Chế độ tải động cơ xe máy (%) Nhi t độ khí thải (oC) Tốc độ động cơ Stirling có tải (v/p) Đi n áp phát ra (V) Dòng đi n tiêu thụ c a 1 Led (mA) Công suất tiêu thụ 7 Led (P=U.I) (W) 30 335 350 1,30 9,1 0.08 40 378 450 1,49 10,5 0.11 50 415 500 1,62 11,3 0.13 60 432 575 1,70 12,1 0.14 70 485 610 1,78 13,2 0.16 80 540 645 1,82 14,4 0.18 90 585 675 1,90 15,7 0.21
Bảng kết quả đo thể hi n rõ khi tăng nhi t độ khí thải thì tốc độ động cơ Stirling và đi n áp phát ra tăng theo. Công suất c a tảiđạt giá trị 0,21 W tại chế độ động cơ xe máy là 90%. Các biểu đồ trong hình 4.14, 4.15 sẽ biểu di n giá trị đi n áp phát ra, tốc độ động cơ Stirling theochế độ tải c a xe máy và nhi t độ khí thải.
Hình 4.14:Biểu đồ đi n áp phát ra theo tốc độ động cơ Stirling
Hình 4.15:Biểu đồ thể hi n công suất tải phát ra và nhi t độ khí thải ng với chế độ tải c a động cơ xe máy thử nghi m
4.3.4. Đánh giá hi u su t s d ng nhi t th i c a đ ng c Stirlingtrên thực t
Tiến hành các thí nghi m như trư ng hợp đo đi n áp và tải c a động cơ Stirling. Để đánh giá hi u suất sử dụng nhi t thải c a động cơ Stirling, tác giả đánh giá thông qua các trư ng hợp động cơ hoạt động với các tải từ γ0% đến 90%.
Với hi u suất c a máy phát đi n làm từ động cơ DC cũ là 85%, hi u suất c a h thống truyền động từ động cơ Stirling đến máy phát là 80%, tỉ l sử dụng nhi t
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 100 200 300 400 500 600 700
Đi n áp phát ra theo tốc độ động cơ Stirling
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0 100 200 300 400 500 600 700 30 40 50 60 70 80 90
Công suất c a tải phát ra và nhi t độ khí thải theo tải động cơ xe máy
suất thực tế c a động cơ Stirling theo các công th c (4.1), (4.β), (4.γ). Kết quả thể hi n trong bảng 4.7.
Th i gian trên mỗi chu trình c a động cơ Stirling:
= 60
ố độđộ � ơ � � � (4.1)
Lượng nhi t thải c a xe máy trên một chu trình:
= . (4.2)
Hi u suất sử dụng nhi t thải thực tế c a động cơ Stirling:
� =
� . � . � . (4.3)
B ng 4.7:Hi u suất tận dụng nhi t thải c a động cơ Stirling theo chế độ tải
Chế độ tải xe máy (%) Nhi t độ khí thải (oC) Tốc độ động cơ Stirling có tải (v/p) Tốc độ động cơ xe máy (v/p) Lượng nhi t thải xe máy có thể cung cấp Lượng nhi t thải xe máy trên mỗi chu
trình Công suất máy phát (W) Hi u suất tận dụng nhi t thải (%) 30 335 350 2250 677.12 116.08 0.08 1.02 40 378 450 3000 1036.65 126.7 0.11 1.284 50 415 500 3750 1439.52 158.35 0.13 1.215 60 432 575 4500 1807.29 172.87 0.14 1.198 70 485 610 5250 2395.05 215.95 0.16 1.096 80 540 645 6000 3076.92 262.37 0.18 1.015 90 585 675 6750 3774.42 307.55 0.21 1.01
Vậy hi u suất tận dụng nhi t thải c a động cơ Stirling là đư chế tạo đạt giá trị cao nhất là 1,284% ng với chế độ tải hoạt động c a xe máy là 40%. Các giá trị hi u suất tận dụng nhi t thải được thể hi n rõ trên biểu đồ hình 4.16.
Hình 4.16: Biểu đồ hi u suất tận dụng nhi t thải c a động cơ Stirling theo chế độ tải c a động cơ xe máy
4.4. Đánh giá k t qu th nghi m
Qua quá trình làm các thí nghi m, đo đạc và thu thập các số li u, tác giả nhận thấy mô hình động cơ Stirling chạy bằng nhi t thải đư hoạt động được, đáp ng yêu cầu đặt ra. Để mô hình hoạt động ổn định và kéo được tải phát ra đi n áp thì chế độ tải c a động cơ đốt trong phải từ 40% tr lên. Với chế độ tải này, tốc độ tương ng c a động cơ đạt khoảng γ000 vòng/ phút, khi xe chạy trên đư ng thì tốc độ này tương ng khoảng 40 km/h đến 50 km/h. Đồng th i th i gian để động cơ Stirling hoạt động ổn định được từ lúc xe bắt đầu chạy là khoảng 10 phút.
Kết quả thử nghi m cũng cho thấy với một lượng nhi t thải nhất định không lớn lắm từ một xe máy cũng có thể giúp cho động cơ Stirling hoạt động được và phát ra lượng đi n đ thắp sáng 7 bóng đèn Led. Điều đó ch ng t khả năng ng dụng c a động cơ Stirling sử dụng nhi t thải trên động cơ đốt trong là hoàn toàn khả thi, đặc bi t có thể phát huy tốt trên các động cơ đốt trong lớn và các động cơ tĩnh tại như máy phát đi n, máy tàu th y…
Kết quả cũng cho thấy hi u suất tận dụng nhi t thải đạt giá trị cao nhất là 1,β84% ng với chế độ tải động cơ xe máy là 40%. Điều này cho thấy sự phù hợp
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
hoạt động với hi u quả cao nhất. Tuy hi u suất tận dụng nhi t còn khiêm tốn nhưng đây là bước đầu thành công c a đề tài. Kết quả này còn thấp là do quá trình thiết kế, tính toán và chế tạo động còn nhiều hạn chế như về công ngh , về trình độ chế tạo, gia công các chi tiết. Nhưng qua kết quả đó tác giả đư rút ra được những bài học kinh nghi m về thiết kế, tính toán và chế tạo động cơ Stirling để thực hi n tốt hơn những đề tài tiếp theo.
4.5. Ch ng trìnhmô ph ng vƠ tính toán thông s đ ng c Stirling
Song song với vi c tính toán thiết kế động cơ Stirling và thử nghi m thực tế, tác giả cũng viết một chương trình mô ph ng nhằm đưa ra phương ti n tính toán thiết kế động cơ Stirling một cách tổng quát hơn. Phần mềm được viết với ngôn ngữ lập trình LabVIEW, trong đó cho phép ngư i sử dụng nhập các thông số đầu vào c a động cơ cần tính toán như tỉ số nhi t độ, tỉ số thể tích, thể tích làm vi c nh nhất c a động cơ…Sau đó chương trình sẽ xử lý, tính toán và đưa ra các thông số áp suất, công suất, hi u suất… Đồng th i chương trình cũng mô ph ng và vẽ ra chu trình hoạt động và vẽ đồ thị P-V. Điều này rất có ý nghĩa, nó có thể giúp những ngư i mới thiết kế lần đầu tính toán nhanh hơn, chính xác hơn động cơ mà họ muốn chế tạo.
Ch ng 5
K T LUẬN VÀ H NG NGHIểN C U
5.1. Nh ng v n đ đƣ gi i quy t
Qua quá trình nghiên c u, tìm hiểu và thực hi n đề tài với nhiều th i gian, công s c, cùng với nền tảng kiến th c ô tô, nhi t động học được trang bị, các kiến th c tổng quan liên quan được học trong th i gian qua, tác giả đư hoàn thành nhi m vụ đặt ra c a đề tài và đạt được một số thành công nhất định.
Tác giả đư vận dụng được những lý thuyết đư học để tính toán được nguồn nhi t thải c a một động cơ đốt trong, cụ thể trong đề tài là động cơ xe máy SYM EZ 110. Vi c tính toán được nguồn nhi t thải sẽ giúp cho vi c đề ra các giải pháp hợp lý để tận dụng nguồn nhi t này, trong đó có vi c sử dụng động cơ Stirling để phát đi n.
Dựa trên kết quả tính toán từ nhi t thải, tác giả tính toán, thiết kế và chế tạo thành công một động cơ Stirling nh với công suất tối đa 0,β1W.
Vi c thử nghi m động cơ Stirling nh đư chế tạo chạy bằng khí thải trên xe máy được thực hi n thành công, lượng khí thải thoát ra từ xe máy đ cung cấp năng lượng cho động cơ Stirling chạy và kéo máy phát mini phát ra đi n áp từ 1,γV đến 1,9V.
Từ những kết quả nghiên c u trên cho thấy khả năng ng dụng động cơ Stirling sử dụng nhi t thải trên ô tô, xe máy là hướng đi đúng đắn cần được đầu tư nghiên c u sâu rộng hơn nữa.
Các kết quả thử nghi m mặc dù còn hạn chế nhưng đư cho thấy khả năng thực tế c a đề tài, đồng th i cũng là nguồn tài li u quý giá để thực hi n các nghiên c u tiếp theo. Trên những động cơ đốt trong có công suất lớn chắc chắn sẽ cung cấp một nguồn nhi t thải lớn và đây là yếu tố quan trọng để tăng hi u suất cũng như công suất c a động cơ Stirling. Vì vậy tác giả tin rằng vi c ng dụng động cơ Stirling trong lĩnh vực này sẽ giúp cải thi n rất nhiều về vấn đề năng lượng đang được quan tâm hi n nay.
5.2. Nh ng v nđ còn t n t i
Bên cạnh những kết quả đạt được trong quá trình nghiên c u đề tài, tác giả cũng không tránh kh i những hạn chế về mặt thiết bị và công ngh như:
Mô hình động cơ Stirling chế tạo được là mô hình nh , chỉ đáp ng được yêu cầu thử nghi m và học tập ch chưa đáp ng được vi c ng dụng thực tế.
Vi c đo đạc các thông số bên trong động cơ Stirling như nhi t độ môi chất công tác, áp suất môi chất công tác chưa thực hi n được do kết cấu động cơ quá nh .
Quá trình tính toán và chế tạo động cơ Stirling chỉ thực hi n trên một kiểu động cơ nhất định, chưa thực hi n các nghiên c u trên các kiểu động cơ Stirling khác.
Công ngh chế tạo chưa cao, quá trình chế tạo động cơ còn nhiều thiếu sót, chưa chuyên môn hóa và đặc bi t là vật li u chế tạo chưa đạt nên hi u suất và khả năng hoạt động c a động cơ còn hạn chế, công suất c a động cơ không cao.
Mặt khác do th i gian và điều ki n có hạn nên tác giả chỉ chế tạo và thử nghi m động cơ Stirling nh trên xe máy, chưa chế tạo và thử nghi m được động cơ Stirling lớn hơn trên ô tô. Đây cũng là một điểm hạn chế c a đề tài.
5.3. H ng phát tri n c a đ tƠi
Những kết quả đư đạt được trong quá trình nghiên c u đư ch ng minh khả năng phát triển, m rộng c a đề tài. Trong th i gian tới tác giả sẽ cố gắng thực hi n những động cơ Stirling có công suất cũng như hi u suất lớn hơn và thử nghi m trên những xe ô tô, các động cơ lớn để tận dụng nguồn nhi t thải c a chúng, giúp cải thi n hi u suất động cơ đốt trong cũng như giúp cải thi n vấn đề năng lượng hao phí.
Ngoài ra, một hướng phát triển khác c a đề tài nữa là chế tạo nhiều kiểu động cơ Stirling khác nhau để thử nghi m và đánh giá từng kiểu, chọn kiểu động cơ tối ưu nhất.
Bên cạnh đó tác giả cũng đề xuất các nghiên c u tiếp theo sẽ thực hi n được vi c đo đạc các thông số bên trong động cơ như áp suất và nhi t độ môi chất công tác.
TÀI LI U THAM KH O
Ti ng Vi t:
[1]. Hoàng Dương Hùng, Phan Quý Trà, Nghiên c u động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng.
[2]. Trần Quang Thạch, ng dụng động cơ Stirling trong các thiết bị làm lạnh,
luận văn Thạc sĩ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh, β01β.
[γ]. GS. TSKH Nguy n Hữu Cẩn, Lý thuyết ô tô máy kéo, in lần th 5, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội, β005, trang 189.
[4]. GS. TSKH Trần Văn Phú, Giáo trình kĩ thuật nhi t, Nhà xuất bản giáo dục, β007.
[5]. Nguy n Bốn - Hoàng ngọc Đồng, Nhi t kĩ thuật, Nhà xuất bản Giáo dục - 1999.
Ti ng Anh:
[6]. Halit Karabulut, H¨useyin Serdar Yucesu, Atilla Koca, Manufacturing and Testing of a V-Type Stirling Engine, Đại học Gazi, Đại học Zonguldak Karaelmas, Thổ Nhĩ Kì.
[7]. Wolfgang Winkler, Hagen Lorenz, Design studies of mobile applications with SOFC–heat engine modules, Đại học khoa học ng dụng Harmburg, CHLB Đ c.
[8]. Noel P. Nightingale, Design automotive Stirling engine Mod II, Trung tâm nghiên c u Kĩ thuật Cơ khí, New York, Mĩ.
[9]. W'dliam D. Ernst , Richard K. Shaltens, Automotive Stirling Engine Development Project, trung tâm nghiên c u kĩ thuật cơ khí, New York, Mĩ.
[10]. J. Gary Wood and Neill Lane, Advanced 35W free-piston Stirling engine for space power applications, tập đoàn công nghi p Sunpower, Ohio, Mĩ.
[11]. Charles Habbaky, Adrian Boangiu, Performance Analysis of a Stirling Engine Fuelled by Diesel and Ethanol and Transition to Bio-oil, luận văn Thạc sĩ Khoa học ng dụng, Đại học Toronto, Canada.
Department of energy, 1/1983.
[13]. Koichi Hirata, Schmidt theory for Stirling engine, National Maritime research institute.
[14]. Wamei Lin, Modeling and Performance Analysis of Alternative Heat Exchangers for Heavy Vehicles, Thesis for the degree of Licentiate of Engineering, 2011, Lund University.
[15]. J. S. Jadhao, D. G. Thombare, Review on Exhaust Gas Heat Recovery for I.C. Engine, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), Volume 2, Issue 12, June 2013.
[16]. G. Walker, Stirling - cycle machines, Nhà xuất bản Clarendon Press - Oxford, 1973. Website: [17]. http://www.robertstirlingengine.com [18]. http://www.sym.com.vn/san-pham/xe-so/ez/dac-diem-ky-thuat [19]. http://www.solarheatengines.com/2012/02/09/power-piston-sizing-for- stirling-engines/ [20]. http://www.ohio.edu/mechanical/stirling/ [21]. http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling [22]. http://www.youtube.com
PHỤ LỤC
Sơ đồ nguyên lý bộ cảm biến đo tốc độđộng cơ Stirling