Tài liệu Chuyên đề về động cơ piston tự do

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, nền khoa học - kỹ thuật trên thế giới đã phát triển vô cùng mạnh mẽ với nhiều thành tựu rực rỡ trong tất cả các lĩnh vực đời sống và xã hội, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ ô tô. Các loại ô tô thì ngày càng phát triển hiện đại, ứng dụng nhiều công nghệ mới để phục vụ cho con người, tạo cho người sử dụng một cảm giác thoải mái và an toàn nhất có thể. Nhưng không có một sự phát triển nào mà không có những bất lợi đi kèm theo nó, ô tô hiện đại, khả năng tăng tốc nhanh, tốc độ di chuyển cao... những điều đó đánh vào trọng tâm là động cơ của ô tô phải như thế nào ? Đó là sự cải tiến ở động cơ, nhưng hiện tại hầu hết các ô tô vẫn đang sử dụng động cơ đốt trong thông thường chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Vấn đề đáng nói ở đây là nguồn nhiên liệu này đang dần cạn kiệt, trữ lượng trung bình chỉ có thể sử dụng trong vòng khoảng 30 đến 40 năm. Hơn thế nữa, lượng khí thải sản sinh ra môi trường do sử dụng động cơ này thì ngày càng tăng. Việc gia tăng lượng CO2 và NOx trong khí quyển là một vấn đề luôn được đề cập đến trong các hội nghị về môi trường. Hướng giải quyết bây giờ là phát triển một động cơ mới thay thế cho động cơ truyền thống. Các nhà khoa học đã nghiên cứu về một loại động cơ và gọi tên nó là ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO. Về cơ bản, thì loại này vẫn thuộc dạng động cơ đốt trong nhưng với những cải tiến và ưu điểm nổi bật so với động cơ đốt trong thường, nhất là về hiệu suất và khí thải. Trên cơ sở kế thừa những bài báo cáo, những nghiên cứu đã có, chúng em đã tìm kiếm, tổng hợp, sàng lọc để thực hiện đề tài “Chuyên đề về động cơ đốt trong piston chuyển động tự do”. Qua đồ án này, chúng em sẽ trình bày một số tính năng nổi bật cũng như cấu tạo, sự vận hành của động cơ để từ có có thể đóng góp phần nào cho việc nghiên cứu, phát triển, áp dụng loại động cơ mới này ở nước ta. I LỜI CẢM ƠN Không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của mọi người. Trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại giảng đường cho đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, chỉ dạy tận tình của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến quý thầy cô của khoa: Cơ Khí Động Lực - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm cũng như truyền ngọn lửa đam mê cho mỗi chúng em, và rồi từ những tri thức và sự đam mê đó chúng em đã được tiếp cận, thực hiện và kết lại thành một đồ án tốt nghiệp mà chúng em đã nghiên cứu, nó như là bước đệm giúp cho chúng em trang bị những nền tảng thật vững chắc để bước đi trên con đường nghề nghiệp sau này. Đặc biệt, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đền thầy T.S Nguyễn Văn Trạng đã tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình lựa chọn đề tài, cung cấp tài liệu, kiểm tra theo dõi cũng như hỗ trợ chúng em thực hiện đồ án. Không có một việc làm nào mà không gặp bất kì một khó khăn nào cả, trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em gặp không ít khó khăn trong việc tìm kiếm, tổng hợp và sàng lọc tài liệu nhưng với sự góp ý cũng như chỉnh sửa tận tình của thầy, chúng em đã có thể hoàn thành đồ án một cách suông sẻ. Thầy không đặt nặng áp lực cho chúng em về thời gian nhưng đòi hỏi chúng em phải có một tinh thần tự giác, chủ động và phải có trách nhiệm về đồ án của mình. Tất cả điều đó làm chúng em rất biết ơn thầy. Và một lần nữa chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy và các thầy cô của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và thầy cô khoa của khoa Cơ Khí Động Lực nói riêng. Cuối cùng, chúng con xin gửi lời biết ơn trân trọng nhất tới gia đình, đặc biệt là cha mẹ đã sinh ra, nuôi dưỡng và tạo tất cả đều kiện để cho chúng con ăn học, hoàn thành chương trình đại học cũng như bài cáo đồ án tốt nghiệp này. Trong quá trình thực hiện đồ án, do trình độ, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, chúng em sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót, rất mong thầy cô chỉ dạy và bỏ qua. II TÓM TẮT Trong bài nghiên cứu này, chúng em tập trung vào các vấn đề như sau: • Tình hình nghiên cứu về động cơ này trên thế giới ( đặc biệt là các nhà sản xuất ô tô nổi tiếng) nói chung và Việt Nam nói riêng. • Đưa ra những khái niệm chung cũng như tóm tắt sơ lược về lịch sử hình thành, những công trình nghiên cứu loại động cơ mới này. • Phân tích hình dạng thiết kế, phân loại động cơ này, ứng dụng trước đây của chúng. • Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động chung của động cơ. • Những ưu điểm nổi bật và khuyết điểm của động cơ. • Phân tích cụ thể loại động cơ phát điện piston tự do. • Thách thức và tiềm năng phát triển động cơ này. Hướng tiếp cận và giải quyết đồ án này chủ yếu vào việc tìm kiếm, tổng hợp, sàng lọc các tài liệu nghiên cứu nước ngoài từ các trường đại học trên thế giới. Khi gặp vấn đề trong việc tìm kiếm tài liệu cũng như thắc mắc về một vấn đề nào đó thì chúng em nhờ thầy TS. Nguyễn Văn Trạng hướng dẫn. Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, chúng em đã đạt được mục tiêu đề ra trước khi nghiên cứu. Điều này giúp chúng em có thêm hiểu biết về một loại động cơ mới, củng cố các kỹ năng mềm cho bản thân như việc tra cứu tài liệu, khả năng đọc hiểu các tài liệu nước ngoài, kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng thuyết trình... III MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... II TÓM TẮT ............................................................................................................................... III DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .............................................................VI DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................................... VII CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ................................................................................ 1 1.1Lí do chọn đề tài ............................................................................................................... 1 1.2Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ...................................................................... 2 1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước .............................................................................. 2 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................................................... 3 1.3Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 8 1.3.1 Mục đích nghiên cứu ................................................................................................. 8 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 8 1.3.3Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 8 1.4Nội dung nghiên cứu ........................................................................................................ 8 1.5Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................. 8 CHƯƠNG 2: NHỮNG NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY VỀ ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO ỨNG DỤNG CHO Ô TÔ ................................................................................................................... 9 2.1General Motor .................................................................................................................. 9 2.2 Toyota ............................................................................................................................ 13 2.3 Volvo ............................................................................................................................. 16 2.4 Ford ................................................................................................................................ 19 2.5 Honda............................................................................................................................. 21 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO ............................................ 25 3.1 Giới thiệu ....................................................................................................................... 25 3.2 Lịch sử hình thành và phát triển .................................................................................... 25 3.3 Phân loại – Cấu tạo ........................................................................................................ 26 3.3.1 Piston đơn ................................................................................................................ 26 IV 3.3.2 Piston kép ................................................................................................................ 27 3.3.3 Piston kép đối đỉnh .................................................................................................. 29 3.3.4 Máy phát điện piston tự do...................................................................................... 29 3.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ piston tự do ................................................... 31 3.5 Ứng dụng của động cơ piston tự do .............................................................................. 32 3.5.1 Máy nén khí piston tự do ........................................................................................ 32 3.5.2 Máy phát điện piston tự do...................................................................................... 34 3.5.3 Động cơ thủy lực piston tự do ................................................................................. 35 3.5.4 Động cơ phát điện piston tự do ............................................................................... 36 3.6 Ưu, nhược điểm của động cơ piston tự do .................................................................... 37 3.6.1 Ưu điểm ................................................................................................................... 37 3.6.2 Nhược điểm ............................................................................................................. 37 CHƯƠNG 4: ĐỘNG CƠ PHÁT ĐIỆN PISTON TỰ DO ..................................................... 38 4.1 Giới thiệu ....................................................................................................................... 38 4.2 Cấu tạo ........................................................................................................................... 39 4.3 Nguyên lý hoạt động ..................................................................................................... 42 4.4 Chu trình nhiệt ............................................................................................................... 43 4.5 Sự dịch chuyển của piston ............................................................................................. 45 4.6 Tiềm năng phát triển ...................................................................................................... 47 4.7 Hạn chế và thách thức ................................................................................................... 47 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 48 5.1 Kết luận ......................................................................................................................... 49 5.2 Kiến nghị ....................................................................................................................... 49 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 50 V DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU FPE Free piston engine : Động cơ piston chuyển động tự do. FPEG Free piston engine generator: Động cơ phát điện piston chuyển động tự do. HCCI Homogeneous charge compression Ignition: Sự tự cháy do nén. TDC Top dead center: Điểm chết trên. BDC Bottom dead center: Điểm chết dưới. CE Conventional engine: Động cơ truyền thống. CFD Computational fluid dynamics: Tính toán động lực học chất lỏng. REV Range Extended Vehicles: Loại xe điện có thêm động cơ đốt trong. Giải thích các đại lượng: • W: công sinh ra (W). • Q1: nhiệt lượng nhận được (J). • Q2: nhiệt lượng tỏa ra (J). • ηt: hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot. • R: hằng số khí lý tưởng, R = 8,314 J/mol.K. • T1: nhiệt độ thu vào tuyệt đối (oK). • T2: nhiệt độ tỏa ra tuyệt đối (oK). • VA: thể tích tại điểm A (m3). • VB: thể tích tại điểm B (m3). • VC: thể tích tại điểm C (m3). • VD: thể tích tại điểm D (m3). VI DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính………………....4 Hình 1.2. Mô hình của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính của Toyota…………...7 Hình 2.1. Piston tự do dạng đối đỉnh………………………………………………………..10 Hình 2.2. Máy phát điện bằng khí gas Sigma GS-34………………………………………..12 Hình 2.3. Vận hành hệ thống bánh đà điện (bỏ qua sự thay đổi tốc độ của mô-tơ)…………13 Hình 2.4. Piston được thiết kế đặc biệt để tản nhiệt một cách nhanh chóng đồng thời giảm sự gia tăng nhiệt độ trên nam châm vĩnh cửu và cuộn dây……………………………………..15 Hình 2.5. Kiểu hai piston đơn với hai buồng đốt riêng biệt………………………………....16 Hình 2.6. Các đường đặc trưng của động cơ piston tự do được sinh ra từ quá trình đốt Ja và kết quả quá trình, Jb ở các vị trí piston khác nhau…………………………………………..17 Hình 2.7. Piston kép kiểu máy phát điện động cơ piston tự do……………………………..18 Hình 2.8. Mô phỏng các đường cong trong điều khiển vận tốc chuyển động servo………..19 Hình. 2.9. Sơ đồ khối các thành phần chính và đường dẫn điện cho bộ chuyển đổi năng lượng piston tự do…………………………………………………………………………...20 Hình 2.10. Sơ đồ đơn giản của bơm thủy lực piston tự do của Ford………………………..21 Hình 2.11. Động cơ phát điện piston tự do một xy lanh …………………………………....23 Hình 2.12. Máy phát điện động cơ piston tự do bốn kỳ một xy lanh……………………….25 Hình 3.1. Cấu tạo của piston tự do loại piston đơn………………………………………….28 Hình 3.2 Cấu tạo piston tự do loại piston kép……………………………………………….29 Hình 3.3. Piston kép dạng hai piston đối đỉnh………………………………………………30 VII Hình 3.4. Hình minh họa cho máy phát điện động cơ piston tự do…………………………31 Hình 3.5. Động cơ piston tự do kiểu piston đơn…………………………………………….32 Hình 3.6. Máy nén khí piston tự do…………………………………………………………34 Hình 4.1 . Động cơ phát điện piston tự do…………………………………………………..40 Hình 4.2. Bộ chuyển đổi máy phát điện tuyến tính…………………………………………42 Hình 4.3. Ảnh 3D của máy phát điện tuyến tính sáu cạnh…………………………………..42 Hình 4.4. Chu trình Carnot trên đồ thị P – V………………………………………………..43 Hình 4.5 So sánh giữa động cơ piston tự do và động cơ thông thường……………………..46 VIII CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lí 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 bổng được quan tâm hàng đầu. 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 1 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 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. Chính vì vậy, đề tài “Chuyên đề về động cơ đốt trong piston chuyển động tự do - Free piston engine hay còn gọi là động cơ không trục khuỷu” được đề xuất thực hiện. Đề tài không những có ý nghĩa khoa học mà còn nghiên cứu có định hướng sử dụng nguồn nhiên liệu hiệu quả và hy vọng sẽ tạo ra được một kỷ nguyên mới về động cơ đốt trong cũng như phát triển một loại xe mới cho tương lai. 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Giống như các nghiên cứu về ô tô lai, ô tô điện, ô tô sử dụng nhiên liệu sinh học, FPE cũng đã được các nhà nghiên cứu trong nước quan tâm. Các nhà nghiên cứu chủ yếu là các nhà khoa học từ các trường Đại học lớn trong nước như: Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Đại học Bách 2 khoa Đà Nẵng,…Tuy nhiên, các nghiên cứu về FPE cũng như các công bố quốc tế về lĩnh vực này còn khá khiêm tốn. Trong nghiên cứu này, động cơ đốt trong piston chuyển động tự do được kết nối với một máy phát điện tuyến tính với mục đích là tạo ra nguồn năng lượng điện phục vụ cho ô tô lai, ô tô điện và tàu điện. Kể từ khi FPEG lần đầu tiên được đề xuất đã thu hút được sự quan tâm từ khắp nơi trên thế giới. Tuy nhiên, cho đến nay không ai trong số này đã được thực hiện về mặt thương mại một phần là do những thách thức của hệ thống điều khiển. Để đáp ứng những thách thức này một hệ thống điều khiển bền vững là cần thiết cho FPEG. Kiểm soát của piston ở vị trí điểm chết trên là rất quan trọng cho hoạt động ổn định. Nó nên được kiểm soát trong giới hạn chặt chẽ để không những đảm bảo một tỷ số nén đủ để đánh lửa và đốt cháy hỗn hợp hòa khí hiệu quả mà còn phải để tránh tiếp xúc cơ khí giữa piston và đầu xy lanh. Chính vì thế, đề tài không những góp phần quan trọng vào việc phát triển năng lượng bền vững của nước ta trong lĩnh vực giao thông mà còn ứng dụng phát điện hiệu suất, đồng thời giải quyết bài toán ô nhiễm môi trường sẽ mang lại ý nghĩa khoa học vô cùng to lớn. 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Động cơ piston tự do đã được sáng chế từ năm 1807 nhưng không có nhiều ứng dụng. Mãi đến thập niên 30-60 động cơ piston tự do mới có một số ứng dụng. Động cơ piston tự do được sử dụng để làm máy nén khí, khí nén này được dùng để chạy tua-bin phát điện hay cung cấp dưỡng khí cho tàu ngầm. Một trong những ứng dụng nữa của động cơ piston tự do mà chúng ta thường gặp là "búa diesel" dùng để đóng cọc xây dựng móng cầu. Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng trên ô tô thì chỉ mới bắt đầu nghiên cứu trong những năm gần đây [4]. Động cơ piston tự do phát điện tuyến tính (FPEG) ứng dụng trên ô tô là lĩnh vực tương đối mới, đã và đang được nghiên cứu của một số quốc gia có nền công nghiệp phát 3 triển như Mỹ, Đức, Nhật, Hàn Quốc,... Tuy nhiên, việc chế tạo động cơ cũng như việc sử dụng nhiên liệu động cơ vẫn còn đang trong giai đoạn thí nghiệm. Nhiên liệu mà các nước trên thế giới đang nghiên cứu thử nghiệm chủ yếu là khí hydro và nhiên liệu hoá thạch có nguồn gốc từ dầu mỏ. Ưu điểm của động cơ FPEG là không có trục khuỷu, không có lực ngang tác dụng vào vách xy lanh nên hiệu suất nhiệt của động cơ có thể được nâng lên trên 30% so với động cơ đốt trong bình thường. Vì thế, công suất động cơ cũng được nâng lên đồng thời phần công suất tiêu hao cũng được khắc phục [4]. Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính. 1. Bugi; 2. Piston; 3. Xy lanh; 4. Cung cấp nhiên liệu; 5. Tải điện cấp ra bên ngoài; 6. Ống nạp không khí; 7. Cổng nạp; 8. Cổng xả; 9. Stator; 10. Cuộn dây. Khái niệm động cơ piston tự động lần đầu tiên được Pescara đề xuất năm 1928. Tuy nhiên, các ứng dụng động cơ piston tự do bao gồm FPEG trải qua sự phát triển chậm trong thời gian đầu và bắt đầu phát triển trong những năm 1960 do những hạn chế của các yếu tố khác nhau. Trong những năm gần đây, như là một thiết bị điện thay thế cho xe điện lai, FPEG đã thu hút được lợi ích ngày càng tăng từ 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 của mô phỏng FPEG, các kỹ thuật thực nghiệm, cũng như hệ thống điều khiển FPEG. 4 Đại học West Virginia là một trong những viện nghiên cứu sớm nhất thực hiện việc điều tra hiện đại hệ thống FPEG. Trong việc thiết kế và xây dựng nguyên mẫu động cơ FPEG hai piston hai thì được cung cấp bằng cách đánh lửa tia lửa của bu-gi. Các kiểm tra được thực hiện để đánh giá hiệu suất của nguyên mẫu và công suất ra thử là 316 W trong khi hoạt động ở tần số 23,1Hz [4]. Tuy nhiên, sự đốt cháy xảy ra trong nguyên mẫu dường như rất không ổn định, và máy không thể hoạt động liên tục. Một mô hình số đã được phát triển làm chia chu trình làm việc của FPEG thành ba giai đoạn theo chuyển động piston, đó là quá trình nạp, quá trình nén và quá trình cháy. Mỗi quá trình được mô tả bởi các mô hình toán học theo các luật về nhiệt động lực học. Nó đã được tổng hợp phân tích như là tổng lượng nhiệt đầu vào, thời gian cháy, khối lượng phản ứng và tải ảnh hưởng đến các đặc tính hoạt động của FPEG, như vị trí của TDC, tần số và vận tốc piston. Năm 2002, một số mô hình của FPEG về quá trình cháy đã được phát triển. Mikalsen và Roskilly tại Đại học Newcastle bắt đầu đầu tư nghiên cứ u FPEG từ năm 2007. Piston động lực của một FPEG đã được nghiên cứu, cho thấy rằng chuyển động piston là không đối xứng xung quanh TDC và động cơ đã dành nhiều thời gian để nén hơn trong giai đoạn giãn nở của chu kỳ. Sau đó, họ thực hiện mô phỏng bằng bộ công cụ CFD (tính toán động lực học chất lỏng) về quá trình làm việc của FPEG và so sánh hiệu suất của nó với một quy trình động cơ thông thường. Kết quả cho thấy hoạt động của FPEG có một chút lợi thế so với động cơ thông thường cho nhiên liệu đốt nhanh hơn. Trong năm 2009, một nghiên cứu tính toán đã được thực hiện để kiểm tra chuyển động khí trong ống xy lanh, quá trình đốt cháy và sự hình thành nitơ ôxit trong một động cơ diesel FPEG. Nghiên cứu đã chứng minh rằng: nhiệt độ khí trong xy lanh FPEG thấp hơn trong CE, góp phần làm giảm phát thải NOx[4]. Ủy ban Châu Âu thúc đẩy một dự án nghiên cứu về một nhà máy năng lượng mới có tên FPEG (bộ chuyển đổi năng lượng piston tự do) vào năm 2002. Các nhà nghiên cứu trình bày các động lực học, nhiệt động học mô hình của FPEG và phân tích một cách dứt khoát quá trình giải phóng nhiệt và quá trình nạp của nó đặc trưng bằng một phương 5 pháp mô phỏng đa chiều. Các kết quả chỉ ra rằng: nhiên liệu với chỉ số octan ít hơn đòi hỏi một tỷ số nén cao hơn, và nén cao hơn sẽ làm tăng tần suất hoạt động, công suất và hiệu suất của hệ thống. Các nhà nghiên cứu từ Học viện Công nghệ Bắc Kinh đã nghiên cứu về chuyển động piston, quá trình cháy và các đặc tính tạo ra điện của FPEG. Họ sử dụng mô hình tính toán thực hiện một số bước để phân tích hiệu quả cho một FPEG. Kết quả cho thấy hành trình piston hiệu quả cao hơn đến đường kính piston. Giáo sư Feng kiểm tra quá trình đốt cháy của một động cơ diesel FPEG bằng cách áp dụng các mô hình kết hợp của động lực học không chiều và động lực học chất lỏng tính toán đa chiều. Các kết quả mô phỏng đã cho thấy các đặc tính đốt cơ bản của động cơ diesel FPEG. Năm 2015, Song trình bày một thiết kế mới của một xy lanh động cơ FPEG kết hợp một động cơ tuyến tính như là một thiết bị phục hồi. Cả hai mô phỏng và thí nghiệm đều được tiến hành để kiểm tra sự ổn định tạo ra các đặc tính, và kết quả cho thấy công suất ra là 25,9W và hệ thống hiệu quả là 13,7%. Ngoài ra, họ đã thiết lập các nguyên mẫu mà về cơ bản có thể nhận ra liên tục trong quá trình bắt đầu đốt cháy. Tuy nhiên, hiện tượng misfire là hiển nhiên vì quá trình nạp không hiệu quả. Nhóm nghiên cứu do Chang, Siqin, Viện Công nghệ Nam Kinh tiến hành nghiên cứu chủ yếu là kiểm soát và thử nghiệm một chiếc FPEG bằng một xy lanh đơn, hoạt động trên chu kỳ bốn thì. Trong khía cạnh kiểm soát động cơ, trạng thái chuyển động của piston tự do được kiểm soát bằng lực điện từ của máy phát tuyến tính, do đó làm cho FPEG làm việc liên tục. Đối với nguyên mẫu, đường kính xy lanh là 62mm, hành trình piston 70mm. Họ đã thử nghiệm nguyên mẫu trong quy trình vận hành ổn định và sản lượng điện thu được 2,2kW và hiệu quả đạt được khoảng 34% [4]. Một nhóm kỹ sư thuộc trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ của Toyota đang tiến hành nghiên cứu và chế tạo một loại hoàn toàn mới với tên gọi là FPEG, tạm dịch là động cơ phát điện piston tự do. Động cơ này có kết cấu nhỏ gọn, nó chỉ có một piston duy nhất và không có lốc máy, do đó chuyển động tịnh tiến của nó sẽ không được chuyển thành động năng quay tròn của trục khuỷu mà lại trở thành điện năng cũng cấp 6 cho bộ pin thông qua một cơ cấu chuyển đổi đặc biệt. Loại phương tiện di chuyển REV là những loại xe chạy điện có hỗ trợ thêm động cơ đốt trong để cung cấp thêm năng lượng nhằm kéo dài khoảng hoạt động của chiếc xe. Những loại xe này là sự kết hợp thông minh của hai nguồn năng lượng: nguồn điện và năng lượng hóa thạch, chúng đang là một lĩnh vực thú vị và càng ngày càng có nhiều hãng xe chú ý tới phân khúc này. Nếu như những loại động cơ đốt trong truyền thống, ví dụ như động cơ xăng 1.4L trang bị trên mẫu Chevrolet Volt nổi tiếng, vẫn còn nhiều nhược điểm hạn chế thì loại động cơ FPEG mới của Toyota sẽ là giải đáp cho vấn đề này. Chúng nhỏ hơn, nhẹ hơn, tạo ra điện năng hiệu quả hơn rất nhiều so với những cỗ máy đốt trong truyền thống. Hình 1.2. Mô hình của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính của Toyota. Nói chung, các nhà nghiên cứu đã tiến hành cả mô phỏng và thí nghiệm về hoạt động nguyên tắc của FPEG, cũng như hiệu suất của nguyên mẫu. Đối với quá trình đốt cháy phân tích, hầu hết các báo cáo đã sử dụng các mô hình không chiều, đơn vùng để mô phỏng quá trình làm việc của FPEG, cho thấy độ chính xác còn có những hạn chế để dự đoán các thông số trong quá trình cháy. 7 Sau đó, với sự phát triển của phần mềm CFD, mô hình động, đa năng kết hợp đã được áp dụng, có thể kiểm soát lưu lượng khí trong xi lanh và có độ chính xác cao hơn để mô tả quá trình cháy của FPEG. Tuy nhiên, hiệu suất thu gọn thường là bỏ qua trong mô hình, được cho là có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình cháy FPEG. Hiện nay, phương pháp kết hợp các mô hình năng động và thu hẹp vào quá trình cháy. Quá trình mô phỏng đã được đưa ra. Tuy nhiên, ít nghiên cứu đã được báo cáo về việc thực hiện, phân tích quá trình cháy bằng phương pháp này trên FPEG sử dụng xăng [4]. 1.3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Mục đích nghiên cứu Có những hiểu biết tổng quan về động cơ piston tự do, dựa vào đó có thể thấy được những ưu - khuyết điểm của động cơ loại này so với động cơ thông thường. Để từ đó phát triển nghiên cứu, thiết kế và thương mại hóa động cơ này phục vụ cho đời sống và sản xuất, thay thế động cơ truyền thống, tạo bước đột phá cho công nghệ. 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu Động cơ piston chuyển động tự do. 1.3.3 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu các bài báo cáo khoa học trước đó về động cơ này, chủ yếu là dựa vào các nguồn tài liệu ở nước ngoài của các trường đại học trên thế giới. 1.4 Nội dung nghiên cứu Tập trung vào cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ piston tự do và các ứng dụng của nó trước đây, từ đó có thể thấy được những ưu - nhược điểm của loại động cơ này để có thể trả lời được câu hỏi “ lý do tại sao động cơ này lại không được phát triển phổ biến”. 1.5 Phương pháp nghiên cứu Tìm đọc tham khảo tài liệu để phân tích tổng hợp những nội dung chính cần phải nghiên cứu 8 CHƯƠNG 2: NHỮNG NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY VỀ ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO ỨNG DỤNG CHO Ô TÔ Động cơ piston tự do đã được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây, như là một sự thay thế đầy hứa hẹn cho động cơ thông thường trong các ứng dụng như là xe lai hoặc các phương tiện thủy lực chạy trên xa lộ, tuy nhiên vẫn chưa thấy thành công trong việc ứng dụng vào kỹ thuật hiện đại. Các nghiên cứu được trình bày dưới đây dựa trên một đánh giá tập trung của những nhà sản xuất trong ngành ô tô liên quan đến công nghệ động cơ piston tự do. Sự quan tâm gần đây đối với công nghệ này hầu như chỉ dành cho động cơ thủy lực và máy phát điện từ động cơ piston tự do ứng dụng vào ô tô, trái với máy nén khí và máy phát điện chạy bằng gas được tập trung phát triển trước đó. 2.1 General Motor Các ứng dụng bằng sáng chế gần đây của General Motors mô tả các khái niệm piston tự do dạng đối đỉnh với hoạt động trên một chu trình hai kỳ. Hình 2.1. Piston tự do dạng đối đỉnh. 9 Với các bộ phận được cấu tạo như sau: • Battery: ắc- quy • Control module: mô-đun điều khiển • Rectifier: bộ chỉnh lưu • Spark plug: bugi • Fuel injector: phun nhiên liệu • Inlet port: cửa nạp • Check valves: van một chiều • Exhaust port: cửa thải • Combustion chamber: buồng đốt • Scaveging chamber: buồng quét khí • Piston • Permament magnet: nam châm vĩnh cửu • Bounce champer: buồng đẩy • Coil windings: cuộn dây Đặc biệt, khái niệm này rất giống với máy nén piston tự do thế hệ đầu tiên và máy phát điện bằng khí gas Sigma GS-34 (GS-34 là một loại piston đối đỉnh, sử dụng dầu diesel dùng cho các ứng dụng quy mô lớn như thủy quân lục chiến và các động cơ công nghiệp, các thiết bị hàng hải, đầu máy xe lửa, máy bơm và máy nén… do SociétéIndustrielle Générale de Mécanique Appliquée (SIGMA) sản xuất tại Pháp, là một trong những động cơ piston tự do thành công nhất từng được sản xuất, được hoàn thành vào năm 1944 dựa trên nghiên cứu của Pescaras), nhưng khác ở chỗ không có cơ chế đồng bộ cơ khí hóa. Công suất điện năng đạt được bằng một máy điện tích hợp, với nam châm vĩnh cửu được kết hợp trong piston và cuộn dây cuộn tích hợp trong vỏ xi lanh. 10 Hình 2.2. Máy phát điện bằng khí gas Sigma GS-34. Thế hệ động cơ piston tự do đầu tiên sử dụng đồng bộ hóa cơ khí, giải pháp của GM nhằm mục đích sử dụng các buồng đẩy - bounce chamber và phanh điện để đồng bộ và kiểm soát cả hai piston. Các nam châm vĩnh cửu được cắm chặt trên piston nhằm đảm bảo được ở nhiệt độ tối ưu bởi có một áo khoác không khí từ buồng quét khí thải - scavenging chamber xung quanh piston. Các kỳ có thể được điều khiển thông qua phanh điện cũng như điều khiển áp suất buồng đẩy. Sự vắng mặt của bánh đà đã được chỉ ra là một trong những vấn đề chính trong quá trình khởi động và vận hành máy phát điện động cơ piston tự do bởi nhiều nhà nghiên cứu động cơ piston tự do kiểu piston kép. Những lý do cho sự ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình đốt trong một xi lanh sẽ có trên quá trình chuyển động trong chu kỳ kế tiếp và tương tự cho quá trình nén trong một xi lanh khác. Do đó, sự thay đổi trong tỷ số nén có thể được tạo ra trong quá trình hoạt động, có thể dẫn đến hoạt động không ổn định hoặc thậm chí không cháy. Một nghiên cứu của Holmes trình bày một khái niệm để giải quyết vấn đề này là bánh đà điện. Trong hệ thống này gồm một máy tuyến tính (động cơ piston tự do) được nối điện qua hai cuộn dây đến một máy quay và một nguồn điện thông qua một bộ chuyển đổi. Ngoài ra, một động cơ có tốc độ biến đổi có thể được kết nối cơ học qua hộp số cho máy quay cũng 11 như kết nối bằng điện với toàn bộ hệ thống thông qua hai bộ cuộn dây như mô tả như trong hình 2.3. Hình 2.3. Vận hành hệ thống bánh đà điện (bỏ qua sự thay đổi tốc độ của mô-tơ). Piston được làm từ vật liệu sắt từ. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này có thể được mô tả như sau (xảy ra đầu tiên ở buồng đốt). Trong quá trình khởi động, ắc quy cung cấp dòng điện khởi động (Is) làm dịch chuyển piston và quay máy quay để tạo ra đủ năng lượng quán tính cho chu kỳ tiếp theo. Khi đạt được điều kiện đầy đủ trong xy lanh, nhiên liệu được phun và đốt. Khi đốt, dòng điện cung cấp được ngắt khi piston chuyển động về phía xy lanh thứ hai gây ra dòng điện đầu tiên (I1) trong cuộn dây đầu tiên. Trong suốt chu kì, (I1) tiếp tục hoạt động để xoay máy quay của nó để tạo ra sự xoay quán tính từ đó sẽ tạo ra dòng thứ hai (I2) trong cuộn dây thứ tư. Dòng thứ hai được sử dụng để xác định vị trí đúng piston trong buồng đốt thứ hai thông qua cuộn thứ hai. Sau đó, quá trình cháy thứ hai diễn ra, điều này sẽ 12