Nghiên cứu đề xất giải pháp khởi động cho động cơ không trục khuỷu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN SỸ CÔNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XẤT GIẢI PHÁP KHỞI ĐỘNG CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN SỸ CÔNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP KHỞI ĐỘNG CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 5/2022 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: PHAN SỸ CƠNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1993 Nơi sinh: Nghệ An Quê quán: Thanh Khê, Thanh Chương, Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Trường Đại học Trần Đại Nghĩa, Số 189, đường Nguyễn Oanh, Phường 10, Quận Gò Vấp, Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: 0986117237 E-mail: phansycong@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 08/2011 đến 12/2016 Nơi học: Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội Ngành học: Kỹ thuật Cơ khí Tên đồ án tốt nghiệp: Khai thác hệ thống truyền lực xe БРДМ-2 Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 15/11/2016, Học viện Kỹ thuật Quân Người hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Thế Mạnh Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2019 đến 9/2022 Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Cơ khí động lực Tên đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu đề xuất giải pháp khởi động cho động không trục khuỷu Ngày & nơi bảo vệ luận văn thạc sĩ: 08/5/2022, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Văn Trạng Ngoại ngữ: Tiếng Anh, Bậc 3, Trường Đại học Ngân hàng Thành phố Hồ Chí Minh, (04/2022) i 74 có tính tới truyền nhiệt Hình 4.10: Khối mơ áp suất khí xi lanh bên trái 1.2 1.0 Bo nhiet Bỏqua quatruyen truyền nhiệt Khong bosự qua truyen nhiet Tính tới truyền nhiệt pL (MPa) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 t (s) Hình 4.11: Ảnh hưởng truyền nhiệt tới áp suất xi lanh trái Tuy nhiên, với chu kỳ sau, tỷ số nén, biên độ chuyển động piston áp suất cuối nén tăng nhanh để đạt trạng thái ổn định sau ba chu kỳ điều kiện truyền nhiệt bốn chu kỳ điều kiện lý tưởng Nhiệt độ khí xi lanh tăng lên nhanh chóng, làm tăng chênh lệch nhiệt độ khí thành xi lanh Chuyển động piston ảnh hưởng khác góp phần vào truyền nhiệt khác biệt hai đồ thị áp suất Trong chu kỳ khởi động đầu tiên, vận tốc tần số piston tương đối chậm, tạo chuyển động dịng khí thấp sau truyền nhiệt thấp đối lưu Tuy nhiên, chuyển động piston tăng lên nhanh chóng với chu kỳ cộng hưởng ngày tăng, tốc độ piston nhanh dẫn đến chuyển động dịng khí có biên độ lớn hơn, điều làm tăng cường tác động đối lưu lên truyền nhiệt Một khác biệt đáng ý áp suất khí xi lanh hai điều kiện truyền nhiệt tìm thấy giai đoạn ổn định khởi động, chênh lệch đỉnh đạt tới gần 0,5 MPa Do đó, truyền nhiệt suy luận quan trọng hiệu khởi động động không trục khuỷu Chiến lược khởi động ứng dụng cộng hưởng dao động học nên xem xét hiệu ứng truyền nhiệt khối khí xi lanh 75 Bo nhiet Bỏqua quatruyen truyền nhiệt Tính tới truyền nhiệtnhiet Khong bosựqua truyen 20 15 10 x (mm) -5 -10 -15 -20 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 t (s) Hình 4.12: Ảnh hưởng truyền nhiệt tới độ dịch chuyển piston 4.5 Kết luận chương Chương Luận văn đưa đánh giá kết chương trình mơ số Matlab/Simulink Kết mô động khơng trục khuỷu khởi động giải pháp điều khiển máy điện tuyến tính tác động vào phần dịch chuyển lực khởi động có giá trị khơng đổi ln chiều với chiều chuyển động piston Lực khởi động có ảnh hưởng tới hiệu trình khởi động, lực khởi động lớn giúp cho trình khởi động diễn nhanh Máy điện tuyến tính cần có lực đẩy 85 N để khởi động thành công động không trục khuỷu khối lượng phần dịch chuyển 1,5 kg không đạt áp suất cuối nén 0,9 MPa tỷ số nén 4,75:1 Kết tính tốn số cho thấy khả thi giải pháp khởi động chênh lệch lớn không 6% Chương đánh giá ảnh hưởng khối lượng phần dịch chuyển tới hiệu khởi động Để máy điện tuyến tính có lực đẩy lớn khối lượng máy điện, rotor lớn Kết mô động khởi động khối lượng phần dịch chuyển nhỏ 1,25 kg, 76 thông số yêu cầu quan trọng tiến hành thiết kế máy điện tuyến tính tích hợp động khơng trục khuỷu Ngồi ra, ảnh hưởng tỷ số nén mục tiêu để đánh lửa truyền nhiệt thành vách xi lanh nghiên cứu thay đổi biến thiết kế khác Kết tóm tắt sau: - Động khơng trục khuỷu hệ thống tự kích thích bậc tự với hệ số tắt dần hệ số đàn hồi thay đổi Biên độ chuyển động piston, tần số hoạt động áp suất cuối nén cộng hưởng đến giá trị lớn q trình khởi động ĐCTT có lực đẩy thấp, biên độ chuyển động piston, tần số hoạt động áp suất nén cực đại phát triển có xu hướng đạt đến trạng thái ổn định sau vài chu kỳ Điều cho thấy việc khởi động giải pháp đề xuất hồn tồn khả thi - Piston chuyển động có dao động ổn định trình khởi động; biên độ chuyển động không tăng vô hạn, xác định cân lượng công lực đẩy ĐCTT thực lượng tiêu thụ do ma sát truyền nhiệt - Đối với lực đẩy máy điện tuyến tính tác dụng vào phận dịch chuyển trình khởi động cộng hưởng học Nếu khối lượng phận dịch chuyển khoảng 1,5 kg nguyên mẫu khởi động với lực khởi động tối thiểu 85 N Tuy nhiên, lực khởi động lớn dẫn đến biên độ chuyển động piston lớn áp suất khí cao hơn, điều rút ngắn thời gian khởi động để đạt yêu cầu khởi động - Áp suất cuối nén khởi động động không trục khuỷu tăng lên khối lượng phận dịch chuyển tăng, cho thấy đạt tỷ số nén, áp suất cuối nén khởi động cao cách tăng khối lượng phận dịch chuyển cách phù hợp - Sự khác biệt áp suất đỉnh điều kiện truyền nhiệt điều kiện lý tưởng đạt tới 0,5 MPa động khơng trục khuỷu Do đó, việc truyền nhiệt cần xem xét trình điều khiển việc khởi động 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn: “Nghiên cứu đề xuất giải pháp khởi động cho động không trục khuỷu” luận văn nghiên cứu việc khởi động cho động không trục khuỷu ứng dụng phát điện Việt Nam Luận văn có đóng góp lĩnh vực thiết kế chế tạo động khơng trục khuỷu phát điện tuyến tính, cụ thể sau: Hệ thống hóa sở lý thuyết động khơng trục khuỷu phát điện tuyến tính Các cơng thức tốn học để mơ tả động học, động lực học phận dịch chuyển khởi động động cách sử dụng máy điện tuyến tính Đây tảng cho việc nghiên cứu tính tốn thiết kế máy điện tuyến tính tích hợp động khơng trục khuỷu Phân tích ưu điểm, nhược điểm phương pháp khởi động động đốt nói chung động khơng trục khuỷu nói riêng Đây sở cho việc đề xuất nghiên cứu giải pháp khởi động động không trục khuỷu cách sử dụng tượng cộng hưởng dao động học Phân tích đặc tính chế chuyển động phận dịch chuyển (piston, rotor máy điện tuyến tính) Kết phân tích dùng để tính tốn lực khởi động cần thiết, tần số khởi động đạt theo phương án khởi động cộng hưởng học Mơ q trình khởi động động không trục khuỷu, tiến hành khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến hiệu trình khởi động trường hợp: thay đổi lực đẩy máy điện tuyến tính, thay đổi hệ số ma sát dầu bôi trơn, thay đổi khối lượng phận dịch chuyển, thay đổi tỷ số nén mục tiêu để đánh lửa, truyền nhiệt khí xi lanh… Đây sở quan trọng để đánh giá yếu tố ảnh hưởng tới trình khởi động, nhằm đưa mối quan hệ thông số kết cấu động máy điện tuyến tính Tạo lợi ích để thiết kế máy điện tuyến tính phù hợp với ngun mẫu động khơng trục khuỷu có 78 Động khơng trục khuỷu hồn tồn khởi động thành cơng cách sử dụng lực đẩy trực tiếp từ máy điện tuyến tính Khi thiết kế máy điện tuyến tính tích hợp cho động cơ, cần dựa vào khối lượng cụm piston rotor ảnh hưởng yếu tố truyền nhiệt để xác định lực khởi động cần thiết máy điện Khối lượng cụm piston rotor tốt nên nằm khoảng 1,5 ÷ 2,0 kg giá trị lực khởi động cần thiết cần lớn 90 N để bù lại truyền nhiệt rị rỉ khí xi lanh Đây cơng trình nghiên cứu Việt Nam khởi động động không trục khuỷu phát điện tuyến tính góp phần quan trọng nghiên cứu phát triển hệ thống chuyển đổi lượng Đồng thời, góp phần hồn thiện lý thuyết ngành chun mơn có khả ứng dụng thực tiễn Kiến nghị Luận văn đưa số kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo: - Xây dựng mơ hình thực nghiệm theo mơ thực luận văn để có đánh giá tính đắn thuật tốn mơ - Tiếp tục đặt vấn đề nghiên cứu rò rỉ khí xi lanh q trình khởi động, ảnh hưởng vấn đề tới trình khởi động - Nghiên cứu giới hạn thông số hệ số ma sát dầu bôi trơn Qua xây dựng tiêu chuẩn để thiết kế máy điện tuyến tính phù hợp với động - Nghiên cứu, thiết kế máy điện tuyến tính để tích hợp cho động không trục khuỷu, thông số máy điện phù hợp khả phát điện lẫn khả tạo lực đẩy khởi động - Nghiên cứu xây dựng phương án điều khiển máy điện tuyến tính đáp ứng yêu cầu giải pháp khởi động cộng hưởng học… 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G Kalghatgi Is it really the end of internal combustion engines and petroleum in transport? Applied energy; Vol 225, 965-974, 2018 [2] M.R Hanipah, R Mikalsen, A.P Roskilly Recent commercial free-piston engine developments for automotive applications Applied Thermal Engineering; Vol 75, 22 January 2015 [3] Nguyen Ba Hung, O Lim A review of free-piston linear engines School of Mechanical Engineering; University of Ulsan, 11 June 2016 [4] Z Chen, S Zongxuan Trajectory-based combustion control for renewable fuels in free piston engines Applied Energy; Vol 187, 72-83, 2017 [5] R.P Pescara Free piston motor compressor US Patent Office 2, 581-600, 1952 [6] P.A.J Achten, Johan P.J Van Den Oever, J Potma, G.E.M Vael Horsepower with brains: The design of the chiron free piston engine SAE Technical Paper, 2000 [7] Chang-ping Lee Turbine-compound free-piston linear alternator engine University of Michigan, 2014 [8] J Fredriksson, M Bergman, V.I Golovitchev, I Denbratt Modeling the effect of injection schedule change on free piston engine operation SAE Technical Paper, No 2006-01-0449 [9] R Mikalsen, A.P Roskilly A review of free-piston engine history and applications Applied Thermal Engineering; Vol 27(14), 2339-2352, 2007 [10] B Jia, Z Zuo, H Feng, G Tian, A Smallbone, A.P Roskilly Investigation of the starting process of free-piston engine generator by mechanical resonance The 6th International Conference on Applied Energy; 72 – 577, 2014 [11] S.A Zulkifli, M.N Karsiti and A.R.A Aziz Starting of a Free-Piston Linear Engine-Generator by Mechanical Resonance and Rectangular Current Commutation IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC); 80 Harbin, China, September 3-5, 2008 [12] Nguyễn Tất Trung Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm động đốt không trục khuỷu” Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 5, 2020 [13] Võ Bảo Tồn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật: “Khảo sát tính phát điện động không trục khuỷu” Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 5, 2021 [14] Nguyễn Phùng Quang Động tuyến tính: Đối tượng cơng nghệ bị bỏ qn? Tạp chí Tự động hóa ngày nay, 2002, số 11, Tr.26 – 29 [15] B Jia, Z Zuo, G Tian Development approach of a spark-ignited free-piston engine generator SAE paper 2014-01-2894, 2014 [16] S.A Zulkifli, M.N Karsiti and A.R.A Aziz Starting of a free-piston linear engine-generator by mechanical resonance and rectangular current commutation IEEE vehicle power and propulsion conference, Harbin, China, 3–5 September 2008 [17] B Jia, Z Zuo, H Feng, G Tian, A.P Roskilly Investigation of the starting process of free-piston engine generator by mechanical resonance Energy Procedia 61, 2014, 572 – 577 [18] B Jia, Z Zuo, G Tian, H Feng, A.P Roskilly Development and validation of a free-piston engine generator numerical model Energy Conversion and Management 91, 2015, 333-341 [19] Industrial Linear Motors Smart solutions are driven by LinMot, Product Catalogue Edition 24, Art.-Nr.:0150-1251, 224 [20] Y Kim, J Lim, H Choi Starting mode analysis of tubular-type linear generator for free-piston engine with dynamic characteristics Proceeding of international conference on electrical machines and systems, Seoul, South Korea, 8–11 October 2007, pp.926–929 [21] N Hung and O Lim A study of a two-stroke free piston linear engine using numerical analysis J Mech Sci Tech 2014; 28(4): 1545–1557 81 [22] J Fredriksson and I Denbratt Simulation of a two stroke free piston engine SAE technical paper 2004-01-1871, 2004 [23] C Yuan, H Feng, M Wang and Z Zuo Sealing characteristics of piston ring in a free-piston engine for linear alternator Chin Intern Combust Engine Eng 2015; 36(5): 151–156 [24] G.F Hohenberg Advanced approaches for heat transfer calculations SAE technical paper 790825, 1979 [25] M.T Ma, I Sherrington and E.H Smith Development of a detailed model for piston-ring lubrication in IC engines with circular and non-circular cylinder bore Tribol Int 1997; 30: 779–887 [26] S.S Goldsborough and P.V Blarigan A numerical study of a free-piston IC engine operation on homogeneous charge compression ignition combustion SAE paper 1999-01-0619, 1999 [27] B Jia, G Tian, H Feng, Z Zuo, A.P Roskilly An experimental investigation into the starting process of free-piston engine generator Applied Energy; March 2015 82 S K L 0 ... việc khởi động nguyên mẫu động không trục khuỷu cần nghiên cứu 18 thực Ở Việt Nam, chưa có cơng trình cụ thể nghiên cứu hệ thống khởi động cho động khơng trục khuỷu Vì việc nghiên cứu đề xuất giải. .. suất động điều khiển động điều kiện hoạt động ổn định, việc khởi động động vấn đề đặt nhiều thách thức cho giới khoa học d) Về khởi động động không trục khuỷu Động không trục khuỷu khởi động. .. 20 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu hình nguyên mẫu động không trục khuỷu nghiên cứu Nguyên mẫu nghiên cứu để đề xuất giải pháp khởi động nguyên mẫu động không trục khuỷu nhóm nghiên cứu Trường