Một đề xuất nghiên cứu ban đầu của động cơ đốt trong không trục khuỷu hai kỳ

Bài viết Một đề xuất nghiên cứu ban đầu của động cơ đốt trong không trục khuỷu hai kỳ trình bày các nguyên tắc cơ bản về lý thuyết, thực nghiệm liên quan đến việc tính toán, thiết kế, thử nghiệm động cơ pít tông tự do hai thì.

No 10/2021 Journal of Science, Tien Giang University Một đề xuất nghiên cứu ban đầu động đốt không trục khuỷu hai kỳ An initial research proposal of a two-stroke free-piston engine Huỳnh Văn Lộc1,* Trường Đại học Tiền Giang, 119 Ấp Bắc, Phường 5, Mỹ Tho, Tiền Giang, Việt Nam Thơng tin chung Tóm tắt Ngày nhận bài: 11/06/2021 Ngày nhận kết phản biện: 25/06/2021 Ngày chấp nhận đăng: 15/09/2021 Bài viết trình bày nguyên tắc lý thuyết, thực nghiệm liên quan đến việc tính tốn, thiết kế, thử nghiệm động pít tơng tự hai Cụ thể nghiên cứu này, tác giả đề xuất mẫu động pít tơng tự hai thì, pít tơng kép buồng đốt Động có cơng suất 1,5 kW, có đường kính pít tơng 34 mm, hành trình tối đa 28 mm đánh lửa cưỡng Từ mô hình đề xuất tiến hành chế tạo mơ hình thực để lấy số liệu kiểm tra tính hợp lý thông số Các kết sơ thiết kế tính tốn động pít tơng tự hiển thị cơng trình khuyến nghị Từ khóa: Pít tơng tự (FP), động khơng trục khuỷu (FPE), máy phát tuyến tính (LG), thời điểm đánh lửa Keywords: Free-piston (FP), freepiston engine (FPE), linear generator (LG), spark timing Abstract This paper presents fundamental theoretical and experimental principles related to the calculation, design and testing of a two-stroke free-piston engine Specifically, in this study, the model of a two-stroke free-piston engine with a twocombustion chamber dual-piston The engine has the power of 1.5 kW, a bore size of 34 mm, a maximum stroke of 28 mm and forced ignition From the proposed model, the model of an actual engine was manufactured to gather the data for checking the rationality of the parameters The preliminary results on design and calculation of a free-piston engine are showed and further works are recommended GIỚI THIỆU Do nhiên liệu hóa thạch hạn chế tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, động thơng thường có xu hướng thay động tiết kiệm nhiên liệu Pít tơng tự (FP) xem xét giải pháp với lợi việc giảm lượng khí thải NOx [1], đa nhiên liệu [2] hiệu suất cao [3] Việc khơng có trục khuỷu làm cho cấu trúc FP trở nên * đơn giản, giảm ma sát so với động thông thường [4] Trong năm gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu nghiên cứu mẫu động đốt không trục khuỷu (FPE) thay cho động thông thường [5, 6] mẫu thường kiểm soát phức tạp Để khắc phục vấn đề này, mẫu FPE với cấu hình pít tơng kép đề xuất, cách loại bỏ máy phát điện, khởi động học, cố định điểm chết tác giả liên hệ, email: huynhvanloc@tgu.edu.vn, 0907 171 921 -42- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang (TDC) làm cho động đơn giản để nghiên cứu NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Bài Phát triển động FPE động chuyển đổi từ lượng nhiệt sang lượng điện FPE có khả thay đổi tỷ số nén, phù hợp cho hoạt động đa nhiên liệu [7] Hơn nữa, hiệu suất nhiệt cao lợi giúp phù hợp cho ứng dụng xe điện hybrid [8] Hiện nay, cấu hình động khơng trục khuỷu phát điện tuyến tính (FPLE) gồm có: pít tơng đơn, pít tơng kép (chỉ có buồng đốt) pít tơng đối đỉnh, cấu hình pít tơng kép có khả cung cấp hiệu suất cao có cấu tạo tương đối đơn giản [9] Trong báo này, mẫu động pít tơng kép đơn giản (2 buồng đốt) đề xuất (Hình 1) Cấu tạo động bao gồm: hai buồng đốt, cấu khởi động khí, trục dẫn động Động hoạt động nguyên lý giải phóng nhiệt buồng đốt thứ tạo áp suất nén buồng đốt thứ hai, sau buồng đốt giải phóng nhiệt cách đốt hịa khí tia lửa điện tạo áp suất nén buồng đốt trình lặp lại Trục mang máy phát điện di chuyển tự q trình giải phóng nhiệt liên tiếp buồng đốt từ tạo dịng điện Trong cấu hình pít tơng kép giải phóng nhiệt pít tơng thứ ảnh hưởng lớn đến pít tơng thứ hai FPE khơng bị hạn chế cấu trục khuỷu – truyền, điểm chết (TDC) điểm chết (BDC) Số 10/2021 khơng cố định Do đó, khơng có hệ thống điều khiển hợp lý dẫn đến va đập đỉnh pít tơng đầu xi lanh Bên cạnh tỷ số nén khơng ổn định dẫn đến sai số trình hoạt động động [10, 11] Vì thế, cấu khí cố định TDC and BDC đề xuất nhằm tránh cho động kiểm soát, với cấu việc va đập vào cấu khả FPLE hoạt động gián đoạn chấp nhận Trong mẫu động này, máy phát bị loại bỏ để đơn giản hóa động lực học tác động lên trục Vì loại bỏ máy phát nên hệ thống khởi động điện từ thay cấu khởi động khí nên đơn giản kiểm sốt điều khiển Hình Mẫu động đề xuất Chú thích hình vẽ: 1- Xi lanh số 1; 2- Cơ cấu khởi động; 3- Thiết bị tăng áp; 4- Bộ chế hồ khí, 5- Khoang nén khí; 6Xi lanh số Mẫu động sử dụng động đặt đầu với đường kính xi lanh 34mm hành trình pít tơng 28mm, tỷ số nén cao 7,5 Thông số chi tiết động thể qua bảng Một thiết bị tăng áp bố trí đưa nhiên liệu từ chế hịa khí vào buồng nén, -43- No 10/2021 Journal of Science, Tien Giang University việc đóng mở cổng xả cổng nạp phụ thuộc vào quỹ đạo chuyển động pít tơng Hịa khí nạp vào pít tơng đưa vào buồng nén, sau pít tơng dịch chuyển hịa khí bị nén vào buồng đốt qua cổng chuyển Bảng Thông số động Thông số kỹ thuật Ký hiệu Nhiên liệu Số xi lanh Số kỳ Tỉ số nén Đường kính × Hành trình pít tơng Dung tích xy -lanh Khối lượng dịch chuyển i τ  Giá trị Xăng pha nhớt (25:1) xi lanh kỳ 7,5:1 D×S 34mm× 28mm Va 1×25,4cm3 m 0,5 kg 2.2 Ý tưởng khởi động khí Việc khởi động phải đưa FPLE lên tần số định để tạo áp suất nén xi lanh [12] Vì cấu khởi động khí đề xuất, với ưu điểm đơn giản điều khiển so với khởi động máy phát, đảm bảo khoảng dịch chuyển pít tơng Cơ cấu bánh sử dụng, mô tơ với công suất tối đa 700W làm lực kéo bánh dịch chuyển nối liền với trục bánh chủ động cài xác khởi động Bánh chủ động liên kết với tay quay, bánh lệch tâm đĩa xích truyền động từ mơ tơ Khi bánh chủ động bánh bị động ăn khớp với thông qua chốt liên kết, lực từ mô tơ thông qua bánh lệch tâm tới tay quay dẫn động trục khởi động Như vậy, bánh dịch chuyển theo khoảng cách tính tốn trước Ngồi ra, việc điều khiển tốc độ khởi động thông qua điều khiển tốc độ mô tơ cho phép động khởi động với nhiều tốc độ khác Hình Cơ cấu khởi động khí Chú thích hình vẽ: 1- Trục chính; 2Thanh răng; 3- Trục cấu khởi động, 4Bánh bị động; 5- Chốt ăn khớp; 6Bánh bị động; 7- Tay quay; 8- Bánh lệch tâm; 9- Bánh truyền động Nguyên lý làm việc: Bánh bị động liên kết với trục quay trơn trục nó, trục dịch chuyển bánh bị động có chức xác định vị trí trục để Hình Thiết kế góc dịch chuyển -44- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Cơ cấu bánh làm cho TDC BDC không thay đổi giúp ổn định khởi động Khoảng dịch chuyển 26mm, nhỏ hành trình tối đa 28mm, nguyên nhân khoảng dự phòng cho lực qn tính sai số gia cơng khí Từ phương pháp hình học tính thơng số thiết kế (Hình 3)  góc thay đổi dịch chuyển, h khoảng cách từ tâm tay quay đến tâm bánh lệch tâm 2.3 Tính tốn lực khởi động Fp Thể tích cơng tác xác định biểu thức: Vh   D2 S  trapped  mCv  19,086  mCv"  19,086  n1  (3) Thể tích bắt đầu nén: 1  r (kJ/Kmol K) (8) 8,314   b n1 1 a  Ta  trapped 1 (9) Bằng cách thay dần giá trị n vào hai vế phương trình đến cân ta giá trị n1 = 1,38 Áp suất cuối trình nén: (4) n1 pc  pa ' trapped  1,1752( Mpa) (10) 0,34 0,20  0,0182(dm3 ) Ta có: Tỷ số nén thể tích trapped:  trapped  mCv   r mC v" ' v Thể tích tồn bộ: Vtrapped   (7) Xác định số nén đa biến trung bình n1: Vh 0,0254   0,0039(dm ) (2)   7,5  D2 Se 0,1T (kJ/kmol K) Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình hỗn hợp khí q trình nén: mC v  Thể tích buồng cháy: Vtrapped   0,00419T (kJ/Kmol K) (6) Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình sản phẩm cháy: ' Va = Vh + Vc = 0,0293 (dm ) 0,0182  0,0039  5,67 0,0039 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình khí nạp mới: (1) 0,34 Vh   0,28  0,0254(dm ) Vc  Số 10/2021 Vtrapped  Vc Vc Fp  pc A  Pc (5) Fp  1,1752 -45- D (11)  0,342  0,0011( MN ) No 10/2021 Journal of Science, Tien Giang University Áp dụng phương trình động lực học lúc khởi động : m x  Fp1  Fp  F f  Fcog (12) Kg/cm2 chịu nhiệt độ 85oC, với ngõ 0V-5V, sai số 0,1%, tính hiệu thu thập máy đo xung chun dụng X431TOP Mơ hình đo áp suất nén xi lanh Hình Trong : Fp1 : Lực khí thể xi lanh Fp : Lực khí thể xi lanh F f : Lực ma sát Fcog : Lực điện từ Do hệ số ma sát bề mặt kim loại nhỏ có bơi trơn nên lực ma sát khơng đáng kể nên ta bỏ qua Do phần máy phát điện tuyến tính chưa đưa vào nên lực điện từ khơng Vậy để khởi động động lực tạo từ cấu khởi động phải lớn Fp = 1100 (N) Chọn tần số khởi động f = 10 Hz (600 v/ph) Tiến hành tính tốn ngược từ trục mơ tơ khời động tính cơng suất máy khởi động phải lớn 421W Chọn mô tơ khởi động xe máy có cơng suất tối đa khoảng 700W 2.4 Kết thực nghiệm khởi động Quá trình khởi động phải đảm bảo trì áp suất đủ lớn để hịa khí cháy Như vậy, động phải đạt tốc độ cao mômen lớn để vượt qua lực ma sát, áp suất nén hai đầu xi lanh Mơ hình thực nghiệm thể qua Hình Cảm biến áp suất Sensys M5256 áp suất đo cực đại 350 Hình Mơ hình thực nghiệm Hình cho thấy cấu khởi động kéo mơ tơ trì tốc độ tối đa 0,4 m/s với tần số khoảng 10Hz Tuy nhiên, tốc độ thay đổi cách thay đổi tỷ số truyền truyền xích mơ tơ Hình Mơ hình đo áp suất nén Chú thích hình vẽ: 1- Cụm bơbin đánh lửa trực tiếp; 2- Cảm biến áp suất; 3- Xi lanh -46- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Hình Biểu đồ vận tốc thời gian khởi động Hình cho thấy áp suất nén xi lanh tối đa đạt 3,5 – 4,5 kg/cm2 ổn định thời gian lại, tốc độ động đạt cực đại khoảng thời gian 0,5s áp suất cực đại đạt khoảng 2s Điều cho thấy, áp suất nén xi lanh cực đại phải có số lần dao động định Áp suất cực đại xi lanh xi lanh khơng dự đốn trước sai số gia cơng khí Với áp suất cực đại đủ cho động đánh lửa thành công Hình Biểu đồ áp suất nén xi lanh thời gian khởi động KẾT LUẬN Bài báo đề xuất mẫu FPE đơn giản với khởi động khí Một số kết ban đầu cho thấy động hoạt động ổn định tốc độ 0,4 m/s với áp suất nén cực đại 4,0 – 4,5 kg/cm2, thời gian đạt áp suất cực đại tương đối ngắn khoảng 2s Như vậy, động đảm bảo q trình động Việc sử dụng mơ tơ giúp FPE khởi động tốc độ ổn định dễ dàng điều khiển Ngồi với cấu Số 10/2021 giúp nghiên cứu động đốt không trục khuỷu kết hợp với máy phát điện tuyến tính mà khơng cần động hoạt động Áp suất hai đầu xi lanh khác vấn đề cần phải giải thời gian tới Thực tế, mẫu động bắt đầu thử nghiệm đánh lửa cưỡng trình khởi động thành công vài chu kỳ cần phải nghiên cứu tối ưu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H Feng, C Guo, C Yuan, Y Guo, Z Zuo, A P Roskilly, et al 2016 "Research on combustion process of a free piston diesel linear generator", Applied Energy, vol 161, pp 395-403 [2] R Mikalsen and A P Roskilly (2007) "A review of free-piston engine history and applications", Applied Thermal Engineering, vol 27, pp 23392352 [3] J.Hanssonand M.Leksell (2006) "Performance of a Series Hybrid Electric Vehicle with a Free-Piston Energy Converter" [4] B Jia, R Mikalsen, A Smallbone, and A Paul Roskilly (2018) "A study and comparison of frictional losses in free-piston engine and crankshaft engines", Applied Thermal Engineering [5] M R Hanipah, R Mikalsen, and A P Roskilly (2015) "Recent commercial free-piston engine developments for automotive applications", Applied Thermal Engineering, vol 75, pp 493-503 [6] Jia B, Tian G, Feng H, Zuo Z, Roskilly AP (2015) “An experimental investigation into the starting process of -47- No 10/2021 free-piston engine generator”, Appl Energy 2015; 157: 798–804 [7] R Mikalsen and A P Roskilly (2007) "A review of free-piston engine history and applications", Applied Thermal Engineering, vol 27, pp 23392352 [8] J Hansson and M Leksell (2006) "Performance of a Series Hybrid Electric Vehicle with a Free-Piston Energy Converter" [9] Q Li, J Xiao, and Z Huang (2008) "Simulation of a two-stroke freepiston engine for electrical power generation", Energy & fuels, vol 22, pp 3443-3449 [10] R Mikalsen and A P Roskilly (2010) “The control of a free-piston engine generator Part 2: Engine Journal of Science, Tien Giang University dynamics and piston motion control”, Applied Energy, vol 87 [11] Boru Jia, Zhengxing Zuo, Huihua Feng, Guohong Tian, A P Roskilly (2014) “Development approach of a spark-ignited free-piston engine generator”, SAE Technical Paper, No 2014-01-2894 [12] Hung NB, Lim O (2014) “A study of a two-stroke free piston linear engine using numerical analysis”, J Mech Sci Technol 2014; 28: 1545–57 [13] R Mikalsen, E Jones, and A P Roskilly (2010) “Predictive piston motion control in a free-piston internal combustion engine”, Applied Energy, vol 87, pp 1722-1728 -48- ... đối đơn giản [9] Trong báo này, mẫu động pít tơng kép đơn giản (2 buồng đốt) đề xuất (Hình 1) Cấu tạo động bao gồm: hai buồng đốt, cấu khởi động khí, trục dẫn động Động hoạt động nguyên lý giải... cần động hoạt động Áp suất hai đầu xi lanh khác vấn đề cần phải giải thời gian tới Thực tế, mẫu động bắt đầu thử nghiệm đánh lửa cưỡng trình khởi động thành công vài chu kỳ cần phải nghiên cứu. .. khoảng 2s Như vậy, động đảm bảo q trình động Việc sử dụng mơ tơ giúp FPE khởi động tốc độ ổn định dễ dàng điều khiển Ngoài với cấu Số 10/2021 giúp nghiên cứu động đốt không trục khuỷu kết hợp với