CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Nguồn dầu thô của Trái đất ngày càng giảm, mối quan tâm ngày càng tăng về ô nhiễm môi trường, tiêu thụ nhiên liệu và tiêu chuẩn khí thải buộc các nhà sản xuất ô tô và xe tải phải nỗ lực không ngừng để thiết kế, sản xuất và đưa ra thị trường các loại xe ít ô nhiễm hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Theo dự đoán của Ivanhoe, sản lượng dầu thô sẽ giữ ở mức tăng nhẹ cho đến năm 2010, sau đó sẽ giảm dần và vào năm 2050, sản lượng dầu sẽ ở mức xấp xỉ 25% so với ngày nay. Các nỗ lực đã được thực hiện để sử dụng các nhiên liệu gốc hydrocacbon khác như khí nén tự nhiên (CNG) và khí hóa lỏng (LPG), nhưng kết quả cuối cùng sẽ không bị thay đổi đó là trữ lượng dầu thô sẽ cạn kiệt.
Việc sản xuất nhiên liệu giảm sẽ dẫn đến giá nhiên liệu ngày càng tăng, buộc xã hội loài người phải tiết kiệm với dầu mỏ và cuối cùng phải tìm các nguồn năng lượng thay thế. Mặt khác, chất lượng không khí kém ở các đô thị do khí thải phương tiện giao thông gây ra là mối quan tâm và ảnh hưởng đến toàn bộ người dân địa phương. Khói mù kéo dài xung quanh các thành phố lớn thể hiện mối nguy hiểm nghiêm trọng đối với sức khỏe cư dân của các khu vực đô thị vì nó là nguyên nhân chính gây ra bệnh hen suyễn, dị ứng và các bệnh hô hấp khác. Để cải thiện chất lượng không khí ở các khu vực đô thị và cùng với đó là giảm thiểu các nguy cơ đối với sức khỏe và cải thiện các vấn đề về tầm nhìn bắt nguồn từ khí thải của các phương tiện giao thông.
Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) đã thiết lập các tiêu chuẩn khí thải buộc các nhà sản xuất xe phải sản xuất các loại xe thải ít khí thải hơn. Xu hướng này cũng tương tự đối với các quy định về khí thải của Nhật Bản và Châu Âu. Việt Nam là một nước có nền kinh tế đang phát triển nhanh và được định hướng trở thành nước công nghiệp. Cùng với quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá của đất nước, nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển cho nên nhu cầu vận chuyển hàng hóa ngày càng tăng trên cả đường biển, đường bộ và đường hàng Trang 1 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS: T2020-05TĐ không.
Phương tiện giao thông đường bộ giúp vận chuyển hàng hóa nhanh chóng giữa các khu vực, 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 khoẻ con người và môi trường một cách nghiêm trọng do lượng khí thải của các phương tiện này gây ra song song đó trái đất ngày càng nóng lên do hiệu ứng nhà kính, con người đang chịu ảnh hưởng trực tiếp từ việc biến đổi khí hậu. Đây là động lực để các nhà nghiên cứu trên thế giới nghĩ đến việc cải tiến động cơ đốt trong truyền thống, cũng như tích hợp các bộ chuyển động năng lượng mới để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu, đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải và bảo vệ môi trường. Xu hướng điện khí hóa ở ngành công nghiệp bốn bánh đã tiến xa hơn quá khứ.
Việc sử dụng những nguồn năng lượng thay thế đang là xu hướng của thời đại mới, áp dụng các nguồn năng lượng sạch như điện vào phương tiện giao thông là một trong những giải pháp tốt nhất nhằm giảm phát thải khí CO2 ra môi trường. Sự ra đời gần đây của xe điện (Battery Electric Vehicles, BEV) như là một điều tất yếu, nhưng động cơ đốt trong vẫn có thể tồn tại một thời gian dài nữa như là một thành phần của plug-in hybrid. Xe lai sạc điện (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV) là một hệ thống plug-in hybrid gồm có bộ đôi động cơ điện và một động cơ xăng. Động cơ điện được hỗ trợ bởi một bộ pin lithium-ion.
Động cơ xăng sẽ được kích hoạt khi bộ pin cạn kiệt và hoạt động chủ yếu như một máy phát điện, điều này sẽ giúp xe lai sạc điện mở rộng phạm vi hoạt động bằng máy phát điện. Khắc phục được điểm yếu lớn nhất của xe điện là quãng đường đi được bị hạn chế. Vì pin dùng cho đông cơ điện cũng đồng thời làm ắc quy, nên việc nghe nhạc, xem phim hay các ứng dụng trực tuyến cũng đều ảnh hưởng đến quãng đường đi được của xe điện. Ngoài ra các yếu tố tốc độ, cách lái xe và địa hình cũng làm phạm vi hành trình thay đổi khá nhiều.
Hiện nay, động cơ xăng chạy máy phát điện sử dụng trên xe plug-in hybrid của các hãng ô tô trên thế giới là động cơ chu kỳ Atkinson, nhiều nhà sản xuất đặt tên là động cơ "van biến thiên", có khả năng tăng thể tích kỳ dãn nổ, giảm thể tích kỳ hút nén, được đánh giá là hiệu quả nhiên liệu hơn động cơ xăng thông thường 10%, con Trang 2 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS: T2020-05TĐ số này vẫn chưa làm các nhà nghiên cứu hài lòng nên đã phát triển một thế hệ bộ đôi động cơ điện và một động cơ xăng mới thay thế. Động cơ pít-tông tự do đã được phát triển bởi một số nhóm trên toàn thế giới, cả trong học viện và công nghiệp. Một trong những động lực chính của những nỗ lực nghiên cứu này được cho là tiềm năng của động cơ pít-tông tự do kết hợp với máy phát điện tuyến tính để tạo nên một hệ thống máy nổ - phát điện mới được đặt tên "Máy phát điện tyến tính trên động cơ pít-tông tự do" (Free Piston Engine Linear Generator, FPLG) để cung cấp cho xe lai sạc điện (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV) một máy phát điện nhỏ gọn và hiệu quả. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
Nghiên cứu trong nước. Hiện nay, máy phát điện tuyến tính chưa nhận được nhiều sự chú ý ở nước ta. Nên các nghiên cứu, báo cáo còn khá khiêm tốn, các nhóm nghiên cứu chủ yếu là từ một số trường Đại học lớn trong nước như: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Bách khoa Hà Nội,… nghiên cứu về máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do cho ô tô và Đại học hàng hải Việt Nam nghiên cứu về máy phát điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cữu trong khai thác điện song biển. Các nghiên cứu mới chỉ dừng tính toán thiết kế và ở mô phỏng trên các phần mềm Ansoft Maxwell, Matlab/Simulink, Ansys Symplorer, FEMM,.
Nghiên cứu nước ngoài. Nhiều cuộc điều tra đã được tiến hành kể từ khi khái niệm FPLG đầu tiên được đề xuất bởi nhà nghiên cứu người Canada Kos vào những năm 1990 [1]. Các FPLG được nghiên cứu nói chung có thể được phân loại thành các loại xi lanh đơn, pít-tông kép và các loại pít-tông đối nghịch [2]. Nhiều tổ chức, chẳng hạn như Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR), Toyota Central R & D Labs Inc.
(Toyota) và Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh (NUST), đã thực hiện nhiều nghiên cứu về FPLG xi lanh đơn. Kock và cộng sự tại DLR đã phát triển một FPLG xi lanh đơn hai kỳ với lò xo khí hoạt động như một thiết bị hồi phục [3-6]. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy nó có thể tạo ra công suất điện khoảng 10 kW ở tần số 21 Hz. Công suất đầu ra có thể được cải thiện hơn nữa Trang 3 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS: T2020-05TĐ lên đến 25 kW bằng cách tăng tần số chuyển động lên đến 50 Hz.
Kosaka và cộng sự tại Toyota cũng đã phát triển một lò xo khí hai kỳ phục hồi nguyên mẫu FPLG xi lanh đơn [7, 8]. Piston được thiết kế đặc biệt theo cấu trúc hình chữ W, có lợi cho hoạt động trong thời gian dài vì nó có thể ngăn nam châm khử từ do quá trình gia nhiệt. Theo báo cáo, FPLG có thể nhận ra hoạt động liên tục kéo dài khoảng 4 giờ, có thể cung cấp sản lượng điện 10,4 kW với hiệu suất tổng thể là 36,2%. Xu và Chang tại NUST đã phát triển một nguyên mẫu bốn thì với sự phục hồi cơ học của lò xo.
Máy điện tuyến tính được thiết kế để trở thành động cơ điện một chiều cuộn dây chuyển động (VCM). Công suất phát trung bình chỉ đạt 2,2 kW với hiệu suất phát điện là 32% [9]. FPLG kiểu pít-tông kép là một cấu hình phổ biến đã được nghiên cứu rộng rãi bởi nhiều học viện như Viện Công nghệ Hoàng gia (KTH), Đại học Tây Virginia (WVU), Đại học Giao thông Thượng Hải (SJTU), Đại học Newcastle và Viện Công nghệ Bắc Kinh (BIT). Hansson và cộng sự tại KTH [10] đã phát triển một nguyên mẫu FPLG pít-tông kép.
Công suất định mức của máy phát điện là gần 29 kW. Hiệu suất hệ thống trung bình là 23%. Công việc của họ chủ yếu tập trung vào thiết kế tối ưu hóa máy điện tuyến tính được sử dụng đặc biệt trong FPLG. Shoukry và cộng sự.
tại WVU đã thiết lập một nguyên mẫu hai thì pít-tông kép, có thể tạo ra công suất điện đầu ra cực đại là 316 W với tần số 23,1 Hz [11]. Xiao và cộng sự tại SJTU cũng đã nghiên cứu FPLG pít-tông kép. Họ cũng phát triển một nguyên mẫu và các đặc điểm chuyển động của nguyên mẫu đã được nghiên cứu kỹ lưỡng [12]. Mikalsen và cộng sự tại Đại học Newcastle đã thực hiện các nghiên cứu có hệ thống tập trung vào cấu hình FPLG pít-tông kép, bao gồm thiết kế, mô hình hóa, mô hình hóa nhiệt động lực học và các chiến lược điều khiển [13-15].
Gần đây hơn, Roskilly hợp tác với Jia et al tại BIT đã phát triển một nguyên mẫu hai piston được ước tính có tiềm năng tạo ra công suất điện 3,76 kW với hiệu suất 34,5% [16]. Ngoài ra còn có một số nghiên cứu về FPLG pít-tông đối nghịch. Van Blarigan và cộng sự tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia (SNL) đã phát triển một nguyên mẫu pít-tông đối nghịch. Mục tiêu của họ là thiết kế FPLG 30 kW làm pin Trang 4 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS: T2020-05TĐ nhiên liệu cho xe điện hybrid [17, 18].
Họ nhận thấy rằng việc điều khiển đồng bộ FPLG pít-tông đối nghịch tương đối khó hơn so với loại pít-tông đơn và pít-tông kép. Từ các công trình nghiên cứu trước đây, chúng ta có thể thấy rằng với FPLG xi lanh đơn, việc kiểm soát hoạt động ổn định dễ dàng hơn so với các loại pít-tông kép và pít-tông đối nghịch.