Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay do vấn đề về nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày một cạn kiệt, đặc biệt hơn ô nhiễm môi trường là vấn đề được quan tâm đặt lên hàng đầu đối với các nhà sản xuất ô tô. Chính vì thế xe điện được coi là sự thay thế chính cho ô tô sử dụng động cơ đốt trong truyền thống. Tuy nhiên do còn nhiều hạn chế đặc biệt là về công nghệ pin là trở ngại đáng kể cho sự phát triển của xe điện. Động cơ không trục khuỷu ứng dụng phát điện (hay còn gọi là Động cơ Piston tự do phát điện tuyến tính – FPLE) đang được nghiên cứu sử dụng để giải quyết những nhược điểm trên.
Với những ưu điểm vượt trội như loại bỏ cơ cấu trục khuỷu nên chuyển động piston của FPLE không bị hạn chế bởi cơ cấu thanh truyền trục khuỷu. Do không bị giới hạn bởi cơ cấu cơ khí nên cho phép điều chỉnh tỉ số nén. Do đó các loại nhiên liệu như xăng, diesel, hydro, metan. được sử dụng trong FPLE mà không cần thay đổi cấu trúc động cơ.
Hơn nữa FPLE là sự kết hợp của động cơ piston tự do (FPE) và máy phát tuyến tính (LEM) với kích thước thước nhỏ và khối lượng thấp. Về hiệu quả của động cơ, ma sát và tổn thất nhiệt thấp, giãn nở nhanh hơn gần điểm chết trên. Bên cạnh vẫn còn gặp phải nhiều khó khăn như việc thiết kế sao cho tối ưu nhất, việc khởi động phức tạp để đạt được sự vận hành ổn định liên tục. Với những nhu cầu trên bài luận văn này sẽ “Nghiên cứu và thiết kế mẫu động cơ đốt trong không trục khuỷu cỡ nhỏ ứng dụng phát điện”.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1 Liên quan đến FPLE có rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu như đưa ra mẫu FPLE tối ưu, hệ thống đánh lửa trên FPLE, kiểm soát quá trình hoạt động của FPLE bằng các phần mềm tính toán, mô phỏng, nghiên cứu quá trình cháy FPLE, sự dịch chuyển của piston trong FPLE… 1.1 Một số công trình nghiên cứu trong nước Hiện nay, đã có nhiều công trình được công bố về tính hiệu quả của động cơ không trục khuỷu, nhiều nghiên cứu đã mô phỏng, tính toán cũng như đề xuất mô hình.
Dưới đây là một số công trình nghiên cứu tiêu biểu trong nước về FPLE: Theo luận văn thạc sĩ " Tính toán, thiết kế hệ thống đánh lửa cho động cơ không trục khuỷu" của tác giả Đào Hữu Huy. Tác giả đã thiết kế hệ thống đánh lửa cho động cơ FPLE và tiến hành mô phỏng cũng như thực nghiệm về thời điểm đánh lửa. Kết quả thời điểm đánh lửa tối ưu 2 mm trước ĐCT với áp suất cực đại 9,5 KG/cm2. Sử dụng Matlab Simulink để mô hình hóa áp suất xylanh theo thời điểm đánh lửa .[33] Theo luận văn thạc sĩ " Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm động cơ đốt trong không trục khuỷu", Nguyễn Tất Trung.
Tác giả đã đưa ra được mô hình FPLE cơ bản, tính toán bền cho trục chính của mẫu FPLE. Tuy nhiên về kết cấu cơ khí vẫn còn nhiều chi tiết chưa tối ưu, còn nhiều bộ phận chưa thiết kế, cũng như chưa chế tạo thử nghiệm mô hình thực tế.[34] Theo luận văn thạc sĩ " Đánh giá đặc tính quá trình nạp của động cơ Free Piston cỡ nhỏ" của tác giả Nguyễn Tuấn Anh. Tác giả đã đánh giá cũng như mô phỏng quá trình nạp của mẫu FPLE sử dụng xupap nạp.2 Một số công trình nghiên cứu trên thế giới Động cơ piston tự do đã được sáng chế từ năm 1807 nhưng không có nhiều ứng dụng. Mãi đến thập niên 30-60 động cơ piston tự do mới có một số ứng dụng.
Động cơ 2 piston tự do được sử dụng để làm máy nén khí, khí nén này được dùng để chạy tua-bin phát điện hay cung cấp dưỡng khí cho tàu ngầm. Một trong những ứng dụng nữa của động cơ piston tự do mà chúng ta thường gặp là "búa diesel" dùng để đóng cọc xây dựng móng cầu. Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng trên ô tô thì chỉ mới bắt đầu nghiên cứu trong những năm gần đây. Đại học West Virginia là một trong những viện nghiên cứu sớm nhất thực hiện việc điều tra thống FPEG.
Trong việc thiết kế và xây dựng nguyên mẫu động cơ FPEG hai piston hai kỳ được cung cấp bằng cách đánh lửa tia lửa của bugi. Các kiểm tra được thực hiện để đánh giá hiệu suất của nguyên mẫu và công suất ra thử là 316 W trong khi hoạt động ở tần số 23,1 Hz. Tuy nhiên, sự đốt cháy xảy ra trong nguyên mẫu dường như rất không ổn định và máy không thể hoạt động liên tục. Một mô hình số đã được phát triển làm chia chu trình làm việc của FPEG thành ba giai đoạn theo chuyển động piston, đó là quá trình nạp, quá trình nén và quá trình cháy.
Mỗi quá trình được mô tả bởi các mô hình toán học theo các luật về nhiệt động lực học. Nó đã được tổng hợp phân tích như là tổng lượng nhiệt đầu vào, thời gian cháy, khối lượng phản ứng và tải ảnh hưởng đến các đặc tính hoạt động của FPEG, như vị trí của TDC, tần số và vận tốc piston. Năm 2002, một số mô hình của FPEG về quá trình cháy đã được phát triển.[1] Mikalsen và Roskilly tại Đại học Newcastle bắt đầu đầu tư nghiên cứu FPEG từ năm 2007. Động lực piston của một FPEG đã được nghiên cứu, cho thấy rằng chuyển động piston là không đối xứng xung quanh TDC và động cơ đã dành nhiều thời gian để nén hơn trong giai đoạn giãn nở của chu kỳ.
Sau đó, họ thực hiện mô phỏng bằng bộ công cụ CFD (tính toán động lực học chất lỏng) về quá trình làm việc của FPEG và so sánh hiệu suất của nó với một quy trình động cơ thông thường. Kết quả cho thấy hoạt động của FPEG có một chút lợi thế so với động cơ thông thường cho nhiên liệu đốt nhanh hơn. Trong năm 2009, một nghiên cứu tính toán đã được thực hiện để kiểm tra chuyển động khí trong ống xylanh, quá trình đốt cháy và sự hình thành nitơ ôxit trong 3 một động cơ diesel FPEG. Nghiên cứu đã chứng minh rằng: nhiệt độ khí trong xylanh FPEG thấp hơn trong CE, góp phần làm giảm phát thải NOx.[2] Alexey Tatarnikov và các cộng sự tại trường Đại học Bách khoa Moscow nghiên cứu về máy phát trên động cơ hai kỳ piston tự do phun nhiên liệu trực tiếp từ lý thuyết đến thực tiễn.
Trước tiên bài viết trình bày quá trình phát triển của máy phát piston tự do. Tính toán và đưa ra mô hình 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán hệ thống làm mát và độ bền cơ học trong mô hình và cuối cùng tạo ra tài liệu thiết kế. Bên cạnh đó các thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển được phát triển. Trong các thử nghiệm, máy phát đạt được công suất đầu ra 16,87 kW.
Kết quả thử nghiệm cho phép chọn các cách phát triển trong tương lai để tối ưu các đặc tính của máy phát điện piston tự do.[3] Feixue Chen và nhóm của mình đã thực hiện một nghiên cứu đó là đưa ra một phương pháp điều khiển mới cho một máy phát tuyến tính piston tự do (FPLE) xylanh đơn để ổn định quá trình vận hành khi xảy ra biến động cháy. Nhóm đã trình bày được cấu tạo chung FPLG ở nghiên cứu này bao gồm một động cơ đốt trong (ICE), Động cơ cuộn dây tuyến tính (VCM) và một lò xo cơ được lắp ráp giữa ICE và VCM và hoạt động như một thiết bị phục hồi. Khi piston đang trong hành trình mở rộng, chiến lược điều khiển hai giai đoạn được sử dụng để đảm bảo độ chính xác chuyển động của piston và cuối cùng mang lại hoạt động ổn định liên tục.[4] Mehar Bade, Nigel. Clark và nhóm nghiên cứu của mình đã có một nghiên cứu về so sánh hiệu suất của động cơ xylanh đơn và kép động cơ piston tự do.
Một mô hình MATLAB / SIMULINK được xây dựng để phân tích đặc tính hiệu suất và động lực học của FPLG xylanh đơn và xylanh kép. Đầu tiên độ cứng lò xo được nghiên cứu thay đổi tần số và sự dịch chuyển Việc tăng độ cứng lò xo làm tăng tần số hệ thống và năng lượng điện trung bình lần lượt 20% và 7,5 % trong cả hai thiết kế. Áp suất trong xylanh và hiệu suất giảm khi tăng độ cứng lò xo do tổn thất năng lượng ma sát cao hơn. Ảnh hưởng của 4 các thông số đường kính piston, hành trình piston cũng được kiểm tra.
Kết quả mô phỏng cho thấy động cơ xylanh kép tạo ra công suất điện gấp đôi, hiệu suất cao hơn so với động cơ xylanh đơn cho cùng một hình dạng xylanh.[5] Robinson và Nigel. Clark Nghiên cứu về việc sử dụng lò xo trong máy phát điện động cơ piston kép tự do, bài viết này tìm hiểu việc sử dụng lò xo để tăng tốc độ động cơ và giảm độ biến thiên theo chu kỳ. Một mô hình số đã được xây dựng trong MATLAB ®/ Simulink để đại diện cho các hệ thống con khác nhau, bao gồm cả động cơ, máy phát điện và lò xo. Sự phụ thuộc lẫn nhau phức tạp của máy phát điện động cơ piston tự do được phân tích liên quan đến những thay đổi tham số đối với độ cứng của lò xo.
Đối với tỷ số nén cố định, cho thấy sự tăng độ cứng của lò xo từ 50 đến 350 kN / m (thực tế phải được kết hợp với sự gia tăng tổng khối lượng di chuyển) làm tăng tần số hệ thống (18 %) và công suất (12 %), nhưng cũng có thể dẫn đến tổn thất tương đối nhỏ về hiệu quả hệ thống (2 %). Điều này là do hiệu suất sạc giảm (EGR tăng 12 %) đối với điều kiện nạp / xả cố định và tổn thất ma sát cao hơn (4 %). Nghiên cứu này cũng nghiên cứu khả năng của lò xo làm giảm sự biến đổi theo chu kỳ để đáp ứng với sự biến đổi của quá trình đốt cháy. Các nhà nghiên cứu trình bày các động lực học, nhiệt động học mô hình của FPEG và phân tích một cách dứt khoát quá trình giải phóng nhiệt và quá trình nạp của nó đặc trưng bằng một phương pháp mô phỏng đa chiều.
Các kết quả chỉ ra rằng: nhiên liệu với chỉ số octane ít hơn đòi hỏi một tỷ số nén cao hơn và nén cao hơn sẽ làm tăng tần suất hoạt động, công suất và hiệu suất của hệ thống.