Nghiên cứu và thiết kế động cơ đốt trong không trục khuỷu cỡ nhỏ ứng dụng trong phát điện

Sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và lo ngại về ô nhiễm môi trường thúc đẩy nghiên cứu về các nguồn điện tái tạo. Động cơ không trục khuỷu (động cơ piston tự do phát điện tuyến tính – FPLE) được xem là giải pháp tiềm năng. FPLE có ưu điểm loại bỏ trục khuỷu, cho phép điều chỉnh tỉ số nén linh hoạt, sử dụng đa dạng nhiên liệu (xăng, diesel, hydro, metan...). Kết hợp động cơ piston tự do (FPE) và máy phát tuyến tính (LEM), FPLE có kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, hiệu quả cao, ma sát và tổn thất nhiệt thấp. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức về thiết kế tối ưu và khởi động ổn định. Luận văn này hướng đến việc khắc phục những hạn chế đó thông qua thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mẫu động cơ đốt trong không trục khuỷu cỡ nhỏ.

Nhiều nghiên cứu về động cơ không trục khuỷu đã được tiến hành, cả trong và ngoài nước. Trong nước, một số luận văn Thạc sĩ đã tập trung vào thiết kế hệ thống đánh lửa, tính toán bền cho trục chính, và mô phỏng quá trình nạp. Tuy nhiên, nhiều chi tiết về thiết kế cơ khí vẫn chưa được tối ưu. Trên thế giới, động cơ piston tự do đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng ứng dụng trên ô tô còn hạn chế. Các nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa, mô phỏng bằng phần mềm CFD, và tối ưu hóa hiệu suất. Các nghiên cứu về hiệu suất động cơ, quá trình cháy, vận hành ổn định của FPLE là trọng tâm. Cấu tạo động cơ, ứng suất cơ học, quá trình bôi trơn và làm mát cũng được quan tâm. Các nghiên cứu về phát điện từ động cơ đốt trong cũng rất đa dạng, từ mô hình đến ứng dụng thực tế. Nghiên cứu này đóng góp vào việc hoàn thiện thiết kế cơ khí, thử nghiệm và đánh giá mẫu động cơ đốt trong không trục khuỷu cỡ nhỏ.

Thiết kế mẫu động cơ đốt trong không trục khuỷu cỡ nhỏ tập trung vào tối ưu hóa kích thước và cấu trúc. Đường kính piston 34 mm và hành trình piston tối đa 28 mm. Cấu tạo động cơ loại kép 2 kỳ. Vật liệu được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo độ bền và khả năng chịu nhiệt. Mô hình 3D được xây dựng bằng phần mềm Creo Parametric 7 để phân tích ứng suất. Phân tích ứng suất tập trung vào các vị trí chịu lực lớn như đỉnh piston, chốt piston, và xylanh. Kết quả phân tích được sử dụng để cải tiến thiết kế, giảm thiểu ứng suất và tăng độ bền. Cơ cấu khởi động được thiết kế đảm bảo sự vận hành ổn định và kiểm soát được tốc độ khởi động. Thiết kế máy phát điện được tích hợp với động cơ để tạo ra năng lượng điện.

Phân tích ứng suất của piston và xylanh được thực hiện bằng phần mềm Creo Parametric 7. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) được áp dụng để mô phỏng tải trọng và ứng suất. Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất như áp suất khí thể, nhiệt độ, và vật liệu được xem xét. Kết quả phân tích giúp xác định các vị trí ứng suất tập trung lớn nhất. Các biện pháp cải tiến thiết kế được đề xuất, bao gồm thay đổi kết cấu piston, bề dày đỉnh piston, đường kính chốt piston, và đường kính bệ chốt piston. Vật liệu chế tạo xylanh cũng được xem xét để tối ưu hóa khả năng chịu nhiệt và giảm ứng suất. Hiệu quả của các biện pháp cải tiến được đánh giá thông qua phân tích so sánh.

Kết quả thử nghiệm mẫu động cơ đốt trong không trục khuỷu cỡ nhỏ cho thấy khả năng hoạt động ổn định. Các thông số như áp suất nén, tốc độ khởi động, và công suất đầu ra được đo đạc và phân tích. Hiệu suất động cơ được tính toán và so sánh với các mẫu động cơ khác. Các vấn đề phát sinh trong quá trình thử nghiệm được ghi nhận và giải thích. Kết quả thử nghiệm chứng minh tính khả thi của mẫu động cơ và cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo. Hiệu quả năng lượng và sự ổn định vận hành là tiêu chí đánh giá chính. Dữ liệu thực nghiệm được trình bày dưới dạng bảng biểu và đồ thị.

Kết quả nghiên cứu cho thấy mẫu động cơ đốt trong không trục khuỷu cỡ nhỏ có tiềm năng ứng dụng trong phát điện mini. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được giải quyết trong tương lai. Hiệu suất động cơ có thể được cải thiện thông qua tối ưu hóa thiết kế và vật liệu. Độ tin cậy và tuổi thọ động cơ cần được nghiên cứu kỹ hơn. Luận văn đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo, bao gồm cải tiến thiết kế, tối ưu hóa quá trình cháy, và nghiên cứu các loại nhiên liệu thay thế. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển công nghệ phát điện cỡ nhỏ, thân thiện môi trường, và hiệu quả cao. Ứng dụng thực tiễn của mẫu động cơ trong các lĩnh vực như điện năng mặt trời, điện năng gió được đề cập.