CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Việc khai thác nguồn nhiên liệu hóa thạch, sử dụng nó một cách triệt để làm cho nguồn nhiên liệu này đã dần trở nên cạn kiệt và thêm vào đó là những vấn đề về môi trường như ô nhiễm, trái đất nóng dần lên, hiệu ứng nhà kính. đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà nghiên cứu về thiết kế phát triển động cơ và hơn hết là làm sao tìm ra các giải pháp thay thế công nghệ để phát triển nguồn năng lượng tái tạo sạch. Công nghệ thì ngày càng phát triển liệu làm sao để có thể phát triển một loại động cơ mới hiệu năng, công suất cao, sử dụng được nhiều loại nhiên liệu khác nhau nhưng phải đảm bảo được lượng khí thải ra môi trường tối thiểu nhất và hạn chế làm ô nhiễm môi trường.
Kể từ những năm 80 của thế kỷ XX cho đến nay, có thể nói vấn đề môi trường được coi là nội dung trọng tâm cần quan tâm tại các nước công nghiệp phát triển, nhiệm vụ đặt ra là tăng cường bảo vệ chất lượng môi trường trong khi vẫn phải phát triển các nguồn lực kinh tế xã hội và cải thiện chất lượng cuộc sống, đặc biệt là trong các thành phố lớn thì vấn đề môi trường là một trong những vấn đề nóng bỏng được quan tâm hàng đầu. Việt Nam là một nước có nền kinh tế đang phát triển nhanh và đang định hướng trở thành nước công nghiệp đến năm 2020. Cùng với quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá của đất nước, nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển. Sự phát triển của nền kinh tế kéo theo sự phát triển nhiều mặt của xã hội.
Phương tiện giao thông là một vấn đề song song của hai mặt (tích cực và tiêu cực). Nó giúp cho sự phát triển nhanh chóng và mạnh về kinh tế và các mặt khác của xã hội. Bên cạnh đó hoạt động của các phương tiện giao thông gây ảnh hưởng đến sức khoẻ và môi trường một cách nghiêm trọng do lượng khí thải của các phương tiện này gây ra. Vì thế, việc nghiên cứu những giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay.
Để giải quyết vấn đề này các nhà khoa học của nước ta và trên thế giới đã và đang nghiên cứu giải pháp 20 Luan van sử dụng ô tô chạy điện, ô tô lai thay thế ô tô sử dụng nhiên liệu truyền thống. Về phương diện bảo vệ môi trường, đây là một giải pháp tối ưu. Loại xe này có động cơ nằm ở các bánh xe, được cung cấp năng lượng từ những bình điện đặt trong cốp xe. Tuy nhiên, loại hình còn tồn tại một số bất tiện như: hệ thống bình điện quá nặng, choán không gian chất hành lý, thời gian chạy với số bình điện đó chỉ đủ cho một cự ly chạy trên dưới 100 km, sau một khoảng thời gian nhất định, từ 4 - 6 giờ lại phải sạc điện.
Ngoài ra, số trạm điện đáp ứng được yêu cầu nạp điện này cũng còn quá ít. Do vậy, việc tiết kiệm nhiên liệu cùng với việc quy định nghiêm ngặt của pháp luật về khí thải, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghĩ đến việc cải tiến công nghệ trong động cơ đốt trong truyền thống, cũng như điều tra các loại máy phát điện mới để chuyển đổi năng lượng. Động cơ đốt trong piston chuyển động tự do - Free piston engine, là một trong những động cơ mới, hiệu suất cao, thiết bị chuyển đổi năng lượng, đã được nghiên cứu do những lợi thế tiềm năng của nó về hiệu suất nhiệt, phát thải thấp và khả năng đa nhiên liệu so với động cơ thông thường. Tuy nhiên những nghiên cứu trên mới chỉ được thí nghiệm và dựa vào những mô hình mô phỏng với các loại nhiên liệu như là khí hydro hoặc xăng, chưa đưa vào ứng dụng trên ô tô lai.
Do đó, để khắc phục những nhược điểm của ô tô chạy điện như là giảm trọng lượng ắc quy, nâng cao công suất cũng như thời gian hoạt động liên tục của ô tô, việc chế tạo động cơ phát điện để cung cấp nguồn năng lượng trực tiếp cho ô tô và giảm ô nhiễm môi trường là vô cùng quan trọng. FPLE (Free Piston Linear Engine) là một kiểu động cơ không trục khuỷu FPE sử dụng piston đôi. Về cấu tạo FPLE giống với động cơ 2 thì thông thường, sử dụng nhiên liệu xăng, nhưng đã thay đổi cụm thanh truyền – trục khuỷu thành Free Piston. Do đó cần có nhiều cải tiến để nâng cao hiệu suất cho FPLE như hệ thống nhiên liệu, đánh lửa… trong quá trình trình hoạt động.
Một trong các lý do ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ là các đặc tính quá trình nạp trên hệ thống nạp của động cơ, trong đó có thể xem sự hòa trộn nhiên 21 Luan van liệu-không khí, dòng chảy rối, ảnh hưởng năng lượng xoáy hỗn hợp hòa khí khi động cơ hoạt động ở dãi tần số nhất định. Luận văn nghiên cứu sử dụng phần mềm chuyên nghành phân tích và cải tiến đường nạp cho động cơ FPLE được thiết kế theo một động cơ đốt trong thông thường ở một dãi tốc độ không thay đổi (thừa hưởng từ thông số mô phỏng của các nhóm nghiên cứu trên thế giới) nhằm đưa ra các phương án cải tiến họng nạp nâng cao chất lượng quá trình nạp khi áp dụng trên FPLE.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính [3] 1. Các nghiên cứu trên thế giới. Peter Ạ Achten [1] đã có đánh giá về khái niệm động cơ piston tự do đầu tiên vào năm 1994 tại một tạp chí ở nước Anh.
Trong bài đnahs giá này đã trình bày các thiết kế khác nhau của của động cơ piston tư do. Về cơ bản các thiết kế này được chia thành ba loại: ‘piston đơn’, ‘piston kép’ và ‘piston đối lập’, những thiết kế này đều có ưu và nhược điểm riêng. Bài viết đưa ra các khái niệm và đánh giá khác nhau. R Mikalsen và AP Roskilly [2] đã có một review tại hội nghị Khoa học ‘Ứng dụng động cơ nhiệt’ năm 2007 đã đánh giá lịch sử động cơ đốt trong sử dụng piston tự do, từ máy nén khí và máy phát khí được sử dụng vào giữa thế kỷ XX thông qua động cơ thủy lực piston và máy phát điện tuyến tính gần đây.
Các tính năng duy nhất của động cơ ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ được thảo luận. Đồng thời các lợi thế tiềm năng và sự bất lợi so với động cơ thông thường đã được báo cáo. Cuối cùng tác giả hứa hẹn một tiềm 22 Luan van năng thiết kế của piston tự do. Tác giả cũng cho rằng cùng với việc sử dụng nhiều nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân phát thải CO2 thì động cơ piston tư do có tiềm năng là một động cơ thay thế động cơ thông thường trong tương lai.
Quan trọng nhất là tác giả đã cho rằng cấu hình piston đôi có đặc điểm nổi trội nhất vì cấu hình này cho phép thiết bị đơn giản và dễ dàng với tỷ lệ năng lương cao hơn. Tuy nhiên cấu hình này gặp khó khăn tại khâu kiểm soát piston, tỷ số nén, hệ thống khởi động. R Mikalsen và AP Roskilly [3] tại hội nghị Khoa học ‘Ứng dụng động cơ nhiệt’ năm 2008 đã trình bày thiết kế mô phỏng đông cơ piston tự do hai thì đánh lửa để phát điện. Trong đó đã đưa ra kiểu động cơ FPLE mà trong luận văn thiết kế có sử dụng Tuộc bô cơ khí.
Các nghiên cứu thiết kế này giải quyết các động cơ piston tự do cỡ nhỏ và đưa ra các hướng giải quyết cụ thể trên mô hình. Chương trình mô phỏng số Matlab được các nhà nghiên cưu lập trình tính toán các thông số thiết kế và biến nhập động cơ để giải quyết các thông số như vị trí piston, tốc độ piston, các ảnh hưởng của thông số tải cho máy phát, các trạng thái ổn định và đáp ứng hiệu suất động cơ. Tác giả sau sau khi thực hiện mô phỏng đã cho rằng FPLE đòi hỏi có thời gian tăng áp cho dòng nhiên liệu cao hơn động cơ thông thường. R Mikalsen và AP Roskilly [4] trong bài báo đã nghiên cứu khảo sát hiệu suất tia lửa điện đốt cháy trên FPLE so sánh với động cơ thường sử dụng mô hình động lực học cho thấy tiềm năng chính của công nghệ này nằm ở sự đơn giản và tính linh hoạt.
R Mikalsen và AP Roskilly [5] tại hội nghị ‘Năng lượng nhiệt’ năm 2009 dã trình bày một tiếp cận lý thuyết mô hình hóa động cơ piston tự do thông qua chuyển động của các mắt lưới phụ thuộc vào động cơ. Các tính năng cụ thể của động cơ được triển khai theo mã CFD động lực học chất lỏng. Từ đó có thể gải quyết ghép nối hệ thống thông qua mô hình tạo ra phiên bản của động cơ piston tự do FPE. Trong bài tác giả cho rằng FPLE là 23 Luan van một thiết kế công nghệ độc đáo do tính linh hoạt và sự đơn giản của nó.
Với các tính năng ưu việt máy tính CFD được sử dụng là lựa chọn ưu tiên của các nhà nghiên cứu. R Mikalsen E Jones và AP Roskilly [6] tại hội nghị ‘Năng lượng nhiệt’ năm 2010 đã giới thiệu bộ điều khiển chuyển động piston cho FPLE nhằm cải thiện kiểm soát vận chuyển cơ học của piston và hệ thồng nén của động cơ theo từng chu kỳ. Các thao tác cung cấp nhiên liệu bằng vi xứ lý và bằng điện tử làm giảm áp suất trongxilanh. Điều này giúp cải thiện hoạt động của động cơ, cùng với tăng cường các điều kiện hoạt động khác.
Thiết kế mô phỏng kiểu FPLE này cho thấy lượng điện đạt 45 KW là khả thi với dãi tần số 30Hz có hiệu suất khoảng 0,42, hiệu suất nhiên liệu tăng 3% đến 5% so với động cơ thông thường có kích thước tương tự. Chủ yếu do các tổn thất ma sát tốt hơn. J Mao, Z Zuo và H Feng [7] tại hội nghị ‘Năng lượng nhiệt’ năm 2011đã giới thiệu FPLA có thiết kế giống FPLE nhưng sử dụng động cơ diesel. Phiên bản này kết hợp FPE và máy phát điện tuyến tính.
Kiểu FPLA có lợi thế tiềm năng hiệu quả khá cao, mật độ năng lượng lớn, khả năng tiếp ứng nhiên liệu chuyển tiếp nhanh, có thể coi là một ứng cử viên tiềm năng tương tự FPLE. Q Li, J Xiao và Z Huang [8] đã sử dụng phương pháp phần tử hửu hạn và Matlab Simulink đã điều tra hiệu quả phát điện cho động cơ FPLA.