Nghiên cứu mô phỏng đặc tính công suất động cơ free piston sử dụng biogas

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ VĂN PHÚC

NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH CƠNG SUẤT ĐỘNG
CƠ FREE-PISTON SỬ DỤNG BIOGAS
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số: 8520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. HUỲNH THANH CÔNG..…………
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. HỒNG ĐỨC THÔNG………………………...
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. NGUYỄN VĂN TRẠNG……………………...
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày..19.. tháng..09.. năm..2020..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS. Lê Tất Hiển……………….
2. TS. Trần Đăng Long...……………….
3. TS. Hồng Đức Thông………………...
4. TS. Nguyễn Văn Trạng...…………….
5. TS. Đặng Tiến Phúc………………….

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT GIAO THƠNG

i


NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HỒ VĂN PHÚC

MSHV: 1870363

Ngày, tháng, năm sinh: 07/07/1996

Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số: 8520116

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu mơ phịng đặc tính cơng suất động cơ free-piston sử
dụng biogas.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu tổng quan về FPE sử dụng nhiên liệu thay thế như biogas.
2. Xây dựng mơ hình và tiến hành mơ phỏng đánh giá đặc tính tiêu biểu.
3. Rút ra các khuyến nghị và thảo luận về khả năng áp dụng thực tiễn.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2019

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/06/2020
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. HUỲNH THANH CƠNG
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 09 năm 2020
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. TRẦN ĐĂNG LONG

PGS. TS. HUỲNH THANH CÔNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

TS. TRẦN HỮU NHÂN

ii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời tri ân chân thành và biết ơn sâu sắc đến gia đình đã ủng hộ và động
viên tôi trong suốt thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn và tri ân PGS. TS HUỲNH THANH CÔNG đã hướng
dẫn khoa học và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và
hồn thành luận văn.
Trân trọng.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 8 tháng 9 năm 2020

HỒ VĂN PHÚC

iii

TÓM TẮT
Đề tài thực hiện việc nghiên cứu và xây dựng mơ hình mơ phỏng về sự ảnh hưởng
của tỉ lệ thành phần 𝐶𝐻4 trong biogas đến đặc tính cơng suất động cơ free-piston hai kỳ
loại đối đỉnh. Các trường hợp sử dụng biogas với tỉ lệ thành phần 40%𝐶𝐻4 ; 50%𝐶𝐻4 ;
60%𝐶𝐻4 ; 70%𝐶𝐻4 và 100%𝐶𝐻4 được chọn làm điểm mô phỏng cho 5 điểm tốc độ
động cơ 𝑓 = 16,7𝐻𝑧; 33,3𝐻𝑧; 50𝐻𝑧; 66,7𝐻𝑧 và 83,3𝐻𝑧. Kết quả cho thấy rằng mặc
dù lượng khí nạp mới được cải thiện khi sử dụng biogas với tỉ lệ phần trăm 𝐶𝐻4 thấp,
hiệu suất nạp lại giảm, cụ thể, khi %𝐶𝐻4 giảm từ 100% đến 40% tại 𝑓 = 83,3𝐻𝑧, hiệu
suất nạp giảm từ 0,8518 đến 0,7673, giảm 11,01%. Áp suất cháy cực đại tại cùng một
tốc độ là cao nhất khi sử dụng biogas với thành phần 100%𝐶𝐻4 (≈ 4𝑁𝑀/𝑚2 tại 𝑓 =
83,3𝐻𝑧), đồng thời tốc độ cháy càng cao khi sử dụng biogas có thành phần 𝐶𝐻4 càng
lớn. Từ áp suất xylanh, đặc tính cơng suất chỉ thị của động cơ theo tốc độ ở các trường
hợp %𝐶𝐻4 được xây dựng.

ABSTRACT
Researches were carried out in this study with an aim to setting up a simulation
model capable of presenting the effects of 𝐶𝐻4 on thermal efficiency of the two-stroke
linear free-piston engine. The following cases including 40%𝐶𝐻4 ; 50%𝐶𝐻4 ;
60%𝐶𝐻4 ; 70%𝐶𝐻4 and 100%𝐶𝐻4 at 5 different engine’s speed points 𝑓 =
16,7𝐻𝑧; 33,3𝐻𝑧; 50𝐻𝑧; 66,7𝐻𝑧 và 83,3𝐻𝑧 are implemented. The result shows that
although delivered gas mass enhanced when using low %𝐶𝐻4 biogas, the volumetric
efficiency is decreased. Indeed, when %𝐶𝐻4 is reduced from 100% to 40% at 𝑓 =
83,3𝐻𝑧, intake efficiency dropped from 0,8518 to 0,7673, equally 11,01%.
Combustion pressure at the same engine’s speed was the highest taking into terms the
100 %𝐶𝐻4 mixture (≈ 4𝑁𝑀/𝑚2 at 𝑓 = 83,3𝐻𝑧). Simultaneously, combustion speed
higher when we increasing 𝐶𝐻4 components. From the cylinder’s pressure, indicated
power of the engine at different velocity using the aforementioned %𝐶𝐻4 was presented.

iv


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng 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 cơng trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 8 tháng 9 năm 2020

HỒ VĂN PHÚC

v


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
A/F

: Tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu

CFD : Computational Fluid Dynamics
ĐCT : Điểm chết trên
ĐCD : Điểm chết dưới
ERR : Tốc độ giải phóng nhiệt năng (Energy Release Rate)
FEM : Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)
HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition
MFB : Tỉ lệ nhiên liệu cháy tức thời (Mass Fraction Burned)
FPE

: Động cơ free-piston (Free-piston Engine)

FPLE : Động cơ tịnh tiến free-piston (Free-piston Linear Engine)
0D

: Mơ hình 0D (Zero-dimension)

vi


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ............................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... iii
TÓM TẮT ......................................................................................................................iv
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................. x
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................xiv
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU.................................................................................................. 1
1.1 Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................... 2
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 3
1.4 Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 3
1.5 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 3
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................ 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.......................................................................................... 5
2.1 Những nghiên cứu trong nước ................................................................................ 5
2.2 Những nghiên cứu ngoài nước ............................................................................... 5
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 10
3.1 Động cơ free-piston .............................................................................................. 10
3.1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 10

3.1.2 Nhiệt động học ............................................................................................... 13
3.1.3 Động lực học .................................................................................................. 21

vii


3.2 Khí sinh học biogas .............................................................................................. 25
3.3 Cơ sở lý thuyết về CFD ........................................................................................ 28
3.4 Phương trình Navier-Stokes ................................................................................. 30
3.5 RANS và mơ hình chảy rối 𝑘 − 𝜀 ......................................................................... 33
3.6 Giới thiệu phần mềm MATLAB-Simulink ............................................................. 35
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG .............................................................. 36
4.1 Sơ đồ mơ phỏng: ................................................................................................... 36
4.2 Mơ phỏng q trình qt khí nạp mới .................................................................. 37
4.2.1 Điều kiện biên ................................................................................................ 37
4.2.2 Phương pháp chia lưới ................................................................................... 46
4.2.3 Thực hiện mô phỏng....................................................................................... 53
4.3 Mô phỏng áp suất chỉ thị ...................................................................................... 58
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................. 61
5.1 Ảnh hưởng phần trăm 𝐶𝐻4 đến quá trình qt khí ............................................... 61
5.1.1 Lượng khí nạp mới ......................................................................................... 61
5.1.2 Hiệu suất nạp: ................................................................................................. 67
5.2 Ảnh hưởng đến quá trình nhiệt động học: ............................................................ 70
5.2.1 Áp suất chỉ thị: ............................................................................................... 70
5.2.2 Công suất chỉ thị: ............................................................................................ 75
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...................................................... 77
6.1 Kết luận:................................................................................................................ 77
6.2 Khuyến nghị.......................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 79

viii


PHỤ LỤC .................................................................................................................... xiii
LÝ LỊCH KHOA HỌC.............................................................................................. xxv

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Mơ hình FPE của Yoshihiro………………………………………………….6
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống thực nghiệm của Wei Wu…………………………………...7
Hình 3.1 Minh họa FPE kiểu piston đối đỉnh với cơ cấu đồng bộ bằng cơ khí………….9
Hình 3.2 a) FPE loại piston đơn dùng công nghệ thủy lực. b) FPE loại piston kép dùng
công nghệ thủy lực. c) Máy phát turbine FPE………………………………………….10
Hình 3.3 Thiết kế 3D động cơ FPLE 2 kì dùng trong mơ phỏng……………………….11
Hình 3.4 Sơ đồ FPLE………………………………………………………………….12
Hình 3.5 Giãn đồ quan hệ 𝑘 và 𝑛…………………………………………………..…..14
Hình 3.6 Định luật I nhiệt động học cho động cơ…………………………….………..15
Hình 3.7 Sơ đồ các phản ứng dây chuyền theo Wiebe…………………………..…….17
Hình 3.8 Mơ hình vật lý các lực tác dụng lên piston…………………………………..20
Hình 3.9 Mơ hình sự tương tự với hệ thống dao động cưỡng bức………….…………21
Hình 3.10 Máy phát tịnh tiến Moog 40204D………………………………….………21
Hình 3.11 Chu trình lý tưởng của FPLE…………………………………………..…..22
Hình 3.12 Khối lượng riêng của biogas (trái) và hỗn hợp lý tưởng (phải) theo %𝐶𝐻4 và
nhiệt độ………………………………………………………………………….……..26
Hình 3.13 Độ nhớt động học của biogas (trái) và hỗn hợp lý tưởng (phải) theo %𝐶𝐻4
và nhiệt độ………………………………………………………………………….….27
Hình 3.14 Độ nhớt động lực học của biogas (trái) và hỗn hợp lý tưởng (phải) theo %𝐶𝐻4
và nhiệt độ……………………………………………………………………………..27

Hình 3.15 Ứng suất Cauchy………………………………………………………...…30
Hình 3.16 Sự khác nhau giữa phương pháp RANS (trái) và LES (phải)………………32
Hình 4.1 Sơ đồ mơ phỏng……………………………………………………...………35
Hình 4.2 Áp dụng lý thuyết vận chuyển Reynold vào mơ hình………………….……36
Hình 4.3 Vi phân thể tích lưu chất đi ra khỏi hệ trên bề mặt 𝐴2 ………………….……37
Hình 4.4 Vi phân thể tích lưu chất đi vào hệ trên bề mặt 𝐴1 …………………………..37

x


Hình 4.5 Mặt cắt xy-lanh………………………………………………………………39
Hình 4.6 Nguyên tắc cộng vận tốc……………………………………………….……40
Hình 4.7 Profile vận tốc và vận tốc trung bình………………………………….……..41
Hình 4.8 Mơ hình Simulink mơ phỏng q trình hút hịa khí vào buồng hồi phục…...42
Hình 4.9 Sơ đồ bên trong khối piston_upward…………………………………….….42
Hình 4.10 Sơ đồ bên trong khối piston_downward……………………………………43
Hình 4.11 Kết quả vận tốc dịng khí nạp thơng qua cửa nạp theo thời gian…………..43
Hình 4.12 Lượng hịa khí nạp thể hiện qua phần diện tích R1 và R2…………………..44
Hình 4.13 Kết quả khối lượng hỗn hợp nạp mới được nạp vào buồng phục hồi…..….44
Hình 4.14 Một số loại phần tử hình học……………………………………….………45
Hình 4.15 Giải pháp 1 và giải pháp 2…………………………………………………46
Hình 4.16 Lưới sau khi áp dụng giải pháp 2…………………………………………..47
Hình 4.17 Kết nối với các phần tử lục diện ở cửa thải…………………………...……..47
Hình 4.18 Lưới của mơ hình mơ phỏng……………………………………………….48
Hình 4.19 Phương pháp cập nhật lưới động đàn hồi cho miền mô phỏng hình trụ
trịn.................................................................................................................................49
Hình 4.20 Phương pháp phân lớp…………………………………………...…………50
Hình 4.21 FLUENT thơng báo lỗi negative cell volume…………………………..…..50
Hình 4.22 Lỗi negative cell volume…………………………………………………...51
Hình 4.23 Lưới của mơ hình được cập nhật theo phương pháp phân lớp…….….……52

Hình 4.24 Sơ đồ mơ phỏng trên ANSYS……………………………………………….…….52
Hình 4.25 Miền mơ phỏng CFD…………………………………………….…………53
Hình 4.26 Thiết lập các hệ số cho mơ hình rối 𝑘 − 𝜀………………………….………..54
Hình 4.27 Thiết lập đặc tính hỗn hợp trong trường hợp biogas với 40% 𝐶𝐻4 ….…….54
Hình 4.28 Kiểm tra lưới động sau khi thiết lập cho trường hợp 16,67𝐻𝑧………..…..55
Hình 4.29 Thiết lập các thơng số tính tốn cho trường hợp 16,67𝐻𝑧…………….…..56
Hình 4.30 Sai số trong trường hợp dùng biogas với 40% 𝐶𝐻4 tại 16,67𝐻𝑧…………56

xi


Hình 4.31 Mơ hình mơ phỏng nhiệt trên Simulink………………...............……...…..57
Hình 4.32 Sơ đồ bên trong khối quá trình nén…………………………………..…….58
Hình 4.33 Sơ đồ bên trong khối cháy-giãn nở…………………………………….…..59
Hình 4.34 Sơ đồ bên trong khối “MFUEL AND COMBUSTION PARAMETERS”
…………………………………………………………………………………………59
Hình 5.1 Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp qua mặt cắt tại cửa quét khí khi động cơ
hoạt động tại 16,6𝐻𝑧………………………………………………………………......60
Hình 5.2 Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp qua mặt cắt tại cửa qt khí khi động cơ
hoạt động tại 33,3𝐻𝑧……………………………………………………….……….....61
Hình 5.3 Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp qua mặt cắt tại cửa qt khí khi động cơ
hoạt động tại 50𝐻𝑧………………………………………………...…………………..61
Hình 5.4 Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp qua mặt cắt tại cửa qt khí khi động cơ
hoạt động tại 66,7𝐻𝑧………………………………...………………………………...62
Hình 5.5 Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp qua mặt cắt tại cửa quét khí khi động cơ
hoạt động tại 83,3𝐻𝑧……………………………...……………………………...……62
Hình 5.6 Khối lượng hỗn hợp nạp mới theo %𝐶𝐻4 và tốc độ động cơ………………..63
Hình 5.7 Khối lượng biogas nạp mới theo %𝐶𝐻4 và tốc độ động cơ khi động cơ hoạt
động tại 𝜆 = 1 ……………………………………………………………………...…..64
Hình 5.8 Khối lượng thành phần 𝐶𝐻4 trong hỗn hợp nạp mới theo %𝐶𝐻4 và tốc độ động

cơ khi động cơ hoạt động tại 𝜆 = 1 ………………………………………………..…..65
Hình 5.9 Hiệu suất nạp theo %𝐶𝐻4 và tốc độ động cơ…………………………………66
Hình 5.10 Phân bố áp suất trong xylanh cuối quá trình nạp: a) 𝑓 = 16,7𝐻𝑧; b) 𝑓 =
33,3𝐻𝑧; c) 𝑓 = 50𝐻𝑧; d) 𝑓 = 66,7𝐻𝑧; e) 𝑓 = 83,3𝐻𝑧…………………………….....67
Hình 5.11 Đường streamline vận tốc của dịng khí nạp trong xylanh: a) 𝑓 = 16,7𝐻𝑧; b)
𝑓 = 33,3𝐻𝑧; c) 𝑓 = 50𝐻𝑧; d) 𝑓 = 66,7𝐻𝑧; e) 𝑓 = 83,3𝐻𝑧………………………….68
Hình 5.12 Trường vector vận tốc tại mặt cắt xylanh trong quá trình nạp tại tốc độ động
cơ 𝑓 = 16,7𝐻𝑧………………………………………………………………...........…69

xii


Hình 5.13 Áp suất trong xylanh động cơ tại 𝑓 = 16,7𝐻𝑧……………………………..69
Hình 5.14 Áp suất trong xylanh động cơ tại 𝑓 = 33,3𝐻𝑧…………………………….70
Hình 5.15 Áp suất trong xylanh động cơ tại 𝑓 = 50𝐻𝑧………………………………70
Hình 5.16 Áp suất trong xylanh động cơ tại 𝑓 = 66,7𝐻𝑧……………………………...71
Hình 5.17 Áp suất trong xylanh động cơ tại 𝑓 = 83,3𝐻𝑧……………………………...71
Hình 5.18 Đường ERR (trái) và MFB (phải) tại 𝑓 = 16,7𝐻𝑧…………………………72
Hình 5.19 Đường ERR (trái) và MFB (phải) tại 𝑓 = 33,3𝐻𝑧…………………………73
Hình 5.20 Đường ERR (trái) và MFB (phải) tại 𝑓 = 50𝐻𝑧……………………………73
Hình 5.21 Đường ERR (trái) và MFB (phải) tại 𝑓 = 66,7𝐻𝑧………………………….74
Hình 5.22 Đường ERR (trái) và MFB (phải) tại 𝑓 = 83,3𝐻𝑧…………………………74
Hình 5.23 Cơng suất chỉ thị động cơ theo %𝐶𝐻4 và tốc độ…………………………….75

xiii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của động cơ……………………………………….……11
Bảng 3.2 Sự tương tự giữa hệ thống dao động cưỡng bức và FPLE……………….….20

Bảng 3.3 Các thơng số chính của máy phát tịnh tiến…………………………………..21
Bảng 4.1 Thông số lưu chất……………………………………………………………54
Bảng 4.2 Thông số cho thiết lập lưới động……………………………………………..55
Bảng 5.1 Giá trị áp suất cuối quá trình nạp tại các vùng tốc độ động cơ………………68
Bảng 5.2 Bảng kết quả áp suất cực cháy cực đại………………………………………72

xiv


CHƯƠNG 1: 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 khơng khí trong tổng số 180 quốc gia. Do đó, có thể nói Việt Nam là
một trong 20 quốc gia có mức độ ơ nhiễm khơng 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 khơng khí nói riêng như
𝑆𝑂𝑥 , 𝑁𝑂𝑥 , 𝐶𝑂𝑥 , 𝐻𝐶. Hoạt động giao thông vận tải là ngun nhân chính gây ơ nhiễm
khơng khí trong các thành phố lớn ở Việt Nam với xấp xỉ 70%. Theo ước tính, hoạt động
giao thơng 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 ơ tơ, do đó vấn đề giảm thiểu khí thải động cơ trong
phương tiện giao thơng 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 Đơng 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 hồn tồn 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 cơng 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 mơ hình mơ phỏng về sự ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần 𝐶𝐻4 trong biogas đến
đặc tính cơng 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.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn này bao gồm 4 mục tiêu chính sau:
 Nghiên cứu tổng quan lí thuyết và mơ hình tốn 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 mơ hình mơ phỏng sự ảnh hưởng của %𝐶𝐻4 trong biogas đến nhiệt động
và động lực học piston, từ đó xây dựng cơng suất theo tốc độ động cơ.
 Đánh giá kết quả mơ 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 ni Việt Nam (nơi có
sẵn nguồn biogas) là mục tiêu cuối cùng.
2


1.3 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).
1.4 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 mơ hình và mơ phỏng q trình qt 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 mơ hình tốn học và mơ phỏng đặc tính công suất trên MATLABSimulink. Đánh giá kết quả mô phỏng.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tiếp cận chính trong luận văn này là phương pháp mơ hình hóa và mơ
phỏng, trên cơ sở lý thuyết liên quan đến các đặc tính của biogas và nhiệt động học của
động cơ free-piston. Ngồi ra, tác giả cũng tham khảo các cơng trình nghiên cứu có liên

quan và tham khảo ý kiến của các chuyên gia.
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học: Luận văn này xây dựng mơ hình mơ phỏng về sự ảnh hưởng
của tỉ lệ thành phần 𝐶𝐻4 trong biogas đến đặc tính cơng 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 ngồi nước, FPE vẫn cịn 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 thơng 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 mơ phỏng q trình qt 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.
2.2 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 khơng chỉ được thực hiện bởi các tập đồn như Toyota, Volvo,
Honda,… mà cịn 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 dualpiston, 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].
Tác giả Yoshihiro [14] đã đưa ra hệ thống gồm hai single-piston với bounce chamber
vận hành theo thứ tự đối pha (tức là hai kì nổ theo thứ tự so-le nhau). 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].

Hình 2.1: Mơ 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 Cơng nghệ Hồng gia (Royal Institute of Technology) và
đại học Chalmers [17]. Trong sáng chế của Lingarde [17], FPE loại dual-piston được
điều khiển bằng lực điện từ tác dụng lên thành phần chuyển động. Loại FPE này cũng
được nghiên cứu tại rất nhiều trường đại học như Đại học West Virginia [18, 19], Phịng
thí nghiệm Quốc gia Sandia [20, 21], Đại học Công nghệ Czech [22, 23], Đại học
Teknologi PETRONAS [24, 25], Đại học Shanghai Jiao Tong [26], Viện Công nghệ Bắc
Kinh [27, 28]. Honda cũng phát triển FPE với xy-lanh đơn 4 kỳ, kết hợp với linear
generator và một lị xo dự trữ năng lượng ở kì giãn nở và cấp lại ở kì nén [29]. Ngồi ra,
các hãng General Motor, Mazda, Ford đều có những cơng trình nghiên cứu riêng.
Do khơng cịn cơ cấu trục khuỷu, chuyển động của piston trong FPE chỉ phụ thuộc
vào các lực tác dụng lên. Vì vậy, nghiên cứu điều khiển chuyển động piston là điều rất
cần thiết. Hơn nữa, do khơng có bánh đà nên khơng cịn cơ cấu dự trữ năng lượng, không
thể xác định điểm đánh lửa cũng như phân phối valve nạp-xả càng yêu cầu sự cần thiết
và phức tạp trong việc điều khiển FPE. Nghiên cứu mô phỏng để đánh giá khả năng ứng
xử trong động lực học và các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học rất quan trọng, là cơ
sở để hình thành giải thuật điều khiển cho FPE. Trong bài báo của Wei Wu và các cộng
sự [30], tác giả đã mô hình tốn học động lực piston, tính chất khí gas, nhiệt động học
và mơ hình thủy lực của FPE kiểu single-piston dùng van thủy lực và sau khi mô phỏng,

hiệu suất động cơ gần 38%. Bài báo ũtrình bày rằng việc thử nghiệm thành công và hiệu
suất động cơ đạt 28%, khi bỏ qua phần năng lượng cấp cho kim phun, bộ điều khiển van
xả. Hiệu suất này nhỏ hơn khi mơ phỏng do rị rỉ của hệ thống thủy lực lớn hơn trong
thiết kế và chưa tối ưu các chi tiết khi chế tạo.

7


Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống thực nghiệm của Wei Wu [30].
Nhóm nghiên cứu của Choongsik Bae đã sử dụng MATLAB Simulink để mô phỏng
quan hệ giữa các đại lượng thiết kế đến động lực học piston và hiệu quả động cơ [31].
Tác giả sử dụng phương trình Wiebe để mơ phỏng q trình cháy và đưa ra mối quan hệ
giữa thời gian cháy nhiên liệu và vận tốc piston khi gần ĐCT ảnh hưởng đến thời điểm
đánh lửa tối ưu. Ưu điểm của mơ hình này là sử dụng các tín hiệu trigger cho các q
trình qt khí, nén, cháy-sinh cơng và giãn nở, điều này có nghĩa là mơ phỏng được diễn
biến chu trình nhiệt động của động cơ kể cả khi tính đến các góc đóng mở sớm của các
valve nạp-xả. Tuy nhiên, trong mơ hình của tác giả chỉ xây dựng riêng cho 1 xy-lanh bên
trái mà khơng có sự tương tác giữa hai xy-lanh đến cơ cấu tịnh tiến ở giữa. Do chỉ xây
dựng cho 1 bên xy-lanh nên thời gian mô phỏng chỉ 1 hành trình piston từ ĐCD đến
ĐCT rồi kết thúc, tức là chỉ khảo sát ứng xử của động cơ trong một hành trình piston mà
khơng đảm bảo sự ổn định của động cơ theo thời gian dài.
Ngoài những khuyết điểm nêu trên, các cơng trình nghiên cứu mơ phỏng hiện nay
chỉ dùng cho nhiên liệu xăng hoặc diesel mà chưa có sự kết hợp với các loại nhiên liệu
sạch khác. Đó cũng là một trong những động lực để luận văn này tập trung nghiên cứu
và xây dựng mơ hình mô phỏng FPE sử dụng nhiên liệu biogas. Ý tưởng của luận văn
này là xem xét sự thay đổi công suất – một trong bốn thông số quan trọng nhất của một
động cơ nhiệt theo thành phần của biogas, dựa trên bản phác thảo kết cấu đã được chế
tạo trong luận văn tốt nghiệp đại học của chính tác giả cùng các bạn sinh viên niên khóa

8

2014-2018, khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia thành
phố Hồ Chí Minh.

9


CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 Động cơ free-piston
3.1.1 Giới thiệu chung
Động cơ free-piton được thiết kế bởi Pescara và các cộng sự [32] vào năm 1928.
Ông bắt đầu nghiên cứu về động cơ free-piston khoảng năm 1922 và phát triển các bản
thảo cả về động cơ đánh lửa cưỡng bức lẫn động cơ diesel. Trong bằng phát minh vào
năm 1928, ơng đã mơ tả một máy nén khí piston đơn với nguyên lý của động cơ freepiston. Giai đoạn 1930-1960, cơ cấu free-piston được đưa vào sử dụng dưới dạng máy
nén khí và máy phát điện chạy bằng khí gas [2]. Những động cơ free-piston loại piston
kép và piston đối đỉnh đều có cơ cấu bằng cơ khí để đồng bộ chuyển động của piston.
Ưu điểm chính của loại động cơ này là đạt được sự cân bằng hoàn hảo, giảm tổn thất
nhiệt do loại bỏ nắp xy-lanh (loại piston đối đỉnh), sử dụng kiểu quét khí uniflow cho
hiệu suất trao đổi khí cao. Tuy nhiên, với cơ cấu động bộ chuyển động của piston, sự
kềnh càng và phức tạp đã khiến động cơ này bị loại bỏ. Từ giữa thế kỉ 20, với sự phát
triển của ngành điều khiển đã cho phép ra đời các công nghệ thay thế phương pháp đồng
bộ chuyển động piston bằng cơ khí. Đặc biệt là những năm gần đây, nhiều nhóm nghiên
cứu trên thế giới đã đưa ra các bản thảo mới về FPE theo kiểu piston đơn và piston kép,
sử dụng công nghệ máy phát tịnh tiến hoặc công nghệ thủy lực [33].

Hình 3.1 Minh họa FPE kiểu piston đối đỉnh với cơ cấu đồng bộ bằng cơ khí [33].

10