Luận văn Nghiên cứu động cơ stirling sử dụng nhiệt thải (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu động cơ stirling sử dụng nhiệt thải (Phần 1)

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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: quocviet288@gmail.com 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 Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường Từ 10/2010 Cao Đẳng Nghề Số 8 – Bộ Quốc Giáo viên đến 9/2014 Phòng i
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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
9. LỜI NÓI ĐẦU Dầumỏvàcácsảnphẩmcủanóngàycàngchiếmmộtvịtrí quantrọngtrongnềnkinh tế của mỗi quốcgia.Xãhộingàycàngpháttriểnthì lượngtiêuthụcácsảnphẩmcủanótăngnhanhchóng.Sựphụthuộcquálớncủa conngườivàomặthàng chiếnlượcnàylàmchonócókhảnăng chiphốitấtcảcác lĩnh vựctừkinhtếđếnchính trịxãhội.Việckhaithácquámứccũnglàmchochúng ngàycàngtrởnêncạnkiệt.Trongkhiđócácphương tiệncơgiớingàyvẫnkhông 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. Vìvậychúngtakhócóthểtìm đượcnguồnnguyênliệuthaythếhoànhảo trongtươnglai gần. ĐộngcơStirling cólịchsửtừrấtlâuđời được phátminhtrướccảđộngcơ xăngvàDiesel.Hiệntạiđộngcơnàycònnhữnghạnchếcầnkhắcphục,nhưngcác nhàchếtạovẫnkhôngngừngquantâmnghiêncứubởi mộtđặcđiểmmàkhôngmột loạiđộngcơnàocóđược đó là khảnăngsửdụngbấtkìnguồnnhiênliệunàotừ thancủi,thanđá,dầumỏ,nănglượngmặttrời, địa nhiệt, nhiệt thải . VớimụctiêuchínhlànghiêncứuđộngcơStirling sử dụng nhiệt thải đểthấyđượcnhững ưuđiểmcủanó,từđóđềxuấtkhảnăngpháttriểncũngnhưlà sửdụngđộngcơStirlingvàcungcấpchocác thế hệsinhviênđisau một tàiliệutìm vi
10. hiểuvềđộngcơStirling,emđãchọnđềtài“Nghiên cứu động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải”choluận văntốtnghiệpcủamình. Mặcdùđãrấtcốgắnghoànthànhđềtài,nhưng dobướcđầulàmquenvới côngtácnghiêncứukhoahọc,trìnhđộbảnthâncònhạnchếnênđềtàinàykhông thể tránhkhỏinhữngsai sót.Rấtmongđượcsựthôngcảmvàgópýcủaquýthầycô vàcác bạnđểđềtàinàyđượchoànthiệnhơn. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014 Người thực hiện đề tài Lê Quốc Việt vii
11. 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
12. 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
13. 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
14. 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
15. 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 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 VDE Thể tích chết của không gian giãn nở VR Thể tích bộ hoàn nhiệt VDC 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
16. 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
17. 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
18. 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
19. 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
20. 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
21. 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
22. S K L 0 0 2 1 5 4