Luận văn thạc sĩ về mô phỏng công suất động cơ freepiston với biogas trong kỹ thuật cơ khí

• Tác giả: Hồ Văn Phúc
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Thanh Công
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng công suất động cơ free-piston sử dụng biogas
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Những nghiên cứu trong nước
• 2.2. Những nghiên cứu ngoài nước
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Động cơ free-piston
• 3.1.1. Giới thiệu chung
• 3.1.2. Nhiệt động học
• 3.1.3. Động lực học
• 3.2. Khí sinh học biogas
• 3.3. Cơ sở lý thuyết về CFD
• 3.4. Phương trình Navier-Stokes
• 3.5. RANS và mô hình chảy rối 𝑘 − 𝜀
• 3.6. Giới thiệu phần mềm MATLAB-Simulink
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG
• 4.1. Điều kiện biên
• 4.2. Mô phỏng quá trình quét khí nạp mới
• 4.2.1. Phương pháp chia lưới
• 4.2.2. Thực hiện mô phỏng
• 4.3. Mô phỏng áp suất chỉ thị
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 5.1. Ảnh hưởng phần trăm 𝐶𝐻4 đến quá trình quét khí
• 5.1.1. Lượng khí nạp mới
• 5.1.2. Hiệu suất nạp
• 5.2. Ảnh hưởng đến quá trình nhiệt động học
• 5.2.1. Áp suất chỉ thị
• 5.2.2. Công suất chỉ thị
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. Tổng quan về nghiên cứu mô phỏng công suất động cơ freepiston sử dụng biogas

Nghiên cứu mô phỏng công suất động cơ freepiston sử dụng biogas là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn trong ngành kỹ thuật cơ khí. Động cơ freepiston (FPE) được xem là một giải pháp tiềm năng cho việc cải thiện hiệu suất và giảm phát thải khí nhà kính. Việc sử dụng biogas, một nguồn năng lượng tái tạo, không chỉ giúp giảm ô nhiễm mà còn tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc xây dựng mô hình mô phỏng và phân tích các đặc tính công suất của động cơ FPE khi sử dụng biogas.

1.1. Động cơ freepiston và tiềm năng của biogas

Động cơ freepiston là một loại động cơ không có trục khuỷu, giúp giảm thiểu tổn hao cơ khí. Biogas, với thành phần chính là methane (𝐶𝐻4), có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ này. Việc nghiên cứu sự kết hợp giữa FPE và biogas hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất và bảo vệ môi trường.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng biogas trong động cơ FPE

Sử dụng biogas trong động cơ freepiston không chỉ giúp giảm phát thải khí độc hại mà còn tận dụng nguồn năng lượng tái tạo. Biogas có thể được sản xuất từ chất thải hữu cơ, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra năng lượng sạch cho các ứng dụng công nghiệp và dân dụng.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu động cơ freepiston sử dụng biogas

Mặc dù động cơ freepiston có nhiều ưu điểm, nhưng việc áp dụng biogas làm nhiên liệu vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như hiệu suất nạp, áp suất cháy và khả năng hoạt động ổn định của động cơ cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. Đặc biệt, tỉ lệ thành phần 𝐶𝐻4 trong biogas ảnh hưởng lớn đến hiệu suất động cơ.

2.1. Thách thức về hiệu suất nạp khi sử dụng biogas

Hiệu suất nạp của động cơ freepiston khi sử dụng biogas có thể bị ảnh hưởng bởi tỉ lệ thành phần 𝐶𝐻4. Nghiên cứu cho thấy rằng khi tỉ lệ 𝐶𝐻4 giảm, hiệu suất nạp cũng giảm theo, điều này cần được khắc phục để tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

2.2. Vấn đề áp suất cháy trong động cơ freepiston

Áp suất cháy là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ. Nghiên cứu cho thấy rằng áp suất cháy cao nhất đạt được khi sử dụng biogas với tỉ lệ 100% 𝐶𝐻4. Việc điều chỉnh tỉ lệ này là cần thiết để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả.

III. Phương pháp mô phỏng công suất động cơ freepiston sử dụng biogas

Phương pháp mô phỏng được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm việc xây dựng mô hình toán học và sử dụng phần mềm CFD để mô phỏng quá trình quét khí. Mô hình này sẽ giúp đánh giá các đặc tính công suất của động cơ freepiston khi sử dụng biogas với các tỉ lệ khác nhau của 𝐶𝐻4.

3.1. Xây dựng mô hình toán học cho động cơ freepiston

Mô hình toán học được xây dựng dựa trên các nguyên lý nhiệt động học và động lực học của động cơ freepiston. Mô hình này sẽ giúp phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ khi sử dụng biogas.

3.2. Sử dụng phần mềm CFD trong mô phỏng

Phần mềm CFD sẽ được sử dụng để mô phỏng quá trình quét khí trong động cơ freepiston. Qua đó, dữ liệu về lượng khí nạp và áp suất trong xylanh sẽ được thu thập, giúp đánh giá hiệu suất động cơ một cách chính xác.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của động cơ freepiston

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng biogas với tỉ lệ 𝐶𝐻4 cao sẽ mang lại hiệu suất tốt nhất cho động cơ freepiston. Các ứng dụng thực tiễn của động cơ này có thể bao gồm việc sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo tại các nông trại chăn nuôi.

4.1. Đánh giá hiệu suất động cơ freepiston

Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất động cơ freepiston giảm khi tỉ lệ 𝐶𝐻4 giảm từ 100% xuống 40%. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa tỉ lệ 𝐶𝐻4 trong biogas để đạt được hiệu suất cao nhất.

4.2. Ứng dụng động cơ freepiston trong nông nghiệp

Động cơ freepiston sử dụng biogas có thể được ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tại nông trại, giúp cung cấp điện năng cho các thiết bị và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đây là một giải pháp bền vững cho ngành nông nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu mô phỏng công suất động cơ freepiston sử dụng biogas đã chỉ ra rằng đây là một hướng đi tiềm năng cho ngành kỹ thuật cơ khí. Việc tối ưu hóa tỉ lệ 𝐶𝐻4 trong biogas sẽ là chìa khóa để nâng cao hiệu suất động cơ và giảm phát thải khí nhà kính.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng động cơ freepiston có thể hoạt động hiệu quả với biogas, đặc biệt là khi tỉ lệ 𝐶𝐻4 cao. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các hệ thống năng lượng sạch.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất động cơ freepiston và phát triển các công nghệ mới để tối ưu hóa việc sử dụng biogas. Điều này sẽ góp phần vào việc phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.