Chương 1. Tổng quan Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương 3. Tính toán mô phỏng Chương 4.
Thiết kế máy phát điện tuyến tính Chương 5. Kết luận và kiến nghị 1. Phƣơng pháp nghiên cứu Quá trình nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp tổng quan tài liệu: Tổng quan các tài liệu liên quan đến máy phát điện tuyến tính. - Phương pháp phân tích lý thuyết: Phân tích lý thuyết về nguyên lý phát điện.
- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Đưa ra mô hình toán phù hợp và mô phỏng trên phần mềm Matlab. Kế hoạch thực hiện 30 Thời gian Tháng 04/2018 – Tháng 4 /2019 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 Công việc 1.Đăng ký tên X đề tài 2.Xác định đề X tài nghiên cứu 3. Tìm hiểu tài X X liệu 4.Viết chương X X X X I,II 5.Viết chương X X X X III,IV 6.Viết chương X V 7.Hoàn chỉnh X X thủ tục và bảo vệ luận văn. Kết thúc nghiên cứu 31 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
Động cơ không free-piston: 2. Tổng quan về động cơ free-piston: Động cơ free-piston là một sự thay thế đầy hứa hẹn cho động cơ thông thường trong các ứng dụng như xe điện hybrid hoặc điều khiển thủy lực trên đường cao tốc. Động cơ được sử dụng trong thương mại vào giữa thế kỷ 21 như máy phát điện khí và máy nén khí, thường cho thấy các đặc tính có lợi. Trong những năm gần đây, động cơ free-piston đã được phát triển bởi một số nhóm trên toàn thế giới, cả trong nghiên cứu và công nghiệp.
Động cơ free- piston là một trục tuyến tính, trong đó chuyển động piston không được kiểm soát bởi trục khuỷu mà xác định bởi sự tương tác của các bộ phận: buồng đốt khí, thiết bị phục hồi (ví dụ, một piston trong một xylanh kín) và một thiết bị tải (ví dụ máy nén khí hoặc máy phát điện tuyến tính) Hình 2. Một trong những động lực chính của những nghiên cứu này được cho là tiềm năng của động cơ free-piston, nhỏ gọn và hiệu quả cho máy phát điện cho xe điện hybrid. Nó đơn giản về mặt cơ học và có thiết kế nhỏ gọn do tích hợp máy phát điện và động cơ free-piston. Sự vắng mặt của trục khuỷu sẽ giảm tổn thất ma sát đáng kể.1 Mô hình động cơ free-piston hai buồng đốt đối lập 2.
Ƣu điểm động cơ free- piston: Sự đơn giản của động cơ free-piston là động lực cho những nghiên cứu gần đây. Sự loại bỏ trục khuỷu làm giảm số lượng của các bộ phận và sự phức tạp của động cơ piston tự do đáng kể và điều này có khả năng mang lại một số lợi thế: - Tổn thất ma sát thấp: Việc thiếu một trục khuỷu làm giảm đáng kể tổn thất ma sát và chuyển động của piston tự do làm cho gia tốc lớn hơn nhiều so với động cơ truyền thống. Gia tốc piston cực đại trong động cơ free-piston cao hơn khoảng 60% so với động cơ thông thường. Do đó, tổn thất truyền nhiệt trong xylanh của động cơ free-piston ít hơn trong một động cơ thông thường.
- Giảm chi phí sản xuất: Giảm các bộ phận trong động cơ free-piston dẫn đến giảm chi phí sản xuất. - Nhỏ gọn: Với số lượng bộ phận giảm, kích thước và trọng lượng của động cơ free-piston có thể được giảm xuống, cho một kích thước nhỏ gọn hơn. - Chi phí bảo trì thấp và tăng tuổi thọ: Do giảm số lượng các bộ phận và giảm ma sát, tổn thất nên làm giảm chi phí bảo trì của động cơ. Các loại động cơ free-piston: a.2 Mô hình động cơ free-piston loại piston đơn Động cơ free-piston đơn như được thể hiện rõ ở hình 2.
Động cơ này bao gồm ba thành phần thiết yếu và quan trọng nhất là: buồng xylanh đốt, thiết bị tải, và thiết bị bật lại (có thể là lò xo hoặc van điện solenoid) để lưu trữ năng lượng cần thiết để nén lại piston cho chu kì tiếp theo như thể hiện trong hình. Thiết kế đơn giản với khả điều khiển cao thì thế 33 mạnh chính của thiết kế piston đơn so với cấu hình các loại free-piston khác khác là sự đơn giản. Cấu hình piston đơn rất dễ sản xuất thương mại vì nó đơn giản và dễ kiểm soát so với những loại khác. Tuy nhiên, nó đi kèm với một nhược điểm là nó có độ cân bằng động kém do piston đơn.
Một thiết kế đơn giản với khả năng kiểm soát cao là chính sức mạnh của thiết kế piston đơn so với các loại khác. Thiết bị bật lại có khả năng kiểm soát chính xác số lượng hỗn hợp nhiên liệu-không khí đưa vào quá trình nén. Có thể thấy có động cơ free-piston có thiết kế đơn giản với khả năng điều khiển tốt so với các động cơ piston tự do khác; tuy nhiên bằng động không phải là tốt vì nó chỉ có một piston. Một thiết kế hoàn toàn cân bằng là lợi thế chính của piston đối đỉnh cũng như cơ cấu piston đôi.
Piston kép (piston đối đỉnh): Hình 2.3 Mô hình động cơ free-piston loại piston kép Thế hệ đầu tiên của động cơ free-piston kép đã được Dellendo đề cập trong một bái báo cáo vào năm 1990. Sau đó các nhà nghiên cứu đã có sự chú tâm đến chủ đề này vì những hiệu quả cao của nó, đến gần đầu năm 2000 thì nhà nghiên cứu Lagragin đã phát minh ra động cơ free-piston kép nhưng với một phiên bản hoàn toàn khác mang lại hiệu năng cao hơn từ việc tăng tỷ số nén kết hợp với thời gian đốt đốt cháy giảm xuống. Kế thừa các nghiên cứu trước đó và cũng đã có rất nhiều nghiên cứu về loại động cơ free-piston kép loại này nhằm tăng cao hiệu năng nhất có thể nhưng vẫn chưa mạng lại nhiều ý nghĩa lớn lao. Ưu điểm là có buồng đốt chung đó là làm giảm sự mất mát về nhiệt, song do hai piston được đồng bộ hóa bằng liên kết cơ học nên có kích thước lớn hơn.
Nó bao gồm 2 piston và một buồng đốt chung. Cấu hình động cơ piston kép loại bỏ sự cần thiết của một thiết bị phục hồi. Điều này cho phép thiết bị nhỏ gọn hơn với tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao hơn. 34 Việc kiểm soát chuyển động của piston, đặc biệt là chiều dài hành trình và tỷ lệ nén khá khó khăn.
Điều này, thực tế là do quá trình đốt cháy trong buồng đốt chung dẫn đến các lỗi nhỏ trong quá trình đốt cháy, sẽ có ảnh hưởng cao vào lần nén tiếp theo. Đây là một thách thức, quá trình đốt cháy phải được kiểm soát chính xác theo thứ tự để tối ưu hóa khí thải và đạt hiệu quả cao. Với kích thước gọn nhẹ và tạo ra được công suất đầu ra lớn. Nhưng nó cũng gặp các khó khăn về vấn đề vận hành cũng như điều khiển.
Piston đối lập: Hình 2.4 Mô hình động cơ free-piston loại piston đối lập Động cơ free-piston loại đối lập được giới thiệu sớm nhất so với các loại động cơ trên nhưng không được chú ý đến nhiều bởi kích thước cũng như có đến hai buồng đốt. Lần đầu tiên FPLE đối lập được giới thiệu là vào năm 1943 bởi nhà nghiên cứu Ostenberg. Đến năm 1990 các mẫu hình khác cũng được trình bày và cũng chung mục tiêu là tối ưu hoá mọi vấn đề. Nhận thấy hiệu quả cao hơn so với piston đơn và đối lập, đến năm 2002 các nhà nghiên cứu tập trung chủ yếu vào loại piston đối lập, cố gắng phát triển nó hơn nữa để ứng dụng vào động cơ.
Và người ta nhận thấy rằng loại động cơ này rất phù hợp cho việc phát triển máy phát tuyến tính vì cơ cấu tịnh tĩnh của thanh nối cứng hai piston. Đến những năm 2012, 2015 và cho đến bây giờ việc nghiên cứu không chỉ dừng ở máy phát tuyến tính mà nó còn đang dần thành xu thế áp dụng cho xe hybrid. Một điều bất cập của nó là ảnh hưởng nhiệt của buồng đốt đến từ từ tính của vật liệu gắn trên thanh nối cứng. Đến năm 2017 Johnson và Leick đã nghiên cứu thống làm mát và bôi trơn tối ưu nhất cho loại này, tạo ra tiềm năng to lớn để sử dụng trong xe điện hybrid.
35 Động cơ free-piston đối lập gồm 2 piston được đặt đối xứng với nhau trong hai buồng đốt riêng biệt mỗi bên có một buồng đốt riêng. Piston loại này đòi hỏi một thiết bị bật lại và thiết bị tải có thể được ghép nối với cả hai piston. Khuyết điểm của loại này nữa là khó kiểm soát được biên độ của piston, và thiết bị bật lại (như lò xo) đã được bổ xung để khắc phu sự bất lợi này. Ưu điểm chính của cấu hình piston đối lập là thiết kế hoàn toàn cân bằng và được đồng bộ hoá nhờ cơ cấu hai piston nối với nhau bằng thanh nối cứng từ đó loại bỏ vấn đề rung lắc.
Đồng thời cũng do thiết kế của piston đối lập nên giảm được tổn thất truyền nhiệt. Nhưng chúng cũng có nhược điểm với các vẩn đề về động bộ chuyển động của 2 piston. Các đặc tính cơ bản của động cơ free-piston: 2. Động lực học của piston: Động lực học piston được phân thành hai chế độ chính: khởi động và hâm nóng.
Đối với một động cơ đốt trong truyền thống, chuyển động của piston được kiểm 36 soát bởi một trục khuỷu để đảm bảo cùng một vị trí TDC piston trong mỗi chu kỳ, và hệ thống khởi động chỉ cần piston tối ưu tốc độ vì áp suất nén luôn được cố định bởi ràng buộc cơ học giữa mỗi piston và trục khuỷu. Ngược lại, chuyển động của piston trong FPLE không bị hạn chế bởi trục khuỷu nhưng được điều khiển bởi một máy phát điện tuyến tính cung cấp một dòng điện cảm ứng để tạo ra một lực đẩy, dẫn đến piston chuyển động tuyến tính trong chế độ khởi động. Do đó, chuyển động của piston không theo một sự dịch chuyển cố định và vị trí TDC của piston thay đổi, điều đó có nghĩa là tỷ lệ nén của FPLE cũng thay đổi. Trong suốt chế độ khởi động, FPLE không chỉ đảm bảo piston tối ưu tốc độ để quét hiệu quả hỗn hợp không khí và nhiên liệu đồng thời cũng đảm bảo có được một áp lực nén đủ thông qua một biên độ piston thích hợp.
Dựa vào nghiên cứu của Jia [11], ông chỉ ra rằng lực đẩy cao hơn thì tốc độ nén và tỷ lệ nén đạt được là cao hơn và vận tốc đạt cực đại ở điểm giữa, nơi lực đẩy bằng tổng lực khí nén và lực ma sát. Điều này được thể hiện qua đồ thị sau: Hình 2.