Tổng quan nghiên cứu

Theo chỉ số Hiệu suất Môi trường (EPI) năm 2018, Việt Nam đứng thứ 159 trong tổng số 180 quốc gia về chất lượng không khí, thuộc nhóm 20 quốc gia có mức độ ô nhiễm không khí cao nhất thế giới. Hoạt động giao thông vận tải chiếm khoảng 70% nguyên nhân gây ô nhiễm không khí tại các thành phố lớn, đóng góp gần 85% lượng carbon monoxide (CO), 95% các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) và lượng NOx tương đương với hoạt động công nghiệp. Trong bối cảnh này, việc giảm thiểu khí thải từ động cơ đốt trong là cấp thiết. Mặc dù các nước phát triển đang chuyển dịch sang phương tiện điện, việc áp dụng rộng rãi tại Việt Nam và khu vực Đông Nam Á còn nhiều hạn chế do điều kiện kinh tế và hạ tầng.

Động cơ free-piston (FPE) được xem là giải pháp tiềm năng nhờ cấu trúc đơn giản, loại bỏ trục khuỷu, giảm tổn hao cơ khí và khả năng sử dụng nhiên liệu sạch như biogas. Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần metan (𝐶𝐻4) trong biogas đến đặc tính công suất của động cơ free-piston hai kỳ loại đối đỉnh. Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi điều kiện Việt Nam, với các trường hợp biogas có tỉ lệ 𝐶𝐻4 từ 40% đến 100% và tốc độ động cơ từ 16,7 Hz đến 83,3 Hz. Mục tiêu nhằm đánh giá hiệu suất nạp, áp suất cháy và công suất chỉ thị, từ đó đề xuất hướng phát triển động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học, góp phần giảm phát thải và nâng cao hiệu quả năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Động cơ free-piston (FPE): Động cơ không có trục khuỷu, piston chuyển động tự do dưới tác động của lực khí thể và lực điện từ từ máy phát tịnh tiến. Loại động cơ hai kỳ đối đỉnh được nghiên cứu với cơ cấu đồng bộ chuyển động piston bằng cơ khí hoặc điều khiển điện tử. Các thông số cơ bản như dung tích xy-lanh 2 × 49,3 cm³, đường kính piston 45 mm, hành trình piston 553,5 mm được sử dụng.

  • Nhiệt động học động cơ: Áp dụng định luật I nhiệt động học, mô hình đoạn nhiệt cho quá trình nén và giãn nở, sử dụng phương trình Wiebe hiệu chỉnh để mô phỏng tốc độ cháy nhiên liệu. Hệ số nén đa biến trung bình 𝑛 được tính toán dựa trên cân bằng nhiệt trong quá trình nén.

  • Khí sinh học biogas: Biogas được giả định là hỗn hợp metan (𝐶𝐻4) và cacbon dioxide (𝐶𝑂2). Các đặc tính vật lý như khối lượng riêng, độ nhớt động học và động lực học được xấp xỉ bằng hàm bậc hai theo nhiệt độ. Phương trình phản ứng cháy lý tưởng của biogas được xây dựng dựa trên tỉ lệ thành phần và nhiệt trị thấp của nhiên liệu.

  • Mô hình động lực học piston: Cân bằng lực theo định luật Newton, bao gồm lực khí thể do chênh lệch áp suất trong xy-lanh, lực điện từ từ máy phát tịnh tiến và lực ma sát. Phương trình động lực học được tuyến tính hóa thành hệ dao động cưỡng bức.

  • Phương pháp mô phỏng CFD: Sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình Navier-Stokes mô tả dòng chảy lưu chất trong quá trình quét khí nạp mới. Mô hình dòng chảy rối 𝑘 − 𝜀 được áp dụng để mô phỏng dòng chảy rối trong xy-lanh.

  • Phần mềm MATLAB-Simulink: Dùng để xây dựng mô hình toán học và mô phỏng đặc tính công suất động cơ dựa trên dữ liệu đầu vào từ mô phỏng CFD.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các thông số kỹ thuật động cơ, đặc tính vật lý của biogas, và kết quả mô phỏng CFD trên phần mềm ANSYS Fluent. Phương pháp nghiên cứu gồm:

  • Mô phỏng CFD: Thiết lập mô hình 3D động cơ free-piston, chia lưới động với các phần tử lục diện, khai báo điều kiện biên phù hợp với các tốc độ động cơ từ 16,7 Hz đến 83,3 Hz và các tỉ lệ 𝐶𝐻4 trong biogas từ 40% đến 100%. Mô phỏng quá trình quét khí nạp mới để thu thập dữ liệu về lưu lượng khối lượng hỗn hợp nạp vào xy-lanh.

  • Mô phỏng nhiệt động học và động lực học: Sử dụng MATLAB-Simulink để xây dựng mô hình toán học dựa trên dữ liệu CFD, mô phỏng áp suất trong xy-lanh, tốc độ cháy nhiên liệu theo phương trình Wiebe, và tính toán công suất chỉ thị của động cơ.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 8/2019 đến tháng 6/2020, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và đánh giá kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các trường hợp mô phỏng được chọn đại diện cho phổ tỉ lệ 𝐶𝐻4 trong biogas và dải tốc độ động cơ phổ biến trong ứng dụng thực tế, đảm bảo tính tổng quát và khả năng áp dụng kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỉ lệ 𝐶𝐻4 đến lượng khí nạp mới: Khi tỉ lệ 𝐶𝐻4 giảm từ 100% xuống 40% tại tốc độ 83,3 Hz, lượng khí nạp mới tăng lên do khối lượng riêng của hỗn hợp giảm, tuy nhiên hiệu suất nạp lại giảm từ 0,8518 xuống 0,7673, tương đương giảm 11,01%. Điều này cho thấy mặc dù lượng khí nạp tăng, hiệu quả trao đổi khí bị suy giảm do đặc tính vật lý của biogas thay đổi.

  2. Áp suất cháy cực đại: Áp suất cháy cực đại tại cùng tốc độ động cơ cao nhất khi sử dụng biogas với 100% 𝐶𝐻4, đạt khoảng 4 N/m² tại 83,3 Hz. Áp suất này giảm dần khi tỉ lệ 𝐶𝐻4 giảm, phản ánh khả năng sinh công của nhiên liệu giảm theo thành phần metan.

  3. Tốc độ cháy nhiên liệu: Tốc độ cháy tăng khi tỉ lệ 𝐶𝐻4 trong biogas tăng, do metan có tính cháy nhanh hơn so với cacbon dioxide. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nhiệt động học và hiệu suất động cơ.

  4. Đặc tính công suất chỉ thị: Công suất chỉ thị của động cơ tăng theo tỉ lệ 𝐶𝐻4 và tốc độ động cơ. Mô hình mô phỏng cho thấy công suất chỉ thị tại 100% 𝐶𝐻4 cao hơn đáng kể so với các trường hợp biogas có tỉ lệ metan thấp hơn, đặc biệt ở tốc độ cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm hiệu suất nạp khi tỉ lệ 𝐶𝐻4 giảm là do đặc tính vật lý của biogas thay đổi, làm giảm khả năng trao đổi khí trong xy-lanh. Áp suất cháy cực đại và tốc độ cháy phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu, trong đó metan đóng vai trò quyết định hiệu suất nhiệt động học. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về động cơ free-piston sử dụng nhiên liệu khí, đồng thời mở rộng ứng dụng cho biogas với các tỉ lệ thành phần khác nhau.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỉ lệ 𝐶𝐻4 và hiệu suất nạp, áp suất cháy cực đại, cũng như công suất chỉ thị theo tốc độ động cơ. Bảng số liệu chi tiết cung cấp giá trị áp suất và hiệu suất tại các điểm mô phỏng giúp so sánh trực quan.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và tối ưu hóa động cơ free-piston sử dụng biogas, đặc biệt trong bối cảnh phát triển nhiên liệu sạch và giảm phát thải tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỉ lệ 𝐶𝐻4 trong biogas sử dụng: Khuyến nghị duy trì tỉ lệ metan trong biogas trên 60% để đảm bảo hiệu suất nạp và công suất động cơ đạt mức tối ưu. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất và quản lý nguồn khí sinh học, thời gian áp dụng trong vòng 1-2 năm.

  2. Phát triển hệ thống điều khiển động cơ thông minh: Áp dụng công nghệ điều khiển điện tử để điều chỉnh quá trình cháy và chuyển động piston nhằm thích ứng với biến đổi thành phần nhiên liệu. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ ô tô, thời gian triển khai 3-5 năm.

  3. Ứng dụng động cơ free-piston trong các nông trại chăn nuôi: Sử dụng nguồn biogas sẵn có tại các nông trại để vận hành máy phát điện free-piston, góp phần giảm phát thải và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Chủ thể thực hiện là các hộ nông dân và doanh nghiệp nông nghiệp, thời gian thực hiện 1-3 năm.

  4. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo: Tăng cường hợp tác giữa các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp để phát triển công nghệ động cơ free-piston sử dụng biogas, đồng thời đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu. Chủ thể thực hiện là các cơ sở giáo dục và tổ chức nghiên cứu, thời gian liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa, mô phỏng và phân tích động cơ free-piston sử dụng nhiên liệu sinh học, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

  2. Doanh nghiệp sản xuất động cơ và thiết bị năng lượng: Thông tin về đặc tính công suất và hiệu suất động cơ free-piston giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm mới, tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng nhiên liệu sạch.

  3. Chính quyền và cơ quan quản lý môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ động cơ sạch, giảm thiểu ô nhiễm không khí và thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo.

  4. Nông dân và doanh nghiệp nông nghiệp: Hướng dẫn ứng dụng công nghệ động cơ free-piston sử dụng biogas tại các nông trại chăn nuôi, tận dụng nguồn khí sinh học sẵn có để sản xuất điện năng và giảm chi phí năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Động cơ free-piston là gì và có ưu điểm gì so với động cơ truyền thống?
    Động cơ free-piston không có trục khuỷu, piston chuyển động tự do dưới tác động lực khí và lực điện từ. Ưu điểm gồm giảm tổn hao cơ khí, loại bỏ lực ngang piston, khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu và hiệu suất cao, có thể đạt đến 50% khi kết hợp với công nghệ HCCI.

  2. Tại sao nghiên cứu sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ free-piston?
    Biogas là nhiên liệu sinh học sạch, có nguồn gốc từ phân hủy kỵ khí chất hữu cơ, giúp giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm. Sử dụng biogas trong động cơ free-piston tận dụng nguồn năng lượng tái tạo, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

  3. Ảnh hưởng của tỉ lệ metan trong biogas đến hiệu suất động cơ như thế nào?
    Tỉ lệ metan cao giúp tăng áp suất cháy cực đại và tốc độ cháy nhiên liệu, từ đó nâng cao công suất và hiệu suất nạp. Khi tỉ lệ metan giảm, hiệu suất nạp giảm khoảng 11% tại tốc độ 83,3 Hz, làm giảm hiệu quả hoạt động của động cơ.

  4. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng để đánh giá đặc tính động cơ?
    Luận văn sử dụng mô phỏng CFD với phương pháp thể tích hữu hạn để mô phỏng dòng chảy khí nạp, kết hợp mô hình nhiệt động học và động lực học piston trên MATLAB-Simulink để tính toán áp suất, tốc độ cháy và công suất chỉ thị.

  5. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu cung cấp cơ sở thiết kế và phát triển động cơ free-piston sử dụng biogas, phù hợp cho các nông trại chăn nuôi có nguồn khí sinh học sẵn có, cũng như ứng dụng trong xe hybrid và máy phát điện sạch, góp phần giảm phát thải và nâng cao hiệu quả năng lượng.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng ảnh hưởng của tỉ lệ 𝐶𝐻4 trong biogas đến đặc tính công suất động cơ free-piston hai kỳ loại đối đỉnh.
  • Kết quả cho thấy hiệu suất nạp giảm 11,01% khi tỉ lệ metan giảm từ 100% xuống 40% tại tốc độ 83,3 Hz, đồng thời áp suất cháy cực đại và công suất chỉ thị cũng giảm theo tỉ lệ metan.
  • Mô hình mô phỏng kết hợp CFD và MATLAB-Simulink cung cấp công cụ đánh giá hiệu quả và thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học.
  • Nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng động cơ free-piston trong lĩnh vực năng lượng sạch, đặc biệt tại Việt Nam và các nước có điều kiện khí hậu tương tự.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu tỉ lệ metan, phát triển hệ thống điều khiển và ứng dụng thực tiễn nhằm thúc đẩy phát triển công nghệ động cơ sạch trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các loại nhiên liệu sinh học khác và điều khiển động cơ free-piston.