Cơ quan không gian Đức và Toyota phát triển động cơ phát điện tuyến tính trực tiếp

   Chuyên mục: Công nghệ Xe
Thành viên



Bất chấp sự ra đời gần đây của xe hoàn toàn chạy điện, động cơ đốt trong vẫn có thể tồn tại một thời gian dài nữa như là một thành phần của plug-in hybrid, xe điện mở rộng phạm vi hoạt động bằng máy phát điện. Hiện tại, động cơ xăng chạy máy phát điện sử dụng trên xe plug-in hybrid của các hãng ô tô trên thế giới là động cơ chy kỳ Atkinson, nhiều nhà sản xuất đặt tên là động cơ "van biến thiên", có khả năng tăng thể tích kỳ dãn nổ, giảm thể tích kỳ hút nén, được đánh giá là hiệu quả nhiên liệu hơn động cơ xăng thông thường 10%.

Tuy nhiên các nhà nghiên cứu Cơ quan không gian Đức (DLR) và Trung tâm nghiên cứu phát triển của Toyota chưa hài lòng với mức hiệu quả nhiên liệu của động cơ Atkinson nên đã phát triển một hệ thống máy nổ - phát điện mới được đặt tên "Động cơ pít-tông tự do phát điện tuyến tính" (Free Piston Engine Linear Generator, FPEG).

Máy nổ pít-tông tự do (Free Piston Engine) và máy phát điện tuyến tính (Linear Generator) đều không phải là ý tưởng mới. Năm 1959 một kiểu mẫu động cơ pít-tông tự do đầu tiên sản xuất khí nén và dùng khí nén để quay turbin phát điện đã được cấp bằng sáng chế ở Đức.

Các thí nghiệm về lực từ trường của các nhà bác học Faraday (1791-1867) dựa trên nguyên lý dịch chuyển tương đối giữa nam châm vĩnh cửu và dây dẫn điện cũng chính là khái niệm đầu tiên về máy phát điện tuyến tính.

Điều sáng tạo của Cơ quan không gian Đức và Trung tâm R&D của Toyota là giải pháp tích hợp máy nổ và máy phát điện tuyến tính thành một cỗ máy có kích thước gọn, trọng lượng nhẹ và đạt được hiệu quả cao. Nhưng 2 bên có những giải pháp khác nhau.

Máy nổ pít-tông tự do

Ở động cơ đốt trong thông thường, pít-tông phải nối với trục khuỷu để biến đổi lực tuyến tính của pít-tông thành mômen xoắn. Ở động cơ pít-tông tự do, pít-tông không bị ràng buộc với thanh truyền và trục khuỷu, vẫn giữ nguyên chuyển động tuyến tính, dịch chuyển qua lại giống như con thoi.

Động cơ pít-tông tự do đã được sáng chế từ năm 1807 nhưng không có nhiều ứng dụng. Mãi đến thập niên 30-60 động cơ pít-tông tự do mới có một số ứng dụng. Động cơ pít-tông tự do được sử dụng để làm máy nén khí, khí nén này được dùng để chạy turbin phát điện hay cung cấp dưỡng khí cho tầu ngầm. Một trong những ứng dụng nữa của động cơ pít-tông tự do mà chúng ta thường gặp là "búa diesel" dùng để đóng cọc xây dựng móng cầu.

Máy phát điện tuyến tính (Linear Generator)

Cũng hoạt động trên nguyên tắc của máy phát điện thông thường: dòng điện sẽ phát sinh trong dây dẫn điện khi dây dẫn dịch chuyển trong từ trường của nam châm. Tuy nhiên trong máy phát điện thông thường, chuyển động của các cuộn dây dẫn là chuyển động quay. Còn ở Linear Generator chuyển động tương đối giữa các cuộn dây dẫn điện và nam châm là chuyển động tuyến tính (qua lại trên đường thẳng). Ngày nay, máy phát điện tuyến tính được sử dụng trong máy phát điện thủy triều.

"Động cơ pít-tông tự do phát điện tuyến tính" FPEG của cơ quan không gian Đức và Toyota đều có 3 phần giống nhau gồm: buồng đốt, buồng nén không khí và máy phát điện tuyến tính, nhưng khác nhau về cách bố trí. Buồng nén không khí của cả 2 kiểu động cơ đều có van điều áp.

Động cơ FPEG của Trung tâm không gian Đức

Điểm độc đáo trong thiết kế "Động cơ Pít-tông tự do phát điện tuyến tính" (FPEG) của Trung tâm không gian Đức là vận dụng công nghệ động cơ "đối đỉnh". Xuất phát từ ý tưởng hỗn hợp hòa khí khi được kích nổ trong buồng đốt, lực đẩy sẽ tác động về cả 2 phía. Ở động cơ đốt trong truyền thống, chỉ có một phần lực tác động lên pít-tông là hữu dụng còn phần lực tác động lên nắp quy-lát sẽ chuyển thành nhiệt năng vô dụng, công ty EcoMotors, Mỹ, đã phát triển một loại động cơ đối đỉnh, tuy nhiên động cơ của EcoMotors cồng kềnh, không tiện sử dụng cho ô tô.

Động cơ pít-tông tự do đối đỉnh loại bỏ cơ cấu biến chuyển động tuyến tính của động cơ EcoMotors thành mô men xoắn khiến động cơ pít-tông tự do trở nên nhỏ gọn. Phần động cơ pít-tông tự do của cơ quan không gian Đức hoạt động như động cơ 2 kỳ, không có van hút xả. Ở gần "điểm chết dưới" có lỗ thoát khí nằm cao hơn lỗ hút khí một chút. Gần cuối kỳ dãn nổ, sẽ để hở lỗ thoát khí thải, để khí thải thoát ra sau đó đến lố hút khí, không khí tươi từ buồng nén sẽ được bơm vào xy lanh.

Mỗi module FPEG của Trung tâm không gian Đức có 1 buồng đốt ở trung tâm, 2 xy lanh và 2 pít tông ở 2 bên, kế tiếp là buồng nén không khí, cuối cùng là bộ phận phát điện . Ở phần phát điện, 2 pít-tông được nối với 1 bàn lùa gắn những thanh nam châm vĩnh cửu thông qua một thanh nối xuyên qua buồng nén khí. Bàn lùa có chức năng thay thế cho rotor ở máy phát điện truyền thống. Rotor "bàn lùa" chạy trong một ống dẹt có gắn những cuộn dây dẫn làm nhiệm vụ stator.

Theo Ulrich Wagner, Giám đốc năng lượng và vận tải cơ quan không gian Đức, mỗi module FPEG có thể sản sinh dòng điện 40-50hz công suất 35 kW. Với buồng nén không khí tươi có trang bị van điều áp, động cơ có thể vận hành với nhiều loại nhiên liệu khác nhau. Chẳng hạn như khi chạy xăng, động cơ được điều chỉnh có tỷ lệ nén 10:1, khi chạy khí thiên nhiên có tỷ lệ nén 13,5:1 và khi chạy cồn ethanol tỷ lệ nén điều chỉnh ở mức 14:1.

Trung tâm không gian Đức cho biết hiện hồ sơ thiết kế FPEG đã được bàn giao cho Universal Motor Corporation GmbH để phát triển thành sản phẩm thương mại sử dụng cho xe plug-in hybrid.

Video mô tả hoạt động

Động cơ phát điện của Toyota

Tại hội nghị Kỹ sư Quốc tế SAE 2014 ở Detroit, các kỹ sư Toyota đã báo cáo một mô hình "Động cơ Pít-tông tự do phát điện tuyến tính" (FPEG).

Điểm độc đáo của FPEG của Toyota là pít-tông dạng chữ W, tương tự như một cái ly úp lên 1 cái chén.

Mỗi module FPEG gồm 1 buồng đốt, 1 pít tông dạng chữ W dùng chung cho động cơ và máy phát điện, phần đuôi pít tông có đường kính to hơn, được gắn những vòng nam châm vĩnh cửu có vai trò của rotor. Phần xy lanh to hơn được quấn những vòng dây dẫn điện làm nhiệm vụ stator. Đoạn xy lanh và pít tông bé hơn là thân của động cơ. Buồng nén không khí nằm cuối xy lanh lớn.

Phần động cơ của Toyota cũng hoạt động theo nguyên lý động cơ 2 kỳ nhưng ở "điểm chết dưới" chỉ có lỗ hút khí, không có lỗ thoát khí xả. Trên nắp quy lát của buồng đốt có 2 xupáp xả, vòi phun nhiên liệu và bugi.

Video mô tả hoạt động

Toyota cho biết, qua thử nghiệm mỗi module sản sinh 10 kW điện, 1 cặp 2 modul phát đủ điện để Yaris hay Corolla đạt tốc độ 120 km/h trên đường cao tốc.

Pít-tông bằng vật liệu gốm có tác dụng giảm ma sát và truyền nhiệt. Dạng chữ W của pít tông giúp cho nam châm vĩnh cửu ở cách xa buồng đốt, không bị giảm từ tính bởi tác động của nhiệt. Buồng nén khí có đường kính lớn hơn buồng đốt nhiều lần giúp cho động cơ tận dụng được lực quán tính của pít-tông tạo ra được một lượng khí nén lớn với áp lực cao. Khí nén trước khi cung cấp cho buồng đốt sẽ được sử dụng để làm mát xy lanh.

Toyota cũng cho biết nhờ khả năng điều áp của buồng nén không khí, pít-tông gốm và hệ thống làm mát tiên tiến, FPEG của Toyota có thể điều chỉnh tỷ lệ nén để có thể kích nổ bằng tia lửa điện (SI) và kích nổ bằng sức nén (PCCI). Khi kích nổ bằng lực nén, hiệu suất năng lượng (hiệu suất nhiệt) có thể đạt 42% (động cơ thông thường có hiệu suất năng lượng 30%).

Được biết Mazda đang nghiên cứu động cơ SkyActiv-G thế hệ 2 áp dụng công nghệ "hòa khí đồng nhất kích nổ bằng sức nén" (HCCI) với hệ số nén lên đến 18:1. SkyActiv-G Thế hệ 2 nâng cao được hiệu suất nhiệt thêm 30%, nghĩa là hiệu suất nhiệt sẽ là 40%. Mazda hứa hẹn SkyActiv-G thế hệ 2 sẽ xuất hiên trên thị trường trước năm 2020.

Khác với HCCI của Mazda, công nghệ PCCI của Toyota không sử dụng hòa khí đồng nhất mà phun nhiên liệu vào không khí nén áp suất cao tương tự như động cơ diesel.

Theo trung tâm R&D, sắp tới Toyota sẽ thử nghiệm mô hình động cơ pít-tông tự do đối đỉnh và những mô hình có kích thước lớn hơn, công suất cao hơn. Cả Universal Motor Corporation (Đức) và Toyota đều chưa ấn định thời điểm ra mắt sản phẩm thương mại.