CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 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. Năm 1995, Ivanhoe [1] đã xem xét lại dữ liệu lịch sử sản xuất dầu và xác định phiên bản sửa đổi của dự đoán của Hubbert về sản lượng dầu.
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 HVTH: Nguyễn Thái Học 1 Nghiên cứu mô phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do hàng hóa ngày càng tăng trên cả đường biển, đường bộ và đường hàng 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 HVTH: Nguyễn Thái Học 2 Nghiên cứu mô phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do 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. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Ngày nay, xe điện được coi là sự thay thế chính cho ô tô thông thường. Trong khi đó, do những hạn chế trong công nghệ pin, một phạm vi lái xe ngắn trở thành một trở ngại cho sự phát triển của xe điện. Máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do (Free Piston Engine Linear Generator, FPLG) đang được sử dụng như một bộ mở rộng phạm vi có thể là một biện pháp hiệu quả để giải quyết nhược điểm này.
FPLG là một hệ thống phát điện đầy hứa hẹn do tính đơn giản và hiệu suất nhiệt cao, nó là một loại thiết bị chuyển đổi năng lượng mới, tích hợp động cơ đốt trong tuyến tính và máy điện tuyến tính thành một đơn vị, được biết là có hiệu suất nhiệt lớn hơn so với động cơ pít-tông tương đương và thông thường hơn [2]. Hưởng lợi từ việc loại bỏ cơ chế trượt tay quay, nó có những ưu điểm như tỷ số nén thay đổi, kích thước nhỏ gọn và sản xuất năng lượng hiệu quả cao [3]. Tỷ số nén phụ thuộc vào khoảng cách giữa vị trí pít-tông và nắp xi lanh. Không giống như một động cơ đốt trong thông thường, các tâm chết pít-tông và chiều dài hành trình trong FPLG không bị hạn chế bởi cấu trúc cơ khí.
Do đó, điều này cho phép điều chỉnh tỷ số nén bằng cách điều khiển vị trí của động cơ máy phát và từ đó điều chỉnh tâm chết trên cùng. Do đó, các loại nhiên liệu khác nhau như xăng, hydro và metan có thể được sử dụng trong FPLG với tỷ số nén tối ưu của chúng mà không cần sửa đổi cấu trúc của động cơ đốt [4]. Ngoài ra, so với các bộ mở rộng phạm vi thông thường, FPLG là một hệ thống tích hợp giữa (Linear Electric Machine, LEM) và động cơ pít-tông tự do với kích thước HVTH: Nguyễn Thái Học 3 Nghiên cứu mô phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do nhỏ và khối lượng thấp [5]. Về hiệu quả hệ thống, ma sát và tổn thất nhiệt ít hơn do việc loại bỏ cơ chế tay quay và bánh đà sẽ làm giảm đáng kể tổn thất ma sát do không có sự va đập của pít-tông do chuyển đổi chuyển động quay sang chuyển động tuyến tính và bằng cách giảm lượng linh kiện chuyển động, có nghĩa là ma sát tiếp xúc trong hệ thống ít hơn.
Hơn nữa, hoạt động không có trục khuỷu này tạo ra hành trình mở rộng nhanh hơn, giúp giảm tổn thất truyền nhiệt trong xi lanh [6]. Pít-tông di chuyển tự do giữa TDC và trung tâm chết dưới BDC, và chuyển động của nó được xác định bởi tổng hợp các lực tác dụng lên nó, bao gồm lực áp suất khí, lực điện từ và lực bật lại [7]. Chuyển động của pít-tông phải được điều khiển bởi bộ điều khiển FPLG, đó là một điều khiển tích hợp các tham số của quá trình đốt cháy hoặc các biến điều khiển của LEM và các thiết bị bật lại [4]. Hơn nữa, có các biến thể theo chu kỳ và các nhiễu loạn lớn theo chu kỳ trong quá trình đốt cháy.
Do đó, kiểm soát chuyển động của piston vẫn là thách thức lớn nhất của FPLG [8]. Bên cạnh đó, LEM không chỉ được sử dụng như một đơn vị đầu ra năng lượng mà còn là đơn vị điều khiển để điều chỉnh chuyển động của pít-tông. Đối với FPLG, LEM đòi hỏi độ tin cậy cao, độ chính xác cao, hiệu quả cao, v. Các cấu trúc khác nhau của LEM đã được nghiên cứu thiết kết bởi nhiều đội trên khắp thế giới, nhưng không có cấu trúc nào trong số này đáp ứng tất cả các yêu cầu do đột quỵ ngắn, tần số cao và gia tốc cao.
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, .