra trong tiết diện trục. + σm và τm – Trị số trung bình của ứng suất pháp và tiếp. + σ-1 và τ-1 – Giới hạn mỏi uốn và xoắn ứng với chu kỳ đối xứng. σ-1 = 0,4 * σb = 0,4 * 520 = 208 [N/mm2] τ-1 = 0,2 * σb = 0,2* 520 = 104 [N/mm2] + ψσ và ψτ – hệ số xét đến ảnh hưởng của trị số ứng suất trung bình đến sức bền mỏi. Đối với thép các bon thì + β – Hệ số tăng bền bề mặt. + kσ và kτ – hệ số tập trung ứng suất. + [n] – Hệ số an toàn. + W; W0 – Mômen cản uốn và mômen cản xoắn của tiết diện trục. Theo [6] ta có: ψσ = 0,1 và ψτ = 0,05; β = 1; [n] = (1,5 ÷ 2,5) Xét ở tiết diện 1-1 ta có: Mx = 36410,203 [N.mm]; Mu = 11911,750 [N.mm] Ta có: + [mm3] + [mm3] [N/mm2] [N/mm2] Theo [6] chọn: Thay các trị số vừa tìm được vào công thức tính nσ và nτ ta có : > [n] = (1,5 ÷ 2,5) Vậy trục đảm bảo độ bền mỏi. 5. Tính then + Chọn kiểu then: then bằng. + Đường kính trục để lắp then là 20 [mm]. + Theo [6] ta chọn then có: b = 6 ; h = 6 ; t = 3,5 ; t1 = 2,6; k ≈ 2,9; chiều dài then là l = 0,8 lm. Trong đó: lm = B = 20 [mm] (chiều dài mayơ = chiều rộng bánh đai) Do đó: l = 0,8 * 20 = 16 [mm] * Kiểm nghiệm về sức bền dập theo công thức: N/mm2 Trong đó: + Mx – mômen xoắn cần truyền, Mx = 36410,203 [N.mm] + [σ]d – Ứng suất dập cho phép, theo [6] có: [σ]d = 100 [N/mm2] + d – Đường kính trục, d = 20 [mm] [N/mm2] * Kiểm nghiệm sức bền cắt theo công thức: [N/mm2] Trong đó: + [τ]c – Ứng suất cắt cho phép, theo [6] có: [τc] = 87 [N/mm2] [N/mm2] Vậy then ta chọn đảm bảo yêu cầu. Hình 4-19. Kết cấu trục của bộ điều tốc 6. Định kết cấu trục c). Thiết kế gối đỡ trục: Vì trục không có lực dọc trục do đó ta chọn ổ bi đỡ. Hình 4-20. Các thông số ổ bi đỡ Phản lực ở các gối đỡ là: R = Ra = Rb = 180,481 [N] Hệ số khả năng làm việc tính theo công thức: Trong đó: + Q – Tải trọng tương đương, [daN] + n = 1200 [vg/ph] – số vòng quay của ổ. + h – thời gian phục vụ, chọn h = 10000 giờ. Đối với ổ bi đỡ thì tải trọng tương đương tính theo công thức : Trong đó: + R – tải trọng hướng tâm (tổng phản lực ở gối đỡ ), [daN] + A – tải trọng dọc trục, A = 0 [daN] + m – hệ số chuyển tải trọng dọc trục về tải trọng hướng tâm. + Kt – hệ số tải trọng động. + Kn – hệ số nhiệt độ. + Kv – hệ số xét đến vòng nào của ổ là vòng quay. Theo [6] ta có: - Kt = 1,3 ứng với tải trọng va đập vừa và rung động. - Kn = 1 ứng với nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 1000C. - Kv = 1 khi xét vòng trong của ổ quay. => Q = Kt * R = 1,3 * 180,481 = 234,625 [N] = 23,463 [daN] Vậy: Theo [6] ta chọn ổ bi đỡ cỡ trung ứng với d = 20 [mm] ta có: + Ký hiệu ổ bi 104 có CBảng = 19000 + Đường kính ngoài D = 52 mm; chiều rộng B = 15; + Kích thước chỗ vát là r = 1 mm; + Các kích thước khác: D2 = 41,7 mm; d2 = 30,3 mm; + Đường kính bi là 9,52 [mm] d). Tính toán, thiết kế lò xo điều tốc (lò xo trụ chịu nén) 1. Các thông số đã biết: + Chuyển vị làm việc của lò xo: x = L/2 = 20/2 = 10 [mm] + Lực lò xo lớn nhất là: Fmax = 7,165 [N] + Lực lò xo nhỏ nhất là: Fmin = 1 [N] 2. Chọn vật liệu làm lò xo là: dây thép lò xo cấp I. Bảng 4-4. Giới hạn bền kéo σb của dây thép cácbon làm lò xo, [6] Đường kính dây d [mm] σb [Mpa] Dây cấp I Dây cấp II Dây cấp III 0,2 ÷ 0,6 2700 2200 1700 0,8 ÷ 1,0 2400 2000 1600 1,5 ÷ 2,0 2100 1800 1400 2,5 ÷ 3,0 1800 1700 1300 4,0 ÷ 6,0 1500 1400 1100 7,0 ÷ 8,0 1300 1000 Giả sử đường kính dây lò xo trong khoảng (0,2 ÷ 0,6) [mm], lấy σb = 2700 Mpa. Ứng suất xoắn cho phép là: [τ] = 0,3*σb = 0,3 * 2700 = 810 Mpa Bảng 4-5. Hệ số k dùng trong tính toán lò xo, [6] c = D/d 4 5 6 8 10 12 k 1,37 1,29 1,24 1,17 1,14 1,11 3. Chọn c = D/d = 12 => k = 1,11 4. Tính đường kính của dây lò xo theo công thức: [mm] Trong đó: + d – Đường kính dây lò xo [mm]. + k – Hệ số xét đến độ cong của dây lò xo. Chọn d = 0,6 [mm]. Như vậy đường kính d tìm được phù hợp với giả thiết ở trên. Đường kính lò xo: D = c*d = 12*0,6 = 7,2 [mm] 5. Tính số vòng làm việc n: Số vòng làm việc của lò xo theo công thức: [vòng] Trong đó: + n – Số vòng làm việc của lò xo. + x – Chuyển vị làm việc của lò xo, x = 10 [mm]. + G – Mômen đàn hồi trượt, đối với thép G = 8*104 MPa. [vòng] 6. Định các kích thước khác: + Số vòng toàn bộ n0 bằng số vòng làm việc n cộng thêm (0,75 ÷ 1) vòng ở mỗi đầu mút: n0 = n + (1,5 ÷ 2) => n0 = 6 + 2 = 8 [vòng] + Vì mỗi đầu mút lò xo chịu nén được mài đi một ít nên chiều cao lò xo lúc các vòng sít nhau: Hs = (n0 – 0,5)d = (8 – 0,5)*0,6 = 4,5 [mm] + Bước của vòng lò xo khi chưa chịu tải: t = d + (1,1 ÷ 1,2)λmax/n [mm] Trong đó: λmax – Chuyển vị lớn nhất của lò xo (kể từ khi chưa chịu tải đến khi chịu Fmax), tính theo công thức: [mm] [mm] + Chiều cao lò xo H0 lúc chưa chịu tải (chiều cao ban đầu): H0 = Hs + n(t-d) = 4,5 + 6*(3,076 - 0,6) = 19,357 [mm] 7. Kiểm nghiệm tỷ số ta có: theo [6] Như vậy lò xo không bị mất ổn định. 4.6.5.3. Kết cấu bộ điều tốc biogas dẫn động van côn Hình 4-21. Kết cấu bộ điều tốc biogas dẫn động van côn 1. Puly lắp bánh đai; 2. Thân van côn; 3. Thanh đẩy; 4. Vỏ bộ điều tốc; 5. Van côn; 6. Nắp ổ; 7. Ổ bi; 8. Trục dẫn động puly đai; 9. Trục điều tốc; 10. Quả văng; 11. Càng điều tốc; 12. Nắp đậy bộ điều tốc; 13. Trục lắp lò xo; 14. Lò xo điều tốc; 15. Nút đổ dầu bôi trơn. Vào động cơ Biogas từ bộ phận cung cấp Hình 4-22. Sơ đồ hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas) I. Bộ điều tốc biogas; II. Bộ điều tốc diesel 1. Bộ điều tốc biogas; 2. Lò xo điều tốc biogas; 3. Họng ventury; 4. Đường ống nạp động cơ; 5. Vòi phun diesel; 6. Xupáp; 7. Đường ống thải; 8. Bơm cao áp; 9. Trục cần ga diesel; 10. Lò xo điều tốc diesel; 11. Trục điều tốc diesel; 12. Bánh răng trục khuỷu; 13. Trục khuỷu; 14. Vít hạn chế lượng phun diesel; 15. Càng điều tốc; 16. Nắp bơm cao áp; 17. Piston; 18. Van côn; 19. Đường ống cấp biogas vào động cơ; 20. Khóa cấp biogas. Không khí Biogas từ bộ phận cung cấp Khí xả 4.7. Sơ đồ hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas) * Nguyên lý làm việc: * Khi chạy bằng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas): + Khi khởi động: Khi khởi động động cơ ta nới lỏng vít hạn chế (14) ra khoảng vài ba vòng để cho vít không tác dụng lên càng điều tốc (15) và khởi động giống như trường hợp chạy bằng diesel. Lúc này khóa cấp biogas (20) đóng và van côn (18) mở hoàn toàn dưới tác dụng của lò xo điều tốc biogas (2) + Khi chạy không tải: Sau khi động cơ hoạt động ổn định rồi ta kéo cần ga diesel (9) về vị trí không tải và chỉnh vít hạn chế để động cơ chạy ở chế độ không tải (cố định ở vị trí 10,162%). Sau đó mở dần khóa cấp biogas (20) đến khi động cơ chạy ổn định, lúc này dưới tác dụng của bộ điều tốc biogas sẽ làm cho van côn đóng dần lại. Trong trường hợp này động cơ sẽ chạy với lượng diesel không đổi và việc tăng công suất động cơ được điều khiển bởi khóa cấp biogas (20). Lúc này bộ điều tốc diesel sẽ bị cô lập còn hoạt động của bộ điều tốc biogas như sau: + Khi tải nhỏ: Do tốc độ động cơ lớn làm cho lực ly tâm của các quả văng sẽ thắng lực lò xo (2) đẩy trục điều tốc đi ra ngoài. Thông qua các tay đòn dẫn động làm cho van côn đóng dần lại và do đó lượng biogas nạp vào động cơ sẽ nhỏ làm cho tốc độ động cơ giảm xuống. + Khi tải lớn: Ngược lại thì van côn sẽ mở to ra làm cho lượng biogas nạp vào động cơ tăng lên và do đó làm tốc độ động cơ tăng lên. Quá trình trên cứ lặp đi lặp lại với trường hợp tải thay đổi và ổn định nếu như tải ổn định. + Khi tắt máy: Khóa van cấp biogas (20) lại và gạt cần ga diesel (9) về vị trí tắt máy. Vít hạn chế luôn cố định tại một vị trí và ở các lần khởi động tiếp theo thì ta không cần chỉnh nó nữa. * Khi chạy bằng diesel: + Khó van cấp biogas (20) lại. + Nới lỏng vít hạn chế (14) ra khoảng vài ba vòng để cho vít không tác dụng lên càng điều tốc diesel (15) nữa. + Khởi động và điều chỉnh động cơ như trước khi cải tạo. 5. Quy trình chế tạo và lắp đặt các chi tiết được cải tiến vào động cơ Hình 5-1. Kết cấu vỏ bộ điều tốc 5.1. Quy trình công nghệ chế tạo vỏ bộ điều tốc 5.1.1. Lựa chọn phương pháp chế tạo phôi + Vật liệu chế tạo phôi là gang xám GX 21-40 có độ cứng HB = 190. + Có nhiều phương pháp chế tạo phôi như: Phôi hàn, phôi dập, phôi rèn... Nhưng ở đây ta chọn loại phôi đúc. Bởi vì đúc cho ta được các sản phẩm có hình dạng phức tạp. + Chọn phương pháp đúc trong khuôn kim loại, mẫu gỗ, làm khuôn bằng máy. 5.1.2. Xác định trình tự gia công các bề mặt Chọn chuẩn định vị thống nhất là mặt đáy và hai lỗ Ф10. Ta có các nguyên công sau: + Nguyên công 1: Phay mặt đáy đạt Rz = 40. + Nguyên công 2: Phay mặt trên lỗ Ф10, phay mặt phẳng lắp càng điều tốc và van côn đạt Rz = 40. + Nguyên công 3: Khoan 2 lỗ Ф10 đạt Rz = 40. + Nguyên công 4: Khoan lỗ lắp càng điều tốc Ф10, lỗ dầu Ф5,2 đạt Rz = 40. Tiếp theo là tarô ren lỗ Ф5,2 thanh M6. + Nguyên công 5: Khoét lỗ Ф52 đạt Rz = 40 và khoét rãnh trong lỗ Ф52. + Nguyên công 6: Tiện mặt đầu lỗ Ф78 và tiện ren lỗ Ф78 đạt Rz = 40. 5.1.3. Trình tự thực hiện các nguyên công 1). Nguyên công 1: phay mặt đáy: a). Sơ đồ định vị và kẹp chặt: + Định vị: Dùng mặt phẳng phía trên hạn chế 3 bậc tự do. + Kẹp chặt: Dùng lực kẹp ở giữa lỗ Ф48 theo phương vuông góc với mặt gia công và hướng ra khỏi mặt gia công. Hình 5-2. Sơ đồ định vị và kẹp chặt b). Chọn máy và dao gia công: * Chọn máy phay đứng 6H12 có: + Mặt làm việc của bàn 320x1250 [mm] + Số cấp tốc độ trục chính: 18 + Phạm vi tốc độ trục chính: 30 ÷ 1500 + Công suất động cơ chính: 7 [kW] + Công suất động cơ chạy dao: 1,7 [kW] + Hiệu suất η = 0,75 * Chọn dao: Chọn dao phay mặt đầu cán lắp răng nhỏ có: + Đường kính D = 50 [mm] + Bề rộng L = 25 [mm] + Đường kính trục lắp dao d = 22 [mm] + Số răng Z = 14 2). Nguyên công 2: phay mặt trên lỗ Ф10 và mặt phẳng lắp càng điều tốc và van côn. a). Sơ đồ định vị và kẹp chặt: + Định vị: Dùng mặt đáy hạn chế 3 bậc tự do và hai mặt bên hạn chế 2 bậc tự do. Hình 5-3. Sơ đồ định vị và kẹp chặt + Kẹp chặt: Dùng lực kẹp ở giữa lỗ Ф48 theo phương vuông góc với mặt gia công và hướng ra khỏi mặt gia công. Để tăng độ cứng vững của chi tiết ta dùng chốt tỳ phụ để đỡ dưới mặt đầu lỗ Ф78. b). Chọn máy và dao gia công: giống như ở nguyên công 1. 3). Nguyên công 3: Khoan 2 lỗ Ф10. a). Sơ đồ định vị và kẹp chặt: + Định vị: Dùng mặt phẳng phía trên hạn chế 3 bậc tự do và hai mặt bên hạn chế 2 bậc tự do. + Kẹp chặt: Dùng lực kẹp ở giữa lỗ Ф48 theo phương vuông góc với mặt gia công và hướng ra khỏi mặt gia công. Để tăng độ cứng vững của chi tiết ta dùng chốt tỳ Hình 5-4. Sơ đồ định vị và kẹp chặt phụ để đỡ dưới mặt đầu lỗ Ф78. b). Chọn máy và dao gia công: * Chọn máy khoan cần 2A55 có: + Phạm vi tốc độ trục chính: 30 ÷ 1700 + Số cấp bước tiến trục chính: 12 + Phạm vi bước tiến trục chính [mm/vg]: 0,05 ÷ 2,2 + Công suất đầu khoan: 4,5 [kW] + Công suất nâng xà ngang: 1,7 [kW] + Hiệu suất máy: η = 0,75 + Mômen xoắn lớn nhất: 75 [kGm] + Lực dọc trục lớn nhất: 2000 [kG] * Chọn dao: Chọn mũi khoan ruột gà thép gió, đuôi trụ ngắn có: + Đường kính mũi khoan: d = 10 [mm] + Chiều dài mũi khoan: L = 135 [mm] + Chiều dài phần làm việc: l0 = 95 [mm]. 4). Nguyên công 4: Khoan lỗ lắp càng điều tốc Ф10, lỗ dầu Ф5,2 đạt Rz = 40. Tiếp theo là tarô ren lỗ Ф5,2 thành M6. a). Sơ đồ định vị và kẹp chặt: + Định vị: Dùng mặt đáy hạn chế 3 bậc tự do, chốt trụ ngắn hạn chế 2 bậc tự do và chốt trám hạn chế 1 bậc tự do. + Kẹp chặt: Dùng lực kẹp ở giữa lỗ Ф52 theo phương vuông góc với mặt gia công và hướng ra khỏi mặt gia công. Để tăng độ cứng vững của chi tiết ta dùng chốt tỳ phụ để đỡ dưới mặt đầu lỗ Ф78. Hình 5-5. Sơ đồ định vị và kẹp chặt b). Chọn máy và dao gia công: * Chọn máy và mũi khoan Ф10 giống như nguyên công 3. * Chọn mũi khoan Ф5,2 có: Chọn mũi khoan ruột gà thép gió, đuôi trụ ngắn có: + Đường kính mũi khoan: d = 5,2 [mm] + Chiều dài mũi khoan: L = 95 [mm] + Chiều dài phần làm việc: l0 = 60 [mm]. * Chọn tarô bằng tay có: + Đường kính mũi tarô: d = 6 [mm] + Chiều dài mũi tarô: L = 60 [mm] + Chiều dài phần làm việc: l = 18 [mm]. 5). Nguyên công 5: Tiện mặt trong lỗ Ф52 đạt Rz = 40 và tiện rãnh trong lỗ Ф52. Hình 5-6. Sơ đồ định vị và kẹp chặt a). Sơ đồ định vị và kẹp chặt: Định vị và kẹp chặt bằng mâm cặp máy tiện. b). Chọn máy và dao gia công: * Chọn máy tiện vạn năng của Việt Nam có: + Kiểu máy T616. + Số cấp tốc độ trục chính: 12. + Phạm vi tốc độ trục chính: 44 ÷ 1980 [vg/ph] + Công suất của động cơ truyền động chính: 4,5 [kW] * Chọn dao tiện móc lỗ sâu không thông gắn kim cứng BK8: + Ký hiệu dao: 21526-001 + Chiều dài của dao: L = 150 [mm] 6). Nguyên công 6: Tiện mặt đầu lỗ Ф78 và tiện ren lỗ Ф78 đạt Rz = 40. a). Sơ đồ định vị và kẹp chặt: Định vị và kẹp chặt bằng mâm cặp 4 chấu của máy tiện. Hình 5-7. Sơ đồ định vị và kẹp chặt b). Chọn máy và dao gia công: * Chọn máy: như nguyên công 5. * Chọn dao: - Dao tiện khỏa mặt lỗ gắn mảnh hợp kim cứng có: + Ký hiệu dao: 21524-001. + Chiều dài dao: L = 125 [mm] + Chiều dài gắn hợp kim cứng: a = 12 [mm] - Dao tiện ren hệ mét gắn hợp kim cứng có: + Ký hiệu dao: 26801-004 + Chiều dài dao: L = 150 [mm] + Bước ren: S = 1 [mm] 5.2. Lắp đặt bộ điều tốc biogas lên giá động cơ - máy phát điện + Hàn giá bắt bộ điều tốc biogas lên giá động cơ - máy phát điện. + Thay puly lắp trên bánh đà động cơ bằng puly có thêm rãnh đai đường kính 100 [mm] + Mở nắp trước bộ điều tốc biogas ra và đổ khoảng 20cc dầu bôi trơn động cơ vào bộ điều tốc rồi vặn nắp lại. + Mắc dây đai vào bộ truyền và chỉnh sức căng đai vừa phải và siết chặt các bu lông bắt bộ điều tốc vào giá đỡ. + Quay thử động cơ vài vòng để kiểm tra hoạt động bình thường của bộ truyền đai từ bánh đà qua bộ điều tốc. Hình 5-8. Sơ đồ lắp đặt bộ điều tốc biogas 1. Bộ điều tốc biogas; 2. Đoạn giá hàn thêm để giữ bộ điều tốc biogas; 3. Giá động cơ; 4. Đường ống cấp biogas vào động cơ; 5. Bộ truyền đai; 6. Lò xo điều tốc; 7. Van côn; 8. Đường ống cấp biogas từ bộ phận chứa. 2 1 5 6 7 8 4 3 5.3. Lắp đặt vít hạn chế lượng phun diesel 1 2 3 Hình 5-9. Vị trí lắp đặt vít hạn chế lượng phun diesel 1. Vít hạn chế; 2. Nắp bơm cao áp; 3. Bơm cao áp. 6. Chương trình tính toán bằng phần mềm Visual Basic 6.1. Giới thiệu Phần mềm Visual Basic đã được ra đời từ MSBasic, do Bill Gates viết từ thời dùng cho máy tính 8 bits 8080 hay Z80. Hiện nay nó chứa đến hàng trăm câu lệnh (commands), hàm (functions) và từ khóa (keywords). Khả năng của ngôn ngữ này cho phép những người chuyên nghiệp hoàn thành bất kỳ điều gì nhờ sử dụng ngôn ngữ lập trình MSWindows nào khác. Trong phần này chúng em sử dụng phần mềm VB6 để xây dựng chương trình tính toán lý thuyết để tính toán chu trình nhiệt của động cơ khi sử dụng diesel, khi sử dụng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas) và tính toán các chi tiết trong hệ thống nạp thải, hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ như: tính họng, tính van côn, tính điều tốc bằng cách sử dụng các thông số ở mục 3. 6.2. Form nhiệm vụ của đề tài Hình 6-1. Form trình bày nhiệm vụ của đề tài 6.3. Form các thông số động cơ Trong form này chúng ta nhập vào các thông số của động cơ như công suất, số vòng quay, số kỳ, tỷ số nén...Lựa chọn loại nhiên liệu cần tính, trong đề tài em chỉ giới hạn tính toán cho 2 trường hợp là động cơ sử dụng nhiên liệu diesel và hỗn hợp (diesel + biogas). + Nút “MỞ”: mở một file có sẵn trước đó. + Nút “LƯU”: lưu lại các thông số sau khi nhập xong giúp đơn giản trong các lần tính sau. + Nút “XÓA”: xóa các số liệu nhập vào để nhập lại các số liệu mới. + Nút “TIẾP”: dùng để chuyển sang form tiếp theo. + Nút “THOÁT”: dùng để thoát khỏi chương trình. Hình 6-2. Form các thông số động cơ khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu Hình 6-3. Form các thông số động cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu diesel Sau khi nhập xong các thông số ta nhấn nút “TIẾP” để chuyển sang form tiếp theo. 6.4. Form các thông số của biogas Trong form này ta nhập các thông số của biogas như: nhiệt trị của diesel, suất tiêu hao nhiên liệu khi động cơ sử dụng nhiên liệu diesel và phần trăm năng lượng diesel làm mồi. Sau đó tính các thông số khác hỗn hợp như: lượng diesel và biogas cung cấp, nhiệt trị của hỗn hợp... Ta có thể thay đổi phần trăm năng lượng diesel làm mồi tùy vào từng trường hợp cụ thể hoặc khi cần so sánh các lần tính với nhau. + Nút “QUAY LẠI”: quay lại form trước nó. + Nút “TÍNH”: tính toán các thông số của bioags. Sau khi nhập các thông số vào các mục có màu xanh dương ta lưu lại bằng nút “LƯU” với tên giống như form ở Hình 6-2. Hình 6-4. Form các thông số để tính hỗn hợp Sau khi tính xong các thông số ta nhấn nút “TIẾP” để chuyển sang form tiếp theo. 6.5. Form các thông số chọn Trong form này ta nhập các thông số chọn trong quá trình tính toán như Tk, pk, α...Sau đó lưu lại với tên giống như form Hình 6-3. Trong form này chúng em chỉ giới thiệu các thông số chọn khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas). Chúng ta có thể thay đổi các thông số nhập vào hay nhấn nút “XÓA” để nhập lại toàn bộ các thông số mới. Sau khi nhập xong ta nhấn nút “TIẾP” để chuyển sang form tiếp theo. Hình 6-5. Form các thông số chọn 6.6. Form các kết quả tính toán nhiệt Trong phần này chúng em giới thiệu các form tính toán cho trường hớp động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas), ta có các kết quả như sau: a) Form kết quả nạp: Trong form này chúng ta tính được các thông số của quá trình nạp như: hệ số khí sót γr, hệ số nạp ηv, nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta... Hình 6-6. Form kết quả nạp b). Form kết quả nén Trong form này chúng ta nhập giá trị n1 chọn vào ô màu xanh dương, sau đó nhấn nút “TÍNH”, nếu chỉ số n1 nhập vào hợp lệ và thỏa mãn công thức tính thì nó sẽ tính ra các kết quả còn lại của quá trình nén như: tỷ nhiệt của không khí, áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén. Hình 6-7. Form kết quả nén c). Form kết quả quá trình cháy Hình 6-8. Form kết quả cháy d). Form kết quả giản nở Trong form này chúng ta nhập giá trị n2 chọn vào ô màu xanh dương, sau đó nhấn nút “TÍNH” để tính các kết quả còn lại của quá trình giản nở như: tỷ số giản nở sớm, nhiệt độ và áp suất cuối quá trình cháy... Hình 6-9. Form kết quả quá trình giãn nở e). Form các thông số chỉ thị Hình 6-10. Form các thông số chỉ thị f). Form các thông số có ích Trong form này chúng ta tính được các thông số có ích như: suất tiêu hao nhiên liệu, công suất động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu và độ giảm công suất động cơ. Hình 6-11. Các thông số có ích 6.7. Form tính toán họng Ventury Dựa vào các thông số nhập và tính ở trên ta sẽ tính được các thông số của họng như: đường kính họng, đường kính lỗ cấp biogas... Hình 6-12. Form kết quả tính họng Ventury 6.8. Form tính toán van tiết lưu (van côn) Sau khi chọn các thông số như góc côn, đường kính nhỏ nhất của van (phần màu xanh dương) ta sẽ tính được Dmax và hành trình làm việc L của van. Hình 6-13. Form tính van tiết lưu 6.9. Form tính toán bộ điều tốc Trong phần này chúng em chỉ đưa ra các form để tính bộ truyền đai và tính lò xo điều tốc. a). Form tính bộ truyền đai thang Hình 6-14. Form tính toán bộ truyền đai b). Form tính lò xo Hình 6-15. Form tính toán lò xo điều tốc Trong form này chúng ta tính được đường kính lò xo, chiều dài lò xo, kiểm nghiệm lại độ ổn định của lò xo để từ đó ta chọn được lò xo điều tốc hợp lý. 6.10. Nhận xét + Chương trình này giúp ta kiểm chứng các kết quả ở mục 3 và 4 một cách hiệu quả và chính xác. + Bằng cách thay đổi các phần trăm năng lượng diesel làm mồi ta có thể so sánh các kết quả tính với nhau để rút ra kết quả tối ưu cho từng trường hợp. + Trong phần trên chúng em tính với chất lượng biogas trung bình, nhưng nhờ phần mềm này chúng ta có thể tính toán được với tất cả các nguồn cung cấp biogas có chất lượng khác nhau và so sánh các kết quả đó với nhau. + Bằng cách thay đổi các thông số đầu vào ta có thể tính toán sơ bộ chu trình nhiệt, tính họng, tính van... cho tất cả các loại động cơ khác nhau. 7. Lắp đặt – chạy thử 7.1. Mục đích, yêu cầu của việc thử nghiệm 7.1.1. Mục đích Việc lắp đặt, chạy thử động cơ là khâu quan trọng không thể thiếu sau khi đã thiết kế, chế tạo nhằm đánh giá suất tiêu hao nhiên liệu, độ phát thải ô nhiễm, công suất và độ ổn định của động cơ ở các chế độ tải, tốc độ động cơ khác nhau. Từ đó ta có thể đánh giá được các tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ. Sau khi chạy thử có thể ta phải điều chỉnh lại phương án thiết kế, thay đổi kích thước các chi tiết cải tạo để nâng cao các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật. 7.1.2. Yêu cầu + Chuẩn bị thật kỹ quy trình thử động cơ bao gồm: trang thiết bị, phương pháp thử. + Nguồn cung cấp biogas phải dồi dào và chất lượng biogas phải đạt yêu cầu. + Các kết quả đo phải đảm bảo chính xác và đánh giá đúng thực tế. 7.2. Địa điểm và mô hình lắp đặt thí nghiệm 7.2.1. Địa điểm + Trại chăn nuôi: Hoà Phú - Xã Hoà Ninh, Huyện Hoà Vang, TP Đà Nẵng. + Đặc điểm: Cơ sở phát triển theo quy mô công nghiệp nhiều năm nay, với tổng đàn 27 nghìn con, trong đó có 20 nghìn gà đẻ. Gà được nuôi trong phòng lạnh do đó hạn chế thấp nhất dịch bệnh và ô nhiễm môi trường. Ông Nguyễn Văn Ba, chủ trang trại này hạch toán: Mỗi ngày thu 17-18 nghìn quả trứng. + Hệ thống túi nylông chứa khí ở trang trại là 4 túi chứa. Mỗi túi chứa khoảng 20m3 khí biogas đã lọc khí H2S và CO2. Hình 7-1. Túi nylông chứa khí biogas 7.2.2. Mô hình lắp đặt a). Các bước chuẩn bị Để tiến hành thí nghiệm ta thực hiện các bước như sau: + B1: Kiểm tra mức dầu bôi trơn, nước làm mát, hoạt động của động cơ, hoạt động của bộ điều tốc và các thiết bị đo như cốc đo nhiên liệu, đồng hồ đo điện áp. + B2: Kiểm tra hệ thống cung cấp biogas của trang trại. + B3: Lắp đặt các ống nối từ hệ thống biogas của trại vào động cơ và kiểm tra độ kín khít của toàn hệ thống. + B4: Trong bước này chúng ta thử hoạt động của động cơ khi chạy bằng biogas với lượng phun diesel làm mồi cố định. Trước hết chúng ta cần phải chỉnh vít hạn chế để động cơ có thể chạy không tải bằng diesel, sau đó từ từ mở khóa cấp biogas và chỉnh lại vít hạn chế để động cơ có thể chạy không tải bằng hỗn hợp (diesel + biogas). Hình 7-2. Mô hình lắp đặt hệ thống cung cấp biogas lên động cơ 1. Cốc đo nhiên liệu diesel; 2. Họng ventury; 3. Đường ống cấp biogas vào động cơ; 4. Bộ điều tốc biogas; 5. Van cung cấp biogas; 6. Khóa biogas; 7. Đường ống cung cấp biogas từ bộ phận chứa. 2 1 3 5 4 6 7 b). Mô hình lắp đặt hệ thống c). Quy trình chạy thử nghiệm như sau + B1: Khởi động động cơ bằng diesel + B2: Điều chỉnh lượng phun diesel thấp nhất để máy chạy không tải bằng vít hạn chế lượng phun. + B3: Mở dần van tổng cấp biogas, tốc độ động cơ tăng lên. + B4: Tiếp tục điều chỉnh vít hạn chế lượng phun nhỏ lại chỉ cần đủ để duy trì hoạt động của động cơ. Sau khi động cơ đã hoạt động ổn định ta tiến hành đo tiêu hao nhiên liệu diesel, đo tải cho động cơ và thu kết quả thí nghiệm. 7.3. Kết quả thí nghiệm 7.3.1. Đo tiêu hao nhiên liệu diesel khi chạy không tải bằng hỗn hợp (diesel + biogas) a). Cơ sở lý thuyết + Xác định lượng tiêu hao nhiên liệu để đánh giá chỉ tiêu kinh tế của động cơ khi sử dụng biogas với lượng diesel phun làm mồi cố định. + Trong quá trình thí nghiệm này chúng em tiến hành đo lượng tiêu hao nhiên liệu diesel ở chế độ không tải khi động cơ chạy bằng hỗn hợp (diesel + biogas). b). Sơ đồ lắp đặt: Như Hình 7-2. c). Thiết bị đo Để đo được Gnl thì ta dùng cốc đo. Thang đo nhỏ nhất có thể đo được là 5[ml] và dùng đồng hồ bấm giây để tính thời gian. d). Trình tự tiến hành đo + Bước 1: Chỉnh vít hạn chế nhiên liệu để động cơ hoạt động không tải bằng hỗn hợp (diesel + biogas). + Bước 2: Định mức thể tích của mỗi lần đo là 10ml, chọn móc đo và bấm đồng hồ đo. Sau 10ml thì chúng ta bấm đồng hồ và ghi mức thời gian ra giấy. Chúng ta tiến hành đo 5 lần, mỗi lần đo chúng ta thực hiện các bước 1 và 2 giống như trên. e). Kết quả đo Bảng 7-1. Kết quả đo tiêu hao nhiên liệu diesel khi chạy không tải bằng hỗn hợp (diesel + biogas) TT Thể tích diesel [ml] Thời gian Lưu lượng [kg/h] 1 10 6p9s08 0,082 2 10 5p58s05 0,084 3 10 6p33s13 0,077 4 10 6p1s95 0,083 5 10 5p41s43 0,088 Trung bình 0,083 Khối lượng riêng của diesel là 839 [kg/m3] Sử dụng các công thức tính toán giống như ở mục 3.2.3 ta tính được thành phần phần trăm năng lượng diesel làm mồi là: 6,94 %. 7.3.2. Đo tải máy phát điện a). Cơ sở lý thuyết + Vì động cơ kéo máy phát điện nên ta có thể xác định công suất động cơ thông qua việc xác định công suất máy phát. Hình 7-3. Sơ đồ lắp đặt để đo tải động cơ 1. Động cơ RV70-N; 2. Bộ truyền đai; 3. Máy phát điện; 4. Ổ cắm điện b). Sơ đồ lắp đặt c). Thiết bị đo + Đồng hồ vạn năng: Thiết bị này có thể đo được các thông số như điện áp, cường độ dòng điện và điện trở với các thang đo khác nhau, tùy theo từng trường hợp mà ta chọn thang đo cho phù hợp. Ở đây ta cần đo điện áp nên sẽ chuyển thang đo về vị trí để đo điện áp. Ta cắm hai đầu đo vào ổ cắm sẽ đọc được giá trị của điện áp ra. + Hệ thống gây tải: Để gây tải cho máy phát ta dùng hệ thống bảng điện với 3 bóng đèn loại 1000 (W). Sơ đồ mắc các bóng đèn như sau: Hình 7-4. Sơ đồ mắc các bóng đèn . Giắc cắm d). Tiến hành đo + B1: Khởi động động cơ và chỉnh cho động cơ chạy ổn định bằng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas) + B2: Nối giắc cắm với ổ cắm (4). + B3: Đóng từng khóa K cho bóng đèn sáng. + B4: Mở khóa cấp biogas để đảm bảo U = const tức là n = const. + B5: Đo điện áp. Tiếp tục thực hiện lại các bước từ 3 đến 5 cho tới khi các bóng đèn đều được bật sáng. Nguyên tắc gây tải là phải gây tải từ từ, không được gây tải một cách đột ngột vì như thế sẽ ảnh hưởng xấu tới động cơ. Ở đây ta thay đổi tải bằng cách đóng (mở) khóa K. Mỗi khóa K sẽ điều khiển 1 bóng đèn Đ. e). Kết quả đo Thực tế chúng em đã đo được công suất của động cơ phát ra nằm trong khoảng 3kW. Hình 7-5. Thử tải với 3 và 4 bóng đèn tương đương với 3 và 4kW Bảng 7-2. Bảng kết quả thử tải TT Chế độ tải [W] Điện áp [V] Mức tiêu hao nhiên liệu [kg/h] Tình trạng động cơ 1 1000 226 0,083 Ổn định 2 2000 210 0,083 Ổn định 3 3000 202 0,083 Ổn định 4 4000 165 0,083 Không ổn định 7.4. Nhận xét + Trong quá trình chạy thử nghiệm động cơ hoạt động rất ổn định, khả năng gia tốc nhanh khi tăng, giảm tải. + Các cơ cấu như bộ điều tốc, van côn hoạt động tốt, ổn định. + Kết quả thu được cho thấy mức tiêu hao nhiên liệu diesel khi chạy không tải trong trường hợp động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas) là 6,940% so với khi chạy không tải bằng diesel là 10,062%. + Một khác biệt nữa khi chạy thử với 2 chế độ trên là khả năng phát thải ô nhiễm của biogas là rất ít, khi động cơ chạy bằng diesel nó phát ra khí xả màu đen rất nhiều so với khi chạy bằng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas). Trong khi công suất động cơ trong 2 chế độ vẫn đạt mức tương đương nhau. 8. Kết luận đề tài Khi tiến hành cải tạo động cơ Vikyno diesel RV70-N sang động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas) em thấy: + Từ các kết quả tính cho ở trên thì khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas) các tính năng của động cơ không thay đổi nhiều, công suất giảm ít. + Sử dụng chương trình tính toán bằng Visual Basic giúp chúng ta tính toán và kiểm nghiệm các thông số một cách hiệu quả, bên cạnh đó chương trình này có thể giúp chúng ta tính toán sơ bộ trên các động cơ khác nhau. + Việc cải tạo động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu không làm ảnh hưởng lớn đến kết cấu của động cơ nguyên thủy của nó nên chi phí cải tạo thấp hơn so với việc thiết kế mới hoàn toàn động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu. + Sau khi tính toán xong thì em đã tiến hành chế tạo các bộ phận của hệ thống cung cấp và cho động cơ chạy thử, kết quả cho thấy khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu (diesel + bioags) có nhiều ưu điểm sau: Mức tiêu hao nhiên liệu diesel giảm so với khi chạy bằng diesel, mức phát thải ô nhiễm thấp hơn (cụ thể là khói xả ít có màu đen), trong khi đó động cơ vẫn đảm bảo kéo đủ tải cho máy phát. Tuy nhiên do điều kiện không cho phép nên chúng không thể đo được lưu lượng của khí biogas, công suất biogas...nên chưa thể phản ánh đầy đủ được hết những ưu và nhược điểm của động cơ khi sử dụng bằng lưỡng nhiên liệu. + Vì động cơ RV70-N là động cơ chạy máy phát điện chủ yếu dùng trong các trang trại chăn nuôi cho nên việc cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp biogas là điều rất cần thiết, nó có ứng dụng thiết thực với nhu cầu của người dân. Nếu đề tài này được đưa vào ứng dụng thực tế thì tin chắc rằng nó sẽ giúp cho người dân giảm được các chi phí về năng lượng, giảm giá thành sản xuất và góp phần tích cực trong việc cải thiện đời sống chung. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tất Tiến. “Nguyên lý động cơ đốt trong”. Nhà xuất bản giáo dục. [2] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang. “Tối ưu hóa quá trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu biogas - dầu mỏ”. Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng - số 5(28).2008 [3] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Văn Đông. “Khả năng giảm phát thải co2 ở việt nam nhờ sản xuất điện năng bằng biogas”. Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng - số 1(30).2009 [4] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Trần Thanh Hải Tùng. “Xác định kích thước van cung cấp biogas cho động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel nhiều xi lanh cỡ lớn”. Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng - số 3(32).2009 [5] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh. “Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ dual-fuel biogas/diesel”. Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng - số 2(25).2008 [6] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm. “Thiết kế chi tiết máy”. Nhà xuất bản giáo dục. [7] Trần Văn Dịch, Lưu Văn Nhang, Nguyễn Thanh Mai. “Sổ tay Gia công cơ”. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.