## Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và tác động tiêu cực đến môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc nghiên cứu và phát triển các loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong trở thành một xu hướng cấp thiết trên toàn cầu. Theo ước tính, trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ đáp ứng nhu cầu trong khoảng 40-50 năm tới nếu không phát hiện thêm nguồn mới. Động cơ diesel, với ưu điểm hiệu suất cao, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, giao thông vận tải và máy phát điện, tuy nhiên phát thải của nó chứa nhiều chất độc hại như ôxít nitơ (NOx) và hạt bụi mịn (PM).

Ethanol, một loại nhiên liệu sinh học có nguồn gốc tái tạo, được xem là một trong những giải pháp tiềm năng để thay thế nhiên liệu diesel truyền thống nhằm giảm phát thải và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định trạng thái ứng suất cơ - nhiệt của pít tông động cơ diesel tăng áp khi chuyển sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol với tỷ lệ ethanol khoảng 30% về khối lượng. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình mô phỏng động cơ và tính toán trạng thái ứng suất cơ - nhiệt nhằm đánh giá độ bền của pít tông trong điều kiện vận hành mới.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong chế độ công suất định mức của động cơ diesel V12 tăng áp, sử dụng phần mềm GT-Power để mô phỏng chu trình công tác và phần mềm ANSYS để tính toán trạng thái ứng suất cơ - nhiệt. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ động cơ lưỡng nhiên liệu, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

- **Lý thuyết truyền nhiệt trong động cơ đốt trong**: Bao gồm các cơ chế truyền nhiệt dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, ảnh hưởng đến nhiệt độ và ứng suất của các chi tiết động cơ, đặc biệt là pít tông.
- **Lý thuyết ứng suất cơ - nhiệt**: Mô tả trạng thái ứng suất và biến dạng của vật liệu chịu tác động đồng thời của tải trọng cơ học và nhiệt độ thay đổi không đều.
- **Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)**: Sử dụng để mô phỏng và tính toán trường nhiệt độ, ứng suất và biến dạng trong pít tông động cơ, cho phép phân tích chi tiết các vùng chịu tải trọng cao.
- **Mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol**: Xây dựng trên phần mềm GT-Power, mô phỏng chu trình công tác và các đặc tính nhiệt động của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: ứng suất cơ học, ứng suất nhiệt, truyền nhiệt đối lưu, truyền nhiệt dẫn nhiệt, hệ số truyền nhiệt, mô hình phần tử hữu hạn, và trạng thái ứng suất cơ - nhiệt.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu**: Dữ liệu đầu vào bao gồm các thông số kỹ thuật của động cơ diesel V12 tăng áp, tính chất vật liệu pít tông, đặc tính nhiên liệu diesel và ethanol, cùng các thông số nhiệt động thu được từ mô phỏng GT-Power.
- **Phương pháp phân tích**: 
  - Mô phỏng chu trình công tác động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol bằng phần mềm GT-Power để thu thập các thông số nhiệt độ, áp suất và hệ số trao đổi nhiệt.
  - Xây dựng mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn của pít tông trên phần mềm ANSYS.
  - Tính toán trường nhiệt độ và ứng suất cơ - nhiệt của pít tông dựa trên dữ liệu đầu vào từ mô phỏng GT-Power.
  - Phân tích kết quả mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol đến trạng thái ứng suất và độ bền của pít tông.
- **Timeline nghiên cứu**: Quá trình nghiên cứu kéo dài gần hai năm, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol đến nhiệt độ môi chất công tác**: Khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol với tỷ lệ ethanol khoảng 30% khối lượng, nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh giảm nhẹ so với sử dụng diesel thuần túy, dao động trong khoảng 310-420 K ở cuối quá trình nạp và đạt tới 1750-2800 K trong quá trình cháy.
- **Trạng thái ứng suất cơ - nhiệt của pít tông**: Mô phỏng cho thấy ứng suất cơ - nhiệt tập trung cao nhất tại các vùng tiếp xúc với buồng cháy và vùng cầu nối giữa các chi tiết, với giá trị ứng suất nhiệt chiếm khoảng 20-35% tổng ứng suất. Ứng suất cơ học và nhiệt độ phân bố không đồng đều, gây ra biến dạng và có thể dẫn đến mỏi vật liệu.
- **So sánh với dữ liệu thực nghiệm và nhà sản xuất**: Kết quả mô phỏng các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 tăng áp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol tương đối phù hợp với số liệu của nhà sản xuất, sai số trong khoảng 5-10%, chứng tỏ tính khả thi và độ chính xác của mô hình.
- **Ảnh hưởng của lưỡng nhiên liệu đến hiệu suất và phát thải**: Việc bổ sung ethanol làm tăng hàm lượng ô xi trong nhiên liệu, cải thiện đặc tính cháy và giảm phát thải các chất độc hại như NOx và PM, đồng thời duy trì hiệu suất động cơ ổn định.

### Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự thay đổi trạng thái ứng suất cơ - nhiệt là do ethanol có nhiệt ẩn bay hơi cao và số Cetane thấp, làm thay đổi quá trình cháy và nhiệt độ trong xi lanh. Việc giảm nhiệt độ môi chất công tác góp phần giảm ứng suất nhiệt, kéo dài tuổi thọ pít tông. So với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào động cơ đánh lửa cưỡng bức, nghiên cứu này mở rộng ứng dụng cho động cơ diesel tăng áp, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố nhiệt độ và ứng suất trên bề mặt pít tông, bảng so sánh các chỉ tiêu công tác giữa các chế độ nhiên liệu, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Tăng cường nghiên cứu và phát triển công nghệ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol**: Đẩy mạnh ứng dụng mô hình mô phỏng để tối ưu tỷ lệ pha trộn ethanol, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm phát thải, thực hiện trong vòng 2-3 năm tới, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghiệp động cơ thực hiện.
- **Cải tiến thiết kế pít tông và các chi tiết chịu nhiệt**: Áp dụng kết quả mô phỏng để điều chỉnh vật liệu và cấu trúc pít tông, tăng khả năng chịu nhiệt và ứng suất, giảm thiểu hư hỏng do mỏi, triển khai trong giai đoạn thiết kế sản xuất động cơ mới.
- **Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho nhiên liệu lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol**: Thiết lập các tiêu chuẩn về tỷ lệ pha trộn, tính chất nhiên liệu và điều kiện vận hành phù hợp, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả, phối hợp giữa cơ quan quản lý nhà nước và ngành công nghiệp.
- **Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ sư và kỹ thuật viên**: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành và bảo dưỡng động cơ lưỡng nhiên liệu, giúp nâng cao năng lực vận hành và bảo trì, thực hiện thường xuyên tại các trung tâm đào tạo kỹ thuật.
- **Thúc đẩy chính sách hỗ trợ phát triển nhiên liệu sinh học**: Khuyến khích đầu tư và phát triển nguồn nguyên liệu ethanol sinh học, giảm giá thành sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng rộng rãi nhiên liệu lưỡng nhiên liệu, thực hiện bởi các cơ quan chính phủ và doanh nghiệp.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực**: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp mô phỏng ứng suất cơ - nhiệt, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển nghiên cứu sâu hơn về động cơ lưỡng nhiên liệu.
- **Doanh nghiệp sản xuất và thiết kế động cơ**: Tham khảo để cải tiến thiết kế pít tông và hệ thống nhiên liệu, nâng cao hiệu suất và độ bền động cơ khi sử dụng nhiên liệu sinh học.
- **Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng**: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách phát triển nhiên liệu sinh học, thúc đẩy đa dạng hóa nguồn năng lượng và bảo vệ môi trường.
- **Trung tâm đào tạo kỹ thuật và vận hành động cơ**: Áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu trong đào tạo kỹ thuật viên, nâng cao năng lực vận hành và bảo dưỡng động cơ lưỡng nhiên liệu.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol là gì?**  
   Lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol là sự kết hợp giữa nhiên liệu diesel truyền thống và ethanol sinh học, thường với tỷ lệ ethanol khoảng 30% về khối lượng, nhằm cải thiện hiệu suất và giảm phát thải.

2. **Tại sao cần nghiên cứu trạng thái ứng suất cơ - nhiệt của pít tông?**  
   Vì pít tông chịu tác động đồng thời của tải trọng cơ học và nhiệt độ cao, trạng thái ứng suất ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ của chi tiết này trong động cơ.

3. **Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?**  
   Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chi tiết trường nhiệt độ và ứng suất trong pít tông với độ chính xác cao, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của nhiên liệu mới đến cấu trúc chi tiết.

4. **Ảnh hưởng của ethanol đến hiệu suất động cơ diesel như thế nào?**  
   Ethanol có hàm lượng ô xi cao giúp cải thiện quá trình cháy, giảm phát thải NOx và PM, đồng thời duy trì hoặc nâng cao hiệu suất động cơ trong điều kiện vận hành phù hợp.

5. **Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?**  
   Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để thiết kế lại chi tiết động cơ, điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu, và xây dựng tiêu chuẩn vận hành, từ đó nâng cao hiệu quả và độ bền động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu.

## Kết luận

- Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng trạng thái ứng suất cơ - nhiệt của pít tông động cơ diesel V12 tăng áp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol với tỷ lệ ethanol khoảng 30%.  
- Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố không đồng đều của ứng suất cơ - nhiệt, tập trung tại các vùng chịu tải cao, ảnh hưởng đến độ bền của pít tông.  
- Việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu bổ sung giúp giảm nhiệt độ môi chất công tác và phát thải độc hại, đồng thời duy trì hiệu suất động cơ ổn định.  
- Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với mô phỏng chu trình công tác bằng GT-Power là công cụ hiệu quả để nghiên cứu và phát triển động cơ lưỡng nhiên liệu.  
- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách nhằm thúc đẩy ứng dụng nhiên liệu sinh học trong động cơ diesel, góp phần bảo vệ môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng.

**Hành động tiếp theo**: Triển khai thử nghiệm thực tế dựa trên mô hình mô phỏng, mở rộng nghiên cứu với các tỷ lệ nhiên liệu khác nhau và các loại động cơ khác. Kêu gọi sự hợp tác giữa các viện nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý để phát triển công nghệ động cơ lưỡng nhiên liệu tại Việt Nam.