Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Nhiên liệu hóa thạch ngày nay đã trở thành nguồn năng lượng rất quan trọng trong hoạt động sản xuất và kinh doanh, trong đời sống dân sinh và đặc biệt là trong giao thông vận tải. Các sản phẩm từ dầu khí đã trở thành nguồn năng lượng không thể thiếu cho các dịch vụ vận tải từ đường biển, đường bộ tới đường không.1: Biểu đồ lượng phát thải CO2/ nguời trong một năm (Dữ liệu từ Ngân hàng Thế giới) Trong thời gian qua, do vấn đề gia tăng dân số cộng với việc gia tăng thu nhập bình quân đầu người dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng các loại phương tiện cá nhân. Cùng với sự gia tăng lượng phương tiện giao thông cá nhân đi kèm với nó là sự gia tăng việc sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch.
Hoạt động của các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch lại thải ra một lượng lớn các khí thải gây hại đến môi trường và sức khỏe con người.1 cho thấy lượng phát thải khí CO2/người/năm ở một số nước trong giai đoạn 1978 - 2014 (số liệu thống kê từ Ngân hàng Thế giới). 5 Tại Việt Nam, khi đất nước hội nhập với nền kinh tế thế giới đã đạt được thành tựu lớn như thu nhập cá nhân tăng cao thì kèm theo đó là lượng phương tiện cá nhân cũng gia tăng theo mà điển hình ở đây là ô tô, xe máy. Mức độ tiêu thụ nhiên liệu của Việt Nam được dự kiến sẽ tăng cao cùng với quá trình gia tăng dân số, phát triển kinh tế và các phương tiện cá nhân. Nếu tăng trưởng tốt như dự kiến thì thu nhập bình quân đầu người của Việt Nam sẽ tăng gấp đôi so với hiện nay kéo theo thêm sự gia tăng nhu cầu trong việc sử dụng ô tô trong các thành phố lớn.
Nếu không giải quyết được vấn đề lưu thông trong thành phố thì lượng ô tô gia tăng sẽ làm cho mức độ ô nhiễm sẽ càng trầm trọng hơn. Vì thế bên cạnh việc chờ đợi cho chính phủ giải quyết được vấn đề lớn là quy hoạch các thành phố lớn thì việc nghiên giải pháp giải quyết vấn đề phát thải của các loại phương tiện cá nhân mà cụ thể là ô tô đang là chìa khóa cho thực trạng trên. Để giải quyết vấn đề này, giải pháp sử dụng ô tô điện nổi lên như một đáp án cho bài toán ô nhiễm không khí. Xe điện có nhiều ưu điểm như việc không sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất của xe rất cao do sử dụng động cơ điện (có thể lên tới 80%) trong khi ô tô sử dụng động cơ đốt trong chỉ đạt hiệu suât cao nhất lên tới 50%, cùng với đó là ô nhiễm tiếng ồn của xe điện cũng cực kì thấp.
Xe điện cũng có một kết cấu lý tưởng bởi vì sử dụng động cơ điện nhỏ, gọn có trọng tâm thấp cùng với ắc quy lớn chiếm gần hết phần sàn xe giúp cho xe có khả năng bám đường cũng như độ ổn định cao, tăng tính an toàn trong sử dụng. Ngoài ra, yêu cầu về bôi trơn thấp, việc có ít các bộ phận hơn nên dễ bảo dưỡng, sửa chữa cũng như dễ thao tác hơn so với các xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống. 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 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 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 nghiên cứu chế tạo, phát triển các loại máy phát điện mới để chuyển đổi năng lượng. 6 Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã khám phá thiết bị chuyển đổi năng lượng mới (như hệ thống năng lượng tuyến tính), mà thanh kết nối trục khuỷu đã được loại bỏ. Động cơ không trục khuỷu phát điện tuyến tính từ đó đã được ra đời. Động cơ không trục khuỷu có các đặc tính vận hành độc đáo và hiệu suất tuyệt vời, do hệ thống trục khuỷu đã bị loại bỏ và chuyển động của piston là tự do.
Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề về động cơ không trục khuỷu chưa giải quyết được triệt để như vấn đề về bôi trơn, khả năng làm mát và cả bộ khởi động động cơ để có thể sản xuất thương mại hóa loại động cơ rất có tiềm năng này. Những lợi thế này có thể tạo ra các ưu tiên hiệu quả với lượng khí thải giảm cho các ứng dụng xe điện hybrid. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Nghiên cứu ngoài nước a) Ưu điểm của động cơ không trục khuỷu với động cơ đốt trong truyền thống Kalghatgi [1] đã chứng minh rằng mặc dù đang có nhiều vấn đề liên quan tới ô nhiễm môi trường đang được giới khoa học quan tâm, nhưng đối với các thiết bị chuyển đổi năng lượng hiện tại thì động cơ trục khuỷu truyền thống vẫn được coi là một đại diện điển hình, đã rất phổ biến trong cuộc sống của chúng ta.
Theo tác giả, tác động vào hiệu ứng nhà kính của ắc quy trên xe điện sẽ tồi tệ hơn so với các phương tiện thông thường nếu sản xuất điện và năng lượng sử dụng cho sản xuất pin không khử được cacbon. Nếu than tiếp tục là một phần của hỗn hợp năng lượng và phát điện ở gần các trung tâm đô thị thì chất lượng không khí đô thị sẽ trở nên tồi tệ hơn. Các tác động của con người tới việc khai thác kim loại cần thiết cho sản xuất pin là rất nghiêm trọng. Ở một nghiên cứu khác, Hanipah cùng cộng sự [2] đã phân tích một số lợi thế tiềm năng của động cơ không trục khuỷu trên xe điện hybrid so với động cơ trục khuỷu thông thường như đơn giản về mặt kết cấu và có thiết kế nhỏ gọn do máy phát tích hợp trong động cơ và thành phần chuyển động đơn giản.
Việc không có trục khuỷu sẽ làm giảm đáng kể tổn thất ma sát do không có lực ngang tác dụng vào piston khi chuyển đổi chuyển động quay sang tịnh tiến, có nghĩa là ma sát tiếp xúc trong hệ thống ít hơn. Hoạt động ở cơ cấu không có trục khuỷu này tạo ra hành trình mở rộng thể tích xi lanh 7 nhanh hơn, giúp giảm tổn thất truyền nhiệt trong xi lanh. Hơn nữa, tỷ số nén thay đổi có thể được thực hiện đối với kiểm soát nhu cầu tải cho phép động cơ không trục khuỷu hoạt động ở dải tốc độ và chu kỳ tối ưu để đạt hiệu suất tối đa. Nhóm tác giả đã nghiên cứu và phát triển động cơ không trục khuỷu cỡ nhỏ sử dụng trên xe điện hybrid.
Từ đó, đã nêu lên những luận điểm về ưu điểm của động cơ không trục khuỷu đã được phát triển trong các hãng lớn như Toyota, Ford, Honda,… Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các động cơ trục khuỷu truyền thống không thể hoạt động ở điều kiện hiệu suất cao liên tục trong quá trình vận hành, điều này sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của chúng và hiệu quả hệ thống. Quan điểm trên cũng được giải thích bởi Nguyen và Lim [3], nhóm tác giả cho rằng các đặc tính động học của cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền và kết luận làm cho cơ cấu không thể tránh được tổn thất ma sát lớn hơn do lực bên của piston và số lượng cặp chuyển động lớn hơn cũng sẽ gây ra tổn thất cơ học lớn hơn. Chen và Zongxuan [4] cũng đã kết luận để cải thiện cơ bản hiệu quả chuyển đổi năng lượng và rút ngắn chuỗi truyền năng lượng, cơ chế thanh nối trục khuỷu phải được loại bỏ. Như vậy có thể thấy việc sử dụng động cơ điện thay thế động cơ trục khuỷu truyền thống để giảm thiểu phát thải CO2 và giảm tiêu tốn nhiên liệu hóa thạch có thể sẽ dẫn tới hậu quả tồi tệ hơn nếu khi mà chuỗi công nghệ vẫn chưa hoàn chỉnh.
Động cơ không trục khuỷu với các đặc điểm ưu việt như kết cấu nhỏ, gọn, hiệu suất cao… có thể coi là một hệ thống chuyển đổi năng lượng có tiềm năng cao để thay thế động cơ trục khuỷu truyền thống trên xe cơ giới. b) Khái quát động cơ không trục khuỷu Các nghiên cứu về động cơ không trục khuỷu được bắt đầu vào khoảng năm 1920 và thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu ở nhiều quốc gia khác nhau từ những năm 1930 đến 1960, nhằm khắc phục những thiếu sót của trục khuỷu và thanh truyền. Các động cơ không trục khuỷu trong giai đoạn đó cơ bản được ứng dụng làm máy nén khí. Pescara [5] thường được ghi nhận với việc phát minh ra động cơ không trục khuỷu đầu tiên và có bằng sáng chế từ năm 1928, cấu hình động cơ không trục khuỷu này được minh họa trên Hình 1.2: Mẫu thiết kế máy nén khí Free Piston Pescara [5] 1, 6, 9- Xi lanh; 21, 22, 5, 8- Piston; 3- Cửa nạp; 4.
Cửa xả; 7- Thân động cơ; 10- Đòn bẩy; 11- Trục đòn bẩy; 12- Thanh truyền Động cơ được sáng chế bởi Pescara được hoạt động theo nguyên lý của một động cơ hai kỳ. Nó bao gồm xi lanh 1 cùng với hai piston 21 và 22 chuyển động ngược chiều nhau và cửa vào 3 và cửa xả 4 được bố trí phù hợp với biên độ của chuyển vị piston. Một piston, ví dụ như piston 21 được liên kết với piston máy nén khí 5 di chuyển trong xi lanh 6, mặt ngoài của piston 5 trong buồng 61 của xi lanh 6 nén khí được sản xuất ra và đưa ra bên ngoài. Trong khi mặt trong của piston 5 nén, trong buồng 6 của cùng một xi lanh, không khí được đưa vào một ống 17 được bao kín xung quanh.
Piston 22 được nối cứng với piston 8 chuyển động trong xi lanh 9. Trên hành trình đi ra ngoài, piston 8 va đập vào một túi khí lưu trữ trong xi lanh 9 tạo ra một lượng năng lượng để đẩy các piston quay lại phía trong động cơ. Các cấu trúc đối xứng 21-5 và 22-8 được liên kết với nhau bằng các thiết bị đồng bộ hóa. Bao gồm một đòn bẩy 10 dao động quanh một trục 11 cố định, ở hai đầu của nó liên kết với các thanh 12 tạo thành hai cấu trúc tương ứng đối xứng nhau.