(Luận văn thạc sĩ) khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu

Dẫn nhập

Việt Nam đang trên đà phát triển kinh tế mạnh mẽ với mục tiêu trở thành nước công nghiệp trong tương lai gần Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đang thúc đẩy sự phát triển toàn diện của xã hội, đặc biệt là trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 Cuộc cách mạng này kết hợp các lĩnh vực vật lý, kỹ thuật số và sinh học, tác động đến tất cả các ngành kinh tế, trong đó ngành công nghiệp ô tô cũng được hưởng lợi từ những thành tựu quan trọng Tuy nhiên, sự phát triển này cũng đặt ra nhiều thách thức cần phải giải quyết để đảm bảo không ảnh hưởng tiêu cực đến nhân loại.

Vấn đề khai thác quá mức tài nguyên nhiên liệu đang dẫn đến sự cạn kiệt trữ lượng nhiên liệu hóa thạch Nếu tình trạng này tiếp tục, chỉ trong vòng 50 năm tới, nguồn cung nhiên liệu sẽ không còn đủ để đáp ứng nhu cầu của toàn bộ nhân loại trên hành tinh.

Vì vậy chúng ta phải cân nhắc xem xét thật kỹ sử dụng sao cho hợp lý và hiệu quả để đạt hiệu suất cao

Nhiệm vụ quan trọng hiện nay là bảo vệ chất lượng môi trường trong khi phát triển kinh tế xã hội và nâng cao chất lượng cuộc sống, đặc biệt ở các thành phố lớn, nơi vấn đề môi trường ngày càng trở nên cấp bách Việt Nam, với nền kinh tế đang phát triển nhanh và định hướng công nghiệp hóa, đang phải đối mặt với những thách thức này Sự phát triển của ngành giao thông vận tải mang lại lợi ích trong việc vận chuyển hàng hóa và thúc đẩy kinh tế, nhưng cũng gây ra tác động tiêu cực đến sức khỏe và môi trường do lượng khí thải gia tăng Hiện tượng ấm lên toàn cầu và biến đổi khí hậu đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống con người, do đó, nghiên cứu và áp dụng các giải pháp bảo vệ môi trường là vô cùng cần thiết.

Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường đang là vấn đề cấp thiết hiện nay, đặt ra thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu và phát triển động cơ đốt trong cũng như năng lượng tái tạo Các nghiên cứu hiện nay chú trọng đến việc sử dụng nguồn năng lượng sạch như khí CNG, biogas và chất phụ gia nhiên liệu Giải pháp ô tô điện và ô tô lai, như Tesla và Toyota, đã góp phần giải quyết vấn đề nhưng vẫn gặp hạn chế về phạm vi di chuyển, thời gian nạp và chi phí Để đáp ứng yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu và tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, công nghệ động cơ đốt trong truyền thống đang được cải tiến, nổi bật là dự án động cơ không trục khuỷu - Free Piston Engine kết hợp với máy phát điện tuyến tính, mang lại hiệu suất cao và phát thải ô nhiễm thấp hơn.

Hình 1.1 a-Cấu hình FPE đơn; b-Cấu hình FPE kép ; c-Cấu hình FPE đối đỉnh ; d-Cấu hình

Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đề tài

1.2.1 Các nghiên cứu ở trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu về FPEG đang được triển khai, nhưng số lượng công trình và công bố còn hạn chế Các tổ chức và cá nhân chủ yếu đến từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và Trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.

Nguyễn Tất Trung đã thực hiện nghiên cứu thiết kế và chế tạo, sử dụng phần mềm Creo 6.0 để tính toán và kiểm nghiệm độ bền của các chi tiết chính của động cơ Ông đã chế tạo thành công nguyên mẫu FPEG đầu tiên tại Việt Nam Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại vẫn chỉ dừng lại ở việc kiểm nghiệm bền mà chưa tiến hành kiểm nghiệm máy phát.

Hình 1.2 Nguyên mẫu FPEG được chế tạo và lắp ráp [1]

1.2.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Trong những năm 1990, động cơ piston tự do đã có nhiều ứng dụng phát triển, đặc biệt là trong lĩnh vực máy phát điện Những máy phát điện này được đánh giá cao nhờ vào khả năng hoạt động hiệu quả của động cơ piston tự do, khiến nó trở thành một trong những thiết bị lý tưởng cho việc vận hành.

Một mẫu thử FPLG đánh lửa có đường kính 36.5 mm đã được chứng minh có hoạt động ổn định với hành trình tối đa 50mm và công suất đầu ra đạt 316 W ở 79 V khi hoạt động ở mức đầy tải Nghiên cứu cũng đã thực hiện một số phân tích về các tham số của động cơ tuyến.

Máy phát tuyến tính với 25 tính phun trực tiếp hai kỳ có hiệu suất đầu ra cao hơn và mang lại hiệu quả tốt hơn so với động cơ bốn kỳ.

Wang và cộng sự [3] đã trình bày thiết kế và đặc tính thử nghiệm của một máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính tịnh tiến, bao gồm cả thiết kế điện từ và cơ học Phương pháp thiết kế này dựa trên việc phân tích các cấu trúc và thông số, cho phép tối ưu hóa các tham số của máy phát Thiết kế được xác minh qua phân tích phần tử hữu hạn điện từ phi tuyến tính Tiện ích của phương pháp này được minh họa qua một nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm đặc tính của một thiết bị nguyên mẫu.

Trong một nghiên cứu gần đây, Wang và các cộng sự đã trình bày các vấn đề thiết kế của máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính cho bộ chuyển đổi năng lượng piston tự do Để đạt được mật độ năng lượng cao, hiệu suất tối ưu và khối lượng di chuyển thấp, họ đã chọn thiết kế máy hình ống với cuộn dây mô-đun và từ hóa quasi-Halbach Nghiên cứu đã thiết lập các biểu thức phân tích để dự đoán phân bố từ trường, suất điện động (emf), lực đẩy và phản ứng phần ứng, cũng như độ tự cảm tương hổ của máy thông qua phương pháp phân tích phần tử hữu hạn Kết quả cho thấy thiết kế có thể được tối ưu hóa theo tỷ lệ ba chiều mà vẫn đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu suất cần thiết Bài báo cũng chỉ ra rằng các giá trị tham số và hướng của các phần từ có ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của điều chỉnh hiệu năng điện.

Hình 1.3 Cơ cấu máy phát tuyến tính động cơ free-piston đối lập

Oprea và các cộng sự đã sử dụng LabView để mô hình hóa động cơ FPLE với mục đích sản xuất điện năng cho xe lai Họ so sánh các giá trị và thiết lập các mô hình đơn giản nhằm thiết kế máy phát điện 3 pha sử dụng nam châm vĩnh cửu Dựa trên các tham số đầu vào, tác giả đã tiến hành mô hình hóa trên LabView, từ đó so sánh các giá trị và đưa ra các phương án tối ưu nhất cho máy phát điện từ động cơ piston tự do (FPLE) Nghiên cứu này là cơ sở để thiết kế và tối ưu hóa các mô hình tương tự trong tương lai.

Wang và các cộng sự đã nghiên cứu thiết kế bộ phát điện tuyến tính sử dụng nam châm vĩnh cửu cho động cơ FPG, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc giảm thiểu khí thải và cung cấp nguồn năng lượng tối ưu cho xe lai Thiết kế này loại bỏ cơ cấu trục khuỷu và cho phép thay đổi tỷ số nén của động cơ, từ đó cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm thiểu phát thải NOx và CO2 Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu quả chuyển đổi điện năng, với tổng khối lượng phần ứng nam châm chuyển động giới hạn ở mức 6.0 kg.

Hình 1.5 Cấu tạo máy phát điện [6]

Li và các cộng sự đã nghiên cứu động cơ FPG cho xe lai, sử dụng máy điện phát hiệu suất cao Nghiên cứu chỉ ra rằng việc kết hợp động cơ dẫn động chính (ICE) với động cơ FPG phụ trợ mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao Động cơ này rất phù hợp cho các thế hệ xe lai song song, lai phức tạp và xe điện, cũng như hỗ trợ nguồn cấp pin, giúp tăng bán kính hoạt động khi xe hết pin và cung cấp năng lượng dự trữ.

Ding và các cộng sự đã phân tích tiềm năng của động cơ FPG về hiệu quả nhiên liệu, từ đó phát triển mô hình động lực học cho xe điện Hybrid Bài viết giới thiệu mô hình toán học cho máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu, cung cấp cái nhìn sâu sắc về các đặc tính vận hành của động cơ Hiệu suất của động cơ FPG, dựa trên mô hình toán học, được so sánh với các thí nghiệm nguyên mẫu của các động cơ khác.

Hình 1.6 Mô hình động cơ FPG [8]

Xu và các cộng sự đã nghiên cứu và cải tiến bộ phát điện theo nguyên mẫu cuộn dây di chuyển tuyến tính trong động cơ, cho thấy kết quả khả quan qua các phép đo thử nghiệm trên động cơ nguyên mẫu 4kN Giải pháp này phù hợp cho các dòng xe lai hybrid nhờ vào đặc điểm khối lượng nhỏ, phản ứng nhanh và khả năng kiểm soát tốt hơn so với các mô hình khác Thiết kế này có thể áp dụng trong các lĩnh vực điều khiển chuyển động hoặc tần số cao như máy nén, động cơ Stirling và máy phát rung động.

Hình 1.7 Mô hình hóa bộ phát điện của tác giả được phát triển từ động cơ FPLE [9]

Fazal và các cộng sự đã báo cáo về phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích máy phát điện tuyến tính sử dụng trong động cơ FPLE, với hai loại máy phát gồm 6 cực và 8 cực để so sánh sự phân bố từ thông trong khe hở không khí Máy phát điện này gặp khó khăn do ảnh hưởng của nhiệt độ động cơ, dẫn đến giảm từ trường Thiết kế máy phát tuyến tính với cuộn dây 3 pha được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn 2 chiều, nhằm đạt được điện áp đầu ra tối đa Thông lượng thay đổi là 6 mWb và mật độ từ thông đạt 0,45 Tesla cho kích thước thu nhỏ.

Động cơ có chiều dài 29 thước và cuộn đơn đạt cực đại 50 Volts Thiết kế này được phát triển nhằm thay thế máy nam châm chuyển động FPLE, kết hợp với máy phát điện tuyến tính.

Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào mô hình hóa và mô phỏng máy phát điện tuyến tính, thường tích hợp với FPLE Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào tiến hành tính toán, mô phỏng hoặc khảo sát động cơ tuyến tính ở các mô hình độc lập và các vận tốc khác nhau Điều này tạo ra cơ sở cho các mục tiêu nghiên cứu trong tương lai.

Lý do chọn đề tài

Máy phát điện tuyến tính (LPMG) là thiết bị quan trọng trong động cơ FPLE, chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng Nghiên cứu này nhằm xác thực độ tin cậy và hiệu suất điện của máy phát, sử dụng các công thức và mô phỏng để tính toán các thông số phù hợp với công suất mong muốn Qua đó, nghiên cứu sẽ tìm ra cách tăng cường năng suất điện năng bằng cách điều chỉnh các thông số như chiều dài nam châm vĩnh cửu, hướng từ hoá và cấu trúc stator.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển mô hình máy phát điện tuyến tính dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Trạng từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Luận văn này tập trung vào việc khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Khảo sát đặc tính máy phát điện tuyến tính

Phạm vi nghiên cứu: máy phát điện tuyến tính 1 pha.

Mục tiêu nghiên cứu

Trong luận văn này, tôi đề ra các mục tiêu nghiên cứu sau:

Mục tiêu của luận văn là hiểu rõ cấu tạo và nguyên lí làm việc của động máy phát điện tuyến tính

Mô phỏng, khảo sát tính năng của máy phát điện tuyến tính Đề ra phương án, thiết kế và chế tạo máy phát điện tuyến tính

Hoàn thành các bản vẽ chi tiết thiết kế

Nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và phân tích cơ sở lý thuyết của máy phát điện tuyến tính

- Tổng quan các đề tài liên quan đến hệ thống đánh lửa của động cơ không trục khuỷu và máy phát điện tuyến tinh

- Nghiên cứu dùng phần mềm Maxwell V16, Matlab để mô phỏng đặc tính

- Luận văn gồm 5 chương Được tóm tắt như sau:

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Tính toán mô phỏng

Chương 4 Thiết kế máy phát điện tuyến tính

Chương 5 Kết luận và kiến nghị

Quá trình nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp tổng quan tài liệu: Tổng quan các tài liệu liên quan đến máy phát điện tuyến tính

- Phương pháp phân tích lý thuyết: Phân tích lý thuyết về nguyên lý phát điện

- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Đưa ra mô hình toán phù hợp và mô phỏng trên phần mềm Matlab.

Kế hoạch thực hiện

1.Đăng ký tên đề tài

2.Xác định đề tài nghiên cứu

7.Hoàn chỉnh thủ tục và bảo vệ luận văn Kết thúc nghiên cứu

Động cơ không free-piston

2.1.1 Tổng quan về động cơ free-piston: Động cơ free-piston là một sự thay thế đầy hứa hẹn cho động cơ thông thường trong các ứng dụng như xe điện hybrid hoặc điều khiển thủy lực trên đường cao tốc Động cơ được sử dụng trong thương mại vào giữa thế kỷ 21 như máy phát điện khí và máy nén khí, thường cho thấy các đặc tính có lợi Trong những năm gần đây, động cơ free-piston đã được phát triển bởi một số nhóm trên toàn thế giới, cả trong nghiên cứu và công nghiệp Động cơ free- piston là một trục tuyến tính, trong đó chuyển động piston không được kiểm soát bởi trục khuỷu mà xác định bởi sự tương tác của các bộ phận: buồng đốt khí, thiết bị phục hồi (ví dụ, một piston trong một xylanh kín) và một thiết bị tải (ví dụ máy nén khí hoặc máy phát điện tuyến tính) Hình 2.1

Một trong những động lực chính cho nghiên cứu động cơ free-piston là tiềm năng ứng dụng của nó trong máy phát điện cho xe điện hybrid Thiết kế nhỏ gọn và đơn giản về mặt cơ học của động cơ này, với sự tích hợp giữa máy phát điện và động cơ free-piston, giúp giảm thiểu tổn thất ma sát nhờ vào việc loại bỏ trục khuỷu.

Hình 2.1 Mô hình động cơ free-piston hai buồng đốt đối lập

2.1.2 Ƣu điểm động cơ free- piston:

Động cơ free-piston đang thu hút sự chú ý trong các nghiên cứu gần đây nhờ vào sự đơn giản của nó Việc loại bỏ trục khuỷu không chỉ giảm số lượng bộ phận mà còn làm giảm độ phức tạp của động cơ piston tự do, từ đó mang lại nhiều lợi thế tiềm năng.

Động cơ free-piston mang lại tổn thất ma sát thấp nhờ vào việc không sử dụng trục khuỷu, giúp giảm đáng kể tổn thất ma sát và cho phép piston di chuyển tự do Điều này dẫn đến gia tốc piston cực đại cao hơn khoảng 60% so với động cơ truyền thống, đồng thời giảm thiểu tổn thất truyền nhiệt trong xylanh, làm cho hiệu suất hoạt động của động cơ free-piston vượt trội hơn so với động cơ thông thường.

- Giảm chi phí sản xuất: Giảm các bộ phận trong động cơ free-piston dẫn đến giảm chi phí sản xuất

Động cơ free-piston có thiết kế nhỏ gọn nhờ vào việc giảm số lượng bộ phận, giúp giảm kích thước và trọng lượng, mang lại hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng cần tiết kiệm không gian.

Chi phí bảo trì động cơ được giảm thiểu nhờ vào việc giảm số lượng bộ phận và ma sát, từ đó tăng cường tuổi thọ của thiết bị.

2.1.3 Các loại động cơ free-piston: a Piston đơn:

Động cơ free-piston đơn, như hình 2.2 minh họa, bao gồm ba thành phần chính: buồng xylanh đốt, thiết bị tải, và thiết bị bật lại (có thể là lò xo hoặc van điện solenoid) Những thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ năng lượng cần thiết để nén piston cho chu kỳ tiếp theo Thiết kế của động cơ này đơn giản nhưng lại cho phép khả năng điều khiển cao.

Thiết kế piston đơn nổi bật với sự đơn giản và dễ sản xuất, giúp kiểm soát quá trình tốt hơn so với các loại free-piston khác Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của nó là độ cân bằng động kém do chỉ sử dụng một piston Mặc dù thiết kế này cho phép kiểm soát chính xác lượng hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong quá trình nén, nhưng động cơ free-piston vẫn không đạt hiệu suất tối ưu như các loại động cơ có piston đối đỉnh hoặc piston kép, nhờ vào khả năng cân bằng tốt hơn của những thiết kế này.

Hình 2.3 Mô hình động cơ free-piston loại piston kép

Động cơ free-piston kép lần đầu tiên được Dellendo đề cập vào năm 1990, thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu nhờ hiệu quả cao Đến đầu những năm 2000, nhà nghiên cứu Lagragin đã phát minh ra một phiên bản mới của động cơ này với hiệu suất vượt trội nhờ tăng tỷ số nén và giảm thời gian đốt cháy Mặc dù có nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu năng của động cơ free-piston kép, nhưng kết quả vẫn chưa mang lại sự đột phá lớn Động cơ này có ưu điểm với buồng đốt chung, giúp giảm mất mát nhiệt, tuy nhiên kích thước lớn hơn do hai piston được đồng bộ hóa bằng liên kết cơ học Cấu hình động cơ piston kép loại bỏ nhu cầu về thiết bị phục hồi, cho phép thiết bị nhỏ gọn hơn và tăng tỷ lệ công suất trên trọng lượng.

Việc kiểm soát chuyển động của piston, đặc biệt là chiều dài hành trình và tỷ lệ nén, là một thách thức lớn do sự ảnh hưởng của quá trình đốt cháy trong buồng đốt, dẫn đến các lỗi nhỏ có thể tác động đến lần nén tiếp theo Để tối ưu hóa khí thải và đạt hiệu quả cao, quá trình đốt cháy cần được kiểm soát chính xác Mặc dù piston có kích thước gọn nhẹ và khả năng tạo ra công suất đầu ra lớn, nhưng nó cũng gặp phải những khó khăn trong vận hành và điều khiển.

Động cơ free-piston loại đối lập, được giới thiệu lần đầu bởi nhà nghiên cứu Ostenberg vào năm 1943, là một trong những mô hình động cơ sớm nhất nhưng chưa được chú ý nhiều do kích thước lớn và có đến hai buồng đốt.

Từ năm 1990, nhiều mẫu hình được trình bày nhằm tối ưu hóa các vấn đề kỹ thuật, với sự chú trọng vào loại piston đối lập do hiệu quả cao hơn so với piston đơn Đến năm 2002, các nhà nghiên cứu đã tập trung phát triển piston đối lập cho ứng dụng trong động cơ, nhận thấy tính phù hợp của nó cho việc phát triển máy phát tuyến tính nhờ vào cơ cấu tĩnh của thanh nối cứng hai piston Từ năm 2012 đến nay, nghiên cứu không chỉ dừng lại ở máy phát tuyến tính mà còn mở rộng sang ứng dụng cho xe hybrid Tuy nhiên, vấn đề nhiệt độ từ buồng đốt ảnh hưởng đến từ tính của vật liệu gắn trên thanh nối cứng vẫn là một thách thức Năm 2017, Johnson và Leick đã nghiên cứu để tối ưu hóa hệ thống làm mát và bôi trơn, tạo ra tiềm năng lớn cho việc sử dụng trong xe điện hybrid.

Động cơ free-piston đối lập sử dụng hai piston được đặt đối xứng trong các buồng đốt riêng biệt, mỗi bên có một buồng đốt độc lập Loại động cơ này yêu cầu thiết bị bật lại và thiết bị tải kết nối với cả hai piston Mặc dù ưu điểm lớn nhất là thiết kế hoàn toàn cân bằng và đồng bộ hóa nhờ cơ cấu thanh nối cứng, giúp giảm rung lắc, nhưng nó cũng gặp khó khăn trong việc kiểm soát biên độ của piston Để khắc phục nhược điểm này, thiết bị bật lại như lò xo được bổ sung Hơn nữa, thiết kế đối lập giúp giảm tổn thất truyền nhiệt, tuy nhiên, vẫn tồn tại vấn đề về động bộ chuyển động của hai piston.

2.2 Các đặc tính cơ bản của động cơ free-piston:

2.2.1 Động lực học của piston: Động lực học piston được phân thành hai chế độ chính: khởi động và hâm nóng Đối với một động cơ đốt trong truyền thống, chuyển động của piston được kiểm

Hệ thống khởi động được điều khiển bởi trục khuỷu, đảm bảo vị trí TDC của piston trong mỗi chu kỳ là nhất quán Điều này cho phép piston đạt được tốc độ tối ưu, vì áp suất nén luôn được duy trì ổn định nhờ vào mối liên kết cơ học giữa mỗi piston và trục khuỷu.