Chuyên đề về động cơ đốt trong piston chuyển động tự do

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, nền khoa học - kỹ thuật trên thế giới đã phát triển vô cùng
mạnh mẽ với nhiều thành tựu rực rỡ trong tất cả các lĩnh vực đời sống và xã hội, đặc biệt là
trong lĩnh vực công nghệ ô tô.
Các loại ô tơ thì ngày càng phát triển hiện đại, ứng dụng nhiều công nghệ mới để
phục vụ cho con người, tạo cho người sử dụng một cảm giác thoải mái và an tồn nhất có
thể. Nhưng khơng có một sự phát triển nào mà khơng có những bất lợi đi kèm theo nó, ơ tơ
hiện đại, khả năng tăng tốc nhanh, tốc độ di chuyển cao... những điều đó đánh vào trọng tâm
là động cơ của ô tô phải như thế nào ? Đó là sự cải tiến ở động cơ, nhưng hiện tại hầu hết
các ô tô vẫn đang sử dụng động cơ đốt trong thông thường chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.
Vấn đề đáng nói ở đây là nguồn nhiên liệu này đang dần cạn kiệt, trữ lượng trung bình chỉ
có thể sử dụng trong vịng khoảng 30 đến 40 năm. Hơn thế nữa, lượng khí thải sản sinh ra
mơi trường do sử dụng động cơ này thì ngày càng tăng. Việc gia tăng lượng CO 2 và NOx
trong khí quyển là một vấn đề ln được đề cập đến trong các hội nghị về môi trường.
Hướng giải quyết bây giờ là phát triển một động cơ mới thay thế cho động cơ truyền thống.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu về một loại động cơ và gọi tên nó là ĐỘNG CƠ PISTON
TỰ DO. Về cơ bản, thì loại này vẫn thuộc dạng động cơ đốt trong nhưng với những cải tiến
và ưu điểm nổi bật so với động cơ đốt trong thường, nhất là về hiệu suất và khí thải. Trên cơ
sở kế thừa những bài báo cáo, những nghiên cứu đã có, chúng em đã tìm kiếm, tổng hợp,
sàng lọc để thực hiện đề tài “Chuyên đề về động cơ piston tự do”. Qua đồ án này, chúng
em sẽ trình bày một số tính năng nổi bật cũng như cấu tạo, sự vận hành của động cơ để từ có
có thể đóng góp phần nào cho việc nghiên cứu, phát triển, áp dụng loại động cơ mới này ở
nước ta.

I


LỜI CẢM ƠN
Khơng có sự thành cơng nào mà khơng gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít
hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của mọi người. Trong suốt thời gian học tập và rèn
luyện tại giảng đường cho đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ,

chỉ dạy tận tình của q thầy cơ, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em
xin gửi đến q thầy cơ của khoa: Cơ Khí Động Lực - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm cũng như truyền ngọn lửa đam mê cho
mỗi chúng em, và rồi từ những tri thức và sự đam mê đó chúng em đã được tiếp cận, thực
hiện và kết lại thành một đồ án tốt nghiệp mà chúng em đã nghiên cứu, nó như là bước đệm
giúp cho chúng em trang bị những nền tảng thật vững chắc để bước đi trên con đường nghề
nghiệp sau này.
Đặc biệt, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đền thầy T.S Nguyễn Văn Trạng đã
tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình lựa chọn đề tài, cung cấp tài liệu, kiểm tra theo dõi
cũng như hỗ trợ chúng em thực hiện đồ án. Không có một việc làm nào mà khơng gặp bất kì
một khó khăn nào cả, trong q trình thực hiện đồ án, chúng em gặp khơng ít khó khăn trong
việc tìm kiếm, tổng hợp và sàng lọc tài liệu nhưng với sự góp ý cũng như chỉnh sửa tận tình
của thầy, chúng em đã có thể hồn thành đồ án một cách suông sẻ. Thầy không đặt nặng áp
lực cho chúng em về thời gian nhưng đòi hỏi chúng em phải có một tinh thần tự giác, chủ
động và phải có trách nhiệm về đồ án của mình. Tất cả điều đó làm chúng em rất biết ơn
thầy. Và một lần nữa chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy và các thầy cô của
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và thầy cơ khoa của khoa Cơ Khí
Động Lực nói riêng.
Cuối cùng, chúng con xin gửi lời biết ơn trân trọng nhất tới gia đình, đặc biệt là cha
mẹ đã sinh ra, ni dưỡng và tạo tất cả đều kiện để cho chúng con ăn học, hồn thành
chương trình đại học cũng như bài cáo đồ án tốt nghiệp này.

II


Trong quá trình thực hiện đồ án, do trình độ, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn
hạn chế, chúng em sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót, rất mong thầy cô chỉ dạy và bỏ qua.

III

TÓM TẮT
Trong bài nghiên cứu này, chúng em tập trung vào các vấn đề như sau:
 Tình hình nghiên cứu về động cơ này trên thế giới ( đặc biệt là các nhà sản
xuất ơ tơ nổi tiếng) nói chung và Việt Nam nói riêng.
 Đưa ra những khái niệm chung cũng như tóm tắt sơ lược về lịch sử hình thành,
những cơng trình nghiên cứu loại động cơ mới này.
 Phân tích hình dạng thiết kế, phân loại động cơ này, ứng dụng trước đây của





chúng.
Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động chung của động cơ.
Những ưu điểm nổi bật và khuyết điểm của động cơ.
Phân tích cụ thể loại động cơ phát điện piston tự do.
Thách thức và tiềm năng phát triển động cơ này.

Hướng tiếp cận và giải quyết đồ án này chủ yếu vào việc tìm kiếm, tổng hợp, sàng lọc
các tài liệu nghiên cứu nước ngoài từ các trường đại học trên thế giới. Khi gặp vấn đề trong
việc tìm kiếm tài liệu cũng như thắc mắc về một vấn đề nào đó thì chúng em nhờ thầy TS.
Nguyễn Văn Trạng hướng dẫn.
Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, chúng em đã đạt được mục tiêu đề ra
trước khi nghiên cứu. Điều này giúp chúng em có thêm hiểu biết về một loại động cơ mới,
củng cố các kỹ năng mềm cho bản thân như việc tra cứu tài liệu, khả năng đọc hiểu các tài
liệu nước ngoài, kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng thuyết trình...

IV

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ II
TÓM TẮT............................................................................................................................. III
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU............................................................VI
DANH MỤC CÁC HÌNH...................................................................................................VII
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI...............................................................................1
1.1Lí do chọn đề tài.............................................................................................................1
1.2Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước.....................................................................2
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước.............................................................................2
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước..........................................................................3
1.3Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................................8
1.3.1 Mục đích nghiên cứu...............................................................................................8
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu..............................................................................................8
1.3.3Phạm vi nghiên cứu..................................................................................................8
1.4Nội dung nghiên cứu.......................................................................................................8
1.5Phương pháp nghiên cứu................................................................................................8
CHƯƠNG 2: NHỮNG NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY VỀ ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO ỨNG
DỤNG CHO Ô TÔ.................................................................................................................9
2.1General Motor.................................................................................................................9
2.2 Toyota..........................................................................................................................13
2.3 Volvo............................................................................................................................ 16
2.4 Ford.............................................................................................................................. 19
2.5 Honda..........................................................................................................................21
CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO............................................25
3.1 Giới thiệu.....................................................................................................................25
3.2 Lịch sử hình thành và phát triển...................................................................................25
3.3 Phân loại – Cấu tạo......................................................................................................26

V


3.3.1 Piston đơn..............................................................................................................26
3.3.2 Piston kép..............................................................................................................27
3.3.3 Piston kép đối đỉnh................................................................................................29
3.3.4 Máy phát điện piston tự do....................................................................................29
3.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ piston tự do...................................................31
3.5 Ứng dụng của động cơ piston tự do.............................................................................32
3.5.1 Máy nén khí piston tự do.......................................................................................32
3.5.2 Máy phát điện piston tự do....................................................................................34
3.5.3 Động cơ thủy lực piston tự do...............................................................................35
3.5.4 Động cơ phát điện piston tự do..............................................................................36
3.6 Ưu, nhược điểm của động cơ piston tự do...................................................................37
3.6.1 Ưu điểm.................................................................................................................37
3.6.2 Nhược điểm...........................................................................................................37
CHƯƠNG 4: ĐỘNG CƠ PHÁT ĐIỆN PISTON TỰ DO.....................................................38
4.1 Giới thiệu.....................................................................................................................38
4.2 Cấu tạo......................................................................................................................... 39
4.3 Nguyên lý hoạt động....................................................................................................42
4.4 Chu trình nhiệt.............................................................................................................43
4.5 Sự dịch chuyển của piston...........................................................................................45
4.6 Tiềm năng phát triển....................................................................................................47
4.7 Hạn chế và thách thức..................................................................................................47
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................48
5.1 Kết luận........................................................................................................................ 49
5.2 Kiến nghị.....................................................................................................................49
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................50

VI

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

FPE

Free piston engine : Động cơ piston chuyển động tự do.

FPEG

Free piston engine generator: Động cơ phát điện piston chuyển động tự do.

HCCI

Homogeneous charge compression Ignition: Sự tự cháy do nén.

TDC

Top dead center: Điểm chết trên.

BDC

Bottom dead center: Điểm chết dưới.

CE

Conventional engine: Động cơ truyền thống.

CFD

Computational fluid dynamics: Tính tốn động lực học chất lỏng.

REV

Range Extended Vehicles: Loại xe điện có thêm động cơ đốt trong.

Giải thích các đại lượng:
 W: cơng sinh ra (W).
 Q1: nhiệt lượng nhận được (J).
 Q2: nhiệt lượng tỏa ra (J).
 ηt: hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot.
 R: hằng số khí lý tưởng, R = 8,314 J/mol.K.
 T1: nhiệt độ thu vào tuyệt đối (oK).
 T2: nhiệt độ tỏa ra tuyệt đối (oK).
 VA: thể tích tại điểm A (m3).
 VB: thể tích tại điểm B (m3).
 VC: thể tích tại điểm C (m3).
 VD: thể tích tại điểm D (m3).
VII


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính……………….....4
Hình 1.2. Mơ hình của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính của Toyota……………7
Hình 2.1. Piston tự do dạng đối đỉnh………………………………………………………..10
Hình 2.2. Máy phát điện bằng khí gas Sigma GS-34……………………………………….12
Hình 2.3. Vận hành hệ thống bánh đà điện (bỏ qua sự thay đổi tốc độ của mơ-tơ)…………13
Hình 2.4. Piston được thiết kế đặc biệt để tản nhiệt một cách nhanh chóng đồng thời giảm sự
gia tăng nhiệt độ trên nam châm vĩnh cửu và cuộn dây……………………………………..15
Hình 2.5. Kiểu hai piston đơn với hai buồng đốt riêng biệt………………………………...16

Hình 2.6. Các đường đặc trưng của động cơ piston tự do được sinh ra từ quá trình đốt J a và
kết quả quá trình, Jb ở các vị trí piston khác nhau…………………………………………..17
Hình 2.7. Piston kép kiểu máy phát điện động cơ piston tự do……………………………..18
Hình 2.8. Mơ phỏng các đường cong trong điều khiển vận tốc chuyển động servo………..19
Hình. 2.9. Sơ đồ khối các thành phần chính và đường dẫn điện cho bộ chuyển đổi năng
lượng piston tự do…………………………………………………………………………...20
Hình 2.10. Sơ đồ đơn giản của bơm thủy lực piston tự do của Ford………………………..21
Hình 2.11. Động cơ phát điện piston tự do một xy lanh ……………………………………23
Hình 2.12. Máy phát điện động cơ piston tự do bốn kỳ một xy lanh……………………….25
Hình 3.1. Cấu tạo của piston tự do loại piston đơn………………………………………….28
Hình 3.2 Cấu tạo piston tự do loại piston kép……………………………………………….29
Hình 3.3. Piston kép dạng hai piston đối đỉnh………………………………………………30
VIII


Hình 3.4. Hình minh họa cho máy phát điện động cơ piston tự do…………………………31
Hình 3.5. Động cơ piston tự do kiểu piston kép…………………………………………….32
Hình 3.6. Máy nén khí piston tự do…………………………………………………………34
Hình 4.1. Động cơ phát điện piston tự do…………………………………………………...40
Hình 4.2. Bộ chuyển đổi máy phát điện tuyến tính…………………………………………41
Hình 4.3. Ảnh 3D của máy phát điện tuyến tính sáu cạnh………………………………….42
Hình 4.4. Ngun lý làm việc của động cơ phát điện piston tự do…………………………43
Hình 4.5. Chu trình Carnot trên đồ thị P – V………………………………………………..43
Hình 4.6 So sánh giữa động cơ piston tự do và động cơ thông thường…………………….46

IX


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Lí do chọn đề tài

Việc khai thác nguồn nhiên liệu hóa thạch, sử dụng nó một cách triệt để làm cho
nguồn nhiên liệu này đã dần trở nên cạn kiệt và thêm vào đó là những vấn đề về mơi trường
như ơ nhiễm, trái đất nóng dần lên, hiệu ứng nhà kính ... đã đặt ra nhiều thách thức cho các
nhà nghiên cứu về thiết kế phát triển động cơ và hơn hết là làm sao tìm ra các giải pháp thay
thế cơng nghệ để phát triển nguồn năng lượng tái tạo sạch. Cơng nghệ thì ngày càng phát
triển liệu làm sao để có thể phát triển một loại động cơ mới hiệu năng, công suất cao, sử
dụng được nhiều loại nhiên liệu khác nhau nhưng phải đảm bảo được lượng khí thải ra môi
trường tối thiểu nhất và hạn chế làm ô nhiễm môi trường. Kể từ những năm 80 của thế kỷ
XX cho đến nay, có thể nói vấn đề mơi trường được coi là nội dung trọng tâm cần quan tâm tại
các nước công nghiệp phát triển, nhiệm vụ đặt ra là tăng cường bảo vệ chất lượng môi trường
trong khi vẫn phải phát triển các nguồn lực kinh tế xã hội và cải thiện chất lượng cuộc sống,
đặc biệt là trong các thành phố lớn thì vấn đề mơi trường là một trong những vấn đề nóng
bổng được quan tâm hàng đầu. Việt Nam là một nước có nền kinh tế đang phát triển nhanh và
đang định hướng trở thành nước cơng nghiệp đến năm 2020.
Cùng với q trình cơng nghiệp hố, hiện đại hố của đất nước, nền kinh tế nước ta
ngày càng phát triển. Sự phát triển của nền kinh tế kéo theo sự phát triển nhiều mặt của xã hội.
Phương tiện giao thông là một vấn đề song song của hai mặt (tích cực và tiêu cực). Nó giúp
cho sự phát triển nhanh chóng và mạnh về kinh tế và các mặt khác của xã hội. Bên cạnh đó
hoạt động của các phương tiện giao thơng gây ảnh hưởng đến sức khoẻ và môi trường một
cách nghiêm trọng do lượng khí thải của các phương tiện này gây ra. Vì thế, việc nghiên cứu
những giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường là một trong
những vấn đề cấp thiết hiện nay.
Để giải quyết vấn đề này các nhà khoa học của nước ta và trên thế giới đã và đang
nghiên cứu giải pháp sử dụng ô tô chạy điện, ô tô lai thay thế ô tô sử dụng nhiên liệu truyền
1


thống. Về phương diện bảo vệ môi trường, đây là một giải pháp tối ưu. Loại xe này có động
cơ nằm ở các bánh xe, được cung cấp năng lượng từ những bình điện đặt trong cốp xe. Tuy
nhiên, loại hình cịn tồn tại một số bất tiện như: hệ thống bình điện q nặng, chiếm khơng

gian chất hành lý, thời gian chạy với số bình điện đó chỉ đủ cho một cự ly chạy trên dưới
100km, sau một khoảng thời gian nhất định, từ 4 - 6 giờ lại phải sạc điện. Ngoài ra, số trạm
điện đáp ứng được u cầu nạp điện này cũng cịn q ít.
Do vậy, việc tiết kiệm nhiên liệu cùng với việc quy định nghiêm ngặt của pháp luật về
khí thải, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghĩ đến việc cải tiến công nghệ trong động cơ
đốt trong truyền thống, cũng như điều tra các loại máy phát điện mới để chuyển đổi năng
lượng. Động cơ đốt trong piston chuyển động tự do - Free piston engine, là một trong những
động cơ mới, hiệu suất cao, thiết bị chuyển đổi năng lượng, đã được nghiên cứu do những lợi
thế tiềm năng của nó về hiệu suất nhiệt, phát thải thấp và khả năng đa nhiên liệu so với động
cơ thông thường. Tuy nhiên những nghiên cứu trên mới chỉ được thí nghiệm dựa vào những
mơ hình mơ phỏng với các loại nhiên liệu như là khí hydro hoặc xăng, chưa đưa vào ứng dụng
trên ơ tơ lai.
Do đó, để khắc phục những nhược điểm của ô tô chạy điện như là giảm trọng lượng ắcquy, nâng cao công suất cũng như thời gian hoạt động liên tục của ô tô, việc chế tạo động cơ
phát điện để cung cấp nguồn năng lượng trực tiếp cho ô tô và giảm ô nhiễm môi trường là vơ
cùng quan trọng. Chính vì vậy, đề tài “Chuyên đề về động cơ piston tự do - Free piston
engine hay cịn gọi là động cơ khơng trục khuỷu” được đề xuất thực hiện. Đề tài khơng những
có ý nghĩa khoa học mà cịn nghiên cứu có định hướng sử dụng nguồn nhiên liệu hiệu quả và
hy vọng sẽ tạo ra được một kỷ nguyên mới về động cơ đốt trong cũng như phát triển một loại
xe mới cho tương lai.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Giống như các nghiên cứu về ô tô lai, ô tô điện, ô tô sử dụng nhiên liệu sinh học,
FPE cũng đã được các nhà nghiên cứu trong nước quan tâm. Các nhà nghiên cứu chủ yếu
2


là các nhà khoa học từ các trường Đại học lớn trong nước như: Đại học Bách khoa Hà
Nội, Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Đại học Bách
khoa Đà Nẵng,…Tuy nhiên, các nghiên cứu về FPE cũng như các công bố quốc tế về lĩnh
vực này còn khá khiêm tốn.

Trong nghiên cứu này, động cơ đốt trong piston chuyển động tự do được kết nối
với một máy phát điện tuyến tính với mục đích là tạo ra nguồn năng lượng điện phục vụ
cho ô tơ lai, ơ tơ điện và tàu điện.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Động cơ piston tự do đã được sáng chế từ năm 1807 nhưng khơng có nhiều ứng
dụng. Mãi đến thập niên 30-60 động cơ piston tự do mới có một số ứng dụng. Động cơ
piston tự do được sử dụng để làm máy nén khí, khí nén này được dùng để chạy tua-bin
phát điện hay cung cấp dưỡng khí cho tàu ngầm. Một trong những ứng dụng nữa của
động cơ piston tự do mà chúng ta thường gặp là "búa diesel" dùng để đóng cọc xây dựng
móng cầu. Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng trên ô tơ thì chỉ mới bắt đầu nghiên cứu
trong những năm gần đây [4].
Động cơ piston tự do phát điện tuyến tính (FPEG) ứng dụng trên ơ tơ là lĩnh vực
tương đối mới, đã và đang được nghiên cứu của một số quốc gia có nền cơng nghiệp phát
triển như Mỹ, Đức, Nhật, Hàn Quốc,... Tuy nhiên, việc chế tạo động cơ cũng như việc sử
dụng nhiên liệu động cơ vẫn cịn đang trong giai đoạn thí nghiệm. Nhiên liệu mà các
nước trên thế giới đang nghiên cứu thử nghiệm chủ yếu là khí hydro và nhiên liệu hố
thạch có nguồn gốc từ dầu mỏ.
Ưu điểm của động cơ FPEG là khơng có trục khuỷu, khơng có lực ngang tác dụng
vào vách xy lanh nên hiệu suất nhiệt của động cơ có thể được nâng lên trên 30% so với
động cơ đốt trong bình thường. Vì thế, cơng suất động cơ cũng được nâng lên đồng thời
phần công suất tiêu hao cũng được khắc phục [4].

3


Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính. [4]
1. Bugi; 2. Piston; 3. Xy lanh; 4. Cung cấp nhiên liệu; 5. Tải điện cấp ra bên
ngồi; 6. Ống nạp khơng khí; 7. Cổng nạp; 8. Cổng xả; 9. Stator; 10. Cuộn dây.
Khái niệm động cơ piston tự động lần đầu tiên được Pescara đề xuất năm 1928.
Tuy nhiên, các ứng dụng động cơ piston tự do bao gồm FPEG trải qua sự phát triển chậm

trong thời gian đầu và bắt đầu phát triển trong những năm 1960 do những hạn chế của
các yếu tố khác nhau. Trong những năm gần đây, như là một thiết bị điện thay thế cho xe
điện lai, FPEG đã thu hút được lợi ích ngày càng tăng từ các nhà nghiên cứu trên toàn thế
giới. Với sự phát triển của cơng nghệ điều khiển máy tính, cơng nghệ động cơ đốt trong
và khoa học vật liệu, đã có những tiến bộ đáng kể trong các khía cạnh của mô phỏng
FPEG, các kỹ thuật thực nghiệm, cũng như hệ thống điều khiển FPEG.
Đại học West Virginia là một trong những viện nghiên cứu sớm nhất thực hiện
nghiên cứu về hệ thống FPEG. Trong việc thiết kế và xây dựng nguyên mẫu động cơ
FPEG hai piston hai thì được cung cấp bằng cách đánh lửa tia lửa của bu-gi. Các kiểm tra
được thực hiện để đánh giá hiệu suất của nguyên mẫu và công suất ra thử là 316 W trong
khi hoạt động ở tần số 23,1Hz [4].
Tuy nhiên, sự đốt cháy xảy ra trong nguyên mẫu dường như rất không ổn định, và
máy không thể hoạt động liên tục. Một mơ hình số đã được phát triển làm chia chu trình
làm việc của FPEG thành ba giai đoạn theo chuyển động piston, đó là q trình nạp, q
trình nén và q trình cháy. Mỗi q trình được mơ tả bởi các mơ hình tốn học theo các
luật về nhiệt động lực học. Nó đã được tổng hợp phân tích như là tổng lượng nhiệt đầu
4


vào, thời gian cháy, khối lượng phản ứng và tải ảnh hưởng đến các đặc tính hoạt động
của FPEG, như vị trí của TDC, tần số và vận tốc piston. Năm 2002, một số mơ hình của
FPEG về q trình cháy đã được phát triển.
Mikalsen và Roskilly tại Đại học Newcastle bắt đầu đầu tư nghiên cứu FPEG từ
năm 2007. Piston động lực của một FPEG đã được nghiên cứu, cho thấy rằng chuyển
động piston là không đối xứng xung quanh TDC và động cơ đã dành nhiều thời gian để
nén hơn trong giai đoạn giãn nở của chu kỳ. Sau đó, họ thực hiện mơ phỏng bằng bộ
cơng cụ CFD (tính tốn động lực học chất lỏng) về q trình làm việc của FPEG và so
sánh hiệu suất của nó với một quy trình động cơ thơng thường. Kết quả cho thấy hoạt
động của FPEG có một chút lợi thế so với động cơ thông thường cho nhiên liệu đốt
nhanh hơn. Trong năm 2009, một nghiên cứu tính tốn đã được thực hiện để kiểm tra

chuyển động khí trong ống xy lanh, quá trình đốt cháy và sự hình thành nitơ ôxit trong
một động cơ diesel FPEG. Nghiên cứu đã chứng minh rằng: nhiệt độ khí trong xy lanh
FPEG thấp hơn trong CE, góp phần làm giảm phát thải NO x[4].
Ủy ban Châu Âu thúc đẩy một dự án nghiên cứu về một nhà máy năng lượng mới
có tên FPEG (bộ chuyển đổi năng lượng piston tự do) vào năm 2002. Các nhà nghiên cứu
trình bày các động lực học, nhiệt động học mơ hình của FPEG và phân tích một cách triệt
để q trình giải phóng nhiệt và q trình nạp của nó đặc trưng bằng một phương pháp
mô phỏng đa chiều. Các kết quả chỉ ra rằng: nhiên liệu với chỉ số octan ít hơn địi hỏi
một tỷ số nén cao hơn, và nén cao hơn sẽ làm tăng tần suất hoạt động, công suất và hiệu
suất của hệ thống.
Các nhà nghiên cứu từ Học viện Công nghệ Bắc Kinh đã nghiên cứu về chuyển
động piston, quá trình cháy và các đặc tính tạo ra điện của FPEG. Họ sử dụng mơ hình
tính tốn thực hiện một số bước để phân tích hiệu quả cho một FPEG. Kết quả cho thấy
hành trình piston hiệu quả cao hơn [4].
Năm 2015, Song trình bày một thiết kế mới của một xy lanh động cơ FPEG kết
hợp một động cơ tuyến tính như là một thiết bị phục hồi. Cả hai mơ phỏng và thí nghiệm
đều được tiến hành để kiểm tra sự ổn định tạo ra các đặc tính, và kết quả cho thấy công
5


suất ra là 25,9W và hệ thống hiệu quả là 13,7%. Ngoài ra, họ đã thiết lập các nguyên mẫu
mà về cơ bản có thể nhận ra liên tục trong quá trình bắt đầu đốt cháy. Tuy nhiên, hiện
tượng misfire là hiển nhiên vì q trình nạp khơng hiệu quả [4].
Nhóm nghiên cứu do Chang, Siqin, Viện Cơng nghệ Nam Kinh tiến hành nghiên
cứu chủ yếu là kiểm soát và thử nghiệm một chiếc FPEG bằng một xy lanh đơn, hoạt
động trên chu kỳ bốn thì. Trong khía cạnh kiểm soát động cơ, trạng thái chuyển động của
piston tự do được kiểm soát bằng lực điện từ của máy phát tuyến tính, do đó làm cho
FPEG làm việc liên tục. Đối với nguyên mẫu, đường kính xy lanh là 62mm, hành trình
piston 70mm. Họ đã thử nghiệm nguyên mẫu trong quy trình vận hành ổn định và sản
lượng điện thu được 2,2kW và hiệu quả đạt được khoảng 34% [4].

Một nhóm kỹ sư thuộc trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ của Toyota
đang tiến hành nghiên cứu và chế tạo một loại hoàn toàn mới với tên gọi là FPEG, tạm
dịch là động cơ phát điện piston tự do. Động cơ này có kết cấu nhỏ gọn, nó chỉ có một
piston duy nhất và khơng có lốc máy, do đó chuyển động tịnh tiến của nó sẽ khơng được
chuyển thành động năng quay tròn của trục khuỷu mà lại trở thành điện năng cung cấp
cho bộ pin thông qua một cơ cấu chuyển đổi đặc biệt. Loại phương tiện di chuyển REV là
những loại xe chạy điện có hỗ trợ thêm động cơ đốt trong để cung cấp thêm năng lượng
nhằm kéo dài khoảng hoạt động của chiếc xe. Những loại xe này là sự kết hợp thông
minh của hai nguồn năng lượng: nguồn điện và năng lượng hóa thạch, chúng đang là một
lĩnh vực thú vị và càng ngày càng có nhiều hãng xe chú ý tới phân khúc này. Nếu như
những loại động cơ đốt trong truyền thống, ví dụ như động cơ xăng 1.4L trang bị trên
mẫu Chevrolet Volt nổi tiếng, vẫn còn nhiều nhược điểm hạn chế thì loại động cơ FPEG
mới của Toyota sẽ là giải đáp cho vấn đề này. Chúng nhỏ hơn, nhẹ hơn, tạo ra điện năng
hiệu quả hơn rất nhiều so với những cỗ máy đốt trong truyền thống.

6


Hình 1.2. Mơ hình của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính của Toyota.
Nói chung, các nhà nghiên cứu đã tiến hành cả mơ phỏng và thí nghiệm về hoạt
động nguyên tắc của FPEG, cũng như hiệu suất của ngun mẫu. Đối với q trình đốt
cháy phân tích, hầu hết các báo cáo đã sử dụng các mô hình khơng chiều, đơn vùng để
mơ phỏng q trình làm việc của FPEG, cho thấy độ chính xác cịn có những hạn chế để
dự đốn các thơng số trong q trình cháy.
Sau đó, với sự phát triển của phần mềm CFD, mơ hình động, đa năng kết hợp đã
được áp dụng, có thể kiểm sốt lưu lượng khí trong xy lanh và có độ chính xác cao hơn
để mơ tả quá trình cháy của FPEG. Tuy nhiên, hiệu suất thu gọn thường là bỏ qua trong
mơ hình, được cho là có ảnh hưởng đáng kể đến q trình cháy FPEG. Hiện nay, phương
pháp kết hợp các mơ hình năng động và thu hẹp vào q trình cháy. Q trình mơ phỏng
đã được đưa ra. Tuy nhiên, ít nghiên cứu đã được báo cáo về việc thực hiện, phân tích

q trình cháy bằng phương pháp này trên FPEG sử dụng xăng [4].

7


1.3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1 Mục đích nghiên cứu
Có những hiểu biết tổng quan về động cơ piston tự do, dựa vào đó có thể thấy được những
ưu - khuyết điểm của động cơ loại này so với động cơ thơng thường. Để từ đó phát triển
nghiên cứu, thiết kế và thương mại hóa động cơ này phục vụ cho đời sống và sản xuất, thay
thế động cơ truyền thống, tạo bước đột phá cho công nghệ.
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu
Động cơ piston chuyển động tự do.
1.3.3 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các bài báo cáo khoa học trước đó về động cơ này, chủ yếu là dựa vào các nguồn
tài liệu ở nước ngoài của các trường đại học trên thế giới.
1.4 Nội dung nghiên cứu
Tập trung vào cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ piston tự do và các ứng dụng của nó
trước đây, từ đó có thể thấy được những ưu - nhược điểm của loại động cơ này để có thể trả
lời được câu hỏi “ lý do tại sao động cơ này lại không được phát triển phổ biến”.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Tìm đọc tham khảo tài liệu để phân tích tổng hợp những nội dung chính cần phải nghiên
cứu.

8


CHƯƠNG 2: NHỮNG NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY VỀ ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO
ỨNG DỤNG CHO Ô TÔ
Động cơ piston tự do đã được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây, như là

một sự thay thế đầy hứa hẹn cho động cơ thông thường trong các ứng dụng như là xe lai
hoặc các phương tiện thủy lực chạy trên xa lộ, tuy nhiên vẫn chưa thấy thành công trong
việc ứng dụng vào kỹ thuật hiện đại. Các nghiên cứu được trình bày dưới đây dựa trên một
đánh giá tập trung của những nhà sản xuất trong ngành ô tô liên quan đến công nghệ động cơ
piston tự do. Sự quan tâm gần đây đối với công nghệ này hầu như chỉ dành cho động cơ thủy
lực và máy phát điện từ động cơ piston tự do ứng dụng vào ô tô, trái với máy nén khí và máy
phát điện chạy bằng gas được tập trung phát triển trước đó.
2.1 General Motor
Các ứng dụng bằng sáng chế gần đây của General Motors mô tả các khái niệm
piston tự do dạng đối đỉnh với hoạt động trên một chu trình hai kỳ.

Hình 2.1. Piston tự do dạng đối đỉnh. [2]

9


Với các bộ phận được cấu tạo như sau:
 Battery: ắc- quy
 Control module: mô-đun điều khiển
 Rectifier: bộ chỉnh lưu
 Spark plug: bugi
 Fuel injector: phun nhiên liệu
 Inlet port: cửa nạp
 Check valves: van một chiều
 Exhaust port: cửa thải
 Combustion chamber: buồng đốt
 Scaveging chamber: buồng quét khí
 Piston
 Permament magnet: nam châm vĩnh cửu
 Bounce champer: buồng đẩy

 Coil windings: cuộn dây
Đặc biệt, khái niệm này rất giống với máy nén piston tự do thế hệ đầu tiên và máy
phát điện bằng khí gas Sigma GS-34 (GS-34 là một loại piston đối đỉnh, sử dụng dầu diesel
dùng cho các ứng dụng quy mô lớn như thủy quân lục chiến và các động cơ công nghiệp,
các thiết bị hàng hải, đầu máy xe lửa, máy bơm và máy nén… do SociétéIndustrielle
Générale de Mécanique Appliquée (SIGMA) sản xuất tại Pháp, là một trong những động cơ
piston tự do thành cơng nhất từng được sản xuất, được hồn thành vào năm 1944 dựa trên
nghiên cứu của Pescaras), nhưng khác ở chỗ khơng có cơ chế đồng bộ cơ khí hóa. Cơng suất
10


điện năng đạt được bằng một máy điện tích hợp, với nam châm vĩnh cửu được kết hợp trong
piston và cuộn dây cuộn tích hợp trong vỏ xy lanh.

Hình 2.2. Máy phát điện bằng khí gas Sigma GS-34. [2]
Thế hệ động cơ piston tự do đầu tiên sử dụng đồng bộ hóa cơ khí, giải pháp của GM
nhằm mục đích sử dụng các buồng đẩy - bounce chamber và phanh điện để đồng bộ và kiểm
soát cả hai piston. Các nam châm vĩnh cửu được cắm chặt trên piston nhằm đảm bảo được ở
nhiệt độ tối ưu bởi có một áo khốc khơng khí từ buồng qt khí thải - scavenging chamber
xung quanh piston. Các kỳ có thể được điều khiển thông qua phanh điện cũng như điều
khiển áp suất buồng đẩy.
Sự vắng mặt của bánh đà đã được chỉ ra là một trong những vấn đề chính trong q
trình khởi động và vận hành máy phát điện động cơ piston tự do bởi nhiều nhà nghiên cứu
động cơ piston tự do kiểu piston kép. Những lý do cho sự ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình
đốt trong một xy lanh sẽ có trên q trình chuyển động trong chu kỳ kế tiếp và tương tự cho
quá trình nén trong một xy lanh khác. Do đó, sự thay đổi trong tỷ số nén có thể được tạo ra
trong q trình hoạt động, có thể dẫn đến hoạt động khơng ổn định hoặc thậm chí khơng
cháy.
Một nghiên cứu của Holmes trình bày một khái niệm để giải quyết vấn đề này là bánh
đà điện. Trong hệ thống này gồm một máy tuyến tính (động cơ piston tự do) được nối điện

11


qua hai cuộn dây đến một máy quay và một nguồn điện thơng qua một bộ chuyển đổi. Ngồi
ra, một động cơ có tốc độ biến đổi có thể được kết nối cơ học qua hộp số cho máy quay cũng
như kết nối bằng điện với toàn bộ hệ thống thông qua hai bộ cuộn dây như mô tả như trong
hình 2.3.

Hình 2.3. Vận hành hệ thống bánh đà điện (bỏ qua sự thay đổi tốc độ của mô-tơ). [2]
Piston được làm từ vật liệu sắt từ. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này có thể được
mơ tả như sau (xảy ra đầu tiên ở buồng đốt). Trong quá trình khởi động, ắc quy cung cấp
dịng điện khởi động (Is) làm dịch chuyển piston và quay máy quay để tạo ra đủ năng lượng
quán tính cho chu kỳ tiếp theo. Khi đạt được điều kiện đầy đủ trong xy lanh, nhiên liệu được
phun và đốt. Khi đốt, dòng điện cung cấp được ngắt khi piston chuyển động về phía xy lanh
thứ hai gây ra dòng điện đầu tiên (I1) trong cuộn dây đầu tiên. Trong suốt chu kì, (I1) tiếp tục
hoạt động để xoay máy quay của nó để tạo ra sự xoay qn tính từ đó sẽ tạo ra dòng thứ hai
(I2) trong cuộn dây thứ tư. Dòng thứ hai được sử dụng để xác định vị trí đúng piston trong
12


buồng đốt thứ hai thông qua cuộn thứ hai. Sau đó, q trình cháy thứ hai diễn ra, điều này sẽ
tạo ra dòng điện của máy phát (I g) cho chu kì hoạt động. Dịng điện này sẽ được sử dụng để
sạc acquy và điều khiển tải bên ngồi.
Thơng qua cấu hình này, hai máy (tức là máy tuyến tính và máy quay) sẽ hoạt động
đồng bộ, do đó trong trường hợp động cơ piston tự do đang hoạt động chậm lại phía sau
hoặc nhanh lên, quán tính quay của máy quay sẽ tạo ra sự phanh hoặc tăng tốc thơng qua các
cuộn dây. Điều này sau đó có thể làm giảm hoặc cân bằng sự thay đổi theo chu kỳ để đạt
được tính ổn định khi hoạt động cũng như ngăn chặn tình trạng khơng nổ. Do đó, về nguyên
tắc, thiết bị này có thể hoạt động như một 'bánh đà điện', nếu không vắng mặt trong máy
phát điện động cơ piston tự do [2].

2.2 Toyota
Trung tâm nghiên cứu của Toyota đã công bố một số ứng dụng gần đây liên quan đến
hệ thống động cơ piston tự do. Tài liệu tham khảo mô tả một số sự thay đổi thể thiết kế của
một bộ piston đơn với buồng đẩy chứa khí. Việc sử dụng buồng đẩy với sự điều chỉnh áp
suất là một lựa chọn tốt nhất để hỗ trợ điều khiển chuyển động piston. So với hệ thống piston
kép, hành trình piston được điều khiển trực tiếp bởi buồng đốt xy lanh đối đỉnh, buồng đẩy ít
bị dao động và cung cấp một số tính linh hoạt, trong đó độ cứng của lị xo khí có thể được
điều chỉnh bằng cách kiểm sốt lượng khí nén trong buồng. Điều này cũng được xác minh
bằng các nghiên cứu gần đây của Trung tâm Không gian Đức (DLR), họ cho rằng hình dạng
của lị xo khí đã được chọn vì nó sẽ dễ thực hiện điều khiển chuyển động piston.
Một ứng dụng khác được đề xuất cho thiết kế để giảm tỷ lệ truyền nhiệt từ piston đến
nam châm vĩnh cửu (để tránh sự mất từ tính và cuộn dây quá nóng). Có lớp phủ ceramic đặc
biệt. Tuy nhiên, để có sự hoạt động đáng tin cậy và lâu dài, một phương pháp hiệu quả hơn
để tản nhiệt được đưa ra. Trong nghiên cứu này, đường dẫn cho dòng nhiệt đi từ đỉnh piston
tới nam châm vĩnh cửu và cuộn dây dài hơn và diện tích bề mặt của piston tiếp xúc với
khơng khí nén lớn hơn. Do đó, sự gia tăng nhiệt độ cuối cùng lên nam châm vĩnh cửu có thể
được giảm đáng kể. Đây là một khái niệm đã được chứng minh cũng đã được thực hiện
trong các ứng dụng khác, chẳng hạn như công nghệ về bugi [2].
13


Trong một nghiên cứu khác, làm mát động cơ được tạo ra bởi các lỗ trên piston cho
khơng khí nén thổi ra ngồi thơng qua các lỗ tương ứng trên xy lanh cũng như có một áo
nước trên xy lanh để tạo ra hiệu quả năng lượng.

Hình 2.4. Piston được thiết kế đặc biệt để tản nhiệt một cách nhanh chóng đồng thời giảm
sự gia tăng nhiệt độ trên nam châm vĩnh cửu và cuộn dây. [2]
Yoshihiro, mô tả một hệ thống có hai piston đơn với các buồng đẩy hoạt động trong
các giai đoạn ở trạng thái đối đỉnh (mặc dù khơng có một buồng đốt chung hoặc buồng đẩy
chung), vì vậy nó khơng phải là một dạng của động cơ piston tự do kiểu piston đối đỉnh.

Trong cấu hình này, sự đồng bộ của piston được thực hiện thông qua việc điều chỉnh áp suất
buồng đẩy và phanh điện [2].

Hình 2.5. Kiểu hai piston đơn với hai buồng đốt riêng biệt. [2]

14


Hidemasa, mô tả một phương pháp điều khiển động cơ piston tự động để duy trì tốc
độ piston xung quanh điểm chết trên trong một phạm vi thích hợp để đảm bảo sự đánh lửa
tốt cho hiệu quả cao. Người ta thấy rằng xung quanh điểm chết trên, vận tốc piston trong
suốt quá trình nén là chậm hơn vận tốc trong suốt quán trình giãn nỡ [2].
Yuichi, minh họa một phương pháp khởi động kiểu piston kép bằng việc kích nổ tia
lửa điện phun trực tiếp, sử dụng năng lượng đốt để tránh có một máy phát điện quá lớn.
Trong phương pháp này, nhiên liệu được phun vào xy lanh khi piston nằm trong phạm vi
khởi động với áp suất trong xy lanh ở khí quyển [2].
Các đường cong đặc trưng thể hiện trong hình 2.6, đồ thị cho phương pháp bắt đầu
này dựa trên 86mm kỳ và 86mm khoang xy lanh.

15


Hình 2.6. Các đường đặc trưng của động cơ piston tự do được sinh ra từ quá trình đốt J a và
kết quả q trình, Jb ở các vị trí piston khác nhau. [2]
Năng lượng lý thuyết được sản sinh bởi q trình đốt ở các vị trí piston khác nhau
trong quá trình khởi động được thể hiện bởi J a, trong khi năng lượng này được sử dụng để
khắc phục tổn thất thông qua làm mát (mũi tên số 1), đốt cháy kém (mũi tên số 2), rò rỉ qua
các xéc măng (mũi tên số 3) và tổn thất ma sát (mũi tên số 4). Năng lượng ròng được sử
dụng để chống lại sự nén của xy lanh đối đỉnh được mơ tả bởi J b. Theo hình 2.6, Jb được xác
định từ 20 đến 50mm ở vị trí piston, do đó sự nén của xy lanh là có thể trong phạm vi này.

Ngồi phạm vi này, thì khơng có đủ năng lượng để di chuyển piston.
Trong tất cả các nghiên cứu của Toyota, chỉ có kiểu piston đơn và kiểu piston kép đã
được xem xét. Thiết kế đối đỉnh được mô tả trong thực tế là hai piston đơn với buồng đốt
chung và hai buồng đẩy thông thường. Tóm lại, các nghiên cứu của Toyota đã giải quyết rất
nhiều các thách thức đối với công nghệ động cơ piston tự do [2].
2.3 Volvo
Tổng công ty Công nghệ Volvo đã tham gia vào dự án do Ủy ban châu Âu tài trợ về
công nghệ động cơ piston tự do cùng với Viện Cơng nghệ Hồng gia (KTH), ABB và Đại
học Chalmers. Sự hợp tác này đã dẫn đến một số ấn bản học thuật từ các tổ chức có liên
16