Chương 1. Tình hình về năng lượng và môi trường 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. Sự phát triển của các nền kinh tế kéo theo sự phát triển nhiều mặt của xã hội. 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.
Vì thế, việc nghiên cứu những giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay. 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. 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. 2252 Mtoe 3840 Mtoe Hình 1.1 Tỉ lệ sử dụng nhiên liệu trong các lĩnh vực khác nhau trên toàn cầu [1] Theo như Hình 1.1 thì tiêu thụ xăng dầu trong lĩnh vực giao thông vận tải đường bộ từ năm 1973 tới năm 2015 luôn chiếm tỉ trọng lớn nhất và thậm chí còn tăng thêm gần 10 Luan van 19 % (từ 30,8 % đến 49,7 %).
Lĩnh vực hàng không thì tăng 2,1 % còn lĩnh vực hàng hải thì giảm nhẹ.1 Thống kê số lượng các loại xe cơ giới trên toàn cầu gia đoạn 2009-2015 của tổ chức các nhà sản xuất ô tô thế giới Năm 2009 2010 2012 2013 2014 2015 Lượng xe 1. Theo thống kê của Cơ quan năng lượng thế giới IEA (International Energy Agency) thì lượng tiêu thụ xăng dầu tính theo nguồn năng lượng mà loại nhiên liệu này sinh ra có đơn vị Mtoe (1 Mtoe = 11. 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. Khi làm việc, cơ đốt trong gây phát thải nhiều thành phẩn gây ô nhiễm môi trường như: cacbon dioxide (CO2), cacbon monoxit (CO), nitric oxides (NO và NO2), sulfur dioxide (SO₂), các hợp chất hidrocacbons và chất này với hàm lượng cao sẽ gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, môi trường và bầu khí quyển (gây nên các hiệu ứng nhà kính, ảnh hưởng đến tầng ozon,…).
Đây là một trong những thách thức to lớn cho trong các lĩnh vực về động cơ đốt trong, năng lượng và môi trường.2 Biểu đồ lượng phát thải CO2 / nguời trong một năm ở Việt Nam qua các năm (Dữ liệu từ Ngân hàng Thế giới, cập nhật lần cuối: 6 thg 7, 2018). 11 Luan van 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. Ở nước ta, Thủ đô Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh có mức ô nhiễm cao nhất nước, theo như báo cáo có tới 80% là đến từ lượng phương tiện cá nhân kết hợp với việc tắc đường vào giờ cao điểm. Nước ta đang đẩy mạnh phát triển các ngành công nghiệp, trong đó có ngành công nghiệp giao vận tải.
Điều này càng tăng áp lực lên môi trường và đến sức khỏe con người bởi lượng khí thải ngày một tăng, tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn, trong đó có Thành phố Hồ Chí Minh. 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. 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 như: khí CNG (Compressed Natural Gas), khí HHO, khí sinh học có nguồn gốc từ động thực vật (biogas) và sử dụng chất phụ gia nhiên liệu, hệ thống tăng áp, hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR). Ngoài ra, các nhà nghiên cứu phát triển còn đi theo hướng năng lượng sạch là năng lượng điện, ta cũng dễ dàng bắt gặp nhiều thiết bị và các nhà máy tạo ra năng lượng điện như hệ thống tuabin gió, hệ thống năng lượng mặt trời, nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện ở ngoài thực tế và ứng dụng một cách mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực đời sống, công nghiệp.
Trong đó có ngành công nghiệp ô tô với hướng phát triển xe điện tiên phong là hãng xe Tesla công ty được thành lập từ năm 2004, tiếp đến là các hãng xe khác và trước đó là kỷ nguyên của xe lai của Toyota từ năm 1997 đã giải quyết được một phần nào hai thách thức nguồn tài nguyên dự trữ cạn kiệt và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 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. Mặc dù các tập đoàn lớn như Toyota (Nhật Bản), Volkwagen (CHLB Đức), BYD (Trung Quốc), Samsung và LG (Hàn Quốc) …đã và đang nghiên cứu pin thể rắn có dung lượng chứa cao hơn 2-5 lần, thời gian sạc nhanh hơn từ 6-10 lần so với pin thể lỏng có khối lượng và kích thước tương tự. Nhưng đây là một công nghệ mới xuất hiện và đang trong quá trình phát triển, nên chi phí sản xuất ra loại pin thể rắn rất tốn kém.
Nên hiện nay toàn bộ các xe điện, xe lai chỉ sử dụng công nghệ pin Lithium, còn gọi là pin thể lỏng. Khả năng lưu trữ năng lượng của pin thấp, nếu muốn tăng dung lượng chứa thì khối lượng và kích thước của pin sẽ trở nên lớn, dẫn đến 12 Luan van khả năng vận hành của xe kém, chiếm nhiều không gian khoang hành lý, chi phí sản xuất cao. Nên quãng đường đi bị hạn chế, đòi hỏi các phương tiện phải có thời gian nạp năng lượng từ các trạm điện hoặc mạng điện lưới sinh hoạt hiện nay. Với tình hình nước ta hiện nay hơn 2,7 triệu xe ô tô nếu số xe này đều chuyển qua chạy điện thì mỗi tối 2,7 triệu xe này lấy nguồn từ lưới điện sinh hoạt để nạp vào pin thì lượng điện năng tiêu thụ không hề nhỏ.
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. 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. Điều này đã dẫn đến sự ra đời của động cơ không trục khuỷu – Free Piston Engine (FPE) là loại động cơ thế hệ mới có hiệu suất và công suất cao, thiết bị chuyển đổi năng lượng tối ưu và có khả năng sử dụng được nhiều loại nhiên liệu. 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 liêu 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.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đề tài 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Gần đây việc các công ty và tập đoàn sản xuất ô tô lớn đang có xu thế phát triển theo hướng xe điện, xe lai. Trong đó có hãng xe khá mới của nước ta là Vinfast sản xuất những loại xe máy điện như Klara, Impes, Ludo và tương lai sẽ phát triển ô tô điện, ngoài ra còn rất nhiều sản phẩm xe điện, xe lai khác trong nước đang đợi thương mại hóa. Điều đó cho thấy thị trường xe điện, xe lai ở nước ta ngày càng được mở rộng và phát triển.
Để đáp ứng về nhu cầu đó các trung tâm nghiên cứu và thiết kế ra đời ngày một nhiều. Ngoài các công ty, tập đoàn sản xuất xe thì các nghiên cứu về ô tô hydrid, ô tô điện, ô tô sử dụng nhiên liệu sinh học, động cơ piston tự do (FPEG - Free piston engine linear generator) cũng đã được các nhà nghiên cứu trong nước quan tâm. Các nhà nghiên cứu chủ yếu là các nhà khoa học từ các trường Đại học lớn trong nước như: Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Đại học Bách 13 Luan van khoa Đà Nẳng,…Tuy nhiên, các nghiên cứu về FPEG hiện nay khá khiêm tốn, chưa có các công bố chính thức trong nước. Ngoài ra, Việt Nam là một nước nông nghiệp có nguồn năng lượng sinh học vô cùng dồi dào từ các phụ phẩm nông nghiệp như cồn, biogas,…Trong đó, một trong những nguồn năng lượng vô cùng to lớn mà chưa được sử dụng triệt để hiện nay đó là nhiên liệu biogas.
Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu phát triển động cơ đốt trong không trục khuỷu phát điện tuyến tính (FPEG) sử dụng nhiên liệu khí sinh học (Biogas)” là rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học. Chính vì thế, đề tài không những góp phần quan trọng vào việc phát triển thế hệ động cơ đốt trong hiệu suất cao định hướng ứng dụng cho mục đích phát điện tại các khu vực vùng sâu và thừa nguồn biogas, đồng thời giải quyết bài toán ô nhiễm môi trường. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Vào những năm giữa của thế kỷ 20 (1930-1960) FPE được ứng dụng mạnh mẽ bởi ông R.P Pescara, ông đã thành ra một lập cục kỹ thuật và được rất nhiều người quan tâm đến. Với thiết kế động cơ gồm hai piston được liên kết cơ học để đảm bảo chuyển động đối xứng, thiết kế nhỏ gọn ít ồn, ít rung và nó được ứng dụng làm máy nén khí ứng dụng chạy tuabin máy phát điện cho ngành hàng hải.