nghiên cứu động cơ stirling sử dụng nhiệt thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ QUỐC VIỆT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLING SỬ DỤNG NHIỆT THẢI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

S K C0 0 4 4 3 4

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ QUỐC VIỆT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLING
SỬ DỤNG NHIỆT THẢI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ QUỐC VIỆT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLING
SỬ DỤNG NHIỆT THẢI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246
Hướng dẫn khoa học: PGS. TS HOÀNG AN QUỐC

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên:LÊ QUỐC VIỆT

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02/08/1988

Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán: Quảng Nam

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 387 KP3, P. Long Bình Tân, Biên Hòa, Đồng Nai
Điện thoại riêng: 0973512813

Email:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09 /2006 đến 08 / 2010

Nơi học: Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Công Nghệ Kĩ Thuật Ô Tô
Tên Đồ án tốt nghiệp:“Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống điều khiển tốc độ cầm
chừng ISC”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 06/2010, tại Trường Đại Học Công Nghiệp
Thành Phố Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn: ThS. Trần Văn Nguyện
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
Từ 10/2010
đến 9/2014

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường
Cao Đẳng Nghề Số 8 – Bộ Quốc
Phòng

i

Giáo viên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
Ký tên

ii


CẢM TẠ
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ tôi đã nhận
được nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện nhiệt tình và quý báu của nhiều cá nhân và tập thể.
Trước tiên, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, PGS TS. Hoàng An
Quốc đã tận tâm hướng dẫn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành
luận văn này.

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô đã giảng dạy chương trình
cao học ngành Kĩ thuật Cơ khí động lực, những người đã truyền đạt cho tôi những
kiến thức hữu ích về chuyên ngành, làm cơ sở để tôi thực hiện tốt luận văn.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã luôn ở bên
cạnh tôi, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và
hoàn thành luận văn.
Cuối cùng tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các bạn đồng nghiệp đã
hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện đề tài luận văn
hoàn chỉnh.
Trong thời gian thực hiện luận văn, mặc dù tôi đã cố gắng nhiều để hoàn
thành tốt tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự
đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn.

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014.
Học viên thực hiện
Lê Quốc Việt

iii


TÓM TẮT
Đề tài trình bày về việc nghiên cứu ứng dụng động cơ Stirling sử dụng nhiệt
thải trên ô tô, xe máy để phát điện. Nội dung nghiên cứu xoay quanh vấn đề tận
dụng nguồn khí thải có sẵn thải ra trong quá trình hoạt động của động cơ để làm
nguồn cấp nhiệt cho động cơ Stirling hoạt động và chạy máy phát điện mini để tạo
ra nguồn điện. Nghiên cứu cũng chỉ ra phương pháp tính lượng nhiệt thải từ một
động cơ cụ thể, phương pháp thiết kế một động cơ Stirling phù hợp với lượng nhiệt
thải đó. Trong nghiên cứu, tác giả thực hiện được việc chế tạo và thử nghiệm một
động cơ Stirling nhỏ, sử dụng nguồn nhiệt thải từ xemáy để phát điện thắp sáng cho
các bóng đèn Led. Kết quả thu được với hiệu suất tận dụng nhiệt thải cao nhất là

1,284% ứng với giá chế độ tải của động cơ là 40%, công suất tải do máy phát phát
ra đạt giá trị lớn nhất là 0,21W.
Các vấn đề cần nghiên cứu của đề tài đã được thể hiện trong năm chương của
luận văn:
 Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết
 Chương 3: Tính toán thiết kế động cơ Stirling
 Chương 4: Thử nghiệm ứng dụng động cơ Stirling
 Chuong 5: Kết luận và định hướng nghiên cứu

iv


ABSTRACT
Topic presented in the research is the application of Stirling engine using
waste heat in cars, motorcycles to generators.The content of research is problems
utilize available emissions emitted during operation of the engine to supply heat for
the Stirling engine to running small generator to generate electric power.The
research also provided the method for calculating the amount of waste heat from a
specific engine, method to design a Stirling engine is consistent with that waste heat
source.In the research, the author performed the fabrication and testing of a small
Stirling engine, using waste heat from the engine of motorcycle to generate
electricity to illuminate Leds.Results obtained with maximumwaste heat efficiency
is 1,284% correspondingregime load of motorcycle engine is 40%,maximum power
of generator is generated 0,21W.
Issues of research topics were presented in five chapters of the thesis:
 Chapter 1 : Overview of research topics
 Chapter 2 : Theoretical Basis
 Chapter 3 : Calculate and design the Stirling engine
 Chapter 4 : Experimental application of the Stirling engine

 Chapter 5 : Conclusions and research orientation

v


LỜI NÓI ĐẦU
Dầumỏvàcácsảnphẩmcủanóngàycàngchiếmmộtvịtrí
tế

của

mỗi

quantrọngtrongnềnkinh

quốcgia.Xãhộingàycàngpháttriểnthì

lượngtiêuthụcácsảnphẩmcủanótăngnhanhchóng.Sựphụthuộcquálớncủa
conngườivàomặthàng

chiếnlượcnàylàmchonócókhảnăng

vựctừkinhtếđếnchính

chiphốitấtcảcác

lĩnh

trịxãhội.Việckhaithácquámứccũnglàmchochúng
tiệncơgiớingàyvẫnkhông

ngàycàngtrởnêncạnkiệt.Trongkhiđócácphương

ngừngpháttriểnnhanhchóngvàtiêuthụmộtlượngđángkể,nghịchlýnàyđãđặt
rachotoànthế

giớimột

bài

toánkhóvềvấnđềnhiênliệu.Nhiềunướcđãrasứctìm

nguồnnguyên liệu thích hợp nhưng cho đến nay chưa có kết quả tối ưu.
Thế giới chưa kịp phổ biến sản phẩm cồn etanol trên các phương tiện vận tải
do Braxin khởi xướng thì phải nhận lấy bao nhiêu trục trặc mà nó mang lại như:
nồng độ tạp chất cao, quá trình cháy sinh ra axit làm hỏng nhanh chóng động cơ.
ViệtNamchúngta

vớinguồntàinguyênđadạngcũngđãtìmđượcnhững

nguồnnguyênliệuthaythế,đángchúýhơncảlàDieselsinhhọc(Bio-Diesel)chiết
xuấttừcáTra,cáBasa, quả Jatropha…Tuy đã thuđượcnhữngkếtquảbanđầu nhưng
tínhchất

làmtrươngnởcaosuvànhấtlànhiềutrườnghợptàuthuyềnchếtmáygiữabiển

khơiđãgâyranhữngthiệthại quálớn.
đượcnguồnnguyênliệuthaythếhoànhảo

Vìvậychúngtakhócóthểtìm

trongtươnglai gần.
ĐộngcơStirling

được

cólịchsửtừrấtlâuđời

phátminhtrướccảđộngcơ

xăngvàDiesel.Hiệntạiđộngcơnàycònnhữnghạnchếcầnkhắcphục,nhưngcác
nhàchếtạovẫnkhôngngừngquantâmnghiêncứubởi
loạiđộngcơnàocóđược

đó

là

mộtđặcđiểmmàkhôngmột

khảnăngsửdụngbấtkìnguồnnhiênliệunàotừ

thancủi,thanđá,dầumỏ,nănglượngmặttrời, địa nhiệt, nhiệt thải….
VớimụctiêuchínhlànghiêncứuđộngcơStirling
đểthấyđượcnhững

sử

dụng

nhiệt

thải

ưuđiểmcủanó,từđóđềxuấtkhảnăngpháttriểncũngnhưlà

sửdụngđộngcơStirlingvàcungcấpchocác

thế

vi

hệsinhviênđisau

một

tàiliệutìm


hiểuvềđộngcơStirling,emđãchọnđềtài“Nghiên cứu động cơ Stirling sử dụng nhiệt
thải”choluận văntốtnghiệpcủamình.
Mặcdùđãrấtcốgắnghoànthànhđềtài,nhưng

dobướcđầulàmquenvới

côngtácnghiêncứukhoahọc,trìnhđộbảnthâncònhạnchếnênđềtàinàykhông
tránhkhỏinhữngsai

sót.Rấtmongđượcsựthôngcảmvàgópýcủaquýthầycô

bạnđểđềtàinàyđượchoànthiệnhơn.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014
Người thực hiện đề tài
Lê Quốc Việt

vii

thể
vàcác


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii
CẢM TẠ ................................................................................................................... iii
TÓM TẮT ................................................................................................................ iv
ABSTRACT ...............................................................................................................v
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... vi
MỤC LỤC .............................................................................................................. viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................... xii
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... xii
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... xvii
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .....................................1
1.1.Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ....................................................................1

1.2.Tình hình nghiên cứu hiện nay ..........................................................................2
1.2.1.Các công trình nghiên cứu trong nước ...................................................... 2
1.2.2.Các công trình nghiên cứu nước ngoài ...................................................... 2
1.3.Mục đích nghiên cứu .........................................................................................6
1.4.Nhiệm vụ và giới hạn đề tài ...............................................................................6
1.5.Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................7
1.6.Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................7
1.7.Lý do chọn đề tài ...............................................................................................7
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..........................................................................8
2.1.Giới thiệu về động cơ Stirling ...........................................................................8
2.1.1.Khái niệm và lịch sử phát triển của động cơ Stirling ................................ 8
2.1.2.Phân loại động cơ Stirling ....................................................................... 12
2.1.3.Đặc điểm cấu tạo của động cơ Stirling .................................................... 13
2.1.4.Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ Stirling .................................. 15
2.1.5.Cấu tạo và hoạt động của các loại động cơ Stirling ................................ 19
2.1.5.1.Động cơ Stirling kiểu hai piston (kiểu alpha) ....................................19

viii


2.1.5.2. Động cơ Stirling kiểu piston phụ ....................................................22
2.2.2.Hiệu suất nhiệt lý thuyết của chu trình Stirling ....................................... 29
2.2.2.1.Quá trình nén đẳng nhiệt 1-2 .............................................................29
2.2.2.2.Quá trình nung nóng đẳng tích 2-3 ....................................................30
2.2.2.3.Quá trình giãn nở đẳng nhiệt 3-4 .......................................................30
2.2.2.4.Quá trình làm lạnh đẳng tích 4-1 .......................................................31
2.3.Phương pháp thiết kế động cơ Stirling theo chu trình Schmidt .......................33
2.3.1.Các giả thiết cơ bản của chu trình............................................................ 33
2.3.2.Các phương trình cơ bản của chu trình .................................................... 34
2.3.2.1. Động cơ Stirling kiểu Alpha .............................................................35

2.3.2.2. Động cơ Stirling kiểu Beta. ...............................................................38
2.3.2.3. Động cơ Stirling kiểu Gamma. .........................................................40
2.3.2.4. Tính toán năng lượng, công suất và hiệu suất ...................................42
2.4. Phương pháp tính các thông số khí thải của động cơ đốt trong và lượng nhiệt
có thể cung cấp cho động cơ Stirling ............................................................43
2.4.1.Giới thiệu về khí thải động cơ đốt trong ............................................... 43
2.4.2.Tính toán lượngkhíxảGkxdođộng cơchínhxả ra ....................................... 45
CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ STIRLING ........................47
3.1. Lựa chọn và tính toán nguồn nhiệt thải ..........................................................47
3.2. Tính toán thiết kế động cơ Stirling theo thông số nhiệt thải ..........................49
3.2.1. Tỉ số nhiệt độ tuyệt đối giữa nguồn nóng và nguồn lạnh ....................... 50
3.2.2. Lựa chọn tỷ số thể tích cho động cơ Stirling theo tỉ số nhiệt độ ............ 50
3.2.3. Tính thể tích làm việc lớn nhất của động cơ theo lượng nhiệt thải ........ 51
3.2.4. Tính toán thông số động cơ. ................................................................... 52
3.2.4.1. Các thông số ban đầu để thiết kế động cơ Stiling: ............................52
3.2.4.2. Các thông số thiết kế thiết kế động cơ Stiling: .................................52
3.3. Thiết kế và gia công các chi tiết của động cơ Stirling ....................................55
3.3.1. Bản vẽ thiết kế ........................................................................................ 55
3.3.2. Gia công các chi tiết ............................................................................... 57
3.4. Tính chu trình nhiệt của động cơ thiết kế .......................................................59
3.4.1. Các thông số ban đầu .............................................................................. 59
3.4.2. Thể tích các không gian làm việc của động cơ ....................................... 59
3.4.3. Tính toán nhiệt lượng cho động cơ Stirling thiết kế ............................... 61
3.4.3.1. Nhiệt lượng cần thiết để nung nóng môi chất công tác ....................61
3.4.3.2. Nhiệt lượng truyền qua xylanh giản nở ............................................62
3.4.3.3. Nhiệt lượng truyền qua phần đỉnh của xylanh giãn nở .....................63

ix

3.4.3.4. Nhiệt lượng truyền qua piston giãn nở .............................................63
3.4.3.5. Nhiệt lượng truyền qua bộ tản nhiệt .................................................63
3.4.3.6. Nhiệt lượng truyền qua ống nối giữa 2 xylanh .................................64
3.4.3.7. Nhiệt lượng truyền qua xylanh nén ...................................................64
3.4.3.8. Nhiệt lượng truyền qua piston nén ....................................................65
3.4.3.9. Nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho động cơ ................................65
3.4.4. Tính toán chu trình nhiệt động học của động cơ Stirling ....................... 65
3.4.4.1. Khối lượng môi chất công tác ...........................................................65
3.4.4.2. Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 1-2 ......................................................65
3.4.4.3. Quá trình giản nở đẳng nhiệt 2-3 ......................................................66
3.4.4.4. Quá trình làm mát đẳng tích 3-4 .......................................................66
3.4.4.5. Quá trình nén đẳng nhiệt 4-1 ............................................................66
3.4.4.6. Công tính toán của động cơ ..............................................................67
3.4.4.7. Hiệu suất nhiệt tính toán của động cơ ...............................................67
3.4.4.8. Khả năng sử dụng nhiệt thải xe máy của động cơ Stirling theo thiết
kế ....................................................................................................................68
CHƢƠNG 4 THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ STIRLING ..................69
4.1. Mục tiêu và yêu cầu của việc thử nghiệm động cơ Stirling ..........................69
4.1.1. Mục tiêu .................................................................................................. 69
4.1.2. Yêu cầu và điều kiện thử nghiệm ........................................................... 69
4.2. Phương pháp và bố trí thực nghiệm ..............................................................70
4.2.1. Phương pháp thử nghiệm ........................................................................ 70
4.2.2. Bố trí thử nghiệm .................................................................................... 70
4.2.2.1. Bố trí lắp đặt mô hình thử nghiệm ....................................................70
4.2.2.2. Các chi tiết trong mô hình thử nghiệm .............................................71
4.3.Kết quả thực nghiệm ........................................................................................77
4.3.1. Kết quả đo nhiệt độ khí thải của xe máy theo tốc độ động cơ và chế độ
tải ...................................................................................................................... 77
4.3.2. Kết quả thử nghiệm hoạt động của động cơ Stirling theo các chế độ
thử nghiệm........................................................................................................ 78

4.3.2.1. Trường hợp 1: động cơ xe máy hoạt động ở 20% tải, nhiệt độ khí
thải khoảng 250oC ..........................................................................................78
4.3.2.2. Trường hợp 2: động cơ xe máy hoạt động ở 40% tải, nhiệt độ khí
thải khoảng 350oC ..........................................................................................79
4.3.2.3. Trường hợp 3: động cơ xe máy hoạt động ở 60% tải, nhiệt độ khí
thải khoảng 430oC ..........................................................................................80

x


4.3.3. Kết quả đo điện áp phát ra và công suất tải của động cơ Stirling theo
nhiệt độ khí thải ................................................................................................ 81
4.3.4. Đánh giá hiệu suất sử dụng nhiệt thải của động cơ Stirling trên thực tế 83
4.4.Đánh giá kết quả thử nghiệm ...........................................................................85
4.5.Chương trình mô phỏng và tính toán thông số động cơ Stirling .....................86
CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU .....................................87
5.1.Những vấn đề đã giải quyết .............................................................................87
5.2.Những vấn đề còn tồn tại .................................................................................88
5.3.Hướng phát triển của đề tài ..............................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................89

xi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TR

Nhiệt độ bộ hoàn nhiệt, độ K

Tmax, TE, TH

Nhiệt độ nguồn nóng, độ K

Tmin, TC

Nhiệt độ nguồn lạnh, độ K

p

Áp suất trong động cơ

τ

Tỉ số nhiệt độ

v, r

Tỉ số thể tích quét

R

Hằng số khí lý tưởng

m

Khối lượng môi chất

S

Entropy

𝑚

Lưu lượng khối lượng, kg/s



Khối lượng riêng, kg/m3

α

Kiểu động cơ Alpha

β

Kiểu động cơ Bêta

γ

Kiểu động cơ Gamma



Hệ số dẫn nhiệt, W/mK

l

Chiều dài

d

Đường kính

Q

Nhiệt lượng

n

Tốc độ động cơ

VSE

Thể tích quét của piston giãn nở hoặc piston phụ

VSC

Thể tích quét của piston nén hoặc piston lực

V DE

Thể tích chết của không gian giãn nở

VR

Thể tích bộ hoàn nhiệt

V DC

Thể tích chết của không gian nén

VE

Thể tích tức thời của không gian giãn nở

VC

Thể tích tức thời của không gian nén

V

Thể tích tức thời tổng thể của động cơ

xii


x, dx

Góc lệch pha giữa hai piston

X

Tỉ số thể tích chết

n

Tốc độ động cơ

WE

Công giãn nở

WC

Công nén

Wi

Công sinh ra của động cơ

LE

Công suất của quá trình giãn nở

LC

Công suất của quá trình nén

Li

Công suất của động cơ

η

Hiệu suất

U

Hiệu điện thế

I

Cường độ dòng điện

P

Công suất

t

Thời gian (s)

xiii


DANH MỤC CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Robert Stirling - người phát minh ra động cơ Stirling. .............................. 9
Hình 2.2: Mô hình động cơ của Robert Stirling sáng chế (1816) .............................. 9
Hình 2.3: Tổ hợp động cơ Stirling - Máy phát điện của công ty Philips ................. 10
Hình 2.4: Một số thiết bị sử dụng động cơ Stirling (a) Hệ thống năng lượng mặt
trời, (b) Bơm nhiệt, (c) Thiết bị làm lạnh, (d) Tàu ngầm. ......................................... 11
Hình 2.5: Bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời của trường Đại học Đà Nẵng. .. 12
Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling. ................................................................ 13
Hình 2.7: Động cơ Stirling kiểu alpha với cơ cấu Ross - Yoke (a) và cơ cấu Ross
Rocker (b) .................................................................................................................. 15
Hình 2.8: Khi chưa cấp nhiệt ................................................................................... 16

Hình 2.9: Cấp nhiệt cho một đầu của xy lanh .......................................................... 16
Hình 2.10: Không khí có áp suất cao đẩy piston đi ra. ............................................ 17
Hình 2.11: Khi áp suất bên trong xy lanhcân bằng với áp suất khí quyển thì quá
trình sinh công kết thúc. ............................................................................................ 17
Hình 2.12: Ngừng cấp nhiệt, tăng cường làm mát. Nhiệt độ và áp suất bên trong xy
lanh giảm xuống. ....................................................................................................... 17
Hình 2.13: Piston chuyển động vào bên trong do áp suất không khí bên ngoài cao
hơn. ............................................................................................................................ 18
Hình 2.14: Nguyên lý hoạt động tự động của động cơ Stirling. .............................. 18
Hình 2.15: Mô hình cấu trúc của động cơ Stirling kiểu alpha ................................. 19
Hình 2.16: Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha nhiều xy lanh ....................... 20
Hình 2.17: Động cơ Stirling STM 4 - 120 của hãng STM Power ............................ 20
Hình 2.18: Chu trình hoạt động của động cơ Stirling kiểu Alpha. ........................... 21
Hình 2.19: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Beta. .............................................. 22
Hình 2.20: Chu trình cấp nhiệt động cơ Stirling kiểu Beta. ..................................... 24
Hình 2.21: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Gamma. ........................................ 24

xiv


Hình 2.22:Quátrìnhnén(a) vàquá trìnhcấpnhiệt(b) ................................................... 25
Hình 2.23: Quátrìnhgiãnnởsinhcông(a) vàquátrìnhlàmmát(b) ................................. 26
Hình 2.24: a) Mô hình cấu trúc động cơ Stirling, b) Đồ thị p – v, c) Đồ thị T – S .. 26
Hình 2.25: a - Khoảng dịch chuyển của piston ở các điểm giới hạn của chu trình;
b - Đồ thị Thời gian - Khoảng dịch chuyển. ............................................................. 28
Hình 2.26: Chu trình Stirling và chu trình Carnot. .................................................. 32
Hình 2.27: Động cơ Stirling kiểu Alpha .................................................................. 35
Hình 2.28: Động cơ Stirling kiểu Beta ..................................................................... 38
Hình 2.29: Động cơ Stirling kiểu Gamma ............................................................... 40
Hình 2.30: Sự phân bố năng lượng trên xe .............................................................. 44

Hình 3.1: Đồ thị tỉ số thể tích động cơ Stirling theo tỉ số nhiệt độ […]................... 51
Hình 3.2: Cụm piston, xi lanh phụ và piston, xylanh lực ......................................... 56
Hình 3.3: Cụm thanh nối và bánh đà ........................................................................ 56
Hình 3.4: Cụm làm mát không gian giãn nở và không gian nén ............................. 57
Hình 3.5: Các chi tiết của động cơ sau khi chế tạo .................................................. 58
Hình 3.6: Động cơ Stirling sau khi lắp hoàn chỉnh .................................................. 59
Hình 4.1: Sơ đồ bố trí mô hình động cơ Stirling trên đường ống thải ..................... 70
Hình 4.2: Bố trí thử nghiệm thực tế ......................................................................... 71
Hình 4.3: Mô hình động cơ Stirling ......................................................................... 72
Hình 4.4: Cấu tạo ống pô đã chế tạo và vị trí lắp động cơ Stirling .......................... 72
Hình 4.5: Ống pô lắp lên xe máy và lắp động cơ Stirling ........................................ 72
Hình 4.6: Đệm làm kín cổ pô và các dụng cụ tháo lắp ............................................ 73
Hình 4.7: Thiết bị đo tốc độ động cơ xe máy ........................................................... 73
Hình 4.8: Thiết bị đo nhiệt độ bề mặt ...................................................................... 74
Hình 4.9: Đồng hồ VOM và thao tác đo điện áp phát ra ......................................... 74
Hình 4.10: Nhiệt kế điện tử ...................................................................................... 75
Hình 4.11: Bộ đo số vòng quay của động cơ Stirling .............................................. 76
Hình 4.12: Giao diện đo số vòng quay của động cơ Stirling ................................... 76
Hình 4.13: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khí thải theo tải động cơ và tốc độ................. 78

xv


Hình 4.14: Biểu đồ điện áp phát ra theo tốc độ động cơ Stirling ............................. 83
Hình 4.15: Biểu đồ thể hiện công suất tải phát ra và nhiệt độ khí thải ứng với chế
độ tải của động cơ xe máy thử nghiệm ..................................................................... 83

xvi

DANH MỤC CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Phân loại tổng quát động cơ Stirling........................................................13
Bảng 2.2: Các kí hiệu sử dụng trong lý thuyết Schmidt. ..........................................34
Bảng 3.1: Các thông số xe SYM EZ 110 .................................................................47
Bảng 3.2: Bảng tổng hợp các thông số động cơ Stirling thiết kế .............................54
Bảng 3.3: Bảng tổng hợp các chi tiết và vật liệu chế tạo .........................................58
Bảng 4.1: Độ chính xác của các dụng cụ đo ............................................................76
Bảng 4.2: Kết quả khảo sát nhiệt độ khí thải theo tải động cơ .................................77
Bảng 4.3: Các kết quả thử nghiệm trường hợp 1 .....................................................79
Bảng 4.4: Các kết quả thử nghiệm trường hợp 2 .....................................................80
Bảng 4.5: Các kết quả thử nghiệm trường hợp 3 .....................................................81
Bảng 4.6: Các thông số của động cơ Stirling và công suất máy phát khi thay đổi chế
độ tải của xe máy.......................................................................................................82

xvii


Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1.

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Từ lâu nay, vấn đề năng lượng là một vấn đề quan tâm hàng đầu của mọi người.

Nguồn dầu mỏ trên thế giới dù rất phong phú, nhưng sự khai khác dầu mỏ một cách ồ

ạt như hiện nay đã làm cho nguồn dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dần, do đó giá dầu sẽ
tăng cao. Hơn nữa, trong thời đại ngày nay, khi mà vấn đề môi trường đang là vấn đề
toàn cầu, môi trường đang bị ô nhiễm nặng, mà một trong những nguyên nhân chính đó
là do khí thải của động cơ. Nồng độ của những chất gây ô nhiễm trong khí xả động cơ
như NOx, CO, HC, bồ hóng ... có xu hướng gia tăng mạnh mẽ cùng với sự gia tăng
nồng độ CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ bầu khí quyển, đã là đề
tài bàn cãi ở nhiều diễn đàn quốc tế và khu vực.
Tất cả những vấn đề đó, đòi hỏi ngành động cơ phải có những giải pháp thích
hợp. Động cơ đốt trong ngày nay dần dần sẽ được thay thế bằng các loại động cơ
khác, trong đó động cơ Stirling đang được sự quan tâm của nhiều người. Đây là loại
động cơ đốt ngoài sử dụng môi chất công tác thể khí. Động cơ có kết cấu đơn giản,
không có các hệ thống phức tạp như hệ thống điện, hệ thống phun nhiên liệu...
Động cơ Stirling cung cấp côngtheo một chu trình trong đó piston nén khí ở nhiệt
độ thấp và cho khí giãn nở ở nhiệt độ cao. Động cơ này có thể dùng bất kỳ nguồn
nhiệt nào, quá trình cấp nhiệt có thể thực hiện bên trong hay bên ngoài xylanh...
Động cơ Stirling xuất hiện khá sớm, với tên gọi trước đây là động cơ khí
nóng, đựơc đưa ra lần đầu tiên bởi một mục sư người Scotland, có tên là Robert
Stirling vào năm 1816. Sau một thời gian phát triển, tính năng ưu việt về công suất
riêng của động cơ hơi nước đã làm lumờ động cơ Stirling. Tuy nhiên, động cơ
Stirling vẫn được quan tâm trong suốt thế kỷ XIX bởi tính chất đặc biệt của động cơ
này đó là: nếu chu trình nhiệt động học được thực tiễn hóa thì hiệu suất của động cơ
Stirling sẽ giống như hiệu suất của chu trình Carnot, tức là hiệu suất lý thuyết cực
đại có được của bất kỳ động cơ nhiệt nào.Động cơ Stirling đã được thí nghiệm và sử

1


dụng trong các lĩnh vực như: máy làm lạnh, động cơ phát điện, động cơ tàu thủy,
động cơ ô tô, động cơ máy bay, sử dụng trên các vệ tinh trong không gian...
1.2.

Tình hình nghiên cứu hiện nay
Hiện nay việc nghiên cứu động cơ Stirling được duy trì và phát triển mạnh mẽ

ở trong và ngoài nước. Có nhiều công trình nổi tiếng được công bố rộng rãi. Dưới
đây là một số công trình nghiên cứu đã được công bố:
1.2.1. Các công trình nghiên cứu trong nƣớc
 Đề tài:Nghiên cứu động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời.
Tác giả: Hoàng Dương Hùng,Phan Quý Trà, Đại học Bách khoa Đà Nẵng [1].
Tóm tắt:
Đề tài nghiên cứu ứng dụng là động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời,
nhóm nghiên cứu tính toán thiết kế hoàn thiện sản phẩm bơm nước ứng dụng động
cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời. Bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời này
có thể sử dụng hiệu quả trong các trường hợp như bơm nước từ bể lên bồn chứa
hoặc dùng bơm nước từ ao hồ, sông ngòi dùng cho tưới tiêu cho các nông trường.
 Đề tài:Ứng dụng động cơ Stirling trong các thiết bị làm lạnh.
Tác giả: Trần Quang Thạch, luận văn Thạc sĩ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Tp.Hồ Chí Minh, 2012 [2].
Tóm tắt:
Đề tài đã nghiên cứu ứng dụng động cơ Stirling cho các thiết bị làm lạnh như
điều hòa tủ lạnh, giảm ô nhiễm do chất độc hại ảnh hưởng môi trường trong thiết bị
làm lạnh gây ra. Đề tài đã tính toán thiết kế động cơ phù hợp với yêu cầu đặt ra
cùng với đó là đề xuất cải tiến hệ thống tương ứng. Cùng với thực nghiệm đề tài đã
rút ra nhiều kết quả khả thi để phát triển trong tương lai.
1.2.2. Các công trình nghiên cứu nƣớc ngoài
 Đề tài:Manufacturing and Testing of a V-Type Stirling Engine (Sản xuất và
kiểm nghiệm động cơ Stirling dạng chữ V) [6].

2

Tác giả:Halit Karabulut, Phòng Sư phạm Cơ khí, Đại học Gazi, Thổ Nhĩ Kì.
H¨useyin Serdar Yucesu, Atilla Koca, Phòng Sư phạm Cơ khí, Đại học Zonguldak
Karaelmas, Thổ Nhĩ Kì.
Tóm tắt:
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo và kiểm nghiệm động cơ Stirling chữ V loại nạp
khí, dung tích quét 260 cc. Tốc độ, momen của động cơ được kiểm nghiệm với giá
trị nhiệt độ và áp suất nạp khác nhau trong phạm vi nhiệt độ từ 600 đến 1000 độ C
và 1 đến 4 bar. Từ những thông số thực nghiệm đó, nhóm nghiên cứu xác định được
khả năng, tình trạng làm việc của động cơ luôn ổn định. Cũng qua đó nhóm đã khắc
phục một phần sự rò rỉ khí khi động cơ làm việc với đề xuất nạp khí ngay tại vùng
công tác của động cơ ở chế độ làm việc.Từ đó sẽ dần hoàn thiện động cơ để có thể
hoạt động với dải nhiệt độ cao hơn.Piston gang hợp kim không cần xéc măng đã
được sử dụng thành công.
 Đề tài: Design studies of mobile applications with SOFC–heat engine
modules (Thiết kế mô hình các ứng dụng cơ động với mô đun kết hợp pin
SOFC và động cơ nhiệt) [7].
Tác giả: Wolfgang Winkler, Hagen Lorenz, Khoa Cơ khí, Đại học Khoa học
ứng dụng Harmburg, CHLB Đức.
Tóm tắt:
Đề tài đã kết hợp pin nhiên liệu thể rắn (SOFC) và động cơ Stirling cùng với 1
Turbine nhỏ để tạo thành một hệ thống động lực đẩy xe chạy.Nguồn công suất này
bao gồm 1 phần tử tạo công từ SOFC-HE (Solid Oxide Fuel Cell – Heat Engine), bộ
lưu điện, mạch quản lý công suất và motor điện tại 4 bánh xe. Đề tài đã tính toán tối
ưu hóa hệ thống để đạt giá trị tốt nhất.Với việc sử dụng 2 nguồn năng lượng này
cùng với kết quả kiểm nghiệm khi sử dụng với hiệu suất cao, nhóm đã đề xuất sẽ áp
dụng như phần bổ sung thêm 1 nguồn năng lượng mới sạch hơn, hiệu quả hơn cho ô
tô thay thế dần động cơ đốt trong hiện tại.
 Đề tài: Design Automotive StirlingEngine Mod II (thiết kế động cơ Stirling
Mod II trên ô tô) [8].

3


Tác giả: Noel P. Nightingale, Trung tâm Nghiên cứu Kĩ thuật Cơ khí,NY,Mĩ.
Tóm tắt:
Đề tài đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo động cơ Stirling ứng dụng cho xe ô tô
thay thế động cơ đốt trong truyền thống. Qua đó thu được kết quả tốt với tiềm năng
về tiết kiệm nhiên liệu và đạt hiệu suất kĩ thuật theo yêu cầu chung đối với động cơ
Stirling. Dự án đã thực hiện trong 9 năm và cho ra nhiều mẫu động cơ tương ứng
với các mẫu xe cùng với các kết quả thực nghiệm tốt.Và đề tài nghiên cứu đã cho ra
phiên bản cuối cải tiến là động cơ Stirling MOD II, động cơ này đã xóa bỏ những
tranh luận về việc động cơ Stirling có khối lượng lớn, nặng nề, không thực tế, đắt
tiền, hiệu năng thấp.
Động cơ cải tiến này đã được trang bị trên xe Chevrolet Celebrity 1985 của
hãng GM (General Motor) và đã đạt được tính kinh tế về nhiên liệu với giá trị là
17,5 km/lít với nhiện liệu kết hợp xăng không chì.Ngoài ra hiệu suất của động cơ
đạt được trên 50% cao hơn so với động cơ đốt trong gắn trên cũng loại xe. Động cơ
Mod II Stirling là động cơ chữ V 4 xylanh được gắn trên 1 trục khuỷu. Động cơ
được trang bị đầy đủ các thành phần điều khiển và thiết bị để hoạt động như động
cơ ô tô bình thường.
 Đề tài: Automotive Stirling Engine Development Project (Dự án phát triển
động cơ Stirling trên ô tô) [9].
Tác giả: W'dliam D. Ernst, Richard K. Shaltens, Trung tâm Nghiên cứu Kĩ
thuật Cơ khí,NY, Mĩ.
Tóm tắt:
Đề tài này tập trung vào phát triển và kiểm nghiệm các thành phần của động
cơ Stirling trên ô tô và kĩ thuật của hệ thống đã được thực hiện trước đó là 2 phiên
bản Mod I và Mod II.Từ 2 phiên bản này qua các thí nghiệm trên thực tế cũng như
mô hình hóa, nhóm nghiên cứu đã đề xuất trang bị phiên bản Mod II cho ô tô.Điều

này có được sau khi thử nghiệm Mod II trên ô tô với hơn 21000 giờ thử bao gồm cả
4800 giờ thử trên đường thực tế với quãng đường thực hiện là 59000 dặm.Qua đó
chứng minh được Mod II hoạt động hiệu quả đúng với mục tiêu đặt ra của nhóm

4


nghiên cứu với công suất đạt được là 68 kW, hiệu suất cao. Vì vậy loại động cơ này
đã được đề xuất trang bị trên ô tô và nó được sản xuất theo dự án ASE của chương
trình kiểm định và đánh giá công nghiệp (ITEP), dự án khai thác kĩ thuật của NASA
(TU).
 Đề tài: Advanced 35W free-piston StirlingEngine for space power applications
(Động cơ Stirling piston tự do 35W cho ứng dụng không gian) [10].
Tác giả: J.Gary Wood and Neill Lane, tập đoàn công nghiệp Sunpower,
Ohio,Mĩ.
Tóm tắt:
Dự án này thiết kế và kiểm nghiệm loại động cơ công suất 35 W Stirling ứng
dụng cho công nghiệp vũ trụ. Động cơ này được thiết kế với mong muốn đạt giá trị
hiệu suất cao, khối lượng thấp. Tổng quá trình nhiệt động học của động cơ này sau
khi thiết kế kiểm nghiệm đã đạt hơn 50% Carnot với công suất 100 kW/kg.Động cơ
này đã cho thấy được kết quả đáng mong đợi tại mức công suất thấp.
 Đề tài: Performance Analysis of a Stirling Engine Fuelled by Diesel and
Ethanol and Transition to Bio-oil (Phân tích hiệu năng của động cơ Stirling
được cung cấp nhiên liệu Diesel và Ethanol và tiến tới dùng dầu sinh học)
[11].
Tác giả: Charles Habbaky, Adrian Boangiu, Luận văn Thạc sĩ Khoa học ứng
dụng, Đại học Toronto, Canada.
Tóm tắt:
Đề tài tập trung vào việc kiểm nghiệm hiệu năng của động cơ Stirling dùng
công suất và nhiệt kết hợp (CHP Combined Heat and Power) được cung cấp nhiên

liệu Diesel và Ethanol. Để chứng minh việc tối ưu thành công loại động cơ này với
nguồn năng lượng xen kẽ từ đó tiến tới cải tiến dùng dầu sinh học (Bio-oil).
Dữ liệu thu thập được qua quá trình kiểm nghiệm của nhóm cho thấy được
việc giảm khí thải độc hại, giảm tiêu hao nhiên liệu, tỉ lệ không khí nhiên liệu.Quá
trình kiểm tra ion hóa ngọn lửa (Flame ionization detector FID) đã được thực hiện
và cho thấy tồn tại mộtlượng hydrocarbon chưa cháy hết.Quá trình phân tích hiệu

5