MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Theo EPI (Environmental Performance Index) trong năm 2018, Việt Nam xếp thứ 159 về chất lượng không khí trong tổng số 180 quốc gia. Do đó, có thể nói Việt Nam là một trong 20 quốc gia có mức độ ô nhiễm không khí cao nhất trên thế giới. Cục môi trường đã ban hành và điều chỉnh các luật, thông tư đặc biệt nhằm hạn chế sự phát thải các chất gây hại cho môi trường nói chung và bầu không khí nói riêng như 𝑆𝑂𝑥 , 𝑁𝑂𝑥 , 𝐶𝑂𝑥 , 𝐻𝐶. Hoạt động giao thông vận tải là nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí trong các thành phố lớn ở Việt Nam với xấp xỉ 70%.
Theo ước tính, hoạt động giao thông vận tải cung cấp gần 85% carbon monoxide (CO), 95% VOCs và cung cấp lượng NOx ngang bằng với hoạt động công nghiệp [1]. Loại hình phương tiện chính ở Việt Nam chủ yếu là xe máy và ô tô, do đó vấn đề giảm thiểu khí thải động cơ trong phương tiện giao thông là rất cần thiết cho ngày nay và cả trong tương lai gần. Hiện nay, ở một số nước Châu Âu đã chuyển sang sử dụng và không ngừng nghiên cứu cải tiến ô tô dùng động cơ điện, mặc dù các phương tiện được sử dụng trước đó đã vượt qua sự nghiêm ngặt của tiêu chuẩn khí thải Euro VI. Theo trang tạp chí điện tử Futurism, một số quốc gia như Đức, Thụy Điển, Pháp, Anh còn dự định chấm dứt sử dụng phương tiện dùng nhiên liệu hóa thạch trong khoảng năm 2030 – 2040.
Tuy nhiên, việc chuyển pha từ phương tiện sử dụng động cơ đốt trong sang động cơ điện ở các nước đang phát triển nói chung và khu vực Đông Nam Á nói riêng, trong đó có Việt Nam, là điều không thể thực hiện trong thời gian ngắn. Do đó, việc nghiên cứu tìm các phương hướng giảm phát thải, nâng cao hiệu suất cho động cơ đốt trong vẫn đang được phát triển. Trong đó, phương hướng sử dụng các nhiên liệu sạch như xăng sinh học, biodiesel, biogas cũng như gia tăng xe hybrid đang được đặt biệt quan tâm. Trong vài năm gần đây, động cơ free-piston (FPE : Free-Piston Engine) được tăng cường nghiên cứu và phát triển bởi một số nhóm nghiên cứu trên thế giới [2-9].
Một trong những động lực quan trọng thúc đẩy những nổ lực nghiên cứu trên có thể đến từ 1 sự tiềm năng của động cơ free-piston nhằm cung cấp năng lượng một cách hiệu quả cho xe hybrid. Với sự loại bỏ hoàn toàn cơ cấu trục khuỷu và giảm thiểu đáng kể các thành phần chuyển động, động cơ free-piston mang lại nhiều ưu điểm như: giảm thiểu tổn hao cơ khí, loại bỏ lực ngang của piston, sử dụng được nhiều loại nhiên liệu do có khả năng thay đổi tỉ số nén. Hơn nữa, một số báo cáo cho thấy hiệu suất FPE khá cao, có thể đạt đến 50% khi kết hợp với Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) [10]. Với hiệu suất cao và nhiều ưu điểm nêu trên của FPE, nếu có khả năng kết hợp sử dụng các loại nhiên liệu sạch, sẽ hoàn toàn có thể tạo ra một thế hệ mới cho động cơ đốt trong.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu FPE sử dụng nhiên liệu sinh học như biogas hứa hẹn sẽ là lời giải rất triển vọng cho bài toán giảm phát thải và nâng cao hiệu suất. Luận văn này đề xuất phương pháp nghiên cứu mô phỏng công suất FPE 2 kì sử dụng khí sinh học biogas. Trong giới hạn luận văn, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu và xây dựng mô hình mô phỏng về sự ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần 𝐶𝐻4 trong biogas đến đặc tính công suất động cơ. Đây là cơ sở quan trọng cho việc đánh giá tính khả thi, thiết kế chế tạo và phát triển FPE định hướng sử dụng nhiên liệu biogas.2 Mục tiêu nghiên cứu Luận văn này bao gồm 4 mục tiêu chính sau: Nghiên cứu tổng quan lí thuyết và mô hình toán học của động cơ free-piston trong chế độ vận hành ổn định.
Nghiên cứu tổng quan về đặc tính của khí sinh học biogas. Thiết kế mô hình mô phỏng sự ảnh hưởng của %𝐶𝐻4 trong biogas đến nhiệt động và động lực học piston, từ đó xây dựng công suất theo tốc độ động cơ. Đánh giá kết quả mô phỏng. Bên cạnh đó, mong muốn luận văn này có thể đóng góp được các kết quả nghiên cứu để phát triển và xây dựng một hệ thống động cơ-máy phát free-piston sử dụng khí sinh học biogas nhằm tạo cơ sở vật chất để tiếp tục nghiên cứu trong tương lai.
Ứng dụng FPE vào xe hybrid hoặc dùng như máy phát ở các nông trại chăn nuôi Việt Nam (nơi có sẵn nguồn biogas) là mục tiêu cuối cùng.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn là động cơ free-piston 2 kì loại dual-piston kết hợp với máy phát điện tịnh tiến, định hướng sử dụng nhiên liệu khí sinh học biogas. Phạm vi nghiên cứu của đề tài này chỉ giới hạn trong các điều kiện cụ thể tại Việt Nam (có thể mở rộng đến các quốc gia lân cận cùng kiểu khí hậu).4 Nội dung nghiên cứu Các nội dung nghiên cứu chính của luận văn thực hiện như sau: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động cơ free-piston kiểu dual-piston ở chế độ vận hành ổn định. Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết liên quan đến khí sinh học biogas. Xây dựng mô hình và mô phỏng quá trình quét khí sử dụng CFD trên phần mềm ANSYS, nhằm tạo dữ liệu chuẩn về lượng môi chất nạp vào xy-lanh theo tốc độ động cơ và tính chất biogas.
Dữ liệu này được sử dụng như đầu vào trong mô phỏng bằng Simulink. Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng đặc tính công suất trên MATLAB- Simulink. Đánh giá kết quả mô phỏng.5 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tiếp cận chính trong luận văn này là phương pháp mô hình hóa và mô phỏng, trên cơ sở lý thuyết liên quan đến các đặc tính của biogas và nhiệt động học của động cơ free-piston. Ngoài ra, tác giả cũng tham khảo các công trình nghiên cứu có liên quan và tham khảo ý kiến của các chuyên gia.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Luận văn này xây dựng mô hình mô phỏng về sự ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần 𝐶𝐻4 trong biogas đến đặc tính công suất động cơ, đánh giá tính khả thi việc kết hợp sử dụng nhiên liệu biogas cho động cơ free-piston.
Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu là cơ sở để thiết kế, chế tạo, phát triển hệ thống động cơ-máy phát free-piston sử dụng khí sinh học biogas nhằm ứng 3 dụng ở các nông trại chăn nuôi Việt Nam cũng như tạo cơ sở vật chất để tiếp tục nghiên cứu trong tương lai. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Những nghiên cứu trong nước Do chưa được thương mại hóa cũng như chỉ được nghiên cứu phát triển bởi một vài trường đại học về công nghệ kỹ thuật ngoài nước, FPE vẫn còn khá mới lạ đối với Việt Nam. Các trường đại học như Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp.
Hồ Chí Minh,.đã và đang nghiên cứu về loại động cơ này, tuy nhiên còn khá khiêm tốn. Đề tài luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Tất Trung (Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh) đã thiết kế, chế tạo động cơ free-piston loại đối đỉnh và sử dụng phần mềm mô phỏng CREO để khảo sát độ bền của các chi tiết tại nhiều mức độ khác nhau. Một số ít bài báo của tác giả Nguyễn Bá Hưng và các cộng sự nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến đặc tính hoạt động của FPE, bài báo đã đưa ra quan hệ giữa vận tốc piston và hành trình, các đặc tính về điện năng được tạo ra và so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm [9].
Trong một bài báo khác đồng tác giả, nhóm nghiên cứu cũng đã mô phỏng quá trình quét khí cho FPE hai kì sử dụng phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) [11]. Tuy nhiên, các bài báo này đều được thực hiện tại trường đại học Ulsan, Hàn Quốc.2 Những nghiên cứu ngoài nước Đối với các nghiên cứu trên thế giới, các cơ sở công nghệ để nghiên cứu và xây dựng FPE khá phát triển. Các bản thảo FPE theo single-piston và dual-piston được chế tạo thành sản phẩm thực tế cùng các hệ thống điều khiển và phần mềm cho phép người điều khiển tương tác với máy tính. Các nghiên cứu điều khiển FPE sử dụng linear generator, hydraulic power không chỉ được thực hiện bởi các tập đoàn như Toyota, Volvo, Honda,… mà còn bởi các nhóm nghiên cứu ở các trường đại học.
Trung tâm nghiên cứu Toyota đã công bố một vài sáng chế về FPE, [12] đưa ra một vài thiết kế về single-piston sử dụng bồn nén khí (bounce-chamber) có sự điều chỉnh áp 5 suất như là một phương pháp điều khiển động học của piston. So sánh với động cơ dual- piston, piston được đưa từ ĐCD đến ĐCT nhờ vào áp suất của khí bị nén trong bồn nén khí (nằm đối diện với buồng cháy) một cách linh động, từ đó độ cứng của khí gas (tính chất của khí gas được xem như lò xo: gas spring) được điều chỉnh lại nhờ vào điều khiển lượng khí nạp. Điều này cũng được nghiên cứu bởi DLR (German Aerospace Centre) về lựa chọn tính chất của gas spring sao cho điều khiển động học piston được dễ dàng [13]. Cơ cấu đồng bộ chuyển động piston của động cơ này được thay bằng điều khiển lực phanh điện từ và áp suất của bounch chamber.
Hidemasa phát triển phương pháp điều khiển với việc xác định vận tốc tức thời của piston trong khoảng gần ĐCT để tối ưu đánh lửa nhằm đạt hiệu suất cao [15]. Tác giả Yuichi trình bày phương pháp khởi động cho dual-piston FPE sử dụng phun trực tiếp và đánh lửa cưỡng bức (DISI-FPE). Trong phương pháp này, nhiên liệu được phun vào xy-lanh khi piston nằm trong miền khởi động (start-up range) và áp suất trong xy-lanh bằng áp suất khí trời. Miền khởi động này bằng 1/3 hành trình cực đại dành riêng cho kết cấu của động cơ trong bằng sáng chế.
Một linear generator hoạt động như một motor để đẩy piston trong quá trình khởi động. Các đường đặc tính cho động cơ với hành trình 86mm và đường kính xy-lanh 86mm được xây dựng theo phương pháp khởi động này [16].1: Mô hình FPE của Yoshihiro [14]. 6 Các tập đoàn khác cũng liên kết với các trường đại học trong việc nghiên cứu FPE như Volvo liên kết với Viện Công nghệ Hoàng gia (Royal Institute of Technology) và đại học Chalmers [17].