CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.Lý do chọn đề tài. Việc khai thác nguồn nhiên liệu hóa thạch, sử dụng nó một cách triệt để làm cho nguồn nhiên liệu này đã dần trở nên cạn kiệt và thêm vào đó là những vấn đề về môi trường như ô nhiễm, trái đất nóng dần lên, hiệu ứng nhà kính. đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà nghiên cứu về thiết kế phát triển động cơ và hơn hết là làm sao tìm ra các giải pháp thay thế công nghệ để phát triển nguồn năng lượng tái tạo sạch. Công nghệ thì ngày càng phát triển liệu làm sao để có thể phát triển một loại động cơ mới hiệu năng, công suất cao, sử dụng được nhiều loại nhiên liệu khác nhau nhưng phải đảm bảo được lượng khí thải ra môi trường tối thiểu nhất và hạn chế làm ô nhiễm môi trường.
Kể từ những năm 80 của thế kỷ XX cho đến nay, có thể nói vấn đề môi trường được coi là nội dung trọng tâm cần quan tâm tại các nước công nghiệp phát triển, nhiệm vụ đặt ra là tăng cường bảo vệ chất lượng môi trường trong khi 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 nóng bỏng được quan tâm hàng đầu. 1 Luan van Hình 1.1: Lượng tiêu thụ dầu thô tại Việt Nam từ năm 2010 Việt Nam là một nước có nền kinh tế đang phát triển nhanh và đang định hướng trở thành nước công nghiệp đến năm 2020. Cùng với quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá của đất nước, nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển. Sự phát triển của nền kinh tế kéo theo sự phát triển nhiều mặt của xã hội.
Phương tiện giao thông là một vấn đề song song của hai mặt (tích cực và tiêu cực). Nó giúp cho sự phát triển nhanh chóng và mạnh 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 và môi trường một cách nghiêm trọng do lượng khí thải của các phương tiện này gây ra. Vì thế, việc nghiên cứu những giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay.
Để giải quyết vấn đề này các nhà khoa học của nước ta và trên thế giới đã và đang nghiên cứu giải pháp sử dụng ô tô chạy điện, ô tô lai thay thế ô tô sử dụng nhiên liệu truyền thống. Về phương diện bảo vệ môi trường, đây là một giải pháp tối ưu. Loại xe này có động cơ nằm ở các bánh xe, được cung cấp năng lượng từ những bình điện đặt trong cốp xe. Tuy nhiên, loại hình còn tồn tại một số bất tiện như: hệ thống bình điện quá nặng, choán không gian chất hành lý, thời gian chạy với số bình điện đó chỉ đủ cho một cự ly chạy trên dưới 100km, sau một khoảng thời gian nhất định, từ 4 - 6 giờ lại phải sạc điện.
Ngoài ra, số trạm điện đáp ứng được yêu cầu nạp điện này cũng còn quá ít. Do 2 Luan van vậy, việc tiết kiệm nhiên liệu cùng với việc quy định nghiêm ngặt của pháp luật về khí thải, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghĩ đến việc cải tiến công nghệ trong động cơ đốt trong truyền thống, cũng như điều tra các loại máy phát điện mới để chuyển đổi năng lượng. Động cơ đốt trong piston chuyển động tự do - Free piston engine, là một trong những động cơ mới, hiệu suất cao, thiết bị chuyển đổi năng lượng, đã được nghiên cứu do những lợi thế tiềm năng của nó về hiệu suất nhiệt, phát thải thấp và khả năng đa nhiên liệu so với động cơ thông thường. Tuy nhiên những nghiên cứu trên mới chỉ được thí nghiệm dựa vào những mô hình mô phỏng với các loại nhiên liệu như là khí hydro hoặc xăng, chưa đưa vào ứng dụng trên ô tô lai.
Do đó, để khắc phục những nhược điểm của ô tô chạy điện như là giảm trọng lượng ắcquy, nâng cao công suất cũng như thời gian hoạt động liên tục của ô tô, việc chế tạo động cơ phát điện để cung cấp nguồn năng lượng trực tiếp cho ô tô và giảm ô nhiễm môi trường là vô cùng quan trọng. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đề tài.Các nghiên cứu ở trong nước Gần đây việc các hãng và công ty xe lớn đang có xu thế phát triển ngành công nghiệp xe theo hướng xe điện, xe lai. Trong đó có hãng xe khá mới mẽ của nước ta là Vinfast sản xuất những loại xe máy điện như Klara, Impes, Ludo và tương lai sẽ phát triển ô tô điện, ngoài ra còn rất nhiều sản phẩm xe điện, xe lai khác trong nước đang đợi thương mại hóa. Điều đó cho thấy thị trường xe điện, xe lai ở nước ta ngày càng được mở rộng và phát triển.
Để đáp ứng về nhu cầu đó các trung tâm nghiên cứu và thiết kế ra đời ngày một nhiều. Ngoài các công ty, tập đoàn sản xuất xe thì ngày nay cũng đã có các nơi đào tạo và các trường đại học lớn như : Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh, Đại học Sư Phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, …đã và đang nghiên cứu, thiết kế loại FPE và đã xuất hiện nhiều đề tài nghiên cứu về cơ sở lý thuyết.
Các chuyên đề về loại động cơ này đã được thực hiện và công bố tuy nhiên còn khá khiêm tốn, đặc biệt là công cuộc thiết kế và chế tạo vì các ngành phụ 3 Luan van trợ ở nước ta còn quá hạn chế. Cho đến nay, đất nước ta ngày một phát triển, hội nhập và được sự quan tâm của nhiều cơ quan, ban ngành. Mặc dù việc thiết kế bộ điều khiển, cũng như căn chỉnh các thông số cho động cơ thì gặp rất nhiều khó khăn nhưng với khoa học công nghệ hiện nay, việc lập trình điều khiển và kiểm soát tự động là điều có thể thực hiện được. Vì vậy, thiết kế FPE không còn là trở ngại ở nước ta.Các nghiên cứu ở nước ngoài Oprea và các cộng sự [1] 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 FPLE, là tiền đề để thiết kế và tối ưu hóa các mô hình tương tự để hoàn thiện hơn.
Hanipah và các cộng sự [2] đã nghiên cứu động cơ FPLE và phát triển nó, động cơ nhỏ gọn sử dụng trên xe lai Hybrid. Tác giả đã nêu lên những luận điểm về ưu điểm của động cơ FPLE đã được phát triển trong các hãng lớn như Volvo, Toyota, Ford, Honda… Tác giả cũng nhấn mạnh về vấn đề mà chưa làm được như vấn đề về bôi trơn, khả năng làm mát, và bộ khởi động động cơ, để có thể sản xuất thương mại hóa loại động cơ rất có tiềm năng này. Mikalsen và các cộng sự [3] đã nghiên cứu về vấn đề tổn thất truyền nhiệt trong động cơ FPLE và so sánh nó với động cơ truyền thống, tác giả đã phân tích và đánh giá ảnh hưởng của truyền nhiệt trong quá trình đốt, lượng tiêu thụ nhiên liệu, tổn thất do truyền nhiệt, tính toán hiệu suất động cơ, và sự hình thành khí thải sau quá trình cháy, nghiên cứu của tác giả sử dụng mô hình mô phỏng đa chiều, và đưa ra kết luận so với động cơ truyền thống, tổn thất truyền nhiệt của động cơ FPLE ít hơn rất nhiều so với động cơ truyền 4 Luan van thống, lượng phát thải NOx giảm 30% so với động cơ truyền thống, nhưng nghiên cứu của tác giả vẫn tập trung mô phỏng, chưa có số liệu thực tế ghi nhận. Mô hình động cơ FPLE có tăng áp 1.
Cửa nạp khí; 3. Kim phun nhiên liệu; 4. Bộ phát điện tuyến tính ; 5. Bộ van điều khiển áp suất nén; 7, 8.
Tua bin tăng áp. Virsik và Heron [4] đã tập trung nghiên cứu về máy phát điện tuyến tính, sử dụng động cơ piston tự do FPLE. So sánh hiệu năng phát điện trên từng loại động cơ, như động cơ FPLE. Động cơ Wankel và động cơ Otto, kết hợp so sánh các loại nhiên liệu nạp vào, như hydro, xăng, diesel.
Từ đó tác giả đã đưa ra kết luận về sự tối ưu của động cơ FPLE so với các loại động cơ các về ưu điểm của động cơ FPLE, và những thách thức chưa làm được như về giá thành chế tạo, công nghệ vật liệu. Jia và các cộng sự [5] đã thiết kế và thử nghiệm thực tế nguyên mẫu động cơ FPLE, đưa ra các luận điểm để động cơ này có thể hoạt động được như các đặc tính bền của vật liệu, điều kiện bôi trơn, khả năng hoạt động ở tốc độ cao, lực khí thể sinh ra lớn, nhưng nhiệt độ buồng cháy phải thấp, tác giả cũng đưa ra được khó khăn khi phải kiểm soát 5 Luan van được điểm chết trên và điểm chết dưới của piston phải bảo đảm được tỷ số nén cho sự đánh lửa và đốt cháy được hoàn toàn nhất, nhưng cũng phải tránh được sự va chạm cơ học giữa đầu piston và xilanh, xác định được điểm chết trên (TDC) là mấu chốt để điều khiển được piston này hoạt động được ổn định. Nguyen Ba Hung và các cộng sự [6] đã viết bài báo đánh giá về sự vượt trội và tiềm năng của động cơ FPLE này. Trong bài báo của ông đề cập đến các thiết kế và đặc điểm của động cơ piston tự do và sau đó là thí nghiệm, phân tích dữ liệu đạt được và nêu được luận điểm của ông về máy phát điện ba pha tuyến tính là thích hợp cho động cơ FPLE công suất cao, tác giả cũng đã phân loại được các kiểu loại của động cơ này theo các đặc tính vận hành về động lực học, về sự tổn thất truyền nhiệt, hay đặc tính để làm máy phát điện, ngoài ra tác giả còn nhấn mạnh về hiệu suất nhiệt của động cơ FPLE cao hơn so với động cơ thường rất nhiều, thay đổi tỷ lệ nén có thể tối ưu hóa quá trình cháy và thích hợp sử dụng với nhiều loại nhiên liệu.