Nghiên cứu và đề xuất phương án thiết kế động cơ không trục khuỷu tại HCMUTE

• Tác giả: Nguyễn Văn Trạng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Đề Xuất Phương Án Thiết Kế Mẫu Động Cơ Không Trục Khuỷu
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp trường
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• Danh mục hình
• Danh mục bảng
• Danh mục chữ viết tắt và ký hiệu
• Thông tin kết quả nghiên cứu
• 1. Chương 1: Tình hình về năng lượng và môi trường
• 1.1. Cùng với quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá của đất nước, nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển cho nên nhu cầu vận chuyển hàng hóa đường bộ ngày càng tăng cao
• 1.2. Sự phát triển của các nền kinh tế kéo theo sự phát triển nhiều mặt của xã hội
• 1.3. Bên cạnh lợi ích vận chuyển hàng hóa nhanh chóng, thúc đẩy sự phát triển kinh tế và nhiều mặt khác của xã hội, phương tiện giao thông cũng tồn tại những hạn chế nhất định như phát thải ô nhiễm gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con và môi trường, góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính, tạo ra nhiều sự phức tạp trong biến đổi khí hậu
• 1.4. Sự khai thác quá mức hiện nay đã làm sụt giảm đáng kể nguồn nhiên liệu hóa thạch, ngoài việc ảnh hưởng đến an ninh năng lượng toàn cầu nó còn gây mất cân bằng hệ địa chất, gây ra nhiều ảnh hưởng đến sự sống của muôn loài trên trái đất
• 1.5. Để cải thiện hiệu suất của động cơ đốt trong, đồng thời đảm bảo được sự phát triển bền vững của nó về khía cạnh năng lượng và môi trường, điều này luôn đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà nghiên cứu
• 1.6. Thách thức thứ hai được đặt ra ở đây là về ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến tình trạng sức khỏe con người, hiệu ứng nhà kính
• 1.7. Biểu đồ lượng phát thải CO2 / người trong một năm ở Việt Nam qua các năm
• 1.8. Theo như bảng số liệu trên nếu so sánh với một quốc gia đang phát triển khác trong khối ASEAN là Phillipines thì từ năm 2002 Việt Nam đã vượt qua Phillipines về lượng phát thải
• 1.9. Hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển các động cơ thế hệ mới để sử dụng một cách hiệu quả nhiên liệu là cần thiết và cấp bách
• 1.10. Trước tình hình đó từ lâu các nhà khoa học kỹ thuật của nước ta cũng như trên thế giới đã và đang nghiên cứu đưa các nguồn năng lượng sạch vào động cơ đốt trong để hoạt động
• 1.11. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu phát triển còn đi theo hướng năng lượng sạch là năng lượng điện
• 1.12. Song bên cạnh đó giải pháp này vẫn chưa đạt được tối ưu hóa vì còn gặp phải các vấn đề bất cập là bộ pin lưu trữ năng lượng
• 1.13. Để giải tận dụng triệt để nguồn công suất từ động cơ phát ra, một số giải pháp liên quan đến hệ thống phanh tái sinh được áp dụng để thu hồi năng lượng trong quá trình phanh xe
• 1.14. Với đòi hỏi việc tiết kiệm nhiên liệu và quy định nghiêm ngặt của các tiêu chuẩn khí thải các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến việc cải tiến công nghệ động cơ đốt trong truyền thống để ứng dụng chuyển đổi năng lượng hóa thạch thành năng lượng điện
• 1.15. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu và đề xuất phương án thiết kế mẫu động cơ không trục khuỷu” đã được đề xuất nhằm góp một phần tận dụng được nguồn nhiên liệu sinh học dư thừa từ các vùng nông thôn vận hành phát điện phục vụ sinh hoạt và sản xuất, giảm dần sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch như hiện nay
• 1.16. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đề tài
• 1.16.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.16.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• Tài liệu tham khảo

I. Giới thiệu về Thiết kế động cơ không trục khuỷu từ HCMUTE

Đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu và đề xuất phương án thiết kế mẫu động cơ đốt trong không trục khuỷu” từ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc thiết kế động cơ không trục khuỷu, một công nghệ động cơ hứa hẹn hiệu suất cao và khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu, đặc biệt là năng lượng tái tạo như biogas. Nghiên cứu này giải quyết vấn đề cấp thiết về năng lượng và môi trường, hướng đến sự phát triển bền vững. Việc sử dụng biogas từ nông thôn sẽ giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, góp phần bảo vệ môi trường. Động cơ không trục khuỷu được xem là một giải pháp tiềm năng thay thế cho động cơ đốt trong truyền thống.

1.1 Bối cảnh nghiên cứu về Động cơ không trục khuỷu

Việc tiêu thụ nhiên liệu trong lĩnh vực giao thông vận tải đang tăng cao, dẫn đến sự cạn kiệt nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch và gia tăng ô nhiễm môi trường. Động cơ đốt trong truyền thống gây ra nhiều vấn đề về khí thải, bao gồm CO2, CO, NOx, SO2 và hydrocarbon. Điều này đòi hỏi cần có những giải pháp mới để cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm. Nghiên cứu về động cơ không trục khuỷu (Free Piston Engine - FPE) là một hướng đi quan trọng nhằm giải quyết những thách thức này. FPE có tiềm năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu, bao gồm cả biogas, một nguồn năng lượng tái tạo dồi dào ở các vùng nông thôn. Nghiên cứu này đóng góp vào việc tìm kiếm giải pháp năng lượng bền vững và giảm thiểu tác động đến môi trường.

1.2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu động cơ không trục khuỷu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là tính toán và xác định các thông số quan trọng để lựa chọn phương án thiết kế phù hợp cho động cơ đốt trong không trục khuỷu, định hướng ứng dụng trong phát điện. Nghiên cứu bao gồm việc phân tích các cơ chế hoạt động của động cơ không trục khuỷu, xây dựng mô hình toán học để phân tích động lực học và nhiệt động lực học. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn, sử dụng phần mềm thiết kế CAD và các công cụ phân tích động lực học. Kết quả nghiên cứu sẽ là một giải pháp thiết kế khả thi cho động cơ không trục khuỷu, góp phần vào việc phát triển công nghệ động cơ thân thiện với môi trường.

II. Phân tích thiết kế động cơ không trục khuỷu

Phần này tập trung vào thiết kế chi tiết của động cơ không trục khuỷu. Bao gồm việc lựa chọn vật liệu, thiết kế các chi tiết chính như piston, xylanh, hệ thống truyền động. Phân tích động lực học và nhiệt động lực học được thực hiện để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của động cơ. Mô phỏng bằng phần mềm thiết kế CAD cho phép tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu lỗi. Kết quả phân tích cung cấp cơ sở cho việc sản xuất nguyên mẫu động cơ.

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ không trục khuỷu

Động cơ không trục khuỷu hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu thành năng lượng cơ học, khác với động cơ piston truyền thống, động cơ không trục khuỷu không sử dụng trục khuỷu để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay. Cấu tạo bao gồm các bộ phận chính: piston, xy lanh, hệ thống điều khiển khí, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng lực đẩy khí tạo ra từ quá trình cháy để truyền động trực tiếp lên các bộ phận khác, giúp đơn giản hoá cấu tạo và tăng hiệu suất. Ưu điểm của động cơ không trục khuỷu là khả năng hoạt động ở tần số cao, hiệu suất cao, tiếng ồn thấp, độ rung thấp.

2.2 Phân tích tính toán và tối ưu hóa thiết kế động cơ không trục khuỷu

Việc tính toán nhiệt động lực học và động lực học cho phép xác định các thông số kỹ thuật quan trọng của động cơ không trục khuỷu. Phân tích ứng suất, biến dạng và mỏi được thực hiện để đảm bảo độ bền của các chi tiết. Mô phỏng bằng phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamics) giúp tối ưu hóa quá trình cháy và làm mát. So sánh với động cơ piston truyền thống giúp đánh giá hiệu quả của thiết kế động cơ không trục khuỷu. Mục tiêu là đạt được hiệu suất cao, độ tin cậy cao và giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế và phân tích động cơ không trục khuỷu. Kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng của động cơ không trục khuỷu trong sản xuất điện, đặc biệt là ở các vùng nông thôn có nguồn biogas dồi dào. Tuy nhiên, vẫn còn một số thách thức cần được giải quyết trong tương lai, bao gồm việc tối ưu hóa hiệu suất, giảm chi phí sản xuất và nâng cao độ bền.

3.1 Ứng dụng và tiềm năng phát triển của động cơ không trục khuỷu

Động cơ không trục khuỷu có nhiều ứng dụng tiềm năng trong tương lai, bao gồm sản xuất điện phân tán, hệ thống hybrid, xe điện. Việc sử dụng biogas làm nhiên liệu giúp giảm ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn năng lượng tái tạo. Tiềm năng phát triển phụ thuộc vào việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật và kinh tế. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc nâng cao hiệu suất, giảm chi phí và cải tiến độ bền của động cơ không trục khuỷu.

3.2 Kiến nghị cho nghiên cứu và phát triển động cơ không trục khuỷu

Cần có sự đầu tư nghiên cứu sâu hơn về công nghệ động cơ không trục khuỷu. Hỗ trợ tài chính và chính sách cho các nghiên cứu và phát triển công nghệ động cơ thân thiện với môi trường. Đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao về thiết kế động cơ không trục khuỷu và các công nghệ động cơ tương tự. Tăng cường hợp tác quốc tế để tiếp cận với công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực này. Xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình sản xuất cho động cơ không trục khuỷu.