Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và áp dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho động cơ không trục khuỷu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN HOÀNG PHÚC

NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU

SKC008611

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀNG PHÚC

NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116

Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Đông Sài Gòn

Cố Vấn Dịch Vụ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây chính là công trình nghiên cứu của tôi Khi thực hiện nghiên cứu này có các kết quả và số liệu được nêu ra và trình bày trong bài báo cáo này chưa được ai công bố ở bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2024 (Ký tên và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên xin cho tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc đế Giáo Viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Trạng – Bộ môn công Nghệ Ô tô – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, Thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn này

Tiếp theo, cho tôi gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến toàn thể Quý Thầy Cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tận tình giúp đỡ chuyên môn và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện nghiên cứu tại Trường

Và tôi cũng Xin cảm ơn Quý Thầy Cô phản biện đã bỏ thời gian, công sức để đọc và đóng góp các ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thiện nội dung của luận văn Tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến toàn thể các bạn cùng khóa, các bạn cùng lớp CKD20 đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm nghiên cứu luận văn này Trong quá trình học tập và nghiên cứu có thể còn nhiều điều sai sót, kính mong nhận được sự chỉ dạy, hướng dẫn nhiệt tình của Quý Thầy Cô và những ý kiến đóng góp quý báu từ bạn bè và đồng nghiệp Đó cũng chính là nguồn động lực để em có thể hoàn thành tốt luận văn này Em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2024 (Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Hoàng Phúc

TÓM TẮT

Nhằm phân tích được sự ảnh hưởng của hệ thống điều khiển phun nhiên liệu điện tử đối với động cơ Piston tự do khi hoạt động so với động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu truyền thống Dựa trên mô hình động cơ không trục khuỷu sử dụng phun nhiên liệu bằng bộ chế hòa khí, để chuyển đổi, cải tiến từ bộ chế hòa khí sử dụng đánh lửa truyền thống sang động cơ không trục khuỷu sử dụng phun nhiên liệu điều khiển bằng điển tử, mô hình thực nghiệm được nghiên cứu và áp dụng nhằm tối ưu khả năng hoạt động của động cơ, giảm lượng tiêu hao nhiên liệu và động cơ có thể duy trì ổn định, Sử dụng Matlab Simulink để xác định được đặc tính ban đầu của kim phun trong một chu kỳ chuyển động của Piston là 0.00162g nhiên liệu Từ đó, bắt đầu tiến hành thực nghiệm và điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu sao cho tỷ lệ giữa xăng và không khí là 14.7:1 khi đó nhiên liệu được nạp vào sẽ đốt cháy hoàn toàn, động cơ được thực nghiệm ở chế độ không tải và góc mở bướm ga là 90o, ở thời gian phun là 0.8 ms, kim phun sẽ phun được 0.00237g nhiên liệu, với lượng nhiên liệu này động cơ có thể hoạt động duy trì ổn định Động cơ sau khi cải tiến có mức độ hoạt động ổn định hơn, khả năng duy trì sau khi khởi động cũng ổn định hơn

ABSTRACT

In order to analyze the influence of the electronic fuel injection control system on the free piston engine when operating compared to the engine using the traditional fuel injection system Based on a crankshaftless engine model using fuel injection using a carburetor, to convert and improve from a carburetor using traditional ignition to a crankshaftless engine using controlled fuel injection Using electronics, experimental models are researched and applied to optimize the engine's performance, reduce fuel consumption and the engine can maintain stability Using Matlab Simulink to determine the characteristics of the engine The initial calculation of the injector in one cycle of piston movement is 0.00162g of fuel From there, experiments began and adjusted the fuel injection time so that the ratio between gasoline and air was 14.7:1, then the loaded fuel would burn completely, and the engine was tested in mode The idle level and throttle opening angle are 90o, at an injection time of 0.8 ms, the injector will inject 0.00237g of fuel, with this amount of fuel the engine can operate stably The improved engine has a more stable operating level and its ability to maintain after starting is also more stable

1.2 Mục tiêu của nghiên cứu……… 2

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước……… 3

1.3.1 Nghiên cứu trong nước……… 3

1.3.2 Nghiên cứu ngoài nước……… 6

1.4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu……… 10

1.5 Phương pháp nghiên cứu……… 10

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn……… 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN……… 13

2.1 Giới thiệu hệ thống phun nhiên liệu điện tử……… 13

2.1.1 Giới thiệu……… 13

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động……… 14

2.1.3 Mô hình điều khiển hệ thống xăng điện tử……… 15

2.2 Nghiên cứu tổng quan về Động cơ piston tự do……… 16

2.2.1 Giới thiệu động cơ piston tự do……… 16

2.2.2 Khái niệm cơ bản về động cơ piston tự do……… 17

2.2.3 Phân loại……… ……… 18

2.2.3.1 Động cơ piston đơn……… 18

2.2.3.2 Động cơ piston kép……… 18

2.2.3.3 Động cơ piston đối lập……… 19

2.2.4 Nguyên tắc hoạt động, Ứng dụng của động cơ piston tự do……… 20

2.2.4.1 Nguyên tắc hoạt động……… 20

2.2.4.2 Ứng dụng của động cơ piston tự do……… 22

2.3 Nghiên cứu thời gian phun nhiên liệu……… 23

2.3.1 Thời gian phun cơ bản……… 23

2.3.2 Thời gian phun hiệu quả……… 24

2.4 Tỷ lệ khí và nhiên liệu……… 25

2.5 Mô hình động lực học……… 28

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN LƯỢNG PHUN NHIÊN LIỆU… 29

3.1 Giới thiệu mô hình động cơ……… 29

3.2 Các thông số đầu vào……… 29

3.3 Cơ sở tính toán và mô phỏng lượng nhiên liệu phun ban đầu……… 30

3.3.1 Cơ sở tính toán……… 30

3.2.2 Mô hình tính toán lượng phun nhiên liệu tối ưu……… 32

3.4 Điều khiển lượng phun nhiên liệu……… 34

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM………36

4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm……… 36

4.2 Kết quả thực nghiệm……… 41

4.2.1 Thực nghiệm đặt tính kim phun nhiên liệu……… 41

4.2.2 Thực nghiệm vị trí và tốc độ Piston……… 44

4.2.3 Thực nghiệm quá trình hoạt động……… 46

4.2.4 Thực nghiệm kết quả điện áp máy phát……… 49

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ……… 51

5.1 Đánh giá kết quả đạt được……… 51

5.2 Hướng phát triển của đề tài……… 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 52

PHỤ LỤC……… 54

NỘI DUNG BÀI BÁO……… 58

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2 1: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ phun xăng điện tử 15

Hình 2 2: Mô hình vật lý của hệ thống phun xăng điện tử 16

Hình 2 3: Cấu tạo piston kép 19

Hình 2 4: Cấu tạo của piston đối lập 20

Hình 2 5: Động cơ piston tự do kiểu piston đơn 21

Hình 2 6: Lưu đồ tính toán thời gian phun hiệu quả 25

Hình 2 7: Sự liên quan giữa tỷ lệ nhiên liệu – khí và hiệu suất của bộ chuyển đổi xúc tác 27

Hình 2 8: Tỷ lệ nhiên liệu khí tương ứng với điều kiện làm việc của động cơ 27

Hình 3 1: Thiết kế mô hình động cơ……… 29

Hình 3 2: Mô hình lưu lượng dòng khí nạp……… 30

Hình 3 3: Đồ thị cảm biến MAP……… 31

Hình 3 4: Giản đồ áp suất ban đầu khi bướm ga mở 900……… 32

Hình 3 5: Mô hình tính toán lượng phun nhiên liệu……… 33

Hình 3 6: Đồ thị khối lượng nhiên liệu được phun trong một chu kỳ chuyển động của Piston……… 33

Hình 3 7: Sơ đồ điều khiển hệ thống phun nhiên liệu……… 34

Hình 4 1: Sơ đồ khối thực nghiệm……… 36

Hình 4 2: Cấu tạo Mô hình thực nghiệm phun xăng điện tử của động cơ không trục khuỷu……… 37

Hình 4 3: Cảm biến xác định hướng dịch chuyển của Piston……… 38

Hình 4 4: Cảm biến tốc độ dịch chuyển và vị trí của piston……… 39

Hình 4 5: Thiết bị NI USB 6212 và hộp điều khiển động cơ……… 39

Hình 4 6: Cơ cấu khởi động động cơ……… 40

Hình 4 7: Bộ phận máy phát điện……… 41

Hình 4 8: Số lần phun nhiên liệu trong 5 giây……… 42

Hình 4 9: Khối lượng nhiên liệu phun được trong 5 giây……… 42

Hình 4 10: Đồ thị khối lượng nhiên liệu cho một lần phun……… 43

Hình 4 11: Vị trí Piston trên thời gian khi động cơ khởi động……… 44

Hình 4 12: Áp suất nén ban đầu bên trong Xylanh 1 và Xylanh 2………44

Hình 4 13: Vận tốc của Piston trên vị trí trong quá trình chuyển giao giữa khởi động và hoạt động……… 46

Hình 4 14: Cảm biến đo tỷ lệ A/F……… 47

Hình 4 15: Tần số chuyển động Piston theo thời gian phun nhiên liệu……… 47

Hình 4 16: Vị trí dịch chuyển của piston trong thời gian 10s……… 48

Hình 4 17: Chu kỳ hoạt động của Piston bị chạm giới hạn hành trình……… 49 Hình 4 18: Điện áp của máy phát điện……… 50

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3 1: Các thông số thiết kế của động cơ……… 30

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

EFI: Electronic Fuel Injection FI: Fuel Injection

SPI: Single Point InjeEtion BPI: BiPoint Injection MPI: Multipoint Injection BDC: Bottom Dead Center TDC: Top Dead Center RPM: Rovolution Per Minute

HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition RCCI: Reactivity Controlled Compression Ignition ECU: Electronic Control Unit

ĐCT: Điểm Chết Trên ĐCD: Điểm chết dưới

CTS: Coolant Temprerature Sensor

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Nhiên liệu hóa thạch đã là nguồn năng lượng chính cho xã hội của chúng ta kể từ thế kỷ 19 Hiện nay, 78% năng lượng trên thế giới được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch Trong khi năng lượng tiêu thụ tăng vọt qua từng năm, Hơn nữa, biến đổi khí hậu liên quan đến việc đốt nhiên liệu hóa thạch đang trở thành một vấn đề cấp bách Các ngành giao thông vận tải chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng mức tăng trưởng trên thế giới tiêu thụ xăng dầu và tiêu thụ năng lượng thế giới trong lĩnh vực giao thông vận tải tiếp tục tăng trung bình 2,2 phần trăm mỗi năm, cùng với sự phát triển của các nghành công nghiệp và công nghệ đã dẫn đến một cuộc khủng hoảng về nhiên liệu, môi trường bị ô nhiễm nặng nề, giá thành của nhiên liệu tăng cao, nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt… đã đặt ra một thử thách vô cùng to lớn đến các nhà nghiên cứu tương lai phát triển động cơ Nhiều nỗ lực nghiên cứu đã được đặt ra làm sao để tạo ra một động cơ với công nghệ mới với hiệu suất cao hơn động cơ thông thường và giảm tối đa lượng khí thải phát sinh ra môi trường Sự ra đời của động cơ piston tự do có thể xem là một giải pháp kịp thời cho vấn đề này, động cơ piston tự do với những tính năng nổi bật như: thiết kế đơn giản, tối ưu hóa quá trình cháy thông qua tỷ lệ nén khác nhau, dẫn đến hiệu quả tải cao hơn và có thể hoạt động nhiều nhiên liệu, giảm tổn thất ma sát do một thiết kế đơn giản với ít bộ phận chuyển động, giảm bớt được sự tác động của lực ngang gây ra khi piston dịch chuyển không có trục khuỷu làm cho quá trình tổn hao công suất giảm đi đáng kể Động cơ piston tự do về cơ bản giống như động cơ đốt trong truyền thống nhưng điểm khác biệt là không có trục khuỷu (sự dịch chuyển của piston không được điều khiển bằng trục khuỷu) mà thay vào đó là sự tương tác lực từ buồng đốt - combustion champer và lực đẩy lại từ buồng đẩy - bounce champer Vì vậy để có thể tối ưu được quá trình phun nhiên liệu cho Động cơ không trục khuỷu cũng đang là một trong những đề tài nghiên cứu được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Phun nhiên liệu đối với Động cơ không trục khuỷu không khác nhiều so với động cơ

truyền thống Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí bằng tia lửa điện (Spark Ignition - SI) đang được dùng phổ biến trên các phương tiện vận tải ngày nay Với tiến bộ của khoa học công nghệ, các hệ thống điều khiển điện - điện tử trên động cơ ô tô đang được cải tiến liên tục nhằm nâng cao hiệu suất động cơ, giảm thiểu phát thải các thành phần độc hại ra môi trường Để đạt được mục tiêu trên, đòi hỏi việc điều khiển hệ thống nhiên liệu động cơ sao cho tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu, không khí phải tối ưu với từng chế độ làm việc của động cơ Ban đầu, việc hòa trộn này nhờ bộ chế hòa khí nhưng có quá nhiều nhược điểm Giải bài toán phức tạp này, hệ thống phun xăng điện tử đã ra đời nhằm khắc phục nhược điểm của bộ chế hòa khí cũng như đạt được mục tiêu mong muốn Trong hệ thống phun xăng điện tử, bộ điều khiển điện tử - ECU đóng vai trò bộ não của hệ thống, tiếp nhận thông tin từ các cảm biến, tính toán tối ưu các thông số để đưa ra quyết định lượng phun, thời điểm phun phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ đốt trong Có nhiều công trình nghiên cứu về mô phỏng và điều khiển hệ thống nhiên liệu động cơ đốt trong như Gogola mô phỏng điều khiển hệ thống nhiên liệu cho động cơ một xi lanh, Mostafa Abdulrahman Kortam, cải tiến hệ thống nhiên liệu diesel truyền thống thành hệ thống nhiên liệu diesel có điều khiển điện tử cho động cơ 4 xi lanh [1] Các nghiên cứu này cơ bản đã hoàn thành mục tiêu đề ra, bên cạnh đó còn hạn chế độ chính xác chưa cao Nhưng để có thể xác định được hiệu quả làm việc của quá trình phun nhiên liệu ta cần phải nghiên cứu kỹ càng hệ thống phun nhiên liệu của Động cơ không trục khuỷu Đặc biệt là hệ thống phun nhiên liệu điện tử và tiến hành nghiên cứu áp dụng hệ thống này Nên đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu và áp dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho động cơ không trục khuỷu’’ được ra đời nhằm mục đích chính là giải quyết các vấn đề cấp bách nêu trên

1.2 Mục tiêu của nghiên cứu

❖ Mục tiêu nghiên cứu tổng thể: Nghiên cứu và áp dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho Động cơ không trục khuỷu thay bộ chế hòa khí

❖ Mục tiêu nghiên cứu cụ thể: xác định được tính hiệu quả của hệ thống phun nhiên liệu điện tử so với các hệ thống phun nhiên liệu khác trên động cơ không trục khuỷu Và tiến hành áp dụng vào thực tế, sự trộn hòa khí hỗn hợp và quá trình đốt cháy sẽ cho ta thấy được hiệu quả hệ thống phun nhiên liệu điện tử của động cơ không trục khuỷu, qua đó làm tăng hiệu quả kinh tế, giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu khi đưa vào khai thác sử dụng và tránh ô nhiễm môi trường do sử dụng hệ thống phun nhiên liệu khác.

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1.3.1 Nghiên cứu trong nước

Gần đây các công ty và tập đoàn sản xuất ô tô trên thế giới đang ngày một có xu hướng phát triển theo hướng xe điện và xe lai Đặc biệt ở nước ta thị trường xe ô tô điện cũng càng ngày càng phát triển mạng mẽ, nhưng để đáp ứng được nhu cầu đó thì các Trung tâm nghiên cứu và các nhà nghiên cứu không ngừng phát triển và cải tiến mới ví dụ: Các Nghiên cứu về động cơ Hydrid, Các nghiên cứu về Động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học, và đặc biệt là nghiên cứu về động cơ piston tự do Các nhà nghiên cứu trong nước chủ yếu là các nhà khoa học từ các trường Đại học lớn: Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Đại Học Bách Khoa Tp HCM, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM…Tuy nhiên hiện tại thì các nghiên cứu hiện vẫn còn rất khiêm tốn và vẫn chưa có được các công bố từ những nguồn chính thức Ngoài ra Việt Nam vẫn đang là một nước nông nghiệp, nên lượng nhiên liệu dầu mỏ rất khang hiếm Chính vì vậy, đề tài “ NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU” là rất cần thiết cho ý nghĩa khoa học, vừa giải được vấn đề tiết kiệm mức tiêu hao nhiên liệu, vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường Chính vì thế đề tài không những góp phần quan trọng trong việc cải tiến và phát triển động cơ không trục khuỷu, đồng thời còn giải quyết vấn đề nguồn nhiên liệu cạn kiệt và ô nhiễm môi trường

Nguyên cứu đầu tiên là của tác giả Hồ Văn Phúc với tựa đề “ Nghiên cứu mô phỏng đặc tính công suất động cơ Free Piston sử dụng Biogas” [2] Đề tài thực hiện việc nghiên cứu và xây dựng mô hình mô phỏng về ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần CH4

trong Biogas đến đặc tính công suất động cơ Free Piston hai kỳ loại đối đỉnh Các trường hợp sử dụng Biogas với tỉ lệ thành phần 40% CH4, 50% CH4, 60% CH4, 70% CH4, 100% CH4 được chọn làm điểm mô phỏng cho 5 điểm tốc độ động cơ f = 16.7 Hz; 33.3 Hz; 50 Hz; 66.7 Hz và 83.3 Hz Kết quả cho thấy rằng mặc dù lượng khí nạp mới được cải thiện khi sử dụn Biogas với tỉ lệ phần trăm CH4 thấp, hiệu suất nạp lại giảm, cụ thể, khi %CH4 giảm từ 100% đến 40% tại f = 83.3 Hz hiệu suất nạp giảm từ 0.8518 đến 0.7673, giảm 11.01% Áp suất cháy cực đại tại cùng 1 tốc độ là cao nhất khi sử dụng Biogas với thành phần 100% CH4 (~ 4 Nm/m2 tại f = 83.3 Hz), đồng thời tốc độ cháy càng cao khi sử dụng Biogas có thành phần CH4 càng lớn Từ áp suất xylanh, đặc tính công suất chỉ thị của động cơ theo tốc độ ở các trường hợp %CH4

được xây dựng

Nghiên cứu thứ 2 là của tác giả Nguyễn Huỳnh Thi và Cộng sự với tựa đề “ Nghiên cứu sơ bộ hệ thống đánh lửa bằng tia lửa điện cho động cơ thẳng piston tự do” Trong những năm gần đây, động cơ tuyến tính piston tự do (FPLE) đã và đang được sự thu hút và quan tâm ngày càng cao của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới Với sự phát triển của công nghệ điều khiển máy tính, công nghệ động cơ đốt trong, và khoa học vật liệu, đã có những tiến bộ đáng kể trong các khía cạnh mô phỏng FPLE, kỹ thuật thực nghiệm, cũng như hệ thống điều khiển FPLE Bài báo này trình bày một nguyên mẫu của động cơ hai thì, đánh lửa tự do bằng tia lửa điện được chuyển đổi từ hai động cơ hai thì cỡ nhỏ Nó có kích thước lỗ khoan là 34 mm và hành trình tối đa là 28 mm Động cơ tuyến tính được cung cấp nhiên liệu bằng propan Mục đích của nghiên cứu là tạo ra một nguyên mẫu của hệ thống khởi động và điều tra ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa và áp suất hiệu quả Không khí và nhiên liệu được trộn sẵn bởi bộ chế hòa khí sau đó chúng được cung cấp trực tiếp vào mỗi xi lanh Thời điểm đánh lửa được

thay đổi ở mức 1 mm và 2 mm so với tâm điểm chết trên cùng tối đa với tốc độ bắt đầu từ 10 Hz Nguyên mẫu đánh lửa thành công với áp suất tối đa 7,5Kg/cm2 khi đánh lửa trước điểm chết trên (ĐCT) 1mm và 9,5Kg/cm2 khi đánh lửa trước ĐCT 2mm Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu ban đầu như khảo sát lý thuyết, tính toán, xác định kiểu động cơ, cơ cấu khởi động Kết quả sơ bộ đã khẳng định được tính khả thi của đề tài và đề xuất mô hình FPLE [3]

Nghiên cứu thứ 3 của tác giả Nguyễn Huỳnh Thi “Nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm động cơ đốt trong không trục khuỷu” Nghiên cứu này sẽ tập trung vào FPEG loại piston kép đánh lửa cưỡng bức Một cơ cấu khởi động cơ khí được đề xuất áp dụng cả 2 chiến lược nêu trên, cơ cấu có khả năng đưa piston đi hết hành trình và dao động tuyến tính Các nội dung chính của quá trình nghiên cứu như sau:

• Nghiên cứu cơ sở lý thuyết động cơ piston tự do kép đánh lửa cưỡng bức • Đề xuất, thiết kế mô hình động cơ piston tự do kép đánh lửa cưỡng bức • Mô phỏng ứng suất của cụm piston-xylanh

• Mô phỏng quá trình quét khí và quá trình nén

• Chế tạo mô hình và đề xuất chiến lược điều khiển động cơ piston tự do • Thực nghiệm một số thông số quá trình khởi động [4]

Nghiên cứu thứ 4 là luận văn thạc sĩ của tác giả ThS Đào Hữu Huy "Tính toán, thiết kế hệ thống đánh lửa cho động cơ không trục khuỷu" Tác giả đã thiết kế hệ thống đánh lửa cho động cơ FPLE và tiến hành quá trình mô phỏng cũng như thực nghiệm về thời điểm đánh lửa Kết quả thời điểm đánh lửa tối ưu nhất 2mm trước ĐCT với áp suất cực đại 9,5 Kg/cm2 Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink để mô hình hóa áp suất xylanh theo thời điểm đánh lửa [5]

Nghiên cứu tiếp theo là của tác giả ThS Huỳnh Văn Lộc với tựa đề “Một đề xuất nghiên cứu ban đầu của động cơ đốt trong không trục khuỷu hai kỳ.” Ở nghiên cứu này tác giả đã 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 Cụ thể trong nghiên cứu

này, tác giả đề xuất mẫu động cơ pít tông tự do hai thì, pít tông kép 2 buồng đốt Động cơ có công suất 1,5 kW, có đường kính pít tông 34 mm, hành trình tối đa 28 mm và đánh lửa cưỡng bức Từ mô hình có sẵn tiến hành đề xuất chế tạo mô hình thực tế để lấy số liệu kiểm tra tính hợp lý các thông số Các kết quả sơ bộ về thiết kế và tính toán của động cơ pít tông tự do được hiển thị và các công trình tiếp theo được khuyến nghị Bài báo đề xuất một mẫu FPE đơn giản với khởi động bằng cơ khí Một số kết quả ban đầu cho thấy động cơ có thể hoạt động ổn định ở tốc độ 0,4 m/s với áp suất nén cực đại 4,0 –4,5 kg/cm2, thời gian đạt được áp suất cực đại tương đối ngắn trong khoảng 2s Như vậy, động cơ có thể đảm bảo các quá trình của động cơ 2 thì Việc sử dụng mô tơ giúp FPE khởi động ởtốc độ ổn định và dễ dàng điều khiển Ngoài ra với cơ cấu này có thể giúp nghiên cứu động cơ đốt trong không trục khuỷu kết hợp với máy phát điện tuyến tính mà không cần động cơ hoạt động Áp suất ở hai đầu xi lanh khác nhau là vấn đề cần phải giải quyết trong thời gian tới Thực tế, mẫu động cơ đã bắt đầu thử nghiệm đánh lửa cưỡng bức trong quá trình khởi động và đã thành công trong một vài chu kỳ nhưng cần phải nghiên cứu tối ưu hơn [6]

1.3.2 Nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu đầu tiên là của YJ Jiang và Cộng sự với tựa đề “ Nghiên cứu hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử của động cơ xăng dựa trên GT-POWER và MotoHawk” Dựng mô hình động cơ LJ465Q bằng phần mềm GT-POWER và tiến hành vận hành mô phỏng để lấy thang phun xăng cơ bản, sau đó hoàn thiện công việc Modeling, code, viết chổi ECU và cân chỉnh bằng công cụ tạo mẫu nhanh MotoHawk và MotoTune, chạy thử xác minh và hiệu chuẩn tối ưu Thực nghiệm cho thấy phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng phần mềm và thử nghiệm phần cứng giúp giảm số lượng bài kiểm tra băng ghế dự bị, rút ngắn chu kỳ phát triển và giảm chi phí phát triển Công nghệ điều khiển điện tử động cơ đã trở thành một trong những công nghệ then chốt để giải quyết các vấn đề về năng lượng và khí thải Để phát triển hệ thống kiểm soát nhiên liệu ô tô, việc sử dụng rộng rãi hơn nguyên mẫu nhanh công cụ phù

hợp với mô hình V để thực hiện nghiên cứu Trong quá trình phát triển, bộ điều khiển cần rất nhiều dữ liệu cơ bản, nhưng dữ liệu phải được kiểm tra thông qua một số lượng lớn các thử nghiệm, do đó, bộ điều khiển sẽ mất một chu kỳ phát triển dài và chi phí cao Phải có phương pháp kết hợp mô phỏng phần mềm và phần cứng thực nghiệm đã xây dựng mô hình mô phỏng động cơ bằng phần mềm GT-POWER và tiến hành vận hành để đạt được quy mô phun nhiên liệu cơ bản, và sau đó hệ thống kiểm soát nhiên liệu động cơ được phát triển dựa trên MotoTron [7]

Nghiên cứu thứ 2 là của Kurt Wihelm (1998) với tựa đề “Hệ thống phun cho động cơ piston tự do” Đối tượng của sáng chế là cung cấp một hệ thống kim phun cải tiến loại bỏ các nhược điểm đã nêu ở trên Cụ thể, sáng chế đề xuất một hệ thống kim phun cải tiến thuộc loại đã mô tả ở trên, có cấu tạo khá đơn giản, nhưng cần rất ít năng lượng để vận hành và tận dụng các đặc tính vật lý của pít-tông tự do động cơ Những đối tượng này và những đối tượng khác sẽ trở nên rõ ràng sau đây, đạt được theo sáng chế hiện tại bằng cách cung cấp một bơm phun có cấu tạo như một bơm pít-tông tự do và được lắp trong pít-tông của động cơ hoặc trong đầu xi-lanh dao động với động cơ theo hướng dọc trục và được điều khiển bởi lực quán tính khối lượng Cấu trúc này sử dụng đầy đủ các đặc tính vật lý của động cơ pít-tông tự do Bơm pít-tông có thiết kế đơn giản và tạo ra - mà không cần điều khiển bổ sung - áp suất cần thiết vào đúng thời điểm Liên quan đến động cơ pít-tông tự do tác động đơn và nhỏ, đặc biệt có thể bỏ qua thiết bị thủy lực phía sau để hạn chế hành trình vì pít-tông giới hạn chạm xuống ở tốc độ thấp Tùy thuộc vào kích thước và thiết kế của động cơ, lượng nhiên liệu phun vào có thể được kiểm soát bằng cách cung cấp cho pít-tông bơm các vòng xoắn (các cạnh điều khiển nghiêng) và xoay pít-tông bơm quanh một trục theo hai hướng Nếu chọn các vòi phun có thể truyền động bên ngoài hoặc nếu cần đánh lửa bằng điện, thì có thể lắp đặt một hoặc nhiều bộ phận áp điện để cung cấp điện áp cần thiết vào đúng thời điểm Một điều thuận lợi là có thể phun ít nhiên liệu hơn vào buồng làm việc của động cơ nếu độ nén rất cao, chỉ cần lắp vào buồng làm việc của máy bơm một van an toàn có

xu hướng lò xo thích ứng để mở tùy thuộc vào áp suất Nếu mức độ quay của pít-tông bơm và do đó lượng nhiên liệu phun được xác định bởi chênh lệch áp suất, thì áp suất chênh lệch có thể được tác động thuận lợi bởi một van pít-tông thiên về lò xo đơn giản, mà không yêu cầu công nghệ cảm biến và thiết bị điều khiển đắt tiền, vì van được điều khiển bởi lực quán tính của khối lượng trọng lượng của pít-tông van và do đó mở ra theo cách không phụ thuộc vào áp suất [8]

Nghiên cứu thứ 3 là của Ralph J Hooker (1949) với tựa đề “Hệ thống phun nhiên liệu điều khiển bằng áp suất cho động cơ piston tự do” Sáng chế này liên quan đến một hệ thống phun nhiên liệu được kích hoạt bằng áp suất được điều chỉnh đặc biệt cho các bộ pít-tông tự do trong động cơ đánh lửa do nén, trong nhiều trường hợp, nhiên liệu được phun ở áp suất nén định trước sẽ có lợi Điều này đã được thực hiện bằng cách bố trí thiết bị phun nhiên liệu sao cho dòng nhiên liệu vào xi lanh động cơ sẽ diễn ra dưới sự kiểm soát của một van phản ứng với áp suất bên trong xi lanh động cơ Một tính năng của phát minh này là sự truyền động của pít tông bơm bằng áp suất từ xi lanh động cơ tính năng là sự sắp xếp của thiết bị, sao cho pít tông phun được di chuyển nhanh chóng trên đường phun khi đạt đến áp suất nén định trước Pít-tông tự do thường có lò xo không khí có chức năng di chuyển các pít-tông của động cơ trong hành trình nén Những lò xo không khí này có thể là một phần của các bộ phận máy nén hoặc có thể tách riêng các lò xo không khí Trong cả hai trường hợp, áp suất không khí trong lò xo không khí cao nhất vào cuối hành trình công suất của pít-tông động cơ, tại thời điểm đó áp suất trong xi-lanh động cơ ở mức thấp nhất Một đặc điểm của sáng chế này là việc sử dụng áp suất như từ lò xo không khí để đưa pít tông phun trở lại hành trình nạp Người ta sẽ hiểu rằng thay vì áp suất lò xo không khí, anh ta có thể sử dụng áp suất bên trong xi lanh máy nén Hình minh họa của sáng chế là một cơ cấu để điều chỉnh lượng hành trình bao gồm hoặc mỗi hành trình của pít tông bằng cách hạn chế hành trình của pít tông Các đối tượng và ưu điểm khác sẽ được thể hiện rõ ràng từ đặc

điểm kỹ thuật và yêu cầu bảo hộ cũng như từ các hình vẽ kèm theo minh họa một phương án của sáng chế [9]

Nghiên cứu thứ 4 là của L.M Das và Cộng sự với tựa đề “Đánh giá hiệu suất của tia lửa nhiên liệu hydro động cơ đánh lửa sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển bằng điện tử“ Bài báo này thảo luận về sự phát triển của hệ thống phun khí điều khiển bằng điện tử cho động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng nhiên liệu hydro Do các đặc tính đốt cháy điển hình của nó, chế độ cung cấp nhiên liệu đóng một vai trò quan trọng đối với hoạt động thực tế của động cơ hydro Hệ thống được phát triển phải có đủ tính linh hoạt để cung cấp hỗn hợp thích hợp vào động cơ tại điểm thích hợp trong hoạt động của chu kỳ động cơ Công việc hiện tại mô tả chi tiết các cân nhắc thiết kế của hệ thống phun điện từ được điều khiển bằng điện tử Có thể đạt được các điều kiện giúp động cơ hoạt động trơn tru mà không gặp bất kỳ vấn đề nào về cháy ngược, va đập hoặc tốc độ tăng áp suất nhanh Các đặc tính hiệu suất và khí thải của động cơ được xác định trong các điều kiện vận hành khác nhau [10]

Nghiên cứu tiếp theo là của tác giả Chenheng Yuan và cộng sự với tựa đề “Tác động động học kết hợp của sự thay đổi quá trình đốt cháy đến độ ổn định trao đổi khí của một động cơ tuyến tính piston tự do” Ảnh hưởng của sự thay đổi quá trình cháy, bao gồm cả vị trí đánh lửa và thời gian cháy, quá trình trao đổi khí của FPLE đã được nghiên cứu ở công việc này và đưa ra được các kết quả là: Sự thay đổi quá trình đốt cháy có ảnh hưởng đáng kể đến chuyển động của piston điều kiện và điều kiện khí trong xi lanh để trao đổi khí Khả năng đánh lửa chậm và thời gian cháy kéo dài mang lại FPLE với khoảng cách di chuyển piston dài hơn, cung cấp đủ lượng khí nạp thời gian cho quá trình trao đổi khí, mặc dù tổng lượng trao đổi khí thời gian có thể ít hơn Thứ 2 Ở giai đoạn xả cưỡng bức trước khi van nạp mở, vị trí đánh lửa trung bình và cung cấp thời gian cháy FPLE với áp suất và nhiệt độ thấp hơn, điều này không tạo điều kiện thuận lợi hơn xả hoàn toàn ở giai đoạn này Tuy nhiên, do ảnh hưởng của tổng thời gian trao đổi khí và thời gian nạp, lượng khí thải còn lại trong xi lanh khi kết

thúc quá trình trao đổi khí bị suy giảm rõ ràng Thứ 3 là Trì hoãn quá trình đánh lửa và kéo dài thời gian cháy là có lợi cho việc mang lại FPLE với thời gian tiếp nhận phù hợp, từ đó dẫn đến sự gia tăng khối lượng dòng khí nạp, mang lại hiệu quả tích cực có tác dụng nâng cao hiệu quả thu gom và nạp mới trong xi lanh, và thúc đẩy việc giảm khí thải dư trong trụ nhưng cũng không tránh khỏi dẫn đến hiệu quả bẫy bị suy giảm Thứ 4 là để đạt được hiệu quả thu hồi cao hơn và nhiều điện tích mới trong xi-lanh hơn, nên trì hoãn việc đánh lửa và kéo dài thời gian thời gian đốt để góp phần thu được đủ lượng thời gian và khối lượng dòng khí nạp, đây cũng là phương pháp để giảm khí thải còn sót lại trong xi lanh, mặc dù nó có thể làm giảm hiệu suất bẫy và hiệu suất động cơ [11]

1.4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

❖ Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài này là: Nghiên cứu và áp dụng hệ thống điều khiển phun nhiên liệu điện tử cho động cơ không trục khuỷu Cụ thể là chúng ta tiến hành nghiên cứu các cơ sở dữ liệu, tính toán trên phần mềm, và tiến hành áp dụng hệ thống điều khiển phun nhiên liệu điện tử cho động cơ không trục khuỷu để có thể thay thể cho bộ phun nhiên liệu bằng chế hòa khí đánh lửa bằng phương pháp truyền thống giúp cho động cơ hoạt động đạt được hiệu suất tối ưu nhất

❖ Phạm vi nghiên cứu chính của đề tài là: Nghiên cứu và áp dụng được hệ thống điều khiển phun nhiên liệu điện tử cho động cơ không trục khuỷu, để có thể cải tiến và thay thế được cho động cơ không trục khuỷu sử dụng phương pháp phun nhiên liệu truyền thống bộ chế hòa khí

1.5 Phương pháp nghiên cứu

❖ Phương pháp nghiên cứu từ những tài liệu tham khảo như: Tiến hành thu thập và sàn lọc dữ liệu chủ yếu về động cơ không trục khuỷu và phun nhiên liệu điện tử cho động cơ 2 kỳ, dữ liệu được sử dụng các nguồn dữ liệu có sẵn, thông tin có sẵn và được chứng minh từ các nguồn gốc chính thống khác nhau

❖ Phương pháp tổng hợp các cơ sở lý thuyết về động cơ không trục khuỷu và hệ thống phun nhiên liệu điện tử từ đó tiến hành phân tích kết hợp với những mô hình thực nghiệm có liên quan để làm cơ sở lý thuyết ban đầu cho quá trình nghiên cứu và áp dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho động cơ không trục khuỷu

❖ Phương pháp nghiên cứu tài liệu: nghiên cứu các tài liệu có liên quan về mô hình động cơ piston không trục khuỷu, nghiên cứu về hệ thống điều khiển phun nhiên liệu, đánh lửa điện tử, lý thuyết về chu trình thử nghiệm và cơ sở lý thuyết về tính hiệu suất và hiệu quả hoạt động của động cơ, tính toán tiêu hao nhiên liệu của động cơ, Nghiên cứu về hiệu quả của hệ thống phun nhiên liệu điện tử trên đông cơ

❖ Sử dụng công cụ trong phần mềm Ansys và Matlab Simulink để mô phỏng sự thay đổi các thông số của hệ thống phun nhiên liệu Từ các kết quả thu được ta rút ra các nhận xét và đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống phun nhiên liệu điện tử động cơ không trục khuỷu và mức tiêu hao nhiên liệu, nhằm giảm thiểu tối đa

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

❖ Ý nghĩa khoa học: Cho ta thấy được hiệu quả của hệ thống điều khiển phun nhiên liệu điện tử được áp dụng trên động cơ không trục khuỷu so với động cơ truyền thống trên ô tô, được xây dựng dựa trên phương pháp thực hiện các bài toán động cơ Từ đó, cho ta cơ sở để so sánh ưu nhược, điểm và hiệu quả hoạt động của hai động cơ trên khi sử dụng hệ thống điều khiển phun nhiên liệu điện tử

❖ Ý nghĩa thực tiễn: Mô hình nghiên cứu thực nghiệm được xây dựng là dựa trên những kết quả tính toán làm cơ sở lý thuyết ban đầu để xác định các thông số của hệ thống điều khiển phun nhiên liệu điện tử và áp suất ban đầu sao cho phù hợp giúp tăng tối đa hiệu suất cháy, giảm thiểu mức nhiên liệu tiêu và giảm gây

ra ô nhiễm môi trường và tăng được hiệu suất làm việc của động cơ Mặt khác, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm sẽ là tài liệu tham khảo đáng giá cho các đối tượng quan tâm khi nghiên cứu và học tập trong cùng một lĩnh vực

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Giới thiệu hệ thống phun nhiên liệu điện tử

2.1.1 Giới thiệu

Hiện nay trên thế giới các nghiên cứu về Động cơ Piston không trục khuỷu đa phần hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa thông thường, tuy nhiên nó sẽ có nhiều nhược điểm như:

• Tỷ lệ hòa khí sẽ phụ thuộc chủ yếu vào áp suất trên đường ống nạp và tốc độ hoạt động của động cơ, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ, độ mở bướm ga và nhiệt độ khí nạp…Khi cơ cấu điều khiển phun nhiên liệu bằng cơ khí sẽ không xác định được chính xác lượng nhiên liệu phun vào để cho phù hợp với chế độ hoạt động của động cơ

• Góc đánh lửa sớm được giữ cố định nên không phù hợp với tải trọng và tốc độ của động cơ

• Do sử dụng họng tiết lưu nên dễ làm tổn thất cơ khí và giảm hệ số nạp của động cơ

Cùng với sự phát triển của Động cơ không trục khuỷu thì hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ cũng ngày càng phát triển theo để có thể đảm bảo yêu cầu về giảm khí thải, giảm ô nhiễm môi trường, tiết kiệm được tối đa nhiên liệu,…Trong suốt thời gian qua hệ thống phun nhiên liệu trên động cơ truyền thống đã thay đổi rất nhiều, những yêu cầu cho nó cũng ngày càng khắt khe hơn, cùng với đó thì bộ chế hòa khí cũng ngày càng phức tạp hóa hơn để đảm bảo được động cơ hoạt động hiệu quả nhất Tuy nhiên bộ chế hòa khí cũng tồn tại một số khuyết điêm không thể khắc phục Và đó cũng là nguyên nhân hệ thống phun nhiên liệu điện tử ra đời, ngày nay trên động cơ hầu hết đều dùng hệt thống phun nhiên liệu điện tử để đáp ứng được yêu cầu khắt khe về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu Không chỉ riêng động cơ đốt trong truyền thống mà đối với động cơ không trục khuỷu cũng vậy khi sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử sẽ có nhiều ưu điểm nổi bật như:

• Hỗn hợp nhiên liệu và không khí ở các xy lanh là đồng đều

• Tỷ lệ hòa khí và nhiên liệu chính xác ở từng dải tốc độ hoạt động của động cơ • Lượng nhiên liệu phun vào sẽ được thay đổi kịp thời và chính xác khi thay đổi

• Giảm thiểu gây ra ô nhiễm môi trường hơn.

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hệ thống phun xăng điện tử gồm có: Kim phun điện tử, Các cảm biến tín hiệu như cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến lưu lượng khí nạp, độ mở bướm ga, hộp điều khiển động cơ (ECU), các cảm biến này sẽ thu thập tín hiệu và các giá trị tín hiệu sẽ được truyền đến ECU để xuất tín hiệu điều khiển tới các bộ phận chấp hành để đảm bảo độ hoạt động chính xác, trên đường ống xả cảm biến λ được lắp đặt có chức năng ghi nhận tỷ lệ không khí và nhiên liệu ở mỗi chế độ hoạt động để thay đổi lượng phun nhiên liệu và tốc độ động cơ cho phù hợp [12]

Hình 2 1: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ phun xăng điện tử

Khác với hệ thống bộ chế hòa khí, hệ thống phun nhiên liệu điện tử sẽ có thêm một số bộ phận như:

• Các cảm biến: Tiếp nhận các thông số của động cơ

• Bộ điều khiển: Nhận tín hiệu từ các cảm biến, điều khiển vòi phun để hòa khí có tỷ lệ phù hợp với chế độ làm việc của động cơ

• Vòi phun: Phun nhiên liệu điều khiển bằng tín hiệu điện tử

• Bơm Nhiên liệu: Đưa nhiên liệu từ bình nhiên liệu đến vòi phun với áp suất nhất định

Nhiên liệu được phun phụ thuộc vào lượng không khí nhận được tại các cảm biến đo lưu lượng gió được chuyển hóa thành điện áp, điện áp này sẽ gửi tín hiệu đến ECU như một tín hiệu Lúc này tín hiệu đánh lửa sơ cấp theo số vòng quay của động cơ cũng được gửi đến ECU, sau đó sẽ tính toán cần bao nhiên lượng nhiên liệu cho lượng khí đó và thông báo đến mỗi vòi phun bằng thời gian mở van điện Khi van điện của vòi phun mở ra, nhiên liệu sẽ được phun vào đường ống nạp [13]

2.1.3 Mô hình điều khiển hệ thống xăng điện tử

Hình 2 2: Mô hình vật lý của hệ thống phun xăng điện tử

Xuất phát từ cấu trúc và phân tích đặc điểm làm việc của hệ thống phun xăng EFI, làm cơ sở xây dựng mô hình vật lý của hệ thống, đảm bảo các tính năng làm việc của hệ thống Các thành phần được tìm hiểu, phân tích và kết hợp với nhau thành mô hình vật lý như hình 2.2 Bao gồm các cảm biến giám sát các thông số của động cơ: tốc độ, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng khí nạp đây là các thông số cần thiết cho quá trình tính toán thời điểm phun nhiên liệu[14]

2.2 Nghiên cứu tổng quan về Động cơ piston tự do 2.2.1 Giới thiệu động cơ piston tự do

Sử dụng rộng rãi nhiên liệu hóa thạch làm nguồn năng lượng cho cả hai vận tải đường biển và đường bộ dẫn đến một lượng đáng kể của CO2 và các chất ô nhiễm khác đang được sản xuất Nhiều nghiên cứu, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô, là được thực hiện để phát triển thân thiện hơn với môi trường dây chuyền nhiên liệu, và xe chạy pin nhiên liệu nổi bật như một vũ hội công nghệ cho tương lai Mặc dù vượt trội về hiệu quả của phương tiện, nhưng các rào cản thực hiện đối với sự thay đổi công nghệ triệt để như vậy là rất lớn, và chuỗi nhiên liệu hoàn chỉnh (well-to-wheel) hiệu quả vẫn chưa vượt trội so với của công nghệ thông thường Xe điện hybrid được cung cấp bởi động cơ đốt trong thông thường có tiềm năng đạt được mức giảm phát thải lớn trong một thời gian ngắn hơn đáng kể Sau khi bị bỏ rơi vào giữa thế kỷ 20, free-piston động cơ đang được điều tra bởi một số nghiên cứu nhóm trên toàn thế giới như một sự thay thế cho động cơ thông thường tổ máy phát điện hoặc để tạo ra năng lượng thủy lực khi ở đường cao tốc Lợi thế tiềm năng của piston tự do động cơ bao gồm quá trình đốt cháy được tối ưu hóa thông qua biến tỷ lệ nén, dẫn đến hiệu quả tải bộ phận cao hơn và khả năng vận hành đa nhiên liệu và giảm ma sát tổn thất do thiết kế đơn giản với ít bộ phận chuyển động Tài liệu này đánh giá lịch sử của piston tự do động cơ tập trung vào các ứng dụng gần đây và đầu tư mở ra tiềm năng của động cơ piston tự do như một giải pháp thay thế sang công nghệ thông thường Nó là kết quả của một quá trình mở rộng nghiên cứu cơ bản về chủ đề này và sẽ được theo dõi bằng một nghiên cứu thiết kế chi tiết hơn và sự phát triển của một động cơ nguyên mẫu[13]

2.2.2 Khái niệm cơ bản về động cơ piston tự do

Do bề rộng của thời hạn piston tự do, nhiều động cơ cấu hình sẽ thuộc danh mục này Piston tự do thuật ngữ được sử dụng phổ biến nhất để phân biệt động cơ tuyến tính từ động cơ trục khuỷu quay Piston được gọi là “Tự do” bởi vì chuyển động của nó không bị giới hạn bởi vị trí của một trục khuỷu quay, như được biết đến từ các động cơ thông thường, nhưng chỉ được xác định bởi sự tương tác giữa các chất khí và tải các lực tác dụng lên nó Điều này mang lại cho động cơ piston tự do một số đặc điểm khác

biệt, bao gồm độ dài hành trình thay đổi và nhu cầu để điều khiển chủ động chuyển động của piston Các tính năng quan trọng khác của động cơ piston tự do là khả năng giảm tổn thất ma sát và các khả năng để tối ưu hóa hoạt động của động cơ sử dụng tỷ lệ nén thay đổi

2.2.3 Phân loại

Động cơ piston tự do thường được chia thành ba loại: piston đơn, piston kép, piston đối lập

2.2.3.1 Động cơ piston đơn

Một động cơ piston tự do có piston đơn được thể hiện trong Về cơ bản động cơ bao gồm ba phần: xi lanh đốt cháy, thiết bị nạp và thiết bị thu hồi lưu trữ năng lượng cần thiết để nén lần nạp xi lanh tiếp theo Trong động cơ được hiển thị, các xi lanh thủy lực đóng vai trò vừa là thiết bị sạc vừa phục hồi, nhưng trong các thiết kế khác, đây là hai thiết bị riêng biệt, chẳng hạn như bộ phận dẫn động máy phát điện và một buồng chứa đầy không khí.) Được thiết kế một cách đơn giản nhất và khả năng điều khiển cao là điểm mạnh của thiết kế piston đơn so với các thiết kế khác có cấu hình động cơ piston tự do Một thiết bị phục hồi có thể cung cấp khả năng kiểm soát chính xác lượng năng lượng đưa vào quá trình nén và điều chỉnh tỷ lệ nén và độ dài hành trình

2.2.3.2 Động cơ piston kép

Cấu hình piston kép (hoặc buồng đốt kép), được hiển thị trong (Hình 2.3), đã là chủ đề cho hầu hết các nghiên cứu gần đây về công nghệ động cơ piston tự do Một số thiết kế piston kép đã được đề xuất và một vài nguyên mẫu đã xuất hiện, cả với thủy lực và điện sản lượng điện Cấu hình động cơ piston kép loại bỏ nhu cầu về một thiết bị phục hồi, vì bất kỳ lúc nào piston làm việc cung cấp công việc để dẫn động lực nén quá trình trong xi lanh còn lại Điều này cho phép đơn giản và thiết bị nhỏ gọn hơn với tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao hơn

Hình 2 3: Cấu tạo piston kép

Một số vấn đề với thiết kế piston kép, tuy nhiên, đã được báo cáo Việc kiểm soát chuyển động của piston, đặc biệt là chiều dài hành trình và tỷ số nén, đã chứng minh Điều này là do thực tế là quá trình đốt cháy trong một xi lanh dẫn động, lực nén bên trong xi lanh, và những thay đổi nhỏ trong quá trình đốt cháy sẽ có ảnh hưởng lớn vào lần nén tiếp theo Đây là một thách thức kiểm soát vì vậy quá trình đốt cháy phải được kiểm soát một cách chính xác theo thứ tự để tối ưu hóa lượng khí thải và đạt được hiệu quả cao

2.2.3.3 Động cơ piston đối lập

Một động cơ không có piston đối nghịch về cơ bản bao gồm của hai đơn vị piston đơn với một đốt chung buồng Mỗi piston yêu cầu một thiết bị phục hồi, và một thiết bị tải có thể được ghép nối với một hoặc cả hai piston (Hình 2.4) cho thấy một động cơ không có pít-tông ngược, với một cơ cấu đồng bộ hóa piston cơ khí Nguyên tắc piston đối lập hầu như chỉ được sử dụng trong các thiết kế động cơ piston tự do ban đầu (1930–1960), và các liên kết cơ học kết nối hai piston với đảm bảo chuyển động của piston đối xứng, như minh họa trong hình Những động cơ này hoạt động thành công

như máy nén khí và sau này là máy tạo khí trong các nhà máy quy mô lớn, thường có số lượng tổ máy cấp cho một tuabin công suất Ưu điểm chính của cấu hình piston đối nghịch là thiết kế cân bằng hoàn hảo và không rung Tính năng này không được chia sẻ bởi bất kỳ piston tự do nào khác cấu hình, cần các phương tiện kiểm soát thay thế rung động Một lợi thế khác của piston đối nghịch thiết kế là giảm tổn thất truyền nhiệt do trái ngược xi lanh piston (loại bỏ đầu xi lanh), và điều này cũng cho phép sử dụng tính năng nhặt rác uniflow, mang lại khả năng nhặt rác cao hiệu quả

Sự cần thiết tuyệt đối cho một cơ chế đồng bộ hóa piston là nhược điểm quan trọng nhất của người chống đối thiết kế piston Điều này, cùng với nhu cầu về một bộ kép của các thành phần chính, làm cho động cơ trở nên phức tạp và cồng kềnh [15]

Hình 2 4: Cấu tạo của piston đối lập

Bounce chamber: buồng đẩy

Combustion chamber: buồng đốt chung Piston synchronization: liên kết cơ khí

2.2.4 Nguyên tắc hoạt động, Ứng dụng của động cơ piston tự do

2.2.4.1 Nguyên tắc hoạt động

Tương tự như động cơ diesel hai kỳ, về cơ bản động cơ piston tự do sẽ không có đường ống nạp và đường ống thải mà thay vào đó, thân của piston sẽ đóng mở cửa nạp và thải Diễn biến quá trình piston di chuyển từ BDC lên TDC: trong suốt quá trình này

hỗn hợp nhiên liệu được chuẩn bị nạp vào, không khí trong xy lanh được nén và được chuyển đến cửa quét khí Trong xy lanh lúc này không khí được nén ở khoảng 35 bar, sau đó nhiên liệu được phun vào ở áp suất cao khoảng 400 đến 700 bar và quá trình đốt cháy nhiên liệu được bắt đầu lúc này piston di chuyển ra ngoài xy lanh chuẩn bị cho chu kì tiếp theo

Hình 2 5: Động cơ piston tự do kiểu piston đơn

Diễn biến quá trình piston di chuyển từ TDC đến BDC: trong suốt quá trình này thì cửa nạp được mở và không khí được đưa vào trong xy lanh để nén Không khí ở buồng đẩy được nén và nở ra để đẩy piston di chuyển vào bên trong xy lanh để thực hiện quá trình đốt cháy nhiên liệu (lúc này piston di chuyển vào bên trong xy lanh) Kết thúc quá trình piston di chuyển ra ngoài cột khí xả được mở ra vì thế khí xả có thể đi xuống và làm quay tua-bin khí hoặc làm quay máy phát điện Đồng thời cùng lúc đó cửa quét khí cũng được mở ra và không khí từ cửa quét vào bên trong xy lanh

Động cơ piston tự do được giới hạn cho hai kỳ nguyên tắc hoạt động, vì hành trình công suất được yêu cầu trên mọi động cơ Mặc dù động cơ hai thì hoạt động kém hơn

so với bốn thì, khoảng cách hiệu suất này đang giảm và những năm gần đây đã chứng kiến sự quan tâm ngày càng tăng trong động cơ hai kỳ quy mô nhỏ

Động cơ piston tự do không thể khởi động với RPM giống như động cơ thông thường, vì vậy nó phải được khởi động bằng cách nào đó Có thể khởi động bằng cách đẩy pít-tông để cung cấp cho nó đủ năng lượng tới tâm điểm chết trên, hoặc lắc qua lắc lại cho đến khi nó có đủ lực nén Điều sau có thể đạt được nếu thiết bị tải có thể được kích hoạt bằng động cơ, ví dụ như máy điện hoặc máy thủy lực hình trụ Khi sử dụng chiến lược xung, điều quan trọng là động cơ phải khởi động ở hành trình đầu tiên và bộ điều khiển động cơ có thể giữ cho động cơ hoạt động sau đó Động cơ giữa thế kỷ 20 chủ yếu sử dụng khí nén để hỗ trợ khởi động bằng cách nhanh chóng vào số lùi trong buồng Việc đạt được quá trình đốt cháy hành trình đầu tiên không được báo cáo là một vấn đề vì có thể đạt được độ nén tương đối cao theo cách này Vì buồng tác động hiện đã được lấp đầy bởi không khí khởi động áp suất cao, nên việc kiểm soát lượng không khí trong buồng quay trở lại ngay lập tức để thu đủ số lượng hai lần nhấn sẽ khó hơn Một số báo cáo cho rằng khởi động là một thách thức đối với động cơ piston tự do, nhưng điều này chưa bao giờ được coi là một vấn đề nghiêm trọng Hầu hết các khái niệm máy phát động cơ tuyến tính sử dụng một động cơ điện ở chế độ động cơ để khởi động động cơ Động cơ piston thủy lực một piston và không piston mới sử dụng nguồn điện dự phòng thủy lực để khởi động động cơ Vì bộ tái sinh cho các động cơ này là xi lanh thủy lực, nên hành trình đầu tiên không khác so với bất kỳ hành trình nào khác và không phải là vấn đề [15]

2.2.4.2 Ứng dụng của động cơ piston tự do

Kể từ khi động cơ piston tự do lần đầu tiên được phát triển vào khoảng 1930 một số thiết kế khác nhau đã được đề xuất sử dụng khái niệm piston tự do Phần lớn trong số này là không thành công về mặt thương mại Phần này cho tổng quan về sự phát triển của động cơ piston tự do đã biết, tập trung vào các động cơ mà kết quả thử nghiệm hoặc dữ liệu hiệu suất hoạt động đã được báo cáo Nó cần lưu ý rằng ngoài những con

số cao trong số các bằng sáng chế mô tả máy móc piston tự do tồn tại, nơi sự phát triển thực tế của các động cơ đã không được báo cáo

2.3 Nghiên cứu thời gian phun nhiên liệu 2.3.1 Thời gian phun cơ bản

Thời gian phun nhiên liệu cơ bản cho một động cơ sẽ được lập trình theo cách dòng khí hoặc là theo mật độ của không khí, cụ thể: Tính toán thời gian phun nhiên liệu cơ bản theo biện pháp dòng khí nạp Nếu cảm biến lưu lượng khí nạp được thiết kế trong hệ thống, thì lượng khí nạp Am [kg] là chính xác, từ đó xác định được lượng nhiên liệu M [kg] thông qua công thức:

Trong đó,  là tỉ lệ hòa khí Khi biết được lưu lượng nhiên liệu M, thì ta có thể tính

trong đó, Rf [kg/s] là tỉ lệ mà khi kim phun phân phối nhiên liệu

Tính toán thời gian phun cơ bản bằng phương thức là đo mật độ không khí Cách thức này sử dụng khi cảm biến lưu lượng không khí chưa được ghi nhận vào hệ thống Khi đó tính toán thời gian phun cơ bản sẽ tính theo cảm biến tốc độ, nhiệt độ và EGR tuần hoàn khí thải của động cơ, thông qua công thức (2.3):

trong đó, Av [m3 s-1 ] là lưu lượng thể tích của không khí, ηv là hiệu suất thể tích, EGR [m3 s-1 ] tuần hoàn khí thải và D [m3 ] dung tích động cơ Mật độ không khí lưu thông bên trong đường ống nạp được xác định thông qua công thức (2.4):

trong đó pi [Pa] là áp suất của khí nạp, Ti [K] là nhiệt độ của khí nạp, ρ0 [kg.m-3 ], p0 [Pa] và T0 [K] mật độ, áp suất và nhiệt độ theo điều kiện tiêu chuẩn Nếu tốc độ dòng khối lượng của không khí Ar [kg.s-1 ] được xác định bởi công thức (2.5):

2.3.2 Thời gian phun hiệu quả

Khoảng thời gian hiệu quả của phun nhiên liệu được xác định sau khi các giá trị hiệu chỉnh bổ sung được tính toán lại Các giá trị hiệu chỉnh được tính toán từ các chức năng đặc biệt, trong đó các điều kiện vận hành động cơ khác nhau được tính đến Thuật toán, tính toán thời gian phun hiệu quả được thể hiện trong sơ đồ hình 2 Điều quan trọng cần lưu ý là trong trường hợp lượng nhiên liệu phun thấp, một hỗn hợp không cháy được chuẩn bị, do đó giới hạn thời gian phun nhiên liệu tối thiểu phải được xác định để ngăn ngừa sự hình thành các hydrocacbon chưa cháy trong khí thải Trong quá trình khởi động động cơ, một tính toán riêng về thời gian phun nhiên liệu diễn ra không phụ thuộc vào tải và tốc độ động cơ Hình 2.6 cho thấy sơ đồ của mô hình toán học phun nhiên liệu, được đề xuất theo nghiên cứu của nhiều tài liệu khác nhau Lưu đồ chứa tất cả các chức năng xử lý cần thiết, cho quá trình chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu của động cơ ô tô và các hiệu chỉnh thông số về thời gian phun và điều chỉnh hệ số λ Đầu ra của thuật toán là tính toán thời gian phun hiệu quả đã được đề cập ở trên

Hình 2 6: Lưu đồ tính toán thời gian phun hiệu quả 2.4 Tỷ lệ khí và nhiên liệu

Qua quá trình nghiên cứu và khảo sát trên một số ô tô đời mới được sử dụng ở thị trường Việt Nam, Chúng tôi nhận thấy một số vấn đề như sau:

• Các bộ ECU của EFI đặc biệt các cảm biến trong điều kiện nóng ẩm bị lão hóa làm ảnh hưởng đến việc điều khiển quá trình phun nhiên liệu

• Lỗ tia kim phun có tiết diện lớn (do mòn), bẩn hoặc tắc bộ lọc, hoặc điện áp hư hỏng làm thay đổi lượng nhiên liệu phun vào xylanh động cơ

Vì vậy khi sử dụng ở Việt Nam có sự thay đổi rất lớn về tỷ lệ hỗn hợp (quá giàu hoặc quá nghèo) Trên cơ sở đó chúng tôi mạnh dạng đề xuất hiệu chỉnh các cảm biến chính ( Khí nạp và nước làm mát) để tác động vào mạch điều khiển phun xăng nhằm điều chỉnh được tỷ lệ hòa khí tối ưu [16]

Trong quá trình làm việc của động cơ nhiên liệu và không khí được đưa vào xylanh theo một tỷ lệ thích hợp, tỷ lệ đó được tính theo tỷ số khối lượng giữa không khí đối với nhiên liệu

Tỷ lệ hỗn hợp khí – nhiên liệu lý tưởng là 14;7:1 vì khi đó tỷ lệ oxygen trong không khí với hydrocacbon trong nhiên liệu là thích hợp để tạo ra một sự đốt cháy hoàn toàn nhất Duy trì tỷ lệ nhiên liệu – khí ở mức lý tưởng là rấy quan trọng trong những xe có bộ chuyển đổi xúc tác sẽ làm việc tốt nhất khi động cơ hoạt động với tỷ lệ khí – nhiên liệu lý tưởng Hầu hết các động cơ có khối điều khiển điện tử (ECU) đều giữ cho tỷ lệ hỗn hợp ở mức lý tưởng

Khi điều kiện hoạt động của động cơ thay đổi Khi khởi động động cơ còn nguội chỉ có 1 phần nhiên liệu hóa hơi nên hỗn hợp phải giàu, tỷ lệ là 9:1, khi chạy không tải hỗn hợp nghèo hơn tỷ lệ là 15:1 Khi đạp ga gia tốc để tăng tốc độ thì hỗn hợp trở nên giàu một cách tạm thời

Mục đích của việc thay đổi tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu – khí là làm cho hỗn hợp dễ cháy luôn đồng đều giữa các xylanh động cơ

Hình 2 7: Sự liên quan giữa tỷ lệ nhiên liệu – khí và hiệu suất của bộ chuyển đổi xúc tác

Hình 2 8: Tỷ lệ nhiên liệu khí tương ứng với điều kiện làm việc của động cơ