Tổng hợp những kết quả nghiên cứu ban đầu về động cơ piston tự do (fpe free piston engine)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT TỔNG HỢP NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU VỀ ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO (FPE - FREE PISTON ENGINE) GVHD: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG SVTH: ĐỒNG QUANG HUY LÊ QUỐC TOÀN SKL009423 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 7/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TỔNG HỢP NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU VỀ ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO (FPE - FREE PISTON ENGINE) SVTH : ĐỒNG QUANG HUY MSSV : 17145297 SVTH : LÊ QUỐC TOÀN MSSV : 17145400 GVHD : TS NGUYỄN VĂN TRẠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Tên đề tài TỔNG HỢP NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU VỀ ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO (FPE - FREE PISTON ENGINE) SVTH : ĐỒNG QUANG HUY MSSV : 17145297 SVTH : LÊ QUỐC TOÀN MSSV : 17145400 GVHD : TS NGUYỄN VĂN TRẠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2022 202 203 204 205 CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 8.1 Kết luận Động không trục khuỷu (Free Piston Engine) khác so với động thông thường loại bỏ cấu trục khuỷu truyền thống Piston di chuyển tự xylanh cho phép động thay đổi tỷ số nén, tối ưu hóa q trình đốt cháy, hoạt động với nhiều loại nhiên liệu khác buồng đốt Mang lại hiệu công suất cao mà giảm tối thiểu lượng khí thải NOx hạt độc hại, thiết kế đơn giản mặt học tích hợp mát phát điện tuyến tính nhỏ gọn, giúp giảm chi phí sản xuất tổn thất ma sát Là thiết bị chuyển đổi lượng đầy hứa hẹn với lợi tiềm so với động truyền thống thông thường hiệu trình đốt cháy, tốc độ khí thải Bên cạnh cịn tồn khó khăn q trình điều khiển kiểm sốt loại động thực độ xác xuất tượng nhiễu tín hiệu từ cảm biến thiết bị đo, thiết bị điều khiển gây sai sót q trình điều khiển đánh lửa Khó khăn khởi động, đốt cháy khơng hồn tồn, thay đổi tỷ số nén dẫn đến tưởng bỏ máy làm cho trình hoạt động ổn định, dẫn đến đỉnh piston va chạm với đầu xylanh Ngoài nam châm cụm máy phát gắn trực tiếp trục nối hai piston, nên tượng nhiệt độ thay đổi theo trình vận hành ảnh hưởng làm thay đổi từ thông dẫn đến công suất máy phát bị ảnh hưởng địi hỏi phải có thiết bị kiểm soát làm mát nhiệt độ trục Nếu muốn động hoạt động ổn định hiệu phải đáp ứng ba phương diện mơ hình động, mơ hình máy phát điện mơ hình nhiệt động lực học có khả thương mại hóa Từ kết nhận định nhà nghiên cứu lớn giới, từ nghiên cứu công bố diễn đàn nguồn tài liệu tham khảo quý báu kết hợp với dẫn giáo viên hướng dẫn giúp xây dựng nên đề tài Thơng qua việc tính tốn q trình nén, cháy giãn nở sinh cơng có trục khuỷu để áp dụng cho việc thiết kế nên động có khả phát điện dịch chuyển tuyến tính hai cụm piston, loại bỏ phần tiêu hao công suất Với loại động đốt đó, lượng nhiên liệu mang lại hiệu tăng lên nhiều lần, triệt tiêu cách tối ưu tổn thất 206 không cần thiết mang lại nhiều ứng dụng sống, đặc biệt việc phát triển ngành kỹ thuật tơ xe điện, xe lai Trong q trình hồn thành đề tài, nhóm học hỏi phát triển thêm nhiều kỹ năng, xử lý tình thơng qua việc tìm đọc tài liệu tham khảo, kỹ vận dụng tính tốn nhiệt động học, lực động cấu tạo loại động cơ, cấu tạo máy phát điện tuyến tính Bên cạnh cịn sử dụng thêm phần mềm mơ tính tốn Matlab, mơ thiết kế Solidwork, phân tích mơ ứng suất số cụm chi tiết từ đưa giải pháp cải tiến giúp tối ưu Nâng cao khả trình bày biện luận giúp cho thân cố hồn thiện Bên cạnh đề tài cịn mắc số sai sót hạn chế Hy vọng kết đạt đề tài tiền đề quan trọng nghiên cứu phát triển hệ động đốt trong, động đốt không trục khuỷu (FPE) Mong với phát triển khoa học công nghệ kỹ thuật nay, động không trục khuỷu hứa hẹn sớm thương mại hóa ứng dụng mạnh mẽ đời sống 8.2 Kiến nghị Qua thời gian nghiên cứu thực đề tài “TỔNG HỢP NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU VỀ ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO (FPE - FREE PISTON ENGINE)” nhóm có kiến nghị sau: • Cần nghiên cứu thêm cấu tạo tính tốn phần máy phát điện tuyến tính, đề ứng dụng tạo máy phát tối ưu, tiếp tục nghiên cứu phần điều khiển kiểm soát động dịch chuyển piston để tối ưu hóa cơng suất loại động tạo • Nam châm cụm máy phát gắn trực tiếp trục nối hai piston, nên tượng nhiệt độ thay đổi theo trình vận hành ảnh hưởng làm thay đổi từ thông dẫn đến công suất máy phát bị ảnh hưởng địi hỏi phải có thiết bị kiểm soát làm mát nhiệt độ trục Nếu muốn động hoạt động ổn định hiệu phải đáp ứng ba phương diện mơ hình động, mơ hình máy phát điện mơ hình nhiệt động lực học có khả thương mại hóa 207 • Xây dựng mơ hình thực tế thí nghiệm, thiết kế thêm phận cung cấp nhiên liệu điều khiển thực Đưa động vào hoạt động, để tìm hiểu thêm nguyên lý biến động thay đổi động để kịp thời khắc phục phát triển • Quá trình điều khiển kiểm sốt loại động thực độ xác xuất tượng nhiễu tín hiệu từ cảm biến thiết bị đo, thiết bị điều khiển gây sai sót q trình điều khiển đánh lửa • Khó khăn khởi động, đốt cháy khơng hồn tồn, thay đổi tỷ số nén dẫn đến tưởng bỏ máy làm cho trình hoạt động ổn định, dẫn đến đỉnh piston va chạm với đầu xylanh • Bên cạnh đề tài nhiều hạn chế bị giới hạn thời gian, nguồn tài liệu tham khảo, trang thiết bị nên chưa có thí nghiệm để kiểm chứng đánh giá cách trọn vẹn 208 DANH MỤC CODE MATLAB % PHAN TINH TOAN DONG LUC HOC A=0.015; % Bien cua dao dong(m) f=108.3; % tan so dao dong cua cum piston- truyen (Hz) T=1*1000/f; % Chu ki cua dao dong (ms) omega=2*pi*f; % Toc góc cua dao dong (rad/s) t=linspace(0,T,1000); % mang cac bien thoi gian x=A.*cos(omega*t); % phuong trinh li x(m) v=(-3.25).*sin(omega.*t); %phuong trinh van toc v(m/s) a=(-703.7).*cos(omega.*t); %phuong trinh gia toc (m/s2) plot(t,x); %lenh ve bieu x=f(t) xlabel('Thoi gian (ms)'); ylabel('Khoang cach tu dinh piston den xylanh (m)'); % ki hieu ten don vi grid on; % them mang luoi vào bieu figure plot(x,v); %lenh ve bieu v=f(x) xlabel('Khoang cach tu dinh piston den xylanh (m)'); ylabel('Van toc (m/s)'); grid on; figure plot(t,a) %lenh ve bieu a=f(t) xlabel('thoi gian (ms)'); ylabel('gia toc (m/s2)'); grid on; figure %Cac thong so da biet hoac tính tốn truoc: d=3.3; % duong kinh dinh piston (cm) n1=1.372; % He so nen da bien n2=1.223; % He so gian nen da bien Vc=3.63; % The tich buong chay (cm3) Pr=0.10637; % Ap suat sot (MN/m2) Pz=5.83; % Ap suat cuoi qua trinh chay (MN/m2) Pa=Pr; % Ap suat cuoi trình nap (MN/m2) Vts=Vc+pi*d^2.*2.68/4; % The tich trapped (m3) % Duong hieu chinh so x1=linspace(0,0.03);% Chuyen cac gia tri cua x mang gom 100 gia tri V1=Vc+pi*d^2.*x1/4; % Tinh the tich V1 theo x1 209 P1=linspace(Pz*0.83,1.95); plot(V1,P1,'b') % Ve duong cong P1=f(V1) mau xanh ( blue) hold on; % Cho phep ve them cac net khac vao thi da co % Duong hieu chinh so xhc2=[0.03 0.05 0.11 0.15]; x2=linspace(0.03,0.15); V2=Vc+pi*d^2.*x2/4; Phc2=[1.95 1.7 1.251 1.07685985200327]; P2= interp1(xhc2, Phc2, x2, 'spline'); plot(V2,P2,'b') % Duong cong nen x3=linspace(0.15,2.68); V3=Vc+pi*d^2.*x3/4; P3=Pr.*(Vts./V3).^n1; plot(V3,P3,'b') % Duong hieu chinh so x4=linspace(2.68,2.97); V4=Vc+pi*d^2.*x4/4; P4=linspace(Pa,Pa); plot(V4,P4,'b'); % Duong hieu chinh so x5=linspace(2.9,2.97); V5=Vc+pi*d^2.*x5/4; P5=linspace(0.11195,Pa); plot(V5,P5,'b'); % Duong hieu chinh so xhc6=[2.6 2.669 2.73 2.8 2.88 2.9]; x6=linspace(2.6,2.9); V6=Vc+pi*d^2.*x6/4; Phc6=[0.527995526389722 0.415 0.248 0.155 0.1119 0.11195]; P6= interp1(xhc6, Phc6, x6, 'spline'); plot(V6,P6,'b') % Duong hieu chinh so x7=linspace(0.083,2.6); V7=Vc+pi*d^2.*x7/4; P7=Pz.*(Vc./V7).^n2; plot(V7,P7,'b') % Duong hieu chinh so xhc8=[0 0.055 0.083]; x8=linspace(0,0.083); 210 V8=Vc+pi*d^2.*x8/4; Phc8=[4.8389 4.9555 4.68594213153733]; P8= interp1(xhc8, Phc8, x8, 'spline'); plot(V8,P8,'b') xlabel('The tich (cm3)'); ylabel('Ap suat the (MN/m2)'); grid on; 211 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yingcong Zhou, Aimilios Sofianopoulos, Benjamin Lawler, Sotirios Mamalis, "Advanced combustion free-piston engines: A comprehensive review", 2018 [2] Andrew Smallbone, Mohd Razali Hanipah, Antony Paul Roskilly, "Realization of a Novel Free-Piston Engine Generator for Hybrid Electric Vehicle Applications", 2020 [3] Y Woo, Y J Lee, "Free piston engine generator: Technology review and an experimental evaluation with hydrogen fuel", 2013 [4] Razali Hanipah, Mikalsen, Roskilly, "Recent commercial free-piston engine developments for automotive applications", 2015 [5] N T Tiến, "Nguyên lý động đốt trong", Nhà xuất giáo dục, 2004 [6] Ahmed T.Raheem , A.Rashid A Aziz , Saiful A Zulkifli , Abdalrazak T Rahem , Wasiu B Ayandotun , "A review of free piston engine control literature Taxonomy and techniques", 2020 [7] Van Trang Nguyen, Pyung Hwang, "A Calculation Model of Free-Piston Internal Combustion Engine", 2020 [8] Đào Trọng Thắng, Trần Nhật Quang, Nguyễn Lê Văn, Phùng Văn Được, "Tính tốn biến dạng ống lót xylanh động 6ч12/14 phương pháp phần tử hữu hạn", Học viện Kỹ thuật Quân sự, 2012 [9] Nguyễn Bá Hữu, Quách Hoài Nam, "Nghiên cứu xác định trường ứng suất trục khuỷu động d12 phương pháp phần tử hữu hạn", Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, 2014 [10] Nguyễn Mạnh Khương, "Nghiên cứu ứng suất nhiệt Piston động M504 lắp thay cho động M503A tàu cảnh sát biển", Luận văn thạc sĩ, 2005 [11] K SathishKumar, "Design and analysis of i.c engine piston and piston-ring on composite material using Creo and Ansys software", Journal of Engineering andScience Vol 01, 2016 212 [12] Mr.Sanket R.Jayale, Prof G.A.Kadam, Mr.Umar Pathan "Stress Analysis of Piston at Different", 2017 [13] Hitesh pandey, Avin Chandrakar, PM Bhagwat "Thermal Stress Analysis of a Speculative IC Engine Piston using CAE Tools", 2014 [14] PGS.TS Trịnh Văn Quang, "Phương pháp sai phân hữu hạn phần tử hữu hạn truyền nhiệt", Bộ môn Kỹ thuật nhiệt, Khoa Cơ khí, Trường Đại học GTVT Hà Nội, 2009 [15] Miao, Yuxi, Zhengxing Zuo, Huihua Feng, Chendong Guo, Yu Song, Boru Jia, Yuyao Guo, "Research on the Combustion Characteristics of a Free-Piston Gasoline Engine Linear Generator during the Stable Generating Process", 2016 [16] Nguyen Ba Hung, Sung Jaewon, Ocktaeck Lim, "A Study of the Scavenging Process in a Two-stroke Free Piston Linear Engine using CFD", 2017 [17] R.Mikalsen, Anthony.P.Roskilly, "The design and simulation of a two-stroke freepiston compression ignition engine for electrical power generation", 2008 [18] R.Mikalsen, Anthony.P.Roskilly, "The control of a free-piston engine generator Part 1: Fundamental analyses and Part 2: Engine dynamics and piston motion control", 2010 [19] M Razali Hanipah, R.Mikalsen, A.P.Roskilly, "Recent commercial free-piston engine developments for automotive applications", 2015 [20] Yaodong Wang, Lin Chena, BoruJia, Anthony Paul Roskilly, "Experimental study of the operation characteristics of an air-driven free-piston linear expander", 2017 [21] Guo Chendong, Zhengxing Zuo, Boru Jiaa, Zhang Ziwei, Feng Huihua, A.P.Roskilly "Parametric analysis of a dual-piston type free-piston gasoline engine linear generator", 2018 [22] Ngơ Ích Sơn, "Tổng quan mô CFD ứng dụng công nghiệp", CFDways Blog, 2020 [23] Tommaso Savioli, "CFD analysis of 2-Stroke engines", Energy Procedia, 2015 213 [24] M.M.Noor, "CFD Simulation and Validation of the In-Cylinder within a Motored Two Stroke SI Engine", International Conference on Science & Technology: Applications in Industry & Education, 2008 [25] Luca Dall’Ora, "Analysis and Design of a Linear Tubular Electric Machine for Freepiston Stirling Micro-cogeneration Systems", 2014 [26] Jacek F Gieras, Zbigniew J Piech, Bronislaw Z Tomczuk, "Linear Synchronous Motors", 2012 [27] Budi Azhari, F Danang Wijaya, Muhammad Rifa’i Putra Sugita, Kukuh Daud Pribadi, "Design Optimization of Quasi-Flat Linear PM Generator for Wave Energy Converter in South Coast of Java Using Flower Pollination Algorithm", 2017 [28] Fransisco Danang Wijaya, Budi Azhari, Harnoko Stephanus, "Optimum Permanent Magnets Configuration in Flat-Quasi Linear Permanent Magnet Generators", 2016 [29] C.A Opera, L Szabo, C.S Martin, "Linear Permanent Magnet Electric Generator for Free Piston Engine Applications", 2012 [30] Xuezhen Wang, Feixue Chen, Renfeng Zhu, Guilin Yang and Chi Zhang, "A Review of the Design and Control of Free-Piston Linear Generator", 2018 [31] Rajkumar Parthasarathy, "Linear PM generator for wave energy conversion", 2017 [32] Evelyn, A Rashid A Azizb, Firmansyah, Ezrann Zharif Zainal Abidind, "A review on the operating characteristics of the free piston engine and its recent developments", 2018 [33] Peter Van Blarigan, "Advanced Internal Combustion Electrical Generator", 2002 [34] Luca Dall'Ora, "Analysis and design of a linear tubular electric machine for free piston stirling micro-cogeneration systems", 2014 [35] O B Noren, R L Erwin, "The Future of the FREE-PISTON ENGINE in Commercial Vehicles", SAE Transactions 66, 1958 214 [36] H T Aichlmayr, "Design Considerations, Modeling, and Analysis of MicroHomogeneous Charge Compression Free-Piston Engines", 2002 [37] P Němeček and O Vysoký, "Control of two-stroke free-piston generator", Proceedings of the 6th Asian Control Conference, Vol.1, 2006 [38] F Mahmudzadeh, J Subramanian and P Famouri, "Experimental Implementation of PLL for Free-Piston Engine Application", IEEE Texas Power and Energy Conference (TPEC), 2021 [39] Terry A Johnson, Michael T Leick, Ronald W Moses, "Experimental Evaluation of a Prototype Free Piston Engine - Linear Alternator (FPLA) System", SAE Technical Paper, 2016 [40] Saiful A Zulkifli, Mohd N Karsiti, A Rashid A Aziz, "Starting of a Free-Piston Linear Engine-Generator by Mechanical Resonance and Rectangular Current Commutation", 2008 [41] TS Nguyễn Văn Trạng, "Nghiên cứu đề xuất phương án thiết kế mẫu động không trục khuỷu", 2020 [42] Đặng Xuân Hòa, Tăng Văn Sang, "Thiết kế, phân tích tối ưu hóa ứng suất nhiệt cụm piston - xylanh động không trục khuỷu", Đồ án tốt nghiệp, 2021 [43] Nguyễn Thanh Phong, Trần Duy Thắng, "Phân tích ứng suất đề xuất giải pháp cải tiến kếu cấu piston động không trục khuỷu", Đồ án tốt nghiệp, 2021 [44] Lê Quốc Tùng, Tô Chương Quang, "Xây dựng mơ hình đánh giá đặc tính q trình nạp động free piston", Đồ án tốt nghiệp, 2021 [45] Lê Phúc Thịnh, Nguyễn Hữu Khiêm, "Chuyên đề động piston tự do", Đồ án tốt nghiệp, 2017 [46] Phan Đức Tiến, Phạm Văn Tuấn, "Máy phát điện tuyến tính động piston tự do", Đồ án tốt nghiệp, 2019 215 S K L 0