TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Việc khai thác triệt để nguồn nhiên liệu hóa thạch đã dẫn đến cạn kiệt và gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng như ô nhiễm và biến đổi khí hậu Điều này tạo ra thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu trong việc phát triển động cơ hiệu suất cao và tìm kiếm giải pháp công nghệ thay thế nhằm phát triển nguồn năng lượng tái tạo sạch Từ những năm 80 của thế kỷ XX, bảo vệ môi trường đã trở thành mối quan tâm hàng đầu tại các nước công nghiệp phát triển, yêu cầu tăng cường chất lượng môi trường đồng thời phát triển kinh tế xã hội và cải thiện chất lượng cuộc sống, đặc biệt tại các thành phố lớn.
Hình 1.1: Lượng tiêu thụ dầu thô tại Việt Nam từ năm 2010
Việt Nam đang trên đà phát triển kinh tế mạnh mẽ, với mục tiêu trở thành nước công nghiệp vào năm 2020 Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa không chỉ thúc đẩy kinh tế mà còn ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh khác của xã hội, trong đó có giao thông Mặc dù phương tiện giao thông góp phần vào sự phát triển nhanh chóng, nhưng chúng cũng gây ra những tác động tiêu cực đến sức khỏe và môi trường do lượng khí thải Do đó, việc nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường trở nên cấp thiết Các nhà khoa học đang tìm kiếm giải pháp sử dụng ô tô điện và ô tô lai như một phương án thay thế cho xe chạy bằng nhiên liệu truyền thống Ô tô điện có động cơ được đặt ở bánh xe và sử dụng năng lượng từ bình điện, nhưng vẫn gặp phải một số hạn chế như trọng lượng bình điện lớn, chiếm không gian hành lý, và thời gian hoạt động giới hạn Hơn nữa, số lượng trạm sạc điện hiện nay còn hạn chế, gây khó khăn cho việc sử dụng rộng rãi loại phương tiện này.
Việc tiết kiệm nhiên liệu và tuân thủ quy định về khí thải đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu toàn cầu cải tiến công nghệ động cơ đốt trong truyền thống và khám phá các loại máy phát điện mới Động cơ đốt trong piston chuyển động tự do (Free piston engine) nổi bật với hiệu suất cao, phát thải thấp và khả năng sử dụng đa nhiên liệu, nhưng hiện tại chỉ mới được thử nghiệm qua mô hình mô phỏng với nhiên liệu như khí hydro và xăng, chưa được ứng dụng thực tế trên ô tô lai Để khắc phục nhược điểm của ô tô điện như trọng lượng ắc quy lớn và thời gian hoạt động hạn chế, việc phát triển động cơ phát điện cung cấp năng lượng trực tiếp cho ô tô và giảm thiểu ô nhiễm môi trường là rất cần thiết.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đề tài
1.2.1.Các nghiên cứu ở trong nước
Gần đây, các hãng xe lớn đang chuyển hướng phát triển sang xe điện và xe lai, trong đó VinFast nổi bật với các mẫu xe máy điện như Klara, Impes, Ludo và kế hoạch phát triển ô tô điện trong tương lai Thị trường xe điện và xe lai tại Việt Nam đang mở rộng, với nhiều sản phẩm trong nước đang chờ thương mại hóa Để đáp ứng nhu cầu này, ngày càng nhiều trung tâm nghiên cứu và thiết kế ra đời Ngoài các công ty sản xuất xe, nhiều trường đại học lớn như Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, và Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh cũng đang nghiên cứu và thiết kế các loại động cơ điện, mặc dù số lượng đề tài nghiên cứu vẫn còn khiêm tốn, đặc biệt trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo.
Trợ giúp trong lĩnh vực thiết kế FPE tại Việt Nam vẫn còn hạn chế, nhưng đất nước đang phát triển và hội nhập mạnh mẽ Mặc dù gặp nhiều khó khăn trong việc thiết kế bộ điều khiển và căn chỉnh các thông số cho động cơ, khoa học công nghệ hiện nay cho phép việc lập trình điều khiển và kiểm soát tự động trở nên khả thi Do đó, thiết kế FPE không còn là trở ngại tại Việt Nam.
1.2.2.Các nghiên cứu ở nước ngoài
Oprea và các cộng sự đã sử dụng LabView để mô hình hóa động cơ FPLE với mục tiêu sản xuất điện năng cho xe lai trong giai đoạn chuyển đổi 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 FPLE, tạo tiền đề cho việc thiết kế và tối ưu hóa các mô hình tương tự.
Hanipah và các cộng sự đã nghiên cứu và phát triển động cơ FPLE, một loại động cơ nhỏ gọn dành cho xe lai Hybrid Họ đã chỉ ra những ưu điểm nổi bật của động cơ FPLE, được áp dụng bởi các hãng lớn như Volvo, Toyota, Ford và Honda Tuy nhiên, tác giả cũng nhấn mạnh những thách thức chưa được giải quyết, bao gồm vấn đề bôi trơn, khả năng làm mát và bộ khởi động động cơ, để có thể tiến tới sản xuất thương mại loại động cơ tiềm năng này.
Mikalsen và các cộng sự đã nghiên cứu tổn thất truyền nhiệt trong động cơ FPLE, so sánh với động cơ truyền thống Tác giả phân tích ảnh hưởng của truyền nhiệt trong quá trình đốt, lượng tiêu thụ nhiên liệu, và tổn thất do truyền nhiệt Nghiên cứu cũng tính toán hiệu suất động cơ và sự hình thành khí thải sau quá trình cháy, sử dụng mô hình mô phỏng đa chiều Kết luận cho thấy, tổn thất truyền nhiệt của động cơ FPLE thấp hơn nhiều so với động cơ truyền thống.
Nghiên cứu cho thấy rằng lượng phát thải NOx từ động cơ mới giảm tới 30% so với động cơ truyền thống Tuy nhiên, tác giả vẫn chỉ tập trung vào mô phỏng và chưa cung cấp số liệu thực tế để xác nhận kết quả này.
Hình 1.2 Mô hình động cơ FPLE có tăng áp
1.Cửa thải; 2 Cửa nạp khí; 3 Kim phun nhiên liệu; 4 Bộ phát điện tuyến tính ;
5 Cửa thải; 6 Bộ van điều khiển áp suất nén; 7, 8 Tua bin tăng áp
Virsik và Heron đã nghiên cứu máy phát điện tuyến tính sử dụng động cơ piston tự do FPLE, so sánh hiệu năng phát điện của nó với các loại động cơ khác như Wankel và Otto Nghiên cứu cũng xem xét các loại nhiên liệu như hydro, xăng và diesel Kết quả cho thấy động cơ FPLE có nhiều ưu điểm vượt trội, nhưng vẫn đối mặt với thách thức về giá thành chế tạo và công nghệ vật liệu.
Jia và các cộng sự đã thiết kế và thử nghiệm thực tế nguyên mẫu động cơ FPLE, nhấn mạnh rằng động cơ này có khả năng hoạt động tốt với các đặc tính bền của vật liệu, điều kiện bôi trơn tối ưu và khả năng hoạt động ở tốc độ cao Họ cũng chỉ ra rằng động cơ tạo ra lực khí thể lớn nhưng cần duy trì nhiệt độ buồng cháy ở mức thấp, đồng thời nêu rõ những khó khăn trong việc kiểm soát các yếu tố này.
Điểm chết trên (TDC) và điểm chết dưới của piston cần đảm bảo tỷ số nén tối ưu để hỗ trợ quá trình đánh lửa và đốt cháy hoàn toàn Đồng thời, việc xác định chính xác điểm chết trên cũng giúp tránh va chạm cơ học giữa đầu piston và xilanh, từ đó đảm bảo hoạt động ổn định của piston.
Nguyễn Ba Hùng và các cộng sự đã thực hiện một bài đánh giá về động cơ FPLE, nhấn mạnh sự vượt trội và tiềm năng của nó Bài báo đề cập đến thiết kế và đặc điểm của động cơ piston tự do, cùng với các thí nghiệm và phân tích dữ liệu liên quan Tác giả cho rằng máy phát điện ba pha tuyến tính là phù hợp cho động cơ FPLE công suất cao, đồng thời phân loại các kiểu loại động cơ này dựa trên đặc tính vận hành, tổn thất truyền nhiệt và khả năng làm máy phát điện Đặc biệt, tác giả nhấn mạnh hiệu suất nhiệt của động cơ FPLE cao hơn nhiều so với động cơ truyền thống, và việc điều chỉnh tỷ lệ nén có thể tối ưu hóa quá trình cháy, cho phép sử dụng với nhiều loại nhiên liệu khác nhau.
Chiang và các cộng sự đã mô hình hóa máy phát điện sử dụng động cơ FPLE với van nạp thải cơ điện và phun nhiên liệu trực tiếp, đạt được quá trình cháy tối ưu Mặc dù nghiên cứu của ông chỉ dừng lại ở lý thuyết lý tưởng, tác giả đã đưa ra 17 trạng thái cho mô hình mô phỏng, bao gồm chuyển vị piston, dòng điện máy phát, áp suất nén, khối lượng và thể tích khí đốt trong xy lanh Kết quả cho thấy động cơ HCCI-FPLE có hiệu suất cao hơn và nhiệt độ đỉnh thấp hơn, dẫn đến phát thải NOx thấp hơn so với động cơ truyền thống Nghiên cứu này mở ra cơ sở phát triển động cơ thực tế với các bộ điều khiển nhằm đảm bảo hiệu quả chuyển đổi năng lượng tối ưu và hoạt động ổn định.
Hình 1.3: Mô hình mặt cắt ngang động cơ FPLE của tác giả Chiang
Feng và các cộng sự đã chỉ ra rằng thời gian phun là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ Thông qua việc xác định vị trí piston và vận tốc di chuyển, họ đã chứng minh rằng thời gian phun chính xác, kết hợp với tỷ lệ nén và áp suất tối đa trong xy lanh, có thể nâng cao hiệu suất động cơ vượt trội so với động cơ thông thường Quá trình mô phỏng dữ liệu bằng LabVIEW, cùng với các thiết bị đo lường như cảm biến áp suất khí trong xy lanh và cảm biến vị trí piston, đã giúp tối ưu hóa việc phun nhiên liệu từ bơm cao áp và duy trì áp suất trong đường ống Tác giả cũng nhận định rằng việc động cơ không có bánh đà đã ảnh hưởng đến đặc tính chuyển động của piston, dẫn đến quá trình đốt cháy không đồng đều Việc sử dụng tín hiệu tốc độ động cơ để tối ưu hóa thời gian phun đã cải thiện rõ rệt hiệu suất động cơ.
Hình 1.4 : Sơ đồ mô tả hệ thống động cơ FPLE của tác giả Feng
Zhang và các cộng sự đã báo cáo về việc cải thiện hiệu suất động cơ FPLE thông qua mô phỏng MatLab và so sánh với thực nghiệm, cho thấy có thể nâng cao công suất động cơ từ 7%-10% mà không thay đổi khối lượng chu kỳ nhiên liệu Sử dụng một xy lanh đơn với bộ phận đàn hồi là lò xo cơ khí, kết quả cho thấy công suất đầu ra vượt trội so với động cơ thông thường ở cùng mức tiêu hao nhiên liệu Mặc dù gặp khó khăn trong việc điều khiển hệ thống phun, đánh lửa và lực điện từ, nhưng những lợi ích mang lại hứa hẹn sẽ giảm bớt khó khăn trong các thử nghiệm thực nghiệm trong tương lai.
Guo và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của đặc tính phun nhiên liệu đến hiệu suất động cơ thông qua mô phỏng các quá trình giải phóng nhiệt trong quá trình cháy Các thí nghiệm cho thấy tỷ lệ phun khác nhau có tác động đáng kể đến quá trình đốt cháy nhiệt Để tối ưu hóa hiệu suất đốt cháy và nâng cao hiệu suất động cơ, tác giả đã áp dụng nhiều tốc độ phun khác nhau và thiết kế hình dạng tia phun nhiên liệu nhằm đạt hiệu quả đốt cháy cao nhất.
Tian và các cộng sự đã nghiên cứu các phương án thu hồi nhiệt thải của động cơ FPG nhằm tăng hiệu suất động cơ, với kết quả ban đầu là sản xuất 96W điện năng Họ nhận thấy rằng hệ thống ống xả và làm mát đã lấy đi phần lớn nhiệt năng, vì vậy tác giả tập trung vào chu trình Rankin, một giải pháp kỹ thuật hiệu quả và hứa hẹn cho việc tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp thu hồi nhiệt thải.
Mục tiêu nghiên cứu
Trong luận văn này, tôi đề ra các mục tiêu nghiên cứu sau:
Mục tiêu của luận văn là phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ Free piston, đồng thời nắm vững các phương pháp chế tạo loại động cơ này.
• Đề ra phương án, thiết kế và chế tạo mô hình động cơ Free Piston
• Hoàn thành các bản vẽ chi tiết động cơ.
Phương pháp nghiên cứu và thiết kế
Chọn một loại động cơ đốt trong cỡ nhỏ từ thị trường nội địa và nghiên cứu các thông số kỹ thuật cũng như kích thước do nhà sản xuất cung cấp Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ không trục khuỷu (Free Piston Engine) Đọc tài liệu về tính toán nhiệt và động lực học, đồng thời sử dụng phần mềm để mô phỏng quá trình hoạt động của động cơ.
Dự kiến nội dung đề tài
Trong bài viết này, tôi sẽ nghiên cứu nguyên lý hoạt động và cơ sở lý thuyết của động cơ FPLE, đồng thời xây dựng giá trị tính toán thiết kế và bản vẽ chế tạo Bên cạnh đó, tôi sẽ áp dụng phần mềm mô phỏng CREO để khảo sát độ bền của các chi tiết ở nhiều mức độ khác nhau.
Luận văn gồm 5 chương Được tóm tắt như sau
Chương 1: Tổng quan: Chương này trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu, tài liệu liên quan vấn đề nghiên cứu, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết:
2.4 Máy phát điện tuyến tính
Chương 3 : Tính toán thiết kế động cơ
3.2 Tính nghiệm bền chốt piston
3.3 Tính nghiệm bền xéc măng
Chương 4 : Mô phỏng tính bền động cơ
Chương 5: Kết luận : Chương này đưa ra các kết quả phân tích, kết quả thí nghiệm Đưa ra những mục tiêu mà đề tài luận văn chưa làm được để phát triển đề tài được hoàn thiện hơn
1.6 Giới hạn của đề tài
Đề tài nghiên cứu tính toán nhiệt, quá trình động học, động lực học động cơ FPLE
Tính bền các cụm chi tiết trong động cơ bằng mô phỏng CREO
Thiết kế một động cơ mẫu FPLE 2 kỳ, 2 xy lanh.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về động cơ
Động cơ piston chuyển động tịnh tiến tự do (FPLE) khác biệt với động cơ đốt trong truyền thống ở chỗ không có trục khuỷu, cho phép piston chuyển động tự do trong xy lanh Điều này mang lại khả năng điều chỉnh tỷ số nén dễ dàng và tối ưu hóa buồng cháy.
FPLE có hai phần chính:
- Piston chuyển động tịnh tiến và
FPLE có khả năng hoạt động với nhiều loại nhiên liệu và sử dụng buồng đốt thống nhất (HCCI) nhờ vào khả năng điều chỉnh tỷ số nén Bên cạnh đó, năng lượng điện từ máy phát có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như trong các phương tiện hybrid.
So với động cơ truyền thống, động cơ FPLE có số lượng chi tiết giảm đáng kể, dẫn đến khối lượng và kích thước nhỏ hơn Điều này giúp giảm chi phí sản xuất và bảo trì trong suốt quá trình hoạt động Hơn nữa, với cơ cấu hoạt động đơn giản và lực ma sát thấp, động cơ FPLE có tuổi thọ cao hơn so với các động cơ truyền thống.
Hình 2.1 Mô hình tuyến tính động cơ FPLE đơn
Hình 2.2: Mô hình tuyến tính động cơ FPLE đôi
Hình 2.3: Mô hình tuyến tính động cơ FPLE đối đỉnh
Hình 2.4: 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
2.2 Những ưu nhược điểm của động cơ FPLE
Phát triển động cơ piston tự do đang nổi lên như một giải pháp thay thế cho động cơ truyền thống nhờ vào hiệu suất cao và khả năng tối ưu hóa quá trình cháy với các tỉ lệ nén khác nhau Điều này dẫn đến hiệu quả tải trọng cao hơn và khả năng hoạt động với nhiều loại nhiên liệu khác nhau Hơn nữa, thiết kế đơn giản với ít bộ phận chuyển động giúp giảm tổn hao do ma sát Sự đơn giản này chính là động lực thúc đẩy sự phát triển của động cơ piston tự do so với công nghệ thông thường.
Việc loại bỏ cơ chế quay trong động cơ piston tự do giúp giảm đáng kể số lượng bộ phận và sự phức tạp của động cơ, mang lại nhiều lợi ích vượt trội.
• Không có trục khuỷu hoạt động làm cho kỳ giãn nở nhanh hơn, làm giảm sự mất mát truyền nhiệt trong xy lanh
Động cơ piston tự do có tổn thất ma sát thấp nhờ vào việc ít bộ phận chuyển động, giúp giảm thiểu ma sát Việc không có trục khuỷu loại bỏ các tổn thất liên quan đến ma sát trục khuỷu và chuyển động tuyến tính, dẫn đến tải trọng bên dưới rất thấp trên piston Điều này cũng đồng nghĩa với việc giảm yêu cầu bôi trơn cho xy lanh.
• Giảm chi phí sản xuất Giảm số lượng bộ phận trong động cơ piston tự do, kết quả chi phí sản xuất thấp hơn
• Tải trọng nhẹ Với việc giảm số lượng các bộ phận, kích thước và trọng lượng của động cơ piston tự do sẽ giảm đáng kể
Chi phí bảo trì thấp và tuổi thọ của động cơ piston tự do được nâng cao nhờ vào việc giảm số lượng bộ phận và tổn thất ma sát Điều này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí bảo dưỡng mà còn tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Ngoài các ưu điểm kể trên, song động cơ piston cũng tồn tại một số nhược điểm:
• Khó kiểm soát chính xác tốc độ động cơ
• Khó kiểm soát sự dịch chuyển của piston
2.3.Động lực học piston của FPLE Động lực học Piston được chia làm 2 phần chính: chuyển động và đánh lửa
Chế độ hoạt động của động cơ đốt trong yêu cầu áp suất nén và tốc độ piston tối ưu Trong động cơ truyền thống, chuyển động của piston được điều khiển bởi trục khuỷu, đảm bảo vị trí điểm chết trên piston giống nhau trong mỗi chu kỳ Hệ thống khởi động chỉ cần tốc độ piston tối ưu vì áp suất nén luôn được duy trì.
FPLE cho phép piston di chuyển tự do mà không bị ràng buộc bởi trục khuỷu, nhờ vào máy phát điện tịnh tiến tạo ra lực đẩy từ trường Điều này dẫn đến việc vị trí điểm chết trên của piston thay đổi, làm tỉ số nén của FPLE cũng thay đổi Trong quá trình hoạt động, FPLE không chỉ duy trì tốc độ tối ưu cho hiệu quả khí sót của hỗn hợp không khí/nhiên liệu mà còn đảm bảo áp suất nén đủ cho một chu kỳ piston.
Hình 2.5 Các lực tác dụng lên cụm piston-thanh truyền Định luật 2 Newton ta có :
Ta có : x : là vị trí pittông m p
: là khối lượng di chuyển
F C : là lực khí từ xi lanh đốt cháy
F R : là lực khí từ buồng thải
Ffr :là lực ma sát
Nghiên cứu về FPLE cho thấy việc kiểm tra động lực học của piston dưới các thông số vận hành khác nhau có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất Khi lực khí thể cao hơn, tốc độ piston và tốc độ nén tăng do chuyển động tự do trong xi-lanh Vận tốc tối đa thường xảy ra ở điểm giữa, nơi lực khí thể cân bằng với tổng lực nén khí và lực ma sát Trong quá trình khởi động, chế độ làm nóng được kích hoạt bởi bugi trong động cơ SI hoặc kim phun trong động cơ CI, ảnh hưởng đến động lực học piston qua nhiều tham số như vị trí đánh lửa và tải điện trở Tần số tốc độ piston có thể điều chỉnh dễ dàng thông qua việc thay đổi vị trí đánh lửa, khối lượng di chuyển và mức tải, giúp đạt được tỷ số nén cao hơn Các nghiên cứu cũng so sánh tốc độ piston của FPLE với piston của động cơ đốt truyền thống, nhấn mạnh sự khác biệt trong hiệu suất.
Vận tốc piston và gia tốc di chuyển trơn tru ở động cơ đốt trong truyền thống là FPLE, trong khi vận tốc piston FPLE có sự biến động lớn xung quanh ĐCT và gia tốc cưỡng bức cao hơn nhiều Điều này giúp giảm nhiệt năng tiêu hao trong quá trình chuyển hóa năng lượng ở xilanh Nghiên cứu mô phỏng của Yuan về động cơ một piston sử dụng nhiên liệu hydro cho thấy rằng mặc dù vận tốc piston và gia tốc di chuyển trơn tru hơn ở động cơ đốt trong truyền thống, nhưng gia tốc của FPLE lại lớn hơn nhiều và vận tốc piston trong FPLE có sự thay đổi đáng kể.
Nghiên cứu về động lực piston đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh độ cứng của lò xo kim loại trong mỗi xy lanh FPLE 2 kì có thể dễ dàng tác động đến vận tốc và khoảng di chuyển của piston Điều này cho thấy độ cứng của lò xo có ảnh hưởng đáng kể đến việc điều chỉnh tỷ lệ nén Do đó, phương án thiết kế sẽ chọn mẫu FPE loại piston kép với hai buồng đốt riêng biệt.
Hình 2.6 Cấu tạo FPE loại piston kép và hai buồng đốt riêng biệt
Thiết kế này sẽ sử dụng động cơ hai thì DLE-40 Twin Gas Engine, nhằm đơn giản hóa quy trình hoạt động với hai chu trình làm việc Việc điều khiển dễ dàng thông qua việc thay đổi khối lượng hỗn hợp nhiên liệu và thời gian đánh lửa giúp đạt hiệu suất cao nhất, đồng thời giảm thiểu tổn thất cơ khí và nhiệt Lựa chọn động cơ có sẵn trên thị trường này đảm bảo tính nhỏ gọn cho thiết kế.
Hình 2.7 cụm xi lanh và piston
FPLE, giống như động cơ đốt trong truyền thống, sử dụng bugi để đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong xi lanh nhằm tạo ra điện Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tìm hiểu đặc điểm cháy của FPLE, bao gồm cả mô phỏng và thí nghiệm Mikalsen và Roskilly đã so sánh hiệu suất của một FPLE SI với động cơ thông thường thông qua mô hình mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD).
Nghiên cứu cho thấy động cơ Free Piston (FPLE) có hiệu năng nhỉnh hơn so với động cơ thông thường ở tốc độ thấp, tuy nhiên hiệu suất của động cơ FP lại giảm khi tốc độ tăng do ảnh hưởng của sự thay đổi thể tích trong quá trình đốt cháy Đặc biệt, FPLE có ưu điểm trong việc giảm nồng độ NOx trong khí thải so với động cơ truyền thống, nhờ vào thời gian di chuyển của piston ngắn hơn và quá trình giãn nở nhanh hơn Các thí nghiệm cho thấy mức phát thải NO thấp hơn ở động cơ Free Piston khi so với động cơ truyền thống.
23 hydrogen Bởi vì nhiệt độ khí trung bình trong xi-lanh của động cơ hydrogen Free Piston thấp hơn động cơ hydrogen truyền thống
Hình 2.8 Độ dịch chuyển và vận tốc của piston với thời gian đánh lửa trễ
Ta có mối quan hệ sau :
: là độ trễ đánh lửa [ms] p là áp suất khí trong xi-lanh [bar]
T là nhiệt độ khí trong xi lanh [K]
Đánh lửa
FPLE, giống như động cơ đốt trong truyền thống, sử dụng bugi trong đầu xi lanh để đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu nhằm tạo ra điện Nhiều nghiên cứu, bao gồm cả mô phỏng và thí nghiệm, đã được thực hiện để tìm hiểu đặc điểm cháy của FPLE Mikalsen và Roskilly đã so sánh hiệu suất của một FPLE SI với một động cơ thông thường thông qua mô hình mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD).
Nghiên cứu cho thấy động cơ Free Piston (FPLE) có hiệu năng nhỉnh hơn so với động cơ thông thường ở tốc độ thấp, nhưng hiệu suất của động cơ FP giảm khi tốc độ tăng do ảnh hưởng của sự thay đổi thể tích trong quá trình đốt cháy Đặc biệt, FPLE có ưu điểm trong việc giảm nồng độ NOx trong khí thải so với động cơ truyền thống, nhờ thời gian di chuyển piston ngắn hơn và quá trình giãn nở nhanh hơn Các thí nghiệm cũng chỉ ra rằng mức phát thải NO thấp hơn ở động cơ Free Piston so với động cơ truyền thống khi cả hai cùng hoạt động.
23 hydrogen Bởi vì nhiệt độ khí trung bình trong xi-lanh của động cơ hydrogen Free Piston thấp hơn động cơ hydrogen truyền thống
Hình 2.8 Độ dịch chuyển và vận tốc của piston với thời gian đánh lửa trễ
Ta có mối quan hệ sau :
: là độ trễ đánh lửa [ms] p là áp suất khí trong xi-lanh [bar]
T là nhiệt độ khí trong xi lanh [K]
Các biến p và T đại diện cho giá trị trung bình trong thời gian chậm trễ đánh lửa Để giải thích sự thay đổi điều kiện trong thời gian này, cần thỏa mãn các mối tương quan nhất định.
Trong đó t silà thời điểm bắt đầu phun [ms] τ là độ trễ cháy tại thời điểm t [ms]
Mô hình đánh lửa một vùng được mô tả như sau :
(2.04) Trong đó m b là phần khối lượng được đốt cháy t là thời gian β là một phần của nhiên liệu được đốt cháy trong hỗn hợp kì trước
Truyền nhiệt xảy ra trong xi-lanh được mô hình theo Hohenberg :
(2.05) trong đó : Q là tỷ lệ nhiệt [J / s]
là hệ số truyền nhiệt [W / m K 2 ]
A s là diện tích bề mặt trong hình trụ tiếp xúc với khí [m 2 ]
T s là nhiệt độ trung bình của diện tích bề mặt trong xi-lanh [K ]
Hệ số truyền nhiệt, được tính bằng
(2.06) trong đó : V là thể tích xi lanh m 3 v p là tốc độ piston trung bình [m / s ].
Khởi động
Trong quá trình khởi động động cơ, động cơ thẳng hàng không thể sử dụng motor khởi động thông thường do thiếu bánh đà và các khớp nối cơ khí Để khởi động ở tốc độ yêu cầu từ 200-400 vòng/phút, động cơ cần áp dụng các phương pháp sử dụng năng lượng sẵn có, như khí nén kết hợp với van điều khiển Tuy nhiên, trừ khi động cơ FPLE được sử dụng làm máy nén khí, phương pháp này sẽ yêu cầu một hệ thống nén phụ trợ riêng, dẫn đến sự phức tạp và chi phí cao cho hệ thống.
Để khởi động động cơ đốt trong, cần đảm bảo tốc độ và sức nén tối ưu Trong động cơ thông thường, trục khuỷu hạn chế chuyển động, giúp piston dừng ở điểm chết trên, trong khi hệ thống khởi động chỉ cần đạt tốc độ cần thiết Ngược lại, trong FPLE, chuyển động piston không bị hạn chế về động học, nhưng cần kết hợp áp suất và lực đốt cháy thông qua thanh truyền.
Động cơ FPLE yêu cầu chuyển động của piston không theo một hướng cố định và không có điểm chết, đòi hỏi biên độ của thanh truyền phải được tính toán chính xác để đạt được áp suất nén tối ưu cho sự cháy của hỗn hợp không khí và nhiên liệu Khác với động cơ thông thường, lực khởi động của FPLE không có cơ cấu bánh đà, do đó phải tác động trực tiếp theo hướng chuyển động tuyến tính, và toàn bộ lực khởi động phải được cung cấp bởi hệ thống khởi động Động cơ FLPE hoạt động dựa trên nguyên lý của động cơ đốt trong 2 kỳ truyền thống, với hai giai đoạn chính là Nạp – Nén và Nổ - Xả, sử dụng bugi để đánh lửa, trong khi piston kéo theo thanh truyền di chuyển tịnh tiến.
Khi động cơ hoạt động, thanh truyền chứa nam châm và cuộn dây tạo ra hiện tượng cảm ứng điện từ Từ thông qua cuộn dây liên tục thay đổi, tạo ra suất điện động Dòng điện này có thể được trích xuất để phục vụ các thiết bị phụ tải hoặc sử dụng cho các mục đích khác.
Máy phát điện tuyến tính
Máy phát điện tuyến tính được mô hình hóa dựa trên các cơ sở lý thuyết sau
: là điện cảm và điện trở của cuộn dây máy phát điện tương ứng
R load : Khả năng chịu tải Được điều chỉnh bằng các mạch điện tử thích hợp, và lực điện động được tạo ra g d d dx e k x dt dx dt
dx và ( ) x n DB x m là hàm của vị trí piston x Cường độ từ trường B m và các thông số hình học như đường kính D và số cuộn dây của máy phát n
Cân bằng các phương trình ta có:
(2.09) Kết hợp 2 phương trình (2.08) và (2.09) ta có lực điện từ F e là: e
Hình 2.9 Hình dạng để cấu thành máy phát tuyến tính
Hình 2.10 Máy phát điện tuyến tính dạng hình ống
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ
Lực quán tính
Trong hệ thống FPEG, cụm piston - thanh truyền thực hiện chuyển động qua lại với biên độ xác định, tương ứng với khoảng cách giữa TDC và BDC trong xi lanh động cơ, hay còn gọi là hành trình của piston (S) Dao động này có phương và chiều tương tự như dao động của một con lắc lò xo, cho phép chúng ta coi đây là một dao động điều hòa Từ đó, chúng ta có thể xác định các thông số cần thiết để lập phương trình dao động có dạng phù hợp.
Như đã nói ở trên, khoảng dịch chuyển của cụm piston (L) cũng chính là hành trình của nó trong xi lanh :
Cụm FPEG được cải tạo từ động cơ máy cắt cỏ hiện có, vì vậy chúng ta sẽ dựa vào tốc độ tối đa của động cơ này để tính toán tần số dao động lớn nhất mà cụm piston-thanh truyền có thể hoạt động ổn định mà không làm ảnh hưởng đến độ bền của cụm piston-xi lanh.
Dựa trên thông số của động cơ, tốc độ tối đa của máy phát cỏ là ne00(v/p) Mỗi vòng quay của trục khuỷu tương ứng với một chu trình lên xuống của piston, từ đó cho phép chúng ta tính toán tần số lớn nhất của dao động là 108,3 Hz.
Tốc độ góc của dao động được tính theo công thức:
Pha ban đầu Ở thời điểm ban đầu, piston bên trái sẽ bắt đầu ở điểm chết trên nên pha ban đầu 0
Lập các phương trình của dao động
Dựa trên phương trình dao động gốc và các thông số đã được tính toán, chúng ta có thể xây dựng phương trình chuẩn vị, trong đó vận tốc và gia tốc được biểu diễn theo thời gian với dạng cụ thể.
Dựa vào các phương trình đã nêu, chúng ta có thể tạo ra các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa các đại lượng trong chuyển động của piston và thanh truyền trong một chu kỳ T.
Hình 3.1 Biểu đồ chuyển vị của piston trong một chu kì
Hình 3.2 Biểu đồ vận tốc theo chuyển vị của piston trong một chu kì
Khoảng cách từ đỉnh piston đến xy lanh (m)
Khoảng cách từ đỉnh piston đến xy lanh (m)
Để tính toán lực quán tính cực đại tác động lên cụm piston - thanh truyền, cần xác định gia tốc cực đại \( a_{max} \) Từ đó, lực quán tính cực đại \( F_{qt_{max}} \) có thể được tính theo công thức: \( F_{qt_{max}} = m \cdot a_{max} \).
Theo phương trình dao động của cụm piston - thanh truyền, lực tác động được tính bằng công thức F = m.a, trong đó m là khối lượng của cụm piston - thanh truyền (kg) Li độ cực đại của dao động được xác định là xmax = A, từ đó có thể suy ra gia tốc cực đại của dao động.
Như vậy lực quán tính còn phụ thuộc vào thông số thiết kế của cụm FPEG với khối lượng m.
Lực ma sát
Cụm FPEG đã loại bỏ trục khuỷu, dẫn đến lực ma sát thấp Lực ma sát F f bao gồm hai thành phần: lực ma sát tĩnh và ma sát nhớt, được thể hiện qua công thức f s.
Lực ma sát tĩnh (F s) và hệ số ma sát nhớt (f) là hai yếu tố quan trọng trong hoạt động của cụm FPEG, với f phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ làm việc Trong giai đoạn khởi động, khi vận tốc của piston và nhiệt độ trong xi lanh thấp, lực ma sát nhớt trở nên không đáng kể.
Tính bền trục chính
Chương 4 : Mô phỏng tính bền động cơ
Chương 5: Kết luận : Chương này đưa ra các kết quả phân tích, kết quả thí nghiệm Đưa ra những mục tiêu mà đề tài luận văn chưa làm được để phát triển đề tài được hoàn thiện hơn
1.6 Giới hạn của đề tài
Đề tài nghiên cứu tính toán nhiệt, quá trình động học, động lực học động cơ FPLE
Tính bền các cụm chi tiết trong động cơ bằng mô phỏng CREO
Thiết kế một động cơ mẫu FPLE 2 kỳ, 2 xy lanh
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu về động cơ
Động cơ piston chuyển động tịnh tiến tự do (FPLE) khác biệt so với động cơ đốt trong truyền thống do không có trục khuỷu, cho phép piston chuyển động tự do trong xy lanh Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều chỉnh tỉ số nén và tối ưu hóa buồng cháy.
FPLE có hai phần chính:
- Piston chuyển động tịnh tiến và
FPLE có khả năng hoạt động với nhiều loại nhiên liệu và sử dụng buồng đốt thống nhất (HCCI) nhờ vào khả năng điều chỉnh tỉ số nén Bên cạnh đó, năng lượng điện từ máy phát có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, đặc biệt là trong các ứng dụng cho xe hybrid.
Động cơ FPLE có số lượng chi tiết giảm đáng kể so với động cơ truyền thống, dẫn đến khối lượng và kích cỡ nhỏ hơn Điều này giúp giảm chi phí sản xuất và bảo trì trong quá trình hoạt động Hơn nữa, với cơ cấu hoạt động đơn giản và lực ma sát thấp, động cơ FPLE có tuổi thọ cao hơn so với các loại động cơ truyền thống.
Hình 2.1 Mô hình tuyến tính động cơ FPLE đơn
Hình 2.2: Mô hình tuyến tính động cơ FPLE đôi
Hình 2.3: Mô hình tuyến tính động cơ FPLE đối đỉnh
Hình 2.4: 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
2.2 Những ưu nhược điểm của động cơ FPLE
Phát triển động cơ piston tự do là một giải pháp thay thế cho động cơ truyền thống, mang lại nhiều ưu điểm như hiệu suất cao và tối ưu hóa quá trình cháy thông qua tỉ lệ nén khác nhau Điều này dẫn đến hiệu quả tải trọng cao hơn và khả năng hoạt động với nhiều loại nhiên liệu Hơn nữa, thiết kế đơn giản với ít bộ phận chuyển động giúp giảm tổn hao do ma sát Sự đơn giản của động cơ piston tự do chính là động lực thúc đẩy sự phát triển công nghệ này.
Việc loại bỏ cơ chế quay trong động cơ piston tự do giúp giảm đáng kể số lượng bộ phận và sự phức tạp của động cơ, mang lại nhiều lợi thế cho hiệu suất và bảo trì.
• Không có trục khuỷu hoạt động làm cho kỳ giãn nở nhanh hơn, làm giảm sự mất mát truyền nhiệt trong xy lanh
Động cơ piston tự do có tổn thất ma sát thấp nhờ vào việc giảm thiểu số lượng bộ phận chuyển động Sự vắng mặt của trục khuỷu không chỉ loại bỏ tổn thất do ma sát trục khuỷu mà còn giảm tải trọng bên dưới trên piston, dẫn đến yêu cầu bôi trơn xy lanh cũng được giảm thiểu.
• Giảm chi phí sản xuất Giảm số lượng bộ phận trong động cơ piston tự do, kết quả chi phí sản xuất thấp hơn
• Tải trọng nhẹ Với việc giảm số lượng các bộ phận, kích thước và trọng lượng của động cơ piston tự do sẽ giảm đáng kể
Chi phí bảo trì động cơ piston tự do được giảm thiểu nhờ vào việc giảm số lượng bộ phận và tổn thất ma sát, từ đó kéo dài tuổi thọ của động cơ.
Ngoài các ưu điểm kể trên, song động cơ piston cũng tồn tại một số nhược điểm:
• Khó kiểm soát chính xác tốc độ động cơ
• Khó kiểm soát sự dịch chuyển của piston
2.3.Động lực học piston của FPLE Động lực học Piston được chia làm 2 phần chính: chuyển động và đánh lửa
Chế độ hoạt động của động cơ đốt trong phụ thuộc vào áp suất nén và tốc độ piston tối ưu Trong động cơ truyền thống, chuyển động piston được điều khiển bởi trục khuỷu, đảm bảo vị trí điểm chết của piston nhất quán trong mỗi chu kỳ Hệ thống khởi động chỉ cần đạt tốc độ piston tối ưu, vì áp suất nén luôn được duy trì.
FPLE có sự khác biệt đáng kể so với động cơ truyền thống, khi chuyển động của piston không bị giới hạn bởi trục khuỷu mà được điều khiển bởi một máy phát điện tịnh tiến, tạo ra lực đẩy từ trường Điều này cho phép piston hoạt động với chuyển động tịnh tiến không cố định, dẫn đến sự thay đổi vị trí điểm chết trên của piston và tỉ số nén của FPLE cũng biến đổi theo Trong quá trình hoạt động, FPLE không chỉ đảm bảo tốc độ tối ưu cho hiệu quả khí xót của hỗn hợp không khí/nhiên liệu mà còn cung cấp áp suất nén đủ cho một chu kỳ piston hoàn chỉnh.
Hình 2.5 Các lực tác dụng lên cụm piston-thanh truyền Định luật 2 Newton ta có :
Ta có : x : là vị trí pittông m p
: là khối lượng di chuyển
F C : là lực khí từ xi lanh đốt cháy
F R : là lực khí từ buồng thải
Ffr :là lực ma sát
Nghiên cứu về việc khởi động các FPLE cho thấy rằng động lực học của piston bị ảnh hưởng bởi các thông số vận hành như lực khí thể, khối lượng di chuyển và vị trí đánh lửa Cụ thể, với lực khí thể cao hơn, tốc độ piston và tốc độ nén tăng lên do chuyển động tự do của piston trong xi-lanh Vận tốc tối đa đạt được tại điểm giữa, nơi lực khí thể bằng tổng lực nén khí và lực ma sát Trong quá trình khởi động, chế độ làm nóng được kích hoạt bởi bugi trong động cơ SI hoặc kim phun trong động cơ CI Các nghiên cứu chỉ ra rằng tần số tốc độ piston có thể dễ dàng điều chỉnh thông qua việc thay đổi vị trí đánh lửa, khối lượng di chuyển và mức tải, từ đó giúp đạt được tỷ số nén cao hơn Ngoài ra, tốc độ piston của FPLE cũng được so sánh với piston của động cơ đốt truyền thống.
Vận tốc piston và gia tốc di chuyển trong động cơ đốt trong truyền thống là FPLE, trong khi vận tốc piston FPLE có sự biến đổi lớn xung quanh ĐCT Gia tốc cưỡng bức của FPLE vượt trội hơn nhiều so với động cơ đốt trong truyền thống, giúp giảm nhiệt năng tiêu hao trong quá trình chuyển hóa năng lượng ở xilanh Nghiên cứu mô phỏng của Yuan về động cơ một piston sử dụng nhiên liệu hydro cho thấy rằng mặc dù vận tốc piston và gia tốc di chuyển trơn tru hơn ở động cơ đốt trong truyền thống, nhưng gia tốc của FPLE lại cao hơn đáng kể và vận tốc piston trong FPLE có nhiều biến động.
Nghiên cứu về động lực piston đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh độ cứng của lò xo kim loại trong mỗi xy lanh FPLE 2 kỳ có thể dễ dàng thay đổi cả vận tốc và khoảng di chuyển của piston Điều này cho thấy độ cứng của lò xo có ảnh hưởng quan trọng đến việc điều chỉnh tỷ lệ nén Do đó, phương án thiết kế sẽ lựa chọn mẫu FPE loại piston kép với hai buồng đốt riêng biệt.
Hình 2.6 Cấu tạo FPE loại piston kép và hai buồng đốt riêng biệt
Thiết kế này sử dụng động cơ hai thì DLE-40 Twin Gas Engine để đơn giản hóa quá trình hoạt động với hai chu trình làm việc Việc điều khiển dễ dàng thông qua việc thay đổi khối lượng hỗn hợp nhiên liệu và thời gian đánh lửa giúp tối ưu hóa hiệu suất, giảm thiểu tổn thất cơ khí và nhiệt Đồng thời, lựa chọn động cơ có sẵn trên thị trường giúp đảm bảo tính nhỏ gọn cho phương án thiết kế.
Hình 2.7 cụm xi lanh và piston
FPLE, tương tự như động cơ đốt trong truyền thống, sử dụng bugi trong đầu xi lanh để đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu nhằm tạo ra điện Nhiều nghiên cứu, bao gồm cả mô phỏng và thí nghiệm, đã được thực hiện để tìm hiểu đặc điểm cháy của FPLE Mikalsen và Roskilly đã so sánh hiệu suất của một FPLE SI với một động cơ thông thường thông qua mô hình mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD).
Tính bền thân trục chính
Thân trục chính chịu nén và uốn dọc do lực khí thể và lực quán tính chuyển động thẳng
P j Chịu kéo do lực quán tính chuyển động thẳng Khi tính sức bền thân trục chính người ta thường chia làm hai loại
Tính theo tải trọng tĩnh của lực khí thể lớn nhất, bỏ qua lực quán tính chuyển động thẳng của trục chính
P z MN Là lực nén tác dụng lên đầu trục chính
: Tiết diện nhỏ nhất của trục chính, Tiết diện I-I;
Ứng suất kéo do lực quán tính của nhóm piston và khối lượng đầu nhỏ trục chính được xác định theo biểu thức sau min jd k
Trong đó P jd (m np m R 1 ) 2 (1) m 1 : khối lượng trục chính quy dẫn về đầu nhỏ
2700 .(18.10 ) 480,1.10 1,31( ) tt nh tt nh tt tt m V r l kg
Hệ số an toàn ở tiết diện nhỏ nhất :
thỏa mãn hệ số an toàn đầu bài cho
Hình 3.9 Sơ đồ tính trục chính
