Đặt vấn đề Nhiên liệu hóa thạch đã là nguồn năng lượng chính cho xã hội của chúng ta kể từ thế kỷ 19. Hiện nay, 78% năng lượng trên thế giới được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Trong khi năng lượng tiêu thụ tăng vọt qua từng năm, Hơn nữa, biến đổi khí hậu liên quan đến việc đốt nhiên liệu hóa thạch đang trở thành một vấn đề cấp bách. Các ngành giao thông vận tải chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng mức tăng trưởng trên thế giới tiêu thụ xăng dầu và tiêu thụ năng lượng thế giới trong lĩnh vực giao thông vận tải tiếp tục tăng trung bình 2,2 phần trăm mỗi năm, cùng với sự phát triển của các nghành công nghiệp và công nghệ đã dẫn đến một cuộc khủng hoảng về nhiên liệu, môi trường bị ô nhiễm nặng nề, giá thành của nhiên liệu tăng cao, nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt… đã đặt ra một thử thách vô cùng to lớn đến các nhà nghiên cứu tương lai phát triển động cơ.
Nhiều nỗ lực nghiên cứu đã được đặt ra làm sao để tạo ra một động cơ với công nghệ mới với hiệu suất cao hơn động cơ thông thường và giảm tối đa lượng khí thải phát sinh ra môi trường. Sự ra đời của động cơ piston tự do có thể xem là một giải pháp kịp thời cho vấn đề này, động cơ piston tự do với những tính năng nổi bật như: thiết kế đơn giản, tối ưu hóa quá trình cháy thông qua tỷ lệ nén khác nhau, dẫn đến hiệu quả tải cao hơn và có thể hoạt động nhiều nhiên liệu, giảm tổn thất ma sát do một thiết kế đơn giản với ít bộ phận chuyển động, giảm bớt được sự tác động của lực ngang gây ra khi piston dịch chuyển không có trục khuỷu làm cho quá trình tổn hao công suất giảm đi đáng kể. Động cơ piston tự do về cơ bản giống như động cơ đốt trong truyền thống nhưng điểm khác biệt là không có trục khuỷu (sự dịch chuyển của piston không được điều khiển bằng trục khuỷu) mà thay vào đó là sự tương tác lực từ buồng đốt - combustion champer và lực đẩy lại từ buồng đẩy - bounce champer. Vì vậy để có thể tối ưu được quá trình phun nhiên liệu cho Động cơ không trục khuỷu cũng đang là một trong những đề tài nghiên cứu được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
Phun nhiên liệu đối với Động cơ không trục khuỷu không khác nhiều so với động cơ 1 truyền thống. Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí bằng tia lửa điện (Spark Ignition - SI) đang được dùng phổ biến trên các phương tiện vận tải ngày nay. Với tiến bộ của khoa học công nghệ, các hệ thống điều khiển điện - điện tử trên động cơ ô tô đang được cải tiến liên tục nhằm nâng cao hiệu suất động cơ, giảm thiểu phát thải các thành phần độc hại ra môi trường. Để đạt được mục tiêu trên, đòi hỏi việc điều khiển hệ thống nhiên liệu động cơ sao cho tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu, không khí phải tối ưu với từng chế độ làm việc của động cơ.
Ban đầu, việc hòa trộn này nhờ bộ chế hòa khí nhưng có quá nhiều nhược điểm. Giải bài toán phức tạp này, hệ thống phun xăng điện tử đã ra đời nhằm khắc phục nhược điểm của bộ chế hòa khí cũng như đạt được mục tiêu mong muốn. Trong hệ thống phun xăng điện tử, bộ điều khiển điện tử - ECU đóng vai trò bộ não của hệ thống, tiếp nhận thông tin từ các cảm biến, tính toán tối ưu các thông số để đưa ra quyết định lượng phun, thời điểm phun phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ đốt trong. Có nhiều công trình nghiên cứu về mô phỏng và điều khiển hệ thống nhiên liệu động cơ đốt trong như Gogola mô phỏng điều khiển hệ thống nhiên liệu cho động cơ một xi lanh, Mostafa Abdulrahman Kortam, cải tiến hệ thống nhiên liệu diesel truyền thống thành hệ thống nhiên liệu diesel có điều khiển điện tử cho động cơ 4 xi lanh [1].
Các nghiên cứu này cơ bản đã hoàn thành mục tiêu đề ra, bên cạnh đó còn hạn chế độ chính xác chưa cao. Nhưng để có thể xác định được hiệu quả làm việc của quá trình phun nhiên liệu ta cần phải nghiên cứu kỹ càng hệ thống phun nhiên liệu của Động cơ không trục khuỷu. Đặc biệt là hệ thống phun nhiên liệu điện tử và tiến hành nghiên cứu áp dụng hệ thống này. Nên đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu và áp dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho động cơ không trục khuỷu’’ được ra đời nhằm mục đích chính là giải quyết các vấn đề cấp bách nêu trên.2 Mục tiêu của nghiên cứu ❖ Mục tiêu nghiên cứu tổng thể: Nghiên cứu và áp dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho Động cơ không trục khuỷu thay bộ chế hòa khí.
2 ❖ Mục tiêu nghiên cứu cụ thể: xác định được tính hiệu quả của hệ thống phun nhiên liệu điện tử so với các hệ thống phun nhiên liệu khác trên động cơ không trục khuỷu. Và tiến hành áp dụng vào thực tế, sự trộn hòa khí hỗn hợp và quá trình đốt cháy sẽ cho ta thấy được hiệu quả hệ thống phun nhiên liệu điện tử của động cơ không trục khuỷu, qua đó làm tăng hiệu quả kinh tế, giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu khi đưa vào khai thác sử dụng và tránh ô nhiễm môi trường do sử dụng hệ thống phun nhiên liệu khác.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1.1 Nghiên cứu trong nước Gần đây các công ty và tập đoàn sản xuất ô tô trên thế giới đang ngày một có xu hướng phát triển theo hướng xe điện và xe lai. Đặc biệt ở nước ta thị trường xe ô tô điện cũng càng ngày càng phát triển mạng mẽ, nhưng để đáp ứng được nhu cầu đó thì các Trung tâm nghiên cứu và các nhà nghiên cứu không ngừng phát triển và cải tiến mới ví dụ: Các Nghiên cứu về động cơ Hydrid, Các nghiên cứu về Động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học, và đặc biệt là nghiên cứu về động cơ piston tự do. Các nhà nghiên cứu trong nước chủ yếu là các nhà khoa học từ các trường Đại học lớn: Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Đại Học Bách Khoa Tp.
HCM, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM…Tuy nhiên hiện tại thì các nghiên cứu hiện vẫn còn rất khiêm tốn và vẫn chưa có được các công bố từ những nguồn chính thức. Ngoài ra Việt Nam vẫn đang là một nước nông nghiệp, nên lượng nhiên liệu dầu mỏ rất khang hiếm. Chính vì vậy, đề tài “ NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU” là rất cần thiết cho ý nghĩa khoa học, vừa giải được vấn đề tiết kiệm mức tiêu hao nhiên liệu, vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường. Chính vì thế đề tài không những góp phần quan trọng trong việc cải tiến và phát triển động cơ không trục khuỷu, đồng thời còn giải quyết vấn đề nguồn nhiên liệu cạn kiệt và ô nhiễm môi trường.
3 Nguyên cứu đầu tiên là của tác giả Hồ Văn Phúc với tựa đề “ Nghiên cứu mô phỏng đặc tính công suất động cơ Free Piston sử dụng Biogas” [2]. Đề tài thực hiện việc nghiên cứu và xây dựng mô hình mô phỏng về ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần CH4 trong Biogas đến đặc tính công suất động cơ Free Piston hai kỳ loại đối đỉnh. Các trường hợp sử dụng Biogas với tỉ lệ thành phần 40% CH4, 50% CH4, 60% CH4, 70% CH4, 100% CH4 được chọn làm điểm mô phỏng cho 5 điểm tốc độ động cơ f = 16. Kết quả cho thấy rằng mặc dù lượng khí nạp mới được cải thiện khi sử dụn Biogas với tỉ lệ phần trăm CH4 thấp, hiệu suất nạp lại giảm, cụ thể, khi %CH4 giảm từ 100% đến 40% tại f = 83.3 Hz hiệu suất nạp giảm từ 0.
Áp suất cháy cực đại tại cùng 1 tốc độ là cao nhất khi sử dụng Biogas với thành phần 100% CH4 (~ 4 Nm/m2 tại f = 83.3 Hz), đồng thời tốc độ cháy càng cao khi sử dụng Biogas có thành phần CH4 càng lớn. Từ áp suất xylanh, đặc tính công suất chỉ thị của động cơ theo tốc độ ở các trường hợp %CH4 được xây dựng. Nghiên cứu thứ 2 là của tác giả Nguyễn Huỳnh Thi và Cộng sự với tựa đề “ Nghiên cứu sơ bộ hệ thống đánh lửa bằng tia lửa điện cho động cơ thẳng piston tự do” Trong những năm gần đây, động cơ tuyến tính piston tự do (FPLE) đã và đang được sự thu hút và quan tâm ngày càng cao của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới. Với sự phát triển của công nghệ điều khiển máy tính, công nghệ động cơ đốt trong, và khoa học vật liệu, đã có những tiến bộ đáng kể trong các khía cạnh mô phỏng FPLE, kỹ thuật thực nghiệm, cũng như hệ thống điều khiển FPLE.
Bài báo này trình bày một nguyên mẫu của động cơ hai thì, đánh lửa tự do bằng tia lửa điện được chuyển đổi từ hai động cơ hai thì cỡ nhỏ. Nó có kích thước lỗ khoan là 34 mm và hành trình tối đa là 28 mm. Động cơ tuyến tính được cung cấp nhiên liệu bằng propan. Mục đích của nghiên cứu là tạo ra một nguyên mẫu của hệ thống khởi động và điều tra ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa và áp suất hiệu quả.
Không khí và nhiên liệu được trộn sẵn bởi bộ chế hòa khí sau đó chúng được cung cấp trực tiếp vào mỗi xi lanh. Thời điểm đánh lửa được 4 thay đổi ở mức 1 mm và 2 mm so với tâm điểm chết trên cùng tối đa với tốc độ bắt đầu từ 10 Hz. Nguyên mẫu đánh lửa thành công với áp suất tối đa 7,5Kg/cm2 khi đánh lửa trước điểm chết trên (ĐCT) 1mm và 9,5Kg/cm2 khi đánh lửa trước ĐCT 2mm. Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu ban đầu như khảo sát lý thuyết, tính toán, xác định kiểu động cơ, cơ cấu khởi động.
Kết quả sơ bộ đã khẳng định được tính khả thi của đề tài và đề xuất mô hình FPLE [3]. Nghiên cứu thứ 3 của tác giả Nguyễn Huỳnh Thi “Nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm động cơ đốt trong không trục khuỷu”. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào FPEG loại piston kép đánh lửa cưỡng bức. Một cơ cấu khởi động cơ khí được đề xuất áp dụng cả 2 chiến lược nêu trên, cơ cấu có khả năng đưa piston đi hết hành trình và dao động tuyến tính.