Đặt vấn đề Bắt đầu từ cuối thế kỷ 20, nền công nghiệp thế giới phát triển mạnh mẽ. Cũng chính là cột mốc cho một kỷ nguyên mới có tên là 4.0, kể từ đó đến nay các ngành công nghệ sinh học, kỹ thuật số, vật lý và đặc biệt là chúng có thể hòa hợp với nhau. Bên cạnh đó ngành công nghiệp ô tô cũng không ngoại lệ vì được thừa hưởng những thành tựu, dấu mốc quan trọng ấy dẫn dắt đến sự phát triển công nghệ hiện đại và tiện nghi trên ô tô. Đi đôi với sự phát triển không ngừng đó đòi hỏi phải có những thách thức và nguồn năng lượng chính là thách thức lớn hất đối với ngành công nghiệp ô tô nói chung và các ngành khác nói riêng.
Năng lượng được biết đến bởi sự chuyển đổi từ dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác và việc đốt cháy nhiên liệu là một điển hình và cũng là phương pháp tạo ra năng lượng phổ biến nhất. Cũng chính vì thế mà vấn đề về khai thác tài nguyên thiên nhiên quá mức trữ lượng nhiên liệu hóa thạch đang là mối lo ngại, với sự phát triển và khai thác đại trà hiện nay có thể trong vòng hơn 50 năm nữa thì nguồn nhiên liệu sẽ không thể đủ đáp ứng cho tất cả con người trên hành tinh này. Đứng trước thách thức này, chúng ta cần cân nhắc và xem xét thật kỹ việc sử dụng sao cho hợp lý và hiệu quả để đạt hiệu suất cao. Nhiệm vụ đặt ra là tăng cường bảo vệ chất lượng môi trường song song với đó 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 nhức nhói được quan tâm hàng đầu.
Việt Nam cũng không ngoại lệ là một nước có nền kinh tế đang phát triển nhanh và đang định hướng trở thành nước công nghiệp đến năm 2022. Sự phát triển của nền kinh tế theo hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa nó sẽ kéo theo sự phát triển nhiều mặt của xã hội trong đó có phương tiện giao thông là một vấn đề nổi trội giữa lợi và hại. Nó giúp vận chuyển hàng hóa nhanh chóng đồng thời giúp cho sự phát triển nhanh chóng 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 khỏe và môi trường một cách nghiêm trọng do lượng khí thải của các phương tiện này thải ra khiến trái đất ngày càng nóng lên do hiệu ứng nhà kính, hiện nay con người đang chịu ảnh hưởng rõ rệt từ việc biến đổi khí hậu.
Vì thế, việc nghiên cứu những giải pháp nâng cao hiệu qua sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay. Đó là một thách thức to lớn cho các nhà nghiên cứu và thiết kế, phát triển động cơ đốt trong, cũng như các nhà phát triển năng lượng mới, năng lượng tái tạo. Trong đó, các nghiên cứu của các nhà khoa học kỹ thuật trong và ngoài nước đưa các nguồn năng lượng sạch vào động cơ đốt trong để hoạt động như: khí CNG (Compressed Natural Gas), khí sinh học 1 có nguồn gốc từ động thực vật (biogas) và sử dụng chất phụ gia nhiên liệu. Ngoài ra giải pháp sử dụng ô tô chạy điện, ô tô lai thay thế ô tô sử dụng nhiên liệu truyền thống tiên phong đó kể đến hãng xe điện Tesla thành lập năm 2004 hay những loại xe hybrid của hãng Toyota cũng đã giải quyết được một phần nào đó vấn đề đặt ra.
Mặc dù nhiều ưu điểm vượt trội nhưng xe điện hiện nay gặp phải hạn chế lớn như phạm vi di chuyển xe còn thấp, dung lượng dự trữ thấp, thời gian nạp lại tốn nhiều giờ và chi phí giá thành đắt, ngoài ra các trạm nạp điện còn ít. Với việc đòi hỏi tiết kiệm nhiên liệu và đáp ứng quy định nghiêm ngặt của các tiêu chuẩn khí thải, các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến việc cải tiến công nghệ động cơ đốt trong truyền thống. Trong đó dự án động cơ không trục khuỷu FPE (Free Piston Engine) ra đời kết hợp với loại máy phát điện tuyến tính sử dụng cụm phát điện mới nhỏ gọn hơn và nhẹ nhàng hơn với hiệu suất điện năng lớn, phát thải ô nhiễm thấp hơn động cơ thường. Vì vậy, để đáp ứng được khả năng phát điện nên đề tài “Tính toán và xây dựng mô hình máy phát tuyến tính ứng dụng cho động cơ đốt trong không trục khuỷu” được đề xuất thực hiện.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Các nghiên cứu trong nước Từ năm 2010, nhóm nghiên cứu tại Trường ĐHCN do PGS.TS Đặng Thế Ba với sự kết hợp của Viện Cơ học đã bắt đầu thực hiện những nghiên cứu về tiềm năng và công nghệ khai thác các nguồn năng lượng biển. Từ các kết quả nghiên cứu, các tác giả đã nhận thấy nước ta có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo từ biển. Bên cạnh đó là nhu cầu rất lớn và cấp thiết về điện năng cho các mục đích phát triển kinh tế xã hội cũng như an ninh và bảo vệ chủ quyền biển đảo.
Từ các nghiên cứu về tiềm năng năng lượng biển, nhóm nghiên cứu của PGS. Đặng Thế Ba đã nhận thấy sự cần thiết phải nghiên cứu khai thác nguồn năng lượng trên biển này, đặc biệt là nguồn năng lượng sóng, nhằm mục đích cung cấp điện cho các nhu cầu phát triển kinh tế xã hội và an ninh trên các vùng biển đảo và có thể góp chung vào hệ thống điện lưới quốc gia. Sau ba năm nghiên cứu, phiên bản thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biến sâu dạng phao đã hoàn thành. Phiên bản này đã được thử nghiệm tại Hồ Tây (Hà Nội) và Sầm Sơn (Thanh Hóa).
Đây là loại thiết bị có cơ cấu chuyển đổi năng lượng trực tiếp dạng phao, dùng máy phát điện tịnh tiến không lõi sắt. Kết cấu thiết bị có dạng phao kép, đảm bảo tính cơ động và phù hợp với môi trường khắc nghiệt cũng như điều kiện phức tạp.1: Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển 1. Các nghiên cứu ngoài nước Những năm 1990 của thế kỷ trước đã có nhiều phát triển trong các ứng dụng của động cơ piston tự do như máy phát điện. Những máy đó đã được chú ý rất nhiều vì động cơ piston tự do là một trong những thiết bị phù hợp nhất để chạy chúng.
Mikalsen R và Roskilly Ap [2] đã chứng minh hoạt động ổn định của một mẫu thử FPLG đánh lửa có đường kính 36.5 mm, hành trình tối đã là 50 mm và công suất đầu ra có thể đạt 316 W ở 79 V hoạt động ở mức đầy tải. Họ đã thực hiện một số nghiên cứu về nghiên cứu tham số của động cơ tuyến tính phun trực tiếp hai kì tác động tới hiệu suất đầu ra của máy phát tuyến tính và hiệu quả mang lại là cao hơn so với động cơ 4 kì. Wang và nhóm tác giả [3] mô tả thiết kế và đặc tính thử nghiệm của một máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính tịnh tiến. Bài báo của họ mô tả một phương pháp thiết kế bao gồm cả thiết kế điện từ và cơ học.
Tổng hợp thiết kế điện từ dựa trên các giải pháp phân tích các kết cấu, thông số từ đó cho phép tối ưu hoác các tham số của máy phát và được xác minh thêm bằng phân tích phần tử hữu hạn điện từ phi tuyến tính. Tiện ích của phương pháp thiết kế được minh họa bằng một nghiên cứu thiết kế và đặc tính thử nghiệm rộng rãi của một thiết bị nguyên mẫu. Trong một bài báo khác [4] Wang và Dowe đã thảo luận các vấn đề thiết kế của một máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính để ứng dụng trong bộ chuyển đổi năng lượng piston tự do. Để đạt được mật độ năng lượng cao cần thiết, hiệu suất cao và khối lượng di chuyển thấp, một máy tính hình ống được trang bị cuộn dây mô đun và từ hóa Quasi-Halbach được chọn.
Các biểu thức phân tích để dự đoán phân bố từ trường mạch hở, suất điện động, lực đẩy và phản ứng phần ứng, cũng như bản chất và độ tự cảm tương hỗ của máy, được thiết lập và xác định bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn. Nó cho thấy rằng thiết kế máy có thể được tối ưu hóa theo tỷ lệ ba chiều trong khi 3 đáp ứng các thông số kỹ thuật hiệu suất khác. Bài báo phân tích này cho thấy một điều rằng các giá trị tham số cũng như hướng của các phẩn tử ảnh hưởng tác động lớn đến khả năng hoạt động của điều chỉnh hiệu năng điện.2: Máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính [4] Oprea và nhóm tác giả [5] sử dụng LabView mô hình hóa động cơ FPLE, mục đích sử dụng động cơ này để sản xuất điện năng, sử dụng cho xe lai, trong giai đoạn chuyển đổi, so sánh các giá trị và thiết lập các mô hình đơn giản để thiết kế máy phát điện 3 pha, với nam châm vĩnh cửu, dựa vào những tham số đầu vào để mô hình hóa trên LabView, từ đó tác giả so sánh các giá trị và đưa ra các phương án tối ưu nhất của máy phát điện từ động cơ piston tự do, là tiền đề để thiết kế và tối ưu hóa các mô hình tương tự để hoàn thiện hơn. Wang và nhóm tác giả [6] đã nghiên cứu thiết kế bộ phát điện tuyến tính sử dụng nam châm vĩnh cửu cho động cơ FPG.
Đây là một bước tiến để giảm thiểu khí thải, cũng như cung cấp cho dòng xe lai có thêm nguồn cung cấp năng lượng tối ưu cho xe. Bằng thiết kế này đã loại bỏ cơ cấu trục khuỷu, thay đổi được tỷ số nén của động cơ, do đó bài toán về nhiên liệu có thể được cải thiện rất nhiều, cũng với đó là giảm thiểu tối đa lượng phát thải NOx và CO2. Trong nghiên cứu này tác giả tập trung tối ưu hóa hiệu quả chuyển đổi điện năng, tổng khối lượng của phần ứng nam châm chuyển động giới hạn mức 6.3: Động cơ FPG [7] 4 Li và Chau [7] có công trình nghiên cứu về động cơ FPG sử dụng cho xe lai sử dụng máy phát điện hiệu suất cao. Nghiên cứu của ông cho biết sử dụng một động cơ dẫn động chính (ICE) và lắp đặt thêm động cơ FPG phụ trợ phát điện.