Đề tài Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - Xe máy

Nội dung text: Đề tài Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - Xe máy

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ XUÂN TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ LAI (HYBRID) TRÊN Ô TÔ VÀ XE MÁY (Tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành CNKT Ô tô) Biên soạn: ThS. Nguyễn Quân. Khoa: Công Nghệ - Kỹ thuât. Trường ĐH Phú Xuân - Huế Huế, tháng 06 năm 2021
2. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân MỤC LỤC: MỞ ĐẦU 2 Chương 1: TỔNG QUAN 5 1.1. Xu hướng phát triển xe gắn máy lai (hybrid) trên thế giới: 5 1.2. Một số kiểu truyền động lai (hybrid) điển hình trên ô tô: 13 1.3. Kết luận: 22 Chương 2: PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CÁ NHÂN PHÙ HỢP VỚI VIỆT NAM 24 2.1. Xe gắn máy lai (hybrid) điện nhiệt sử dụng nhiên liệu LPG - một giải pháp tối ưu cho phương tiện giao thông cá nhân ở Việt Nam: 24 2.2. Nghiên cứu chọn kiểu truyền động lai phù hợp cho xe gắn máy: 26 2.3. Kết luận: 38 Chương 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO XE GẮN MÁY LAI (HYBRID) SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KHÍ HOÁ LỎNG LPG 39 3.1. Chọn sơ bộ khối lượng của các thành phần: 39 3.2. Xác định các thông số của động cơ điện: 39 3.3. Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy: 42 3.4. Tổng hợp các thông số của động cơ điện và bộ ắc quy: 43 3.5. Xác định động cơ nhiệt: 44 3.6. Sơ đồ nguyên lý tổng quát của các cơ cấu truyền động cơ khí: 45 3.7. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ: 49 3.8. Xác định các thông số động học của xe: 54 3.9. Chọn công suất động cơ nhiệt và máy phát điện: 56 3.10. Cải tạo động cơ xăng thành động cơ khí đốt hoá lỏng LPG: 57 3.11. Cải tạo máy phát điện phù hợp với bộ nguồn ắc quy: 67 3.12. Thiết kế bộ truyền động đai hình thang: 70 3.13. Thiết kế bộ ly hợp ly tâm và ly hợp điện từ: 75 3.14. Thiết kế bố trí tổng thể hệ thống truyền động của xe: 78 3.15. Chế tạo bộ điều khiển điện tử trung tâm (ECC): 81 3.16. Đo mô men và công suất của bánh xe chủ động: 86 Chương 5: CẤU TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO XE Ô TÔ (HYBRID) HAI CHỔ NGỒI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KHÍ HOÁ LỎNG LPG 90 5.1. Ô tô cá nhân ở Việt Nam: 90 5.2. Cấu tạo thống động lực ô tô lai hai chỗ ngồi điện-nhiệt tại Việt Nam: 91 5.3. Kết luận: 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 1
3. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân MỞ ĐẦU Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau nhưng đều có xu thế chung là cơ giới hoá quãng đường dịch chuyển. Sự gia tăng mật độ phương tiện giao thông dẫn đến hai vấn đề lớn cần giải quyết đó là sự quá tải của cơ sở hạ tầng và ô nhiễm môi trường. Sự phát triển ngành giao thông vận tải của hầu hết các nước đều được thực hiện theo định hướng làm giảm nhẹ sự tác động của hai vấn đề này đến kinh tế - xã hội. - Giảm tải cho cơ sở hạ tầng: Giải quyết vấn đề này một mặt liên quan đến công tác qui hoạch đô thị, nâng cấp hệ thống giao thông, mở rộng đường, thiết kế tốt các nút giao thông, xây dựng các bãi đậu xe và mặt khác, cần phải lựa chọn loại phương tiện giao thông phù hợp. Mặt thứ nhất của vấn đề là trách nhiệm của các cấp chính quyền quốc gia. Còn đối với trách nhiệm của một người nghiên cứu khoa học thì nhiệm vụ cần quan tâm là phải xem xét đến mặt thứ hai của vấn đề, nghiên cứu đề xuất loại phương tiên giao thông hợp lý với cơ sở hạ tầng đô thị. Trong điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho giao thông ở nước ta chưa được phát triển, nhà ở thành phố chật hẹp, chỗ đậu xe chưa được xây dựng, việc sử dụng các loại phương tiện giao thông cá nhân cỡ lớn như ô tô du lịch từ 4 đến 12 chỗ sẽ gây nhiều phiền hà cho công tác tổ chức giao thông cũng như cho người sử dụng. Vì vậy nhiệm vụ đặt ra cho các cơ quan quản lý giao thông là khuyến khích người dân sử dụng những loại phương tiện vận chuyển cá nhân thích hợp như ô tô kích cỡ nhỏ 2 chỗ ngồi hoặc xe gắn máy, trong đó xe gắn máy là phương tiện giao thông được người dân ưa chuộn nhất hiện nay ở nước ta. Mặt dù đây chưa phải là phương tiện chiếm mật độ giao thông bé nhất (sau xe buýt) nhưng rất phù hợp với điều kiện sử dụng ở Việt Nam do 2
4. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân tính cơ động cao, dễ cất giữ, tiêu thụ nhiên liệu ít và giá cả phù hợp với túi tiền của đại đa số người dân lao động. - Phát triển nguồn động lực sạch: Hiện nay, phương tiện giao thông là một trong những tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Do đó, yêu cầu cấp bách đặt ra cho các nhà nghiên cứu là phải tìm ra nguồn động lực sạch không gây ô nhiễm (zero emission) để trang bị cho phương tiện giao thông. Ngoài ra, do nguy cơ nguồn dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong một tương lai gần nên cũng đòi hỏi con người cần phải tìm ra những nguồn năng lượng mới thay thế cho dầu mỏ hoặc ít ra cũng cần phải cải tiến động cơ nâng cao hiệu suất để tiết kiệm năng lượng. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây như: - Tập trung hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel. - Cải tiến quá trình cung cấp nhiên liệu và đánh lửa trên động cơ xăng. - Sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như: LPG (Liquid Petroleum Gas), khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời. - Nguồn động lực lai (hybrid) điện - nhiệt. Tất cả các giải pháp trên đều có những ưu và nhược điểm riêng. Trong đó, hai giải pháp được đánh giá tốt nhất hiện nay là loại động cơ sử dụng pin nhiên liệu FCHV (Fuel Cell Hybrid Vehicle) và động cơ lai điện nhiệt HSD (Hybrid Synergy Drive) do hãng TOYOTA đề xuất. Đối với động cơ FCHV, nó có ưu điểm là hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường nhưng nhiên liệu cung cấp cho nó là khí hydrogen có giá thành rất cao, còn động cơ HSD thì tuy đã giảm đáng kể khả năng gây ô nhiễm môi trường, hiệu suất cao nhưng do sử dụng xăng nên nó còn phụ thuộc rất nhiều vào nguồn cung cấp dầu mỏ. Động cơ Diesel cải tiến tuy hạn chế tối đa phát thải khí gây ô nhiễm môi trường và hiệu suất cao nhưng nó cũng không phải là động cơ đầy hứa hẹn 3
5. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân trong tương lai vì loại động cơ này vẫn phải sử dụng nhiên liệu từ nguồn dầu mỏ. Động cơ sử dụng nhiên liệu khí hoá lỏng LPG đang phát huy nhiều ưu điểm như trữ lượng LPG trên trái đất là còn dồi dào, hiệu suất tương đối cao và ít gây ô nhiễm môi trường nhưng nó vẫn còn có nhược điểm là vấn đề nạp lại nhiên liệu gặp nhiều khó khăn. Một xu hướng rất nổi bậc hiện nay là sử dụng nguyên lý lai (hybrid) cho nguồn động lực sử dụng trên phương tiện giao thông vận tải. Động cơ lai sẽ kết hợp được ưu điểm của hai động cơ thành phần và hạn chế những nhược điểm của chúng nên tạo ra được hiệu suất tổng hợp rất cao và đồng thời giảm thiểu phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy mà công nghệ lai đã được các nhà sản xuất ô tô trên thế giới tập trung nghiên rất nhiều trong những năm gần đây. 4
6. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Xu hướng phát triển xe gắn máy lai (hybrid) trên thế giới: 1.1.1. Piaggio hybrid scooter: Đối với các hãng sản xuất xe máy, công nghệ lai (Hybrid) quả thực là một vấn đề khó khi áp dụng trên những mẫu xe máy thương mại mang tính chất phổ thông. Ngoài việc có chi phí sản xuất cao, việc đưa ra giải pháp sử dụng động cơ điện và động cơ đốt trong có thể phối hợp nhịp nhàng và mang lại hiệu quả cao khi vận hành luôn là một bài toán khó, đòi hỏi tư duy sáng tạo và công nghệ vượt thời gian của những nhà sản xuất. Chính vì vậy trong thời điểm hiện tại, những mẫu xe máy Hybrid mỗi khi xuất hiện chưa thể là một giải pháp hoàn hảo cho các phương tiện di chuyển cá nhân, thế nhưng nó lại mang ý nghĩa lớn về trình độ và đẳng cấp của từng hãng xe. Nhà sản xuất xe máy Italia - Piaggio sẽ trở thành công ty đầu tiên trang bị hệ truyền động hybrid cho xe scooter (xe hai bánh thiết kế dành cho quý bà). Mới đây, hãng thông báo kế hoạch phát triển những phiên bản hybrid dành cho Vespa LX, Piaggio X8 và chiếc scooter 3 bánh Vespa MP3. Động cơ xăng Động cơ điện Bộ điều khiển điện tử Hình 1-1: Động cơ lai HyS Vespa LX. 5
7. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Hệ truyền động lai mang tên HyS (Hybrid Scooter) có thể vận hành ở chế độ chỉ động cơ điện hoặc ở chế độ kết hợp (hybrid) giữa động cơ xăng với động cơ điện. Piaggio HyS là hệ thống lai song song trong đó một động cơ đốt trong và một động cơ điện tích hợp vào vỏ động cơ chung và đồng thời cũng được điều khiển chung bằng một hệ thống điện tử. Cả hai động cơ này đồng thời cung cấp năng lượng cho bánh sau bằng bộ truyền động đai vô cấp. Hệ thống điều khiển điện tử kết hợp hai động cơ nhằm đem lại khả năng tăng tốc nhanh hơn và giúp giảm đáng kể việc tiêu thụ nhiên liệu (1,67 lít / 100km), ngoài ra khí thải C02 chỉ còn 40g/km khi sử dụng 65% chế độ hybrid và 35% chế độ điện. HyS cũng sử dụng hệ thống phanh tái sinh giúp thu hồi năng lượng thường xuyên bị mất đi trong quá trình phanh. Ngoài ra, dòng scooter này còn có thể nạp lại ắc quy từ nguồn điện sinh hoạt 220V. Hộp số tự động, hệ thống đánh lửa điện tử và khởi động tự động giúp người sử dụng dễ dàng vận hành xe trong đô thị cũng như ở vùng ngoại thành. Động cơ xăng Truyền động đai vô cấp Động cơ điện Hình 1-2: Động cơ lai HyS Vespa MP3. 6
8. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Piaggio HyS sử dụng giải pháp công nghệ vô cùng tân tiến và phức tạp nhưng vẫn dễ sử dụng. Một công tắc dùng để chọn một trong các chế độ vận hành: hybrid hoặc điện. Trong chế độ kết hợp, HyS điều khiển công suất đầu ra từ hai động cơ xăng và điện, thông qua hệ thống điều khiển điện tử (SGE) nhằm tăng công suất và chọn tỷ số truyền phù hợp với trạng thái vận hành của xe. Suốt quá trình giảm tốc độ và phanh, hệ thống điều khiển thu hồi công suất bị mất và nạp vào ắc quy. Công nghệ truyền động điện tử không chỉ cho phép hệ thống điều khiển kiểm soát năng lượng đầu ra được kết hợp của hai động cơ mà còn điều khiển động cơ nhiệt vận hành ở chế độ có hiệu suất cao nhất, vì vậy giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải gây ô nhiễm môi trường. Tất cả những thông tin về công nghệ này vẫn còn nằm trong vòng bí mật. Dự kiến, ba phiên bản đầu tiên của Piaggio HyS sẽ là Vespa LX, Piaggio X8 và MP3 ba bánh. Theo thông tin ban đầu, HyS sử dụng một động cơ xăng xy lanh đơn, 4 kỳ làm mát bằng chất lỏng, có dung tích 125cm 3, công suất cực đại 11kW ở số vòng quay 8.500 vòng/phút, kết hợp với một động cơ điện có công suất cực đại 2,6kW, sử dụng bộ nguồn ắc quy Lithium-ion gồm 3 bình 12V-26AH. Trên phiên bản X8 và MP3, ắc quy được dấu vào ngăn đựng hành lý dưới yên xe, tuy nhiên, khoảng không này vẫn đủ lớn để đặt mũ bảo hiểm. Mẫu Vespa LX hybrid, khoảng không gian phía dưới yên xe chỉ dùng để chứa ắc quy, cốp đựng hành lý và mũ bảo hiểm sẽ được bố trí ở phía trên sau đuôi xe. Trên bản điều khiển ở tay lái xe có lắp đặt một đồng hồ báo tình trạng lưu trữ điện của ắc quy. Thời gian một lần nạp lại đầy bộ nguồn ắc quy bằng lưới điện 220V là khoảng 3 giờ. Tổng trọng lượng toàn bộ động cơ và ắc quy của hệ thống HyS là khoảng 30kg. 1.1.2. Yamaha HV-X Hybrid Scooter: Được giới thiệu tại triển lãm Tokyo Motor Show 2009, Yamaha HV-X được xem như mẫu xe máy hybrid có tính thực tế cũng như khả năng vận 7
9. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân hành hoàn hảo trong mọi điều kiện sử dụng. Yamaha HV-X Hybrid được trang bị một động cơ điện 300V, công suất tối đa 15kW với bộ ắc quy loại Lithium-ion và động cơ đốt trong xy lanh đơn, 4 kỳ, 250cm 3 với bộ truyền động đai vô cấp dẫn động đến bánh xe sau chủ động. Động cơ xăng 250cm3 Động cơ điện 15kW Ắc quy Lithium-ion 300V Bộ điều khiển điện tử Bộ chuyển đổi điện Thùng chứa xăng Hình 1-3: Sơ đồ cấu tạo xe Yamaha HV-X Hybrid Scooter. Hình 1-4: Yamaha HV-X Hybrid Scooter. Yamaha HV-X Hybrid có cách bố trí các bộ phận trong hệ thống động lực khá phức tạp. Tại vị trí đặt bình chứa nhiên liệu truyền thống là một hệ thống bộ nguồn ắc quy cỡ lớn và hệ thống điều khiển điện tử trung tâm (IC điều khiển). Trong khi đó, bình chứa nhiên liệu dành cho động cơ đốt trong được chuyển xuống phía đuôi xe. Phía dưới bộ vỏ nhựa là những chi tiết động cơ phức tạp được sắp xếp dày đặc trên khung xe. Hệ thống động cơ xăng và động 8
10. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân cơ điện của HV-X được điều khiển chung bằng bộ IC trung tâm. Trong điều kiện xe vận hành ở tốc độ đều hoặc tăng giảm tốc nhẹ (chậm), hệ thống điều khiển điện tử sẽ kích hoạt động cơ điện và ngắt hệ thống động cơ xăng giúp chiếc xe vận hành ở chế độ êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu. Trong khi đó, khi xe cần vận hành ở công suất tối đa như leo dốc hoặc vận hành trên đường cao tốc, hệ thống điều khiển trung tâm sẽ kích hoạt cả hai hệ thống động cơ xăng và động cơ điện cùng hoạt động. Như vậy, có thể nhận thấy rõ mục đích sử dụng của từng kiểu động cơ trong hệ thống truyền động lai này là: động cơ điện sẽ được dùng chủ yếu, thường xuyên trong quá trình xe chạy và khi đi đường trường hoặc vượt dốc thì động cơ xăng mới hoạt động. Ngoài ra, khi nguồn điện của ắc quy đã hết, xe có thể chạy bằng động cơ xăng như một chiếc xe máy bình thường khác. Hiện tại Yamaha mới chỉ dừng lại ở việc giới thiệu sơ bộ về mẫu xe tay ga đặc biệt này. Tuy nhiên với những hình ảnh được Yamaha công chiếu trong dịp triển lãm Tokyo Motor Show 2009, chiếc xe được giới chuyên môn và những người đam mê xe máy đánh giá cao. Mặc dù vậy, Yamaha vẫn tuyên bố giữ kín thông tin kỹ thuật cũng như nói về tương lai của mẫu xe này. 1.1.3. Honda Hybrid Scooter: Ngày 24 tháng 8 năm 2004, Honda đã giới thiệu mẫu xe lai đầu tiên kiểu dáng “scooter” với khả năng giảm khí thải gây ô nhiểm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu. Xe lai này kết hợp hoạt động của một động cơ đốt trong phun xăng điện tử 50cm 3 và một động cơ điện kiểu xoay chiều đồng bộ gắn trực tiếp vào bánh sau của xe. Hệ thống sử dụng một bình ắc quy niken - hyđrua kim loại (Ni-MH) để lưu trữ năng lượng. Khi chạy trên đường bằng phẳng trong thành phố, một mình động cơ điện sẽ dẫn động xe chạy với tốc độ đạt 30 km/h. Khi cần lực phát động lớn như tăng tốc hoặc lên dốc thì động cơ đốt trong sẽ kết với động cơ điện thông qua bộ truyền động đai vô cấp để tăng 9
11. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân thêm công suất kéo. Để tận dụng năng lượng, khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc thì động cơ điện sẽ trở thành máy phát điện nạp điện vào ắc quy. Mẫu xe này có hiệu suất rất cao và giảm được 37% nồng độ CO trong khí thải so với xe gắn máy cùng công suất. Hình 1-5: Honda hybrid Scooter. 1.1.4. eCycle Hybrid: Xe eCycle nhìn bên ngoài trông giống như một chiếc xe mô tô thể thao với động cơ 250cm 3 chạy xăng, ngoại trừ tốc độ và công suất cực đại mà nó đạt được. Khối hybrid của eCycle đạt được công suất 42V x 400A = 16.800W đối với động cơ điện và 12.000W đối với động cơ xăng bốn kỳ hai xy lanh có dung tích 250cm3. Khối lưu trữ điện của chiếc xe này bao gồm ba ắc quy 14V. Khả năng tăng tốc từ 0-100 km/h trong thời gian 6 giây và tốc độ tối đa 120km/h. Tiêu thụ nhiên liệu đạt 50km/lít với lượng phát sinh khí thải gây ô nhiễm là rất thấp. Các chuyên gia hàng đầu về động cơ hybrid cũng khẳng định rằng, eCycle hybrid là chiếc xe máy rất hiện đại với loại vật liệu sử dụng có trọng lượng rất nhẹ, hạn chế khí thải gây ô nhiễm môi trường và khả năng hãm tái sinh năng lượng đạt hiệu quả cao. Kết cấu nhẹ của eCycle đều dựa trên một bộ phận trung tâm, nơi đặt động cơ đốt trong, động cơ điện, máy phát, ắc quy và các 10
12. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân bộ phận của hệ truyền động là khung xe được chế tạo bằng hợp kim nhôm đặc biệt. Hệ thống lái và bộ giảm xóc lò xo để trần mang đến hình ảnh thể thao cho chiếc xe này. Hệ thống treo phía trước là dạng càng đơn nằm ngang với một tay đòn lắp một cách chắc chắn với khung trung tâm. Các bánh xe mâm đúc bằng nhôm đường kính 40cm, hộp số hai cấp tốc độ điều khiển tự động và được dẫn động bằng xích để truyền mô men xoắn ra bánh xe sau. Tự trọng của xe máy eCycle hybrid đạt khoảng 100kg. Hình 1-6: Xe máy eCycle hybrid. 1.1.5. FA - 801 (Hybrid 80cm3 - 500W): Công ty sản xuất xe gắn máy FUSEN của Thái Lan đã cho ra đời mẫu xe mô tô lai (hybrid) được kết hợp từ một động cơ điện 500W và một động cơ đốt trong 80cm3. Khi xe chạy từ 0 - 34km/h, động cơ điện sẽ hoạt động. Khi xe đạt tốc độ 35km/h, hộp điều khiển điện tử sẽ khởi động động cơ đốt trong và ngắt động cơ điện, lúc này động cơ đốt trong sẽ thay thế động cơ điện để cung cấp sức kéo cho xe chạy. Khi tốc độ xe thấp hơn 35km/h, hệ thống điều khiển sẽ giúp xe tự động chuyển sang hoạt động bằng động cơ điện. Trên tay lái của xe có nút chọn chế độ chạy xe ở 2 trạng thái: chế độ chạy điện và chế độ chạy lai (hybrid). Loại xe này có các ưu điểm: 11
13. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Tiết kiệm nhiên liệu và giảm sự ô nhiễm môi trường khi chạy ở chế độ lai. - Hoạt động êm và không ô nhiễm môi trường khi chạy ở chế độ xe điện. - Giá thành thấp. Các đặc tính kỹ thuật của xe: - Công suất động cơ điện: 500W có thể kéo xe chạy đạt 50km/h, quãng đường xe chạy hết bình ắc quy là 90km. - Nguồn ắc quy: 12V-17AH x 4bình, nạp lại với 1,8A trong thời gian 6 giờ. - Tốc độ cực đại của xe đạt: 90km/h. FA - 801 (Hybrid 80cm3 - 500W) Bảng đồng hồ Nút lựa chọn chế độ hoạt động Hình 1-7: Cấu tạo của xe Fusen FA-801 hybrid. 12
14. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân 1.2. Một số kiểu truyền động lai (hybrid) điển hình trên ô tô: Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới như Toyota, Honda, Isuzu, Mercedes, BMW, Fiat, . . . đã tung ra thị trường những thế hệ ô tô mới có hiệu suất cao và giảm đáng kể lượng chất thải gây ô nhiểm môi trường được gọi là “ô tô lai” (Hybrid - Car). Có thể nói, công nghệ lai là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của ngành sản xuất ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái (the ultimate eco-car). Xu hướng phát triển của ngành ô tô trên thế giới được mô tả như ở hình 1-8. Ô tô sinh thái The ultimate eco-car Công nghệ lai – Hybrid Technology Năng lượng Động cơ Động cơ Động cơ thay thế diesel Xăng Điện 1. HSD: Hybrid Synergy Drive - Lai vận 7. DPR: Diesel Particulate active hành hiệp trợ. Reduction System - Động cơ diesel 2. FCHV: Fuel Cell Hybrid Vehicle - Xe lai có hệ thống giảm muội than. pin nhiên liệu. 8. EV: Electric Vehicle - Xe điện. 3. HV: Hybrid Vehicle - Xe lai. 9. CNG: Compressed Natural Gas - Khí 4. THS: Hệ thống lai của Toyota. đốt thiên nhiên nén lỏng. 5. DPNR: Động cơ diesel giảm NOX và 10. VVT-i: Variable Valve Timing with muội than. intelligence - Thay đổi thời gian 6. D-4: Direct Injection 4 stroke - Phun đóng mở xupap thông minh. trực tiếp 4 nhịp. Hình 1-8: Xu hướng phát triển nguồn động lực của ô tô trên thế giới. 13
15. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Từ hình 1-8 ta nhận thấy, một thế hệ ô tô mới ra đời có liên quan trực tiếp đến việc cải tiến hoặc thay đổi loại động cơ lắp đặt trên nó. Có thể phân ra làm 4 nhóm động cơ chính được dùng làm nguồn động lực cho ô tô là động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ điện và động cơ sử dụng năng lượng thay thế như động cơ sử dụng khí đốt hoá lỏng LPG (Liquid Petroleum Gas) hoặc LNG (Liquid Nature Gas). Động cơ xăng và diesel được xem là hai loại động cơ truyền thống với ưu điểm nổi trội hơn các loại động cơ khác là việc cung cấp nhiên liệu đơn giản và nhanh chóng. Tuy nhiên hiệu suất của nó thì không cao và đồng thời gây ô nhiểm môi trường lớn nhất. Hai loại động cơ này đã được cải tiến qua nhiều thế hệ và đã trở nên rất hiện đại, nhưng đứng trước nguy cơ cạn kiệt của nguồn dầu mỏ, có thể nói động cơ chạy bằng xăng dầu truyền thống không có triển vọng phát triển trong tương lai. Động cơ điện và động cơ khí ga (LPG hoặc LNG) tuy hiện nay còn có một số hạn chế nhất định nhưng đây là hai loại động cơ có nhiều ưu điểm có thể thay thế hai loại động cơ truyền thống trong những năm tới. Trong những năm gần đây, một thế hệ động cơ mới được tạo ra từ động cơ xăng và động cơ điện được gọi là động cơ lai (Hybrid Engine) được lắp đặt thành công trên xe du lịch đời mới của các hãng như Toyota, Honda, Isuzu, Mercedes, BMW, Fiat, . . . Động cơ lai đã phát huy ưu điểm và đồng thời hạn chế nhược điểm của mỗi loại động cơ thành phần. Đây là loại động cơ được xem là tốt nhất hiện nay. Trên hình 1-8, vị trí sắp xếp của các thế hệ động cơ theo chiều cao thể hiện thời điểm ra đời của nó, còn các chỉ số kèm theo chỉ thứ tự xếp loại theo ưu điểm của mỗi loại động cơ. Rõ ràng, động cơ lai xăng - điện vận hành hiệp trợ HSD (Hybrid Synergy Drive) được xếp loại là loại động cơ có ưu điểm đứng đầu hiện nay. Động cơ HSD được hãng sản xuất ô tô nổi tiếng thế giới Toyota thiết kế và chế tạo sử dụng trên xe ô tô du lịch Prius nên còn được gọi là động cơ THS II (Toyota Hybrid System II). 14
16. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân 1.2.1. Hệ thống lai của Toyota (Toyota Hybrid System II): Hệ thống gồm có hai loại nguồn công suất, một động cơ xăng hiệu suất cao sử dụng chu trình nhiệt Atkinson, là một chu trình tỷ số nén cao kết với một động cơ điện đồng bộ xoay chiều (AC) nam châm vĩnh cửu, một máy phát, nguồn ắc quy Niken - Hydrua kim loại (Ni - MH) hiệu suất cao và một điều khiển công suất. Bộ điều khiển công suất này có thiết kế một mạch điện tăng áp cao để nâng điện áp của hệ thống cung cấp công suất cho động cơ điện và máy phát đến một điện áp cao đạt 500V, ngoài ra một bộ biến đổi AC- DC để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) sử dụng trên động cơ điện và máy phát thành dòng điện một chiều (DC) lưu trữ trên nguồn ắc quy và ngược lại. Một bộ phận quan trọng khác nữa là bộ phân chia công suất sử dụng cơ cấu vi sai, nhằm phân phối mô men quay từ động cơ xăng đến động cơ điện và máy phát một cách tối ưu theo mọi chế độ vận hành của ô tô. Bộ điều khiển công suất tự động điều khiển một cách chính xác những hoạt động của động cơ xăng, máy phát và động cơ điện sao cho chế độ làm việc đạt được hiệu suất cao nhất. Nguyên lý hoạt động của động cơ THS II được chia thành sáu chế độ đặc trưng và được mô tả như sau: Ắc quy Ắc quy Động cơ xăng Động cơ xăng Máy phát Máy phát Bộ điều khiển Bộ điều khiển công suất công suất Bộ vi sai Bộ vi sai Động cơ điện Động cơ điện Hình 1-9: Đường truyền công suất ở tốc độ thấp và chạy bình thường 15
17. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Khởi hành từ tốc độ thấp tới trung bình: Động cơ xăng không hoạt động vì ở vùng tốc độ này hiệu suất nhiệt thấp, lúc này xe chỉ chạy bằng động cơ điện như mô tả ở hình 1-9 với dòng truyền công suất "A". - Vận hành ở điều kiện bình thường: Công suất của động cơ xăng được bộ vi sai phân phối công suất chia thành hai phần, một phần làm quay máy phát tạo ra dòng điện cung cấp cho động cơ điện (dòng "B"), phần còn lại của công suất được truyền động trực tiếp đến bánh xe chủ động (dòng "C"). Tỷ lệ độ lớn của mỗi dòng công suất "B" và "C" phụ thuộc vào tỉ số truyền trên mỗi nhánh của bộ vi sai. Sự phân phối công suất theo nguyên lý này giúp động cơ xăng luôn chạy ở tốc độ quay cao nhưng sức kéo đáp ứng được yêu cầu của lực cản khi xe chạy. Nhờ tránh được vùng làm việc ở tốc độ quay thấp nên động cơ xăng có hiệu suất cao và giảm nồng độ khí thải gây ô nhiễm môi trường. Một phần công suất dư thừa của động cơ xăng được máy phát thu nhận và nạp điện cho ắc quy lưu trữ để sử dụng khi cần. - Gia tốc đột ngột: Khi đạp ga đột ngột, hệ thống điều khiển sử dụng hết công suất phát ra của động cơ xăng theo dòng "B" và "C", đồng thời nhận thêm dòng điện từ ắc quy để tăng công suất cho động cơ điện theo dòng "A". Ắc quy Ắc quy Động cơ xăng Động cơ xăng Máy phát Máy phát Bộ điều khiển Bộ điều khiển công suất công suất Bộ vi sai Bộ vi sai Động cơ điện Động cơ điện Hình 1-10: Đường truyền công suất khi tăng tốc và khi giảm tốc 16
18. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Giảm tốc độ hoặc phanh lại: Động cơ xăng ngừng hoạt động, động cơ điện đóng vai trò là một máy phát nhận công suất từ các bánh xe (động năng quán tính) và tạo ra dòng điện cao áp nạp lại cho ắc quy theo dòng "D". Động cơ xăng Máy phát Ắc quy Động cơ xăng Động cơ điện Máy phát Bộ điều khiển công suất Bộ vi sai Động cơ điện Bộ vi sai Hình 1-11: Đường truyền công suất khi nạp điện và động cơ THS II - Tự nạp lại nguồn ắc quy: Khi dung lượng điện chứa trong ắc quy còn thấp hơn mức cho phép, động cơ xăng sẽ được kích hoạt chạy và kéo máy phát điện để tự nạp lại ắc quy theo dòng "E". - Dừng xe: Động cơ xăng và động cơ điện tự động dừng. Hệ thống lai THS II (HSD) có bốn đặc trưng sau: - Giảm mất mát năng lượng: Hệ thống tự động tắt động cơ xăng khi xe dừng để giảm bớt sự lãng phí năng lượng khi động cơ chạy không tải. - Khôi phục và sử dụng lại năng lượng: Năng luợng mà bình thường bị biến thành nhiệt trong suốt thời gian giảm tốc độ và phanh đã được khôi phục thành năng lượng điện nạp lại cho nguồn ắc quy. - Động cơ điện hỗ trợ tăng tốc: Động cơ điện cùng kết hợp với động cơ xăng nhằm tăng công suất trong suốt quá trình gia tốc. - Điều khiển hoạt động hiệu suất cao: Động cơ điện hoạt động chủ yếu ở tốc độ thấp và động cơ xăng hoạt động chính ở tốc độ cao nhờ đó mà khắc phụ được nhược điểm của động cơ xăng khi chạy ở tốc độ thấp. 17
19. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống lai THS II (HSD) như sau: - Động cơ xăng 4 kỳ; 4 xi lanh; tổng dung tích xi lanh 1,5 lít; công suất cực đại 57kW ở số vòng quay 5000 vòng/phút. - Động cơ điện xoay chiều đồng bộ công suất 50kW, hiệu điện thế 500V. - Ắc quy: Nickel-metal hydride (Ni-MH), hiệu điện thế 500V-100AH. 1.2.2. Hệ thống lai của Honda Hybrid: Hệ thống lai mới nhất hiện nay của Honda được thiết kế cho ô tô du lịch NEW INSIGHT, kiểu động cơ i-VTEC 3-Stage IMA (Integrated Motor Assist). Đây là hệ thống lai kiểu kết hợp song song giữa động cơ xăng và động cơ điện. Động cơ xăng là loại 4 kỳ 4 xi lanh, dung tích xi lanh 1.3 lít, công suất 65kW ở số vòng quay 5.800 vòng/phút, hệ thống phân phối khí sử dụng công nghệ i-VTEC 3-Stage với ba chế độ điều khiển xu páp: đóng hoàn toàn tất cả các xu páp ở trạng thái nghỉ, đóng mở bình thường và đóng mở tăng cường khi chạy ở tốc độ cao. Động cơ điện là loại một chiều không chổi than (DC brushless motor), hiệu điện thế 100V, công suất 10kW ở số vòng quay 1.500 vòng/phút. Bộ nguồn ắc quy là loại Ni-MH (Nickel - Metal Hydride), dung lượng 100V-200AH. Cả động cơ xăng và động cơ điện được kết hợp nối cứng với nhau và cùng truyền mô men xoắn đến bánh xe chủ động thông qua bộ truyền động đai vô cấp. Động cơ điện được thiết kế có kích thước tương đương như một bánh đà và được lắp vào đúng vị trí của bánh đà động cơ xăng, do đó, rô to của động cơ điện có vai trò tạo quán tính thay thế bánh đà. Toàn bộ hệ thống được điều khiển hoạt động phối hợp công suất một cách tự động thông qua bộ điều khiển điện tử PCU (Power Control Unit). Nguyên tắc hoạt động của hệ thống Honda Hybrid IMA như sau: - Khởi hành và chạy với vận tốc chậm: Chỉ một mình động cơ điện hoạt động, lúc này động cơ xăng ở trạng thái nghỉ. Vì động cơ điện được lắp nối cứng với động cơ xăng nên trục khuỷu quay theo. Để giảm tổn hao công suất 18
20. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân trong các xi lanh, hệ thống i-VTEC điều khiển cơ cấu phân phối khí đóng hoàn toàn tất cả các xu páp (cam không điều khiển mở xu páp). Động cơ xăng Động cơ điện Truyền động đai vô cấp Động cơ điện Hình 1-12: Cấu tạo động cơ Honda Hybrid IMA. - Chạy bình thường với vận tốc từ trung bình trở lên: Chỉ một mình động cơ xăng hoạt động, động cơ điện ở trạng thái nghỉ (không cấp nguồn), rô to của động cơ điện có vai trò là một bánh đà của động cơ xăng. Trong trường hợp này, nếu ắc quy hết điện, động cơ điện được điều khiển trở thành một máy phát điện và nhận một phần công suất từ động cơ xăng để nạp điện cho ắc quy. - Tăng tốc đột ngột hoặc vượt dốc cao: Hệ thống điện tử PCU sẽ điều khiển cả động cơ xăng và động cơ điện cùng kết hợp công suất để tăng sức kéo cho ô tô. - Giảm tốc hoặc phanh xe: Động cơ xăng được điều khiển chuyển sang trạng thái nghỉ (tất cả các xu páp đều đóng) và động cơ điện trở thành một máy phát điện nhận động năng quán tính từ ô tô biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy. - Dừng xe: Cả hai động cơ đều ngừng hoạt động. Với nguyên tắc hoạt động như trên, động cơ IMA khắc phục được nhược điểm của động cơ xăng là có hiệu suất thấp ở vùng tốc độ thấp nên đem lại 19
21. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân hiệu suất tổng thể khá cao. Cấu tạo theo nguyên tắc này giúp động cơ nhỏ gọn và nhẹ hơn so với hệ thống THS II của Toyota. Hệ thống i-VTEC điều khiển tăng cường độ mở xu páp giúp động cơ xăng tăng công suất và hiệu suất khi chạy ở tốc độ cao. Tuy nhiên, do hệ thống IMA chỉ kết hợp lai song song nên hiệu quả tổng thể không thể bằng hệ thống THS II của Toyota. 1.2.3. Hệ thống lai của Mercedes-Benz ML 450 Hybrid: Lần đầu tiên ra mắt tại triển lãm ô tô New York hồi tháng 4 năm 2009, mẫu Mercedes-Benz ML 450 hybrid 2010 đã chính thức có mặt trên thị trường Mỹ từ ngày 16 tháng 11 năm 2009. Chiếc xe sử dụng động cơ xăng 3.5 lít V6 công suất 205kW, kết hợp với hai động cơ điện, trong đó, một động cơ điện được bố trí cùng nhóm với động cơ xăng nằm ở phía cầu trước có công suất 62kW và một động cơ điện được bố trí độc lập nằm ở phía cầu sau có công suất 60kW, như vậy tổng công suất của hệ thống đạt 327kW. Ắc quy sử dụng trên ô tô này là loại Ni-MH (nickel - metal hydride), hiệu điện thế 288V và được đặt ở bên dưới sàn của ngăn chứa hành lý phía sau xe. Theo Mercedes- Benz, mẫu SUV hybrid cỡ lớn này tiêu thụ trung bình 11,2 lít nhiên liệu cho 100 km trong thành phố và 9,8 lít/100 km đường cao tốc. Nhờ ứng dụng những công nghệ mới mà mức tiết kiệm nhiên liệu của chiếc hybrid này được cải thiện đáng kể với chức năng tự động tắt động cơ xăng khi không cần thiết như chờ đèn đỏ hay tắc đường. Hệ thống sử dụng hai động cơ điện lắp riêng trên mỗi cầu xe nhằm giảm kích thước cho động cơ điện được lắp chung với động cơ xăng. Ngoài ra, mặc dù động cơ xăng chỉ dẫn động cầu trước nhưng nhờ có động cơ điện ở phía cầu sau nên hệ thống truyền động vẫn thực hiện được chức năng "4 bánh chủ động chống trượt" (4MATIC). Nguyên tắc hoạt động của hệ thống lai trên ô tô ML 450 Hybrid như sau: - Khởi hành và chạy chậm: Khi chạy trong thành phố với tốc độ chậm, xe vận hành chỉ bằng động cơ điện, tốc độ cực đại đạt 55 km/h. 20
22. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Chế độ chạy chậm Chế độ chạy nhanh Chế độ tăng tốc đột ngột Chế độ giảm tốc và phanh Hình 1-13: Mô tả hoạt động của hệ thống lai Mercedes-Benz ML 450 Hybrid. Hình 1-14: Ô tô SUV Mercedes-Benz ML 450 Hybrid 2010. - Chạy với vận tốc từ trung bình trở lên: Chỉ một mình động cơ xăng hoạt động cung cấp sức kéo cho ô tô và đồng thời động cơ điện ở phía trước (cùng nhóm với động cơ xăng) được điều khiển chuyển sang chế độ máy phát điện và nhận một phần công suất từ động cơ xăng để nạp điện cho ắc quy. 21
23. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Tăng tốc đột ngột hoặc vượt dốc cao: Hệ thống điện tử PLC (Power Launch Control) điều khiển cả động cơ xăng và hai động cơ điện cùng kết hợp công suất để tăng sức kéo cho ô tô. - Giảm tốc hoặc phanh xe: Động cơ xăng tự động dừng và hai động cơ điện trở thành hai máy phát điện nhận động năng quán tính từ ô tô biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy. - Dừng xe: Tất cả các động cơ đều ngừng hoạt động. Động cơ xăng và động cơ điện phối hợp công suất thông qua cơ cấu bánh răng hành tinh có 3 cấp tỷ số truyền và được điều khiển thông qua 4 bộ ly hợp điện từ. 1.3. Kết luận: - Hệ thống truyền động lai (hybrid) phối hợp công suất giữa một động cơ xăng và một động cơ điện đã đem lại hiệu suất cao và hạn chế khí thải gây ô nhiễm môi trường cho ô tô và xe gắn máy. Việc kết hợp hoạt động của hai loại động cơ nói trên nhằm phát huy ưu điểm và khắc phục nhược điểm của mỗi loại động cơ thành phần. Động cơ điện có ưu điểm là hiệu suất cao, vận hành êm dịu, kích thước nhỏ gọn, thu hồi được năng lượng hao phí trong quá trình giảm tốc, . . . , nhưng có nhược điểm là năng lượng lưu trữ bằng ắc quy không đủ lớn để xe chạy được lâu dài và đồng thời việc nạp lại ắc quy thường kéo dài từ 3 đến 6 giờ là vượt quá khả năng chờ đợi của một chiếc xe đang vận hành. Động cơ xăng có ưu điểm là có thể chạy lâu dài với lượng xăng lưu trữ trên xe và việc nạp lại nhiên liệu cũng rất đơn giản, nhưng động cơ xăng có hiệu suất thấp và thải khí cháy gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt tốc độ vận hành càng thấp thì nhược điểm càng tăng. Hiện nay, động cơ lai (hybrid) đang ngày càng được đầu tư nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới để sử dụng làm nguồn động lực cho ô tô và xe gắn máy. 22
24. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Hệ thống truyền động lai được nghiên cứu và sử dụng tiên phong trên ô tô. Đối với xe gắn máy, truyền động lai quả thực là một bài toán khó bởi kích thước yêu cầu nhỏ gọn và giá thành chế tạo không được quá cao. Hiện tại, nhiều hãng sản xuất xe gắn máy cũng đã thiết kế và chế tạo thành công xe gắn máy lai nhưng vẫn đang trong giai đoạn chạy thử nghiệm. Để trở thành sản phẩm thương mại, xe gắn máy lai chắc chắn cũng cần phải chờ đợi thêm một vài năm nữa. - Hiện nay, hệ thống lai trên ô tô được thiết kế theo kiểu kết hợp song song hoặc theo kiểu kết hợp hỗn hợp (vừa nối tiếp và vừa song song) nhưng trên xe gắn máy chỉ được thiết kế theo kiểu kết hợp song song (đơn giản hơn kiểu hỗn hợp). - Nhìn chung, các hệ thống lai đều sử dụng động cơ xăng làm nguồn cung cấp năng lượng chính, các đời xe từ năm 2010 trở đi bắt đầu xuất hiện thêm những hệ thống lai kiểu "Plug in hybrid", nạp lại ắc quy bằng điện lưới dân dụng 220V. - Phần lớn các loại xe gắn máy lai hay nói đúng hơn là xe mô tô lai đã được các hãng nghiên cứu chế tạo đều có công suất lớn và giá thành rất cao. Như vậy, khách hàng mà các mẫu xe này nhắm đến không phải là tầng lớp bình dân của xã hội, đặc biệt là những người lao động nghèo ở Việt Nam thì càng không thể có khả năng mua những chiếc xe như vậy để sử dụng. 23
25. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Chương 2: PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CÁ NHÂN PHÙ HỢP VỚI VIỆT NAM 2.1. Xe gắn máy lai (hybrid) điện nhiệt sử dụng nhiên liệu LPG - một giải pháp tối ưu cho phương tiện giao thông cá nhân ở Việt Nam: Nhìn chung, đường sá giao thông đô thị ở các thành phố lớn nước ta rất hẹp so tiêu chuẩn đường đô thị hiện đại. Rất nhiều con đường với bề rộng nhỏ hơn 4 mét. Kiến trúc thành phố mang dáng dấp của những đô thị cổ xưa chật hẹp nhưng lại rất khó quy hoạch mới. Tỷ lệ diện tích đường giao thông so với tổng diện tích đất đô thị bình quân chung cả nước vào khoảng 20% (tiêu chuẩn lý tưởng là 35%), đối với các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng hoặc các thành phố cổ như Huế và Hội An thì tỷ lệ này còn thấp hơn nhiều. Đặc biệt, ở các thành phố lớn thường tập trung dân cư đông đúc đã làm cho mật độ giao thông trên đường phố là rất lớn và thường gây ra tắt ngẽn giao thông vào các giờ cao điểm. Ngoài ra, diện tích đất dành cho các bãi đỗ xe công cộng là rất nhỏ và không được chú trọng đầu tư mở rộng nên việc lấn chiếm lòng lề đường của các phương tiên giao thông là phổ biến. Theo thống kê chỉ tiêu sử dụng đất đô thị ở các thành phố lớn hiên nay bình quân là 100(m2/người), trong đó chỉ tiêu đất giao thông là 25(m 2/người), chỉ tiêu đất cây xanh, công viên, thể dục thể thao là 18(m 2/người) và chỉ tiêu đất xây dựng công trình phục vụ lợi ích công cộng là 5(m 2/người). Rõ ràng những con số này đang còn rất khiêm tốn. Cho nên, giải quyết vấn đề ùn tắt giao thông đô thị hiện nay đang là bài toán nan giải của chính quyền các thành phố lớn. Bên cạnh của vấn đề khó mở rộng diện tích mặt đường trong các thành phố, hiện nay với sự tăng đột biến của loại xe mô tô mà người dân thành phố đang sử dụng đã làm tăng thêm gánh nặng giao thông và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Với chủng loại xe mô tô rẻ tiền được sản xuất từ Trung 24
26. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Quốc, rất hợp thị hiếu và nhu cầu của người lao động bình dân Việt Nam, đã được phần đông người tiêu dùng mua sắm làm phương tiện giao thông cá nhân. Tuy nhiên, do được thiết kế để hạ giá thành nên những chiếc xe loại này thường không đảm bảo kỹ thuật về giảm chất thải gây ô nhiễm môi trường và dễ gây ra tai nạn giao thông. Để góp phần giảm mật độ giao thông, ngoài mở rộng diện tích đường sá, một phương pháp khác cũng khá hiệu quả đó là quy hoạch lại phương tiện giao thông trong thành phố như phân luồng, phân tuyến, khuyến khích người dân lựa chọn loại xe làm phương tiện giao thông cá nhân phù hợp để sử dụng. Tại Việt Nam, theo số liệu thống kê về cơ sở hạ tầng đã nêu trên, các thành phố lớn tại Việt Nam có đường phố phần lớn rất hẹp và mật độ giao thông lại khá cao. Các khu vực dành để đổ xe ô tô cá nhân và diện tích nhà ở của dân thành thị cũng rất hẹp. Để thuận tiện lưu thông và cất giữ xe, chiếc xe mà thị trường tiêu thụ dễ chấp nhận nhất phải có kích thước nhỏ gọn. Vì vậy, xe hai bánh (còn được gọi là xe gắn máy và xe mô tô) đã và đang được người dân lựa chọn làm phương tiện đi lại chiếm tỷ lệ cao nhất. Hiện nay, trong khi giá xăng dầu ngày càng tăng, để đem lại hiệu quả kinh tế và hạn chế ô nhiễm môi trường, ta cần chọn nguồn động lực tối ưu cho xe hai bánh. Như chúng ta đã biết, động cơ đốt trong là nguồn động lực phổ biến của phương tiện vận tải nhưng nó cũng có nhiều nhược điểm như gây ô nhiểm môi trường, hiệu suất thấp và nhiên liệu mà nó sử dụng ngày càng khan hiếm. Chính vì vậy mà ngày nay, các nhà sản xuất ô tô và mô tô trên thế giới đã chuyển sang nghiên cứu động cơ sử dụng nguồn nhiên liệu mới hoặc động cơ lai để thay thế dần cho động cơ đốt trong. Trong đó, nguồn năng lượng điện đặc biệt được sử dụng nhiều nhất và cho nhiều triển vọng. Xe điện là loại phương tiện không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường và tiếng ồn cũng rất nhỏ. Nếu nguồn cung cấp điện cho xe điện là thuỷ điện, phong điện, địa nhiệt 25
27. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân điện hoặc pin nhiên liêu (fuel cell), . . . thì việc thay động cơ đốt trong bằng động cơ điện trên phương tiện giao thông cơ giới sẽ giảm đáng kể nguồn gây ô nhiễm môi trường trên trái đất. Nhược điểm lớn nhất hiện nay của xe điện là vấn đề lưu trữ và nạp lại năng lượng khi xe chạy. Chính vì vậy mà nó chưa được thay thế hoàn toàn động cơ đốt trong mà được sử dụng kết hợp gọi là động cơ lai. Động cơ lai kết hợp được ưu điểm của hai loại nguồn động lực nêu trên và hạn chế những nhược điểm của nhau, tạo nên nguồn động lực mới có hiệu suất cao và ít gây ô nhiễm môi trường hơn. Đối với pin nhiên liệu, đây cũng là nguồn động lực đầy hứa hẹn trong tương lai, tuy nhiên hiện tại giá thành chế tạo và sử dụng của pin nhiên liệu còn quá đắc nên rất khó được thị trường đón nhận. Như vậy, giải pháp tối ưu nhất cho việc lựa chọn nguồn động lực lắp đặt trên xe gắn máy sử dụng tại Việt Nam chính là động cơ lai điện nhiệt. Ngoài ra, để giảm bớt sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp xăng dầu, giảm chi phí sử dụng và hạn chế sự phát thải khí gây ô nhiễm môi trường, động cơ nhiệt nên sử dụng loại nhiên liệu là khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (Liquid Petroleum Gas). 2.2. Nghiên cứu chọn kiểu truyền động lai phù hợp cho xe gắn máy: Nhìn chung, hệ thống truyền động lai điện nhiệt được phân chia thành ba nhóm chính, đó là: lai nối tiếp, lai song song và lai hỗn hợp (vừa nối tiếp và vừa song song). Trong hệ thống lai nối tiếp, động cơ nhiệt kéo máy phát cung cấp điện cho động cơ điện và động cơ điện dẫn động trực tiếp các bánh xe chủ động. Đối với hệ thống lai song song, động cơ điện cung cấp sức kéo khi xe chạy ở tốc độ thấp; ở tốc độ cao, động cơ nhiệt cung cấp sức kéo cho các bánh xe và trích một phần công suất biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy (động cơ điện có thể làm việc ở chế độ máy phát) và khi cần tăng tốc đột ngột, cả động cơ điện và động cơ nhiệt cùng kết hợp cung cấp sức kéo cho các bánh 26 ắc quy ắc quy ắc quy bộ điều khiển bộ điều khiển bộ điều khiển máy phát bộ vi sai động cơ động cơ nhiệt động cơ nhiệt hộp số nhiệt máy phát động động cơ cơ điện điện bánh xe bánh xe bánh xe Kiểu lai nối tiếp Kiểu lai song song Kiểu lai hỗn hợp
28. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân xe. Trường hợp đặc biệt, nếu hệ thống được thiết kế thêm một bộ phân phối công suất (bộ vi sai) để chia công suất từ động cơ nhiệt thành hai phần, một phần dùng để kéo máy phát điện và một phần kết hợp với động cơ điện để dẫn động bánh xe chủ động thì hệ thống này làm việc theo nguyên tắc lai hỗn hợp, tức là có thể làm việc theo kiểu lai nối tiếp và cũng có thể làm việc theo kiểu lai song song. ắc quy ắc quy ắc quy bộ điều khiển bộ điều khiển bộ điều khiển máy phát bộ vi sai động cơ động cơ nhiệt động cơ nhiệt hộp số nhiệt máy phát động động cơ cơ điện điện bánh xe bánh xe bánh xe Kiểu lai nối tiếp Kiểu lai song song Kiểu lai hỗn hợp Hình 2-1: Ba kiểu truyền động lai cơ bản: nối tiếp, song song và hỗn hợp. Trong ba kiểu lai nói trên, hệ thống lai hỗn hợp cho phép xe vận hành tốt nhất và có hiệu suất cao nhất nhưng lại có kết cấu phức tạp nhất. Thông thường, ô tô được thiết kế theo nguyên tắc lai hỗn hợp hoặc đơn giản hơn là lai song song. Đối với xe gắn máy, việc ứng dụng hệ thống truyền động lai quả thực là một bài toán khó do khoảng không gian trên xe hai bánh là rất chật hẹp. Hiện tại, đa số các hãng sản xuất xe hai bánh như Honda, Yamaha, Piaggio, . . . đều thiết kế hệ thống lai theo kiểu song song với động cơ điện có khả năng làm việc ở chế độ máy phát. Hệ thống lai kiểu nối tiếp là đơn giản nhất nhưng ít được áp dụng do không có khả năng kết hợp cộng công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện cùng lúc khi xe cần tăng sức kéo để tăng tốc đột ngột hoặc vượt dốc cao. Do đó, tùy theo điều kiện vận hành, điều kiện sản xuất, thực trạng về nguồn năng lượng, giá thành chế tạo và tiêu chuẩn bảo vệ 27
29. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân môi trường mà cần phải lựa chọn một kiểu truyền động lai thật phù hợp cho xe cần thiết kế. Thông thường để có được một hệ thống truyền động lai có thể thực hiện theo một trong hai phương án sau: - Thứ nhất: Cải tiến xe bình thường thành xe truyền động lai bằng cách lắp thêm một nguồn động lực bổ sung. - Thứ hai: Thiết kế mới hệ thống truyền động lai theo các yêu cầu kỹ thuật phù hợp với điều kiện sử dụng. Xét trong điều kiện Việt Nam, do công nghệ chế tạo phụ tùng còn non trẻ nên phương án thứ nhất là phù hợp hơn. Với cách làm này, để có được một chiếc xe gắn máy lai điện nhiệt có thể tiến hành theo các cách sau đây: - Cải tiến từ xe tay ga bằng cách lắp thêm động cơ điện vào bánh trước và lắp đặt bộ nguồn ắc quy vào khoang để chân của người lái. - Cải tiến từ xe mô tô bình thường (xe số) bằng cách lắp thêm động cơ điện vào vị trí phía dưới động cơ và nằm cạnh trục ra của hộp số, bộ nguồn ắc quy được lắp đặt trong ngăn chứa hành lý (cất mũ bảo hiểm). - Cải tiến từ xe hai bánh chạy điện bằng cách lắp thêm động cơ nhiệt vào ngăn chứa hành lý và lắp đặt bộ nguồn ắc quy vào khoang để chân của người lái. Tiếp theo, chúng ta cần phân tích ưu nhược điểm của mỗi mẫu xe nếu được cải tiến để so sánh và lựa chọn được mô hình truyền động lai (hybrid) phù hợp nhất. 2.2.1. Cải tiến xe tay ga thành xe gắn máy lai: Tại thị trường Việt Nam hiện nay, xe tay ga là mẫu xe được giới trẻ ưa chuộng nhất nhờ mẫu mã đẹp và tiện lợi trong sử dụng. Tuy nhiên, xe tay ga có nhược điểm là giá thành cao và tiêu hao nhiều nhiên liệu hơn so với các mẫu xe số tương đương về công suất. Do đó, chính xe tay ga là mẫu xe có yêu 28
30. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân cầu cấp thiết phải cải tiến thành xe lai điện nhiệt để giảm bớt suất tiêu hao nhiên liệu. Ngoài ra, nhờ kích thước lớn, xe tay ga cũng rất dễ bố trí thêm hệ thống truyền động điện. Để chuyển đổi xe tay ga thành xe lai điện nhiệt, phương án tối ưu nhất ít làm ảnh hưởng đến kết cấu của xe là lắp đặt một động cơ điện dẫn động trực tiếp vào bánh trước của xe, bộ nguồn ắc quy được lắp đặt khoang để chân của người lái. Hình 2-2 mô tả vị trí lắp đặt thêm hệ thống truyền động điện và hình 2-3 mô tả sơ đồ cấu tạo chung hệ thống lai được cải tiến từ xe tay ga. Vị trí lắp đặt ắc quy Vị trí lắp đặt động cơ điện Hình 2-2: Vị trí lắp đặt động cơ điện và ắc quy trên xe tay ga. Nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả như sau: - Khởi hành và chạy với tốc độ thấp (dưới 40km/h): Chỉ một mình động cơ điện hoạt động. Nếu ắc quy hết điện thì động cơ nhiệt sẽ hoạt động. - Chạy với tốc độ cao (trên 40km/h): Chỉ một mình động cơ nhiệt hoạt động, lúc này động cơ điện chuyển sang chế độ máy phát để nạp lại điện cho ắc quy. Công suất của động cơ nhiệt được chia làm hai phần, một phần cung 29
31. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân cấp sức kéo cho xe chạy và một phần chuyển thành điện năng nạp lại cho ắc quy. Khi ắc quy nạp đầy điện hoặc xe vượt dốc thì máy phát (động cơ điện) tạm ngừng hoạt động. Động cơ điện Bánh xe trước Động cơ xăng Ly hợp ly tâm Bánh răng giảm tốc Hộp giảm tốc Truyền động đai vô cấp Bánh xe sau Hình 2-3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lai được cải tiến từ xe tay ga. 30
32. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Tăng tốc đột ngột hoặc vượt dốc cao: Cả động cơ điện và động cơ nhiệt cùng phối hợp công suất nhằm tăng cường sức kéo cho xe hoạt động. - Giảm tốc hoặc phanh xe: Động cơ điện chuyển sang chế độ máy phát và nhận năng lượng quán tính của xe biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy. Ước tính sơ bộ, để xe chạy chỉ bằng động cơ điện trong điều kiện đường thành phố với vận tốc đến 40km/h thì công suất động cơ điện cần thiết là khoảng 1kW và nếu dung lượng ắc quy cung cấp đủ cho xe chạy trong thời gian một giờ thì khối lượng tổng cộng tăng thêm của hệ thống truyền động điện vào khoảng 50kg. Để hệ thống lai tự động phối hợp hoạt động giữa động cơ nhiệt và động cơ điện cần phải thiết kế lắp đặt một bộ điều khiển điện tử trung tâm. Ngoài ra, động cơ điện lắp đặt trên xe yêu cầu phải làm việc được ở chế độ máy phát với điện áp phát ra đảm bảo nạp điện tốt cho ắc quy. Ưu nhược điểm của phương án cải tạo này là: - Dễ dàng lắp đặt thêm động cơ điện và ắc quy nhưng kết cấu của xe và hệ thống điều khiển ít thay đổi. - Giảm suất tiêu hao nhiên liệu và hạn chế khí thải gây ô nhiễm môi trường khi xe chạy trong thành phố, đặc biệt càng tốt hơn nếu ắc quy được nạp đầy bằng điện lưới dân dụng 220V. - Tổng khối lượng của xe tăng thêm từ 30-50% nên ảnh hưởng đến độ bền của một số chi tiết bộ phận và đồng thời gây khó khăn hơn trong điều khiển vận hành xe. - Động cơ điện làm việc thuận nghịch đáp ứng được yêu cầu hoạt động của xe có cấu tạo rất phức tạp nên giá thành cao. - Tổng giá thành của xe sau cải tiến chắc chắn là rất cao. Từ những ưu nhược điểm vừa nêu, với mục tiêu của đề tài là thiết kế chế tạo loại phương tiên giao thông cá nhân mang tính phổ thông thì yếu tố giá thành của mẫu xe này quả thực là một nhược điểm lớn. 31
33. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân 2.2.2. Cải tiến xe mô tô bình thường (xe số) thành xe gắn máy lai: Xe mô tô bình thường hay còn được gọi là xe số được sử dụng phổ biến nhất ở Việt Nam. Loại xe này có mẫu mã rất đa dạng và biên độ giá bán cũng rất rộng, cụ thể giá thấp nhất chỉ khoảng 6 triệu đồng và cao nhất cũng lên đến 40 triệu đồng. Trong đó có ba hãng xe được thị ưa chuộng nhiều nhất là Honda, Yamaha và SYM. Đặc trưng của xe số là hình dáng thon mảnh, độ cao trung bình, trọng lượng vừa phải, bánh xe có đường kính lớn nhưng tiết diện lốp lại bé, mô men xoắn truyền từ động cơ đến bánh sau bằng bộ truyền động xích. Vị trí lắp ắc quy Vị trí lắp động cơ điện Hình 2-4: Vị trí lắp đặt động cơ điện và ắc quy trên xe số. Như chúng ta đã biết, bánh xe trên xe số có đường kính ngoài lớn nhưng bề ngang hẹp nên rất khó lắp đặt động cơ điện trực tiếp vào bánh xe. Hiện tại trên thị trường không có mẫu động cơ điện nào tương đồng với hình dạng của bánh xe này. Để thực hiện được điều đó, cần phải thiết kế riêng một động cơ điện phù hợp và như vậy sẽ làm tăng cao giá thành của xe sau cải tiến. Cho nên, chúng ta có thể lựa chọn vị trí khác để lắp đặt động cơ điện, đó là vị trí 32
34. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân phía dưới và sau động cơ, thay thế chỗ của chân chống giữa trên xe, và tại vị trí này động cơ điện có thể liên kết với bộ truyền động xích thông qua một bánh xích. Nguồn ắc quy được bố trí trong ngăn đựng hành lý. Hình 2-4 mô tả vị trí lắp đặt hệ thống truyền động điện và hình 2-5 mô tả sơ đồ nguyên lý của hệ thống lai được cải tạo từ xe số. Động cơ xăng Ly hợp ly tâm Bánh răng giảm tốc Hộp số Bánh xích của động cơ điện Động cơ điện Bánh xe sau Truyền động xích Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lai được cải tiến từ xe số. Rõ ràng, với không gian chật hẹp của xe số, công suất của động cơ điện và dung lượng của ắc quy là rất hạn chế. Ước tính sơ bộ công suất của động cơ điện lớn nhất có thể lắp được vào xe là khoảng 800W và ắc quy có dung lượng tối đa cũng chỉ cung cấp đủ cho động cơ điện hoạt động trong thời gian 30 phút. Sau khi cải tiến theo phương án này, tổng trọng lượng của xe tăng 33
35. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân thêm khoảng 30kg. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lai này cũng tương tự như hệ thống lai cải tiến từ xe tay ga, tuy nhiên ưu nhược điểm thì ngược lại, đó là giá thành thấp nhưng rất khó nâng cao công suất của hệ thống truyền động điện. 2.2.3. Cải tiến xe hai bánh chạy điện thành xe gắn máy lai: Trong những năm gần đây, xe hai bánh chạy điện đã được sử dụng nhiều ở các thành phố nước ta với đối tượng dùng nhiều nhất là học sinh, sinh viên. Ưu điểm nổi bật của loại xe này là giá mua xe không cao, chi phí sử dụng thấp (tiền nạp điện) và không cần phải học bằng lái theo quy định của luật giao thông. Xe hai bánh chạy điện được phân thành hai loại là xe đạp điện và xe mô tô điện. Xe đạp điện có công suất thấp hơn 500W và xe có thể chạy được bằng cách đạp như xe đạp. Ngược lại xe mô tô điện thường có công suất từ 500W trở lên và không có bộ phận đạp xe bằng chân. Nhược điểm của xe hai bánh chạy điện là tốc độ thấp, thời gian chạy hết điện là quá ngắn (chỉ đạt khoảng 60 phút) nhưng thời gian nạp lại điện cho ăc quy là rất dài (khoảng 6 giờ), ngoài ra mô men cực đại mà xe có được còn rất hạn chế nên thường gây khó khăn khi xe chạy trên đường có độ dốc lớn. Để phát huy ưu điểm và hạn chế nhược điểm của mẫu xe này, chúng ta có thể cải tiến nó thành xe lai điện nhiệt bằng cách lắp thêm động cơ nhiệt có kết hợp với một máy phát điện phù hợp. Khi xe cần chạy đường dài, động cơ nhiệt sẽ kéo máy phát cung cấp điện trực tiếp cho xe chạy. Khi xe cần vượt dốc cao, động cơ nhiệt sẽ kết hợp hỗ trợ thêm mô men xoắn với động cơ điện để giúp xe dễ dàng vượt dốc. Vị trí lắp động cơ nhiệt tốt nhất là ở dưới yên xe, nơi đang lắp đặt bộ nguồn ắc quy theo nguyên bản. Và như vậy, bộ nguồn ắc quy sẽ được dời đến vị trí mới là tại khoang để chân của người lái. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được mô tả như ở hình 2-6 và vị trí lắp đặt động cơ nhiệt được thể hiện như ở hình 2-7. 34
36. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Với hệ thống lai cải tạo theo phương án này, động cơ điện là nguồn động lực chính dẫn động xe chạy, động cơ nhiệt chỉ kéo máy phát điện nên có thể điều chỉnh vận hành ở một tốc độ cố định sao cho đạt hiệu quả cao nhất về hiệu suất và hạn chế phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. Động cơ điện thường sử dụng trên xe điện hai bánh là loại một chiều có đường đặc tính kéo tốt hơn động cơ đốt trong nên không cần sử dụng hộp số nhiều cấp. Do đó trong trường hợp đặt biệt, khi cần vượt dốc quá cao, mô men cực đại của động cơ điện không đủ lớn, động cơ nhiệt sẽ hỗ trợ sức kéo thông qua ly hợp điện từ và bộ truyền động đai như hình 2-6. Ly hợp điện từ là loại thường mở, chỉ khi cần thiết nó mới được điều khiển đóng lại thông qua lực điện từ. Động cơ nhiệt Ly hợp Bộ ly hợp ly tâm Máy phát điện từ điện Bộ truyền động đai Động cơ điện Bánh xe sau Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lai được cải tiến từ xe mô tô điện. 35
37. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Ưu nhược điểm của phương án cải tạo này là: - Dễ dàng lắp đặt thêm động cơ nhiệt, kết cấu của xe ít thay đổi, tự trọng của xe chỉ tăng khoảng 20%, tổng giá thành thấp hơn so với các phương án khác. - Độ bền của xe là hạn chế và cần phải gia cường cho khung xe. Vị trí lắp động cơ nhiệt và máy phát điện Vị trí lắp đặt ắc quy Hình 2-7: Vị trí lắp đặt động cơ nhiệt và ắc quy trên xe mô tô điện. 2.2.4. Lựa chọn phương án truyền động lai tối ưu cho xe gắn máy: Từ các phương án cải tiến nêu trên, rõ ràng hệ thống truyền động lai có được từ việc lắp đặt thêm động cơ nhiệt và máy phát vào xe mô tô điện là tối ưu nhất bởi giá thành của xe không cao, điều kiện công nghệ kỹ thuật của nước ta hoàn toàn đáp ứng được, kiểu dáng sang trọng, nguyên tắc vận hành phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng đô thị của Việt Nam, trong đó đặc biệt chú trọng vai trò của động cơ điện để phát huy lợi thế về tiềm năng thủy điện của nước ta. 36
38. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Như chúng ta đã biết, đối với động cơ lai điện nhiệt, nếu theo nguyên tắc “vận hành hiệp trợ” thì động cơ nhiệt là nguồn cung cấp năng lượng chính, ắc quy không được nạp lại điện năng từ bên ngoài. Hiện nay đã xuất hiện thêm kiểu lai "plug in hybrid" với việc ắc quy được nạp lại điện năng từ lưới điện dân dụng thì vai trò của động cơ điện đã được tăng cường hơn. Tuy nhiên, nền tản của hệ thống này vẫn là kiểu lai "vận hành hiệp trợ", trong đó chỉ có khác biệt nhỏ là ắc quy có cấu tạo lớn hơn, xe có thể chạy "điện không xăng" được quãng đường dài hơn, nhưng nếu xét một cách toàn diện thì động cơ nhiệt vẫn là nguồn cung cấp năng lượng chính. Ngoài ra, hệ thống truyền động lai "vận hành hiệp trợ" rất khó bố trí trên xe gắn máy do bị giới hạn bởi hai yếu tố là kích thước không gian và giá thành chế tạo. Vì vậy, mặc dù được đánh giá là tốt nhất nhưng hệ thống lai này cũng chỉ phù hợp với ô tô mà thôi. Xét trong điều kiện sử dụng ở Việt Nam, nếu nâng cao vai trò của động cơ điện trong hệ thống lai thì sẽ giúp giảm chi phí vận hành nhờ giá điện sinh hoạt ở nước ta thấp hơn nhiều so với giá xăng dầu. Nguồn năng lượng điện chủ yếu được sản xuất từ thủy điện là một nguồn năng lượng sạch và tái sinh được. Do đó, hệ thống lai thích hợp là phải xây dựng theo nguyên tắc “vận hành phụ trợ”. Với nguyên tắc này, nguồn điện cung cấp cho động cơ điện chủ yếu được nạp lại từ lưới điện dân dụng 220V và do đó động cơ nhiệt chỉ cung cấp năng lượng dự phòng cho xe chạy khi ắc quy bị hết điện bất ngờ hoặc khi xe cần chạy với quãng đường quá xa, vượt quá khả năng một lần cung cấp điện của ắc quy. Ngoài ra, động cơ nhiệt cần phải sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) để giảm tối đa khí thải gây ô nhiễm môi trường. Với phương án này, chắc chắn động cơ lai điện nhiệt “vận hành phụ trợ” của xe gắn máy cần thiết kế sẽ là loại động cơ “sạch”, hiệu suất cao, phù hợp với cơ sở hạ tầng giao thông đô thị, điều kiện phát triển kinh tế và nền kỹ thuật công nghệ của Việt Nam. 37
39. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân 2.3. Kết luận: - Xe gắn máy (xe hai bánh) là mẫu xe rất phù hợp để sử dụng làm phương tiện giao thông cá nhân tại Việt Nam xét về góc độ điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông và khả năng tiêu dùng của người dân. - Động cơ lai điện nhiệt vận hành phụ trợ với động cơ nhiệt sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (Liquid Petroleum Gas) là một nguồn động lực sạch, hiệu suất cao và thích hợp với tiềm năng năng lượng của Việt Nam. - Xe gắn máy lai điện nhiệt được cải tiến từ xe hai bánh chạy điện (xe mô tô điện) là một giải pháp tối ưu cho đề tài nghiên cứu chế tạo phương tiện giao thông cá nhân phù hợp với nước ta. 38
40. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Chương 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO XE GẮN MÁY LAI (HYBRID) SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KHÍ HOÁ LỎNG LPG 3.1. Chọn sơ bộ khối lượng của các thành phần: - Khung sườn: 20 kg. - Bộ nguồn ắc quy: 30 kg. - Các bánh xe và động cơ điện: 30 kg. - Trọng tải (2 người): 140 kg. - Động cơ khí ga và máy phát xoay chiều: 20 kg. Tổng cộng: 240 kg. Chọn sơ bộ tổng khối lượng của xe để tính toán công suất động cơ điện và các thông số động học của xe là 240 kg. 3.2. Xác định các thông số của động cơ điện: 3.2.1. Công suất: Công suất cần thiết của động cơ điện có thể tạo ra lực kéo (kí hiệu F M) dùng để thắng lực cản lăn của mặt đường (F L) , lực cản lên dốc (F D) , lực cản gió (FG) và lực quán tính khi tăng tốc (F Q) . Phương trình cân bằng lực như sau: FM = FL + FD + FG + FQ (1) Lực cản lăn được tính: F L = f.G với f là hệ số cản lăn và G là tổng trọng tải của xe, ở đây G = 2400(N), như được chọn sơ bộ ở phần trên. Theo phạm vi hoạt động thường xuyên của xe là đường thành phố, hệ số cản lăn được tính cho đường nhựa không phẳng với f = 0,018 ÷ 0,020. Chọn f = 0,020, ta tính được: FL = 2400.0,020 = 48 (N) 39
41. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Lực cản lên dốc được tính: FD = G.sinα với sinα là độ dốc của mặt đường, chọn sinα = 0,1 (độ dốc 10%), ta có FD = 2400.0,1 =240(N). 2 Lực cản gió được tính: FG = k.S.v với k là hệ số cản không khí, S là diện tích cản chính diện và v là vận tốc của xe. Đối với xe gắn máy: k = 0,4÷0,5(Ns2/m4) và S = 0,4÷0,6(m2). Chọn k = 0,4(Ns 2/m4), S = 0,4(m2) và vận tốc xe được chọn v = 60(km/h) = 16,7(m/s) ta có FG = 0,4.0,4.16,7.16,7 = 45(N). Lực quán tính: FQ = M.a với M là khối lượng toàn bộ và a là gia tốc của 2 xe. Chọn gia tốc a = 1(m/s ) ta có FQ = 240.1 = 240(N). Từ những tính toán trên, thay các giá trị tính được vào công thức (1) ta được: FM = 48 + 240 + 45 + 240 = 573(N) Tuy nhiên, để hạn chế công suất cho động cơ điện ta không cho phép xe hoạt động ở chế độ có cả 4 lực cản xảy ra cùng lúc. Chẳng hạn, khi xe lên dốc ta chỉ cho phép xe chạy đều và vận tốc nhỏ nên bỏ qua lực quán tính và lực cản gió, hoặc khi xe đang chạy ở tốc độ tối đa thì xem như không tồn tại lực cản lên dốc và lực quán tính. Như vậy, lực cần thiết của động cơ điện ở hai trường hợp này được tính lại là: FMD = FL + FD = 48 + 240 = 288(N) FMG = FL + FG = 48 + 35 = 83(N) Cả hai trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe. Trường xe chạy ở tốc độ tối đa được xem là sử dụng hết công suất của động cơ điện, trường hợp xe leo dốc tuy lực cản có lớn hơn nhưng lúc này nếu ta chạy xe với vận tốc rất bé thì công suất phụ tải cũng sẽ bé hơn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa. Ta chọn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động 40
42. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân cơ điện, khi đó FMG = 83(N) và vận tốc của xe v = 16,7(m/s). Ta có công suất cản của xe lúc này là: PMG = FMG . v = 83 . 16,7 = 1386(W) (2) Đây là công cản của xe, công suất cần thiết của động cơ điện để cân bằng với công cản của xe trong trường hợp này là: PM = PMG /  với  là hiệu suất của hệ thống truyền lực, chọn sơ bộ  = 0,95 ta được: PM = 1386 / 0,95 = 1459(W) (3) Chọn công suất của động cơ điện cần trang bị cho xe này là: PM = 1500(W) = 1,5(KW) 3.2.2. Hiệu điện thế của động cơ điện: Với cùng một công suất, nếu tăng hiệu điện thế của động cơ điện thì dòng điện chạy trong mạch và khối lượng của động cơ điện sẽ giảm, tuy nhiên số lượng bình ắc quy 12V sẽ tăng và đòi hỏi xử lý tốt hơn vấn đề an toàn điện. Theo thống kê thực tế, khối lượng bình ắc quy tỷ lệ thuận với dung lượng của nó. Do đó, khối lượng tổng cộng của bộ nguồn ắc quy không phụ thuộc vào điện áp của hệ thống mà chỉ phụ thuộc vào công suất cần cung cấp. Từ những ràng buộc trên, đồng thời dựa vào các bảng thống kê mức điện áp của các loại động cơ điện điện có trên thị trường, ta chọn loại động cơ điện có hiệu điện thế U = 48V. Với hiệu điện thế này khối lượng động cơ điện tương đối bé và số lượng bình ắc quy cũng vừa phải. 3.2.3. Chọn loại động cơ điện: Hiện nay, động cơ điện sử dụng trên phương tiện giao thông có rất nhiều loại khác nhau như: động cơ một chiều có chổi than, động cơ xoay chiều không đồng bộ, động cơ xoay chiều đồng bộ, động cơ xoay chiều từ trở và động cơ một chiều không có chổi than. Xét về đặc tính cơ của động cơ thì động cơ điện một chiều sẽ cung cấp một mô men kéo tốt hơn động cơ điện xoay chiều (hình 3-1). Tuy nhiên, loại động cơ điện một chiều có chổi than thì 41
43. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân tuổi thọ không cao, trong quá trình vận hành đòi hỏi phải bảo dưỡng chổi than, còn động cơ điện một chiều không có chổi than thì khắc phục được nhược điểm của động cơ điện một chiều có chổi than nhưng giá thành cao hơn và tỷ số G/P (trọng lượng / công suất) cũng lớn hơn. M(Nm) Động cơ AC Động cơ đồng bộ DC Động cơ AC không đồng bộ n1 Hình 3-1: Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện.2.1250 3,14.(280 100) [2.1250 3,14.(280 100)]2 8.(280 100)2 A 353mm Động cơ xoay chiều còn có nhược điểm nữa là hệ thống điều khiển phức 8 tạp, cần có bộ nghịch lưu để biến đổi điện một chiều (DC) từA ắc quy thành dòng điện xoay chiều (AC) cung cấp cho động cơ. Từ những phân2.1250 tích trên3,14.( ta280 100) [2.1250 3,14.(280 100)]2 8.(280 100)2 A 353mm 8 chọn loại động cơ điện một chiều không có chổi than để lắp đặt cho xe cần thiết kế. Hiện nay, trên thị trường có bán loại động cơ một Dchiều2 không có 2.1250 3,14.(280 100) [2.1250 3,14.(280 100)]2 8.(280 100)2 chổi than DC EBM08 do Trung Quốc sản xuất với hiệu điệnA thế định mức DC 353mm 8 48V và công xuất từ 120W - 1500W, ta chọn loại động cơ này để làm nguồn động lực cho xe cần thiết kế. Loại đông cơ điện này được lắpD2 trực tiếp vào 2.1250 3,14.(280 100) [2.1250 3,14.(280 100)]2 8.(280 100)2 may ơ bánh xe. Để hạn chế sự chênh lệch lớn về phân bố tảiA trọng giữa hai 353mm 8 bánh xe ta sử dụng một động cơ điện có công suất 500W lắp ở bánh trước và D một động cơ điện có công suất 1000W lắp ở bánh xe sau (tổng2 cộng bằng 2.1250 3,14.(280 100) [2.1250 3,14.(280 100)]2 8.(280 100)2 A 353mm 1500W theo tính toán thiết kế). 8 3.3. Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy: Loại ắc quy được chọn để lắp đặt cho xe là ắc quy axít chì vì nó thông dụng và giá thành tương đối thấp, các loại ắc quy Ni-MH và Lithium-ion tuy rất tốt nhưng hiện tại ở Việt Nam rất khó mua được và đồng thời nếu có mua 42
44. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân được thì giá thành cũng rất cao. Với hiệu điện thế của động cơ điện được chọn là 48V, số lượng bình ắc quy cần thiết là 4 bình loại 12V. Dung lượng của ắc quy phụ thuộc vào số giờ mà xe chạy hết bình và tỷ lệ khối lượng của hệ thống truyền động điện so với tổng khối lượng xe theo tỷ lệ tối ưu là không quá 30%. Chọn sơ bộ số giờ xe chạy hết bình là 1 giờ, dung lượng ắc quy được xác định như sau: AH = IM . t = (PM / U) . t = (1500/48) . 1 = 31,25(AH) Vì dung lượng ắc quy được sản xuất theo tiêu chuẩn, chọn loại bình có hiệu điệu thế 12V và dung lượng 35AH. Sau khi chọn được loại ắc quy, chúng ta cần kiểm tra lại tỷ lệ khối lượng của hệ thống truyền động so với tổng khối lượng của xe. Nếu vượt quá tiêu chuẩn thì hoặc là giảm bớt dung lượng của ắc quy (giảm số giờ chạy hết bình) hoặc là chọn loại ắc quy khác có tỷ khối bé hơn. Dựa vào thông số kỹ thuật của ắc quy do nhà sản xuất cung cấp, loại ắc quy axít chì 12V-35AH tốt nhất hiện nay có khối lượng m1 = 10kg, loại động cơ điện 48V-500W có khối lượng m 2 = 7kg và loại động cơ điện 48V-1000W có khối lượng m2 = 11kg . Như vậy, tổng khối lượng của hệ thống truyền động điện sẽ là: m = 4 . m1 + m2 + m3 = 4 . 10 + 7 + 11 = 58(kg) Giá trị khối lượng sau khi thiết kế tính toán tương đương với khối lượng của hệ thống truyền động điện lựa chọn sơ bộ (60kg) và hệ số tỷ lệ khối lượng sẽ là:  = m / M = 58 / 240 = 0,23 = 23% < 30% Như vậy, tỷ lệ này đã đạt yêu cầu kỹ thuật. 3.4. Tổng hợp các thông số của động cơ điện và bộ ắc quy: - Động cơ điện: + Kiểu: EBM08 (TQ). + Hiệu điện thế : 48(V). + Công suất : 1,5(KW). + Vòng quay định mức: 800(v/ph). + Khối lượng: 18(kg). + Mô men xoắn cực đại: 60(Nm). 43
45. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Nguồn ắc quy: + Loại: N12V-35AH (Đồng Nai). + Số lượng bình: 4(bình). + Khối lượng mỗi bình: 10(kg). + Kích thước: 200 x 100 x 80(mm). Hình 3-2: Động cơ điện DC EBM08. 3.5. Xác định động cơ nhiệt: Động cơ nhiệt có vai trò cung cấp năng lượng khi xe chạy trong thời gian dài mà bộ nguồn ắc quy không đáp ứng được. Như phân tích ở trên, hệ thống lai này hoạt động theo nguyên lý "vận hành phụ trợ" nên năng lượng từ động cơ nhiệt đóng vai trò thứ yếu, có nghĩa là công suất của động cơ nhiệt có thể nhỏ hơn công suất cần thiết của xe. Tuy nhiên nếu không vi phạm về tỷ lệ tự trọng trên tổng trọng lượng của xe thì ta nên chọn công suất của động cơ nhiệt 44
46. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân bằng công suất của động cơ điện để xe có thể chạy trên đường dài mà không bị ràng buộc về thời gian nạp điện lại cho bộ nguồn ắc quy. Để lựa chọn động cơ nhiệt, căn cứ vào các yếu tố sau: - Công suất định mức và giá thành. - Kiểu dáng và trọng lượng. - Hệ thống khởi động và hệ thống làm mát. Từ các điều kiện nêu trên, lựa chọn động cơ nhiệt Lutian LT-154F có công suất 1700W tại vòng quay 3000 vòng/phút. Động cơ này so với các động cơ khác tương đương trên thị trường thì có giá thành cao hơn, nhưng ngược lại hiệu suất, tuổi thọ, độ êm dịu và trọng lượng của nó thì ưu điểm hơn các động cơ khác. Công suất của động cơ này sau khi chuyển đổi sang chạy bằng nhiên liệu LPG ước lượng đạt 1200 - 1500W, phù hợp với công suất cần thiết của xe. Lutian LT-154F Hình 3-3: Động cơ xăng Lutian LT-154F. 3.6. Sơ đồ nguyên lý tổng quát của các cơ cấu truyền động cơ khí: Cơ cấu truyền động cơ khí được chia ra làm hai nhóm: - Bánh xe trước: động cơ điện 500(W). - Bánh xe sau: động cơ LPG, máy phát điện và bộ truyền động liên kết với động cơ điện 1000(W). 45
47. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Sơ đồ tổng quát của các cơ cấu này được thể hiện trên hình 3-4. Nguyên lý hoạt động chung của các cơ cấu này như sau: a) Ở chế độ bình thường, động cơ điện quay nó sẽ kéo bánh xe chủ động quay làm xe chuyển động. Trên sơ đồ tổng quát (hình 3-4) ta thấy giữa máy phát điện và bánh xe sau được liên lạc với nhau qua ly hợp điện từ và bộ truyền động đai. Khi chưa cấp điện cho cuộn dây điện từ thì mối liên hệ này tạm thời gián đoạn. Ở chế độ xe chạy bình thường, ly hợp điện từ ở trạng thái ngắt, bánh xe chủ động không kéo máy phát điện quay theo. Công suất của động cơ điện được dùng để kéo xe chuyển động mà không chịu ảnh hưởng của cụm máy phát điện. b) Ở chế độ giảm tốc khi cần dừng xe hoặc khi xe xuống dốc, người lái nhả tay ga, động cơ điện được cắt điện, đồng thời một công tắc cuối hành trình tay ga sẽ điều khiển ly hợp điện từ đóng lại, khi đó bánh xe chủ động sẽ kéo máy phát điện quay theo thông qua bộ truyền động đai. Động năng của xe được chuyển thành điện năng nạp lại cho ắc quy. Vì mối liên hệ giữa động cơ LPG và máy phát điện có bộ ly hợp ly tâm chỉ truyền công suất theo một chiều nên khi máy phát điện quay nó không kéo động cơ LPG quay theo. Nếu người lái tiếp tục vặn tay ga, ly hợp điện từ sẽ chuyển sang trạng thái ngắt, động cơ điện được cấp điện, xe tiếp tục làm việc theo chế độ chạy bình thường. Ở đây chúng ta cần phải lưu ý rằng, hệ thống phanh tái sinh năng lượng chỉ có thể giảm tốc độ xe chứ không thể dừng được xe. Do đó trên xe cần phải trang bị thêm hệ thống phanh tay bằng cơ khí. c) Khi cần chạy đường dài, người lái chuyển điều khiển xe sang hoạt động ở chế độ “phụ trợ”. Khi đó ta nạp nhiên liệu LPG cho động cơ Lutian LT-154F. Động cơ này được vận hành kéo máy phát điện hỗ trợ cùng bình ắc quy cung cấp điện năng cho động cơ điện. 46
48. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Động cơ điện 500W Bánh xe trước Động cơ LPG Ly hợp Bộ ly hợp điện từ ly tâm Máy phát điện Bộ truyền động đai Động cơ điện 1000W Bánh xe sau Hình 3-4: Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động cơ khí. 47
49. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Vì công suất của cụm động cơ LPG - máy phát điện được chọn cân bằng với động cơ điện nên có thể chạy xe trong thời gian dài mà không làm hết bình ắc quy. Động cơ LPG được bộ điều tốc điều khiển chạy ở vùng tốc độ ổn định tương ứng với hiệu suất nhiệt cực đại nên hạn chế phát thải các chất khí gây ô nhiễm môi trường. Khi cụm động cơ LPG - máy phát điện hoạt động, ly hợp điện từ được điều khiển ở trạng thái ngắt nên sự quay của máy phát điện không làm ảnh hưởng đến sự quay của bánh xe sau. Trong trường hợp cần giảm tốc độ xe, người lái nhả tay ga, tín hiệu từ công tắt cuối hành trình của tay ga điều khiển bộ điều tốc làm cho động cơ LPG chạy ở tốc độ cầm chừng, ly hợp ly tâm sẽ chuyển sang trạng thái ngắt để gián đoạn đường truyền công suất giữa động cơ LPG với máy phát điện, đồng thời ly hợp điện từ được điều khiển đóng lại và máy phát điện chuyển sang làm việc ở chế độ phanh tái sinh năng lượng. Nếu người lái tiếp tục vặn tay ga, hệ thống sẽ chuyển sang hoạt động ở chế độ như trước. d) Khi xe chạy vào đường có độ dốc lớn, nếu người lái vặn hết tay ga mà tốc độ xe không vượt quá 10km/h thì hệ thống tự động điều khiển động cơ LPG khởi động, ly hợp điện từ được điều khiển chuyển sang trạng thái đóng và dòng kích từ của máy phát được cắt để ngưng phát điện. Động cơ LPG hỗ trợ với động cơ điện kéo xe vượt dốc. Khi tốc độ xe lớn hơn 10km/h hoặc tay ga không vặn hết, hệ thống sẽ tự động điều khiển ly hợp điện từ chuyển sang trạng thái ngắt (cắt sự truyền động từ máy phát đến bánh xe sau) và dòng kích từ của máy phát được cấp để phát điện nạp cho ắc quy. Để đề phòng trường hợp khi xe dừng, người lái nhả tay ga và không tắt hệ thống điện toàn bộ xe, hệ thống phanh tái sinh năng lượng vẫn tiếp tục hoạt động, dòng điện kích từ có thể làm nóng cuộn dây kích từ của máy phát điện và làm tổn hao năng lượng, thông qua một rơ le điện từ, hệ thống sẽ điều 48
50. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân khiển cắt dòng điện kích từ khi tín hiệu từ cảm biến báo tốc độ của xe nhỏ hơn 10km/h. Tất cả mọi chế độ hoạt động của xe sẽ được một bộ điều khiển trung tâm, gọi tắt là ECC (Electronic Control Center) điều khiển thông qua các tín hiệu vào từ cảm biến vị trí tay ga, vị trí các cần hoặc nút điều khiển, cảm biến tốc độ xe và các tín hiệu ra bao gồm điều khiển cấp điện cho cuộn dây của bộ ly hợp điện từ, rơ le đóng ngắt mạch điện kích từ của máy phát điện và bộ điều tốc của động cơ LPG. 3.7. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ: Toàn bộ hoạt động của hệ thống động cơ lai được điều khiển thông qua một bộ điều khiển điện tử gọi tắt là bộ ECC (Electronic Control Center). Bộ ECC sẽ nhận các tín hiệu vào từ: cảm biến vị trí tay ga, công tắt chuyển đổi chế độ hoạt động “bình thường” hoặc “phụ trợ” và cảm biến tốc độ xe. Sau đó nó xử lý tín hiệu và thực hiện điều khiển đến: cuộn dây điện từ của bộ ly hợp điện từ, rơ le đóng ngắt mạch điện kích từ của máy phát điện và bộ điều tốc của động cơ LPG. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thể hiện ở hình 3-5. Nguyên lý điều khiển của bộ ECC có thể mô tả bằng bảng trạng thái hoạt động của các bộ phận thành phần ở bảng 3-1. Trong bảng này, công tắc tay ga bật “ON” khi người lái vặn tay ga, ngược lại khi người lái buông tay ga thì công tắt này ở trạng thái “OFF”. Bộ điều tốc của động cơ LPG làm việc ở hai chế độ: tốc độ cầm chừng 900(vòng/phút) và tốc độ 3000(vòng/phút) ứng với hiệu suất động cơ đạt cực đại. Các tín hiệu điều khiển ở trạng thái 1 tức là có dòng điện đến điều khiển các bộ phận thành phần, còn ở trạng thái 0 tức là cắt dòng điện điều khiển. 49
51. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Bình thường Cảm biến tốc độ xe Phụ trợ Bộ điều khiển điện tử ECC (Electronic Tay ga Control Center) + + + Bộ điều Rơ le chỉnh điện áp Bộ Bộ tiết Rơ le điều chế tốc Bộ ly hợp Động cơ LPG Máy phát điện Bánh xe và điện lừ động cơ điện Bộ ly hợp ly tâm Hình 3-5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ. Bảng 3-1: Mô tả hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ. Nhóm tín hiệu vào Nhóm tín hiệu ra Chế độ hoạt Công tắc Vượt dốc Tốc độ xe Bộ điều Rơ le bộ Rơ le ly hợp động tay ga (ga cực đại) (Km/h) tốc(v/ph) tiết chế điện từ ON 060 0 0 0 ON Bình OFF 060 0 0 0 thường 1060 0 1 1 OFF OFF 010 0 0 0 010 3000 0 1 ON ON >10 3000 1 0 Phụ trợ OFF 060 3000 1 0 1060 900 1 1 OFF OFF 010 3000 1 0 50
52. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Cơ cấu tay ga Bộ thay đổi điện áp cấp cho động cơ điện 48V R5 R R4 D1 D2 1 C SCR T2 RX1 RX2 Đến T1 D bộ R 3 ECC K R2 3 M Hình 3-6: Mạch điện điều khiển động cơ điện. Ở trong hệ thống này cần lưu ý rằng, tay ga có hai nhiệm vụ riêng biệt là điều khiển đóng ngắt một công tắt và một bộ cảm biến điện trở. Công tắc tay ga gửi tín hiệu đến bộ ECC, còn cảm biến điện trở gửi tín hiệu đến bộ thay đổi điện áp cấp cho động cơ điện (hoạt động độc lập đối với bộ ECC). Sơ đồ nguyên lý làm việc của cơ cấu tay ga và bộ thay đổi điện áp cấp cho động cơ điện như ở hình 3-6. Un1 Ux1 Un2 Ux2 UC t UM UM2 UM1 UR3 UR2 UR3 U R2 t Hình 3-7: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi điện áp cấp cho động cơ điện. 51
53. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện như sau: Khi mạch được cấp điện, dòng điện đi từ cực dương của nguồn qua điện trở R4 , qua đi ốt D 1 , qua biến trở R X1 , qua tụ điện C, qua điện trở R 2 và về cực âm của nguồn điện. Dòng điện này phân cực thuận làm cho trandito T 1 dẫn bão hoà và khoá trandito T2 . Khi T2 khoá thì UR3 = 0 nên thysito SCR khóa và ngưng cấp dòng qua động cơ điện. Khi tụ C được nạp no điện, dòng phân cực thuận cho T1 bằng 0 và T1 chuyển sang trạng thái khoá. Khi T1 khoá thì T2 dẫn bão hoà và tạo ra điện áp trên R3 điều khiển SCR mở dẫn dòng qua động cơ, đồng thời tụ điện C phóng điện qua R X2 , qua D2 , qua T2 , qua R3 , qua R2 và về lại tụ C. Sau khi tụ điện C phóng hết điện nó tiếp tục nạp điện trở lại như ban đầu. Quá trình này được lặp đi lặp lại như vậy và tạo ra một xung điện áp UM cấp cho động cơ điện như trên đồ thị hình 3-7. Rõ ràng, tỷ lệ thời gian giữa đóng và ngắt của xung UM phụ thuộc vào thời gian nạp và phóng điện của tụ điện C. Vì vậy, thông qua các biến trở R X1 và RX2 ta có thể thay đổi tỷ lệ giữa thời gian nạp và phóng điện qua tụ điện C làm thay đổi xung ra UM và làm cho điện áp trung bình cấp cho động cơ điện thay đổi theo. Các đi ốt D3 và D bảo vệ tránh dòng điện ngược và suất điện động tự cảm cho các linh kiện điện tử của mạch. Khoá K báo tín hiệu cho bộ ECC biết vị trí tay ga đang đóng hay đang mở. Đối với bộ điều tốc động cơ LPG, ngoài nhiệm vụ điều khiển động cơ này hoạt động ổn định ở một tốc độ theo lệnh của bộ ECC nó còn kiêm thêm nhiệm vụ khởi động và tắt động cơ LPG. Khi có lệnh từ bộ ECC, nếu động cơ LPG đang tắt nó sẽ khởi động luôn động cơ, còn khi động cơ LPG đang chạy mà bộ ECC ngưng điều khiển thì nó sẽ thực hiện tắt động cơ. Sơ đồ nguyên lý của bộ điều tốc như ở hình 3-8. 52
54. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Nguyên lý làm việc của bộ điều tốc như sau: Khi tín hiệu từ bộ ECC gửi đến, mạch điện bộ điều tốc được cấp nguồn, nếu cảm biến số vòng động cơ LPG bằng 0 (động cơ chưa nổ) thì bộ khởi động sẽ điều khiển khởi động động cơ. Bộ khuếch đại thuật toán so sánh tín hiệu giữa cảm biến số vòng quay và tín hiệu từ bộ ECC gửi đến để cho ra xung điện áp điều khiển động cơ điện M. Thông qua cơ cấu trục vít - bánh vít nó sẽ điều khiển thay đổi góc mở của bướm ga. Hệ thống này luôn bảo đảm giữ cho động cơ quay ở một tốc độ ổn định theo tín hiệu gửi đến từ bộ ECC. Nếu bộ ECC ngưng gửi tín hiệu đến bộ điều tốc thì hệ thống này bị cắt nguồn điện và tắt luôn động cơ LPG. Các công tắc hành trình K 1 và K2 bảo vệ động cơ điện M khi bướm ga mở hoặc đóng đến tận cùng. Các đi ốt D1 và D2 có nhiệm vụ phân luồng điều khiển cho K1 và K2 . Để đề phòng bộ ECC hư hỏng giữa đường trên động cơ LPG còn trang bị thêm bộ điều khiển bằng tay. Nguyên lý làm việc chung của cả hệ thống đã được mô tả như ở phần 3.6. Cơ cấu trục vít Bộ điều khiển khởi bánh vít động động cơ LPG Bướm ga Cảm biến số vòng Ecc D1 quay động cơ LPG K1 + M D2 - K2 Tín hiệu gửi -Ecc đến từ bộ ECC Bộ điều khiển cấp nguồn điện cho mạch điều tốc và tắt động cơ LPG Hình 3-8: Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ điều tốc. 53
55. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân 3.8. Xác định các thông số động học của xe: 3.8.1 Xác định vận tốc lớn nhất của xe: Ở bước tính sơ bộ ta chọn vận tốc lớn nhất của xe là 60 (Km/h). Sau khi xác định được công suất của động cơ điện và khối lượng tổng cộng của xe ta tính lại vận tốc cực đại V max của xe. Vận tốc cực đại của xe đạt được khi xe chạy trên đường bằng phẳng, khi đó ta bỏ qua lực cản lên dốc và lực quán tính. Lực cản lên xe lúc này chỉ còn là lực cản lăn và lực cản gió. Như ta đã biết, hệ số cản lăn sẽ thay đổi theo vận tốc ở tốc độ cao. Tuy nhiên, với vận tốc trong phạm vi 60(Km/h) thì sự thay đổi này không lớn lắm và ta có thể xem là hằng số. Công suất động cơ điện phát ra cực đại ở vòng quay định mức. Vận tốc xe đạt được cực đại khi động cơ điện phát ra công suất cực đại, đồng thời lực kéo do động cơ sinh ra không lớn hơn lực bám của bánh xe. Giả sử lực bám của bánh xe đủ lớn, vận tốc cực đại của xe được xác định theo công thức: 2 (PMmax . ) / Vmax = G . f + k . S . (Vmax) 2 (1500 . 0,95) / Vmax = 2400 . 0,020 + 0,4 . 0,4 . (Vmax) Giải phương trình ta được: Vmax = 16,01(m/s) = 57,64(km/h) ≈ 60(km/h) Ta có thể kiểm tra điều kiện lực bám theo bất đẳng thức: (PMmax . ) / Vmax < G . ; với là hệ số bám. Xét trường hợp xe chạy trên đường nhựa ướt, hệ số bám trung bình = 0,35÷0,45; chọn = 0,35 thay vào bất đẳng thức ta được: (1500 . 0,95) / 16,01 < 2400 . 0,35 89 < 840 Như vậy, điều kiện lực bám của xe với mặt đường là đạt yêu cầu và vận tốc cực đại của xe là: 57,6(km/h). 54
56. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân 3.8.2 Khả năng leo dốc của xe - độ dốc cực đại: Độ dốc cực đại được xác định theo hai trường hợp là lực cản cân bằng với lực bám và lực cản cân bằng với lực kéo cực đại của động cơ điện (ứng với mô men kéo cực đại). Sau đó so sánh và chọn giá trị nhỏ hơn. Theo điều kiện lực bám ta có: G . . cos = G . f . cos + G . sin 0,35 . cos = 0,02 . cos + sin tg = 0,33 = 18,30 Theo điều kiện không trượt trơn của lực bám, xe có thể leo lên được độ dốc tối đa có góc bằng 180 hay độ dốc 31%. Theo điều kiện lực kéo cực đại của xe ta có: (Mmax . iH . ) / rBX = G . f . cos + G . sin Với Mmax = 60(Nm) là mô men cực đại của động cơ điện, iH = 1 là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực, r BX = 0,2(m) là bán kính bánh xe và  = 1 là hiệu suất của hệ thống truyền lực. Thay các giá trị vào biểu thức ta được: (60 . 1 .1 ) / 0,2 = 2400 . 0,02 . cos + 2400 . sin 300 = 48 . cos + 2400 . sin = 60 (độ dốc 10%) Như vậy độ dốc cực đại mà xe có thể leo được khi chạy điện là 10%. 3.8.3 Quãng đường tăng tốc từ ban đầu đến vận tốc cực đại: Trường hợp này ta chỉ xét khi xe chuyển động trên đường bằng phẳng, do đó có thể bỏ qua lực cản lên dốc trong phương trình cân bằng lực, ta có: (M . iH . ) / rBX = G . f + k . S . (v)2 + M . a .  Với a và  là gia tốc và hệ số biến đổi khối lượng quay của xe. Vì tỷ số truyền của hệ thống truyền lực cũng như khối lượng các chi tiết trong hệ thống truyền lực bé nên chọn  = 1,2. Mô men của động cơ điện cũng thay đổi theo số vòng quay với quy luật hàm bậc hai. 55
57. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Từ các số liệu thực nghiệm ta xấp xỉ được hàm sau: M = 1,5.10-6 . n2 - 19,5.10-3 . n + 40 Quy đổi số vòng quay động cơ điện n thành vận tốc của xe v ta được: n = 60 . [v / (2 . 3,14 . 0,2)] = 47,77 . v Thay v vào phương trình mô men ta được: M = 0,003423 . v2 - 0,932 . v + 40 Ngoài ra, theo biểu thức động học ta có v 2 = 2aS, với S là quãng đường xe đi được trong thời gian tăng tốc đều từ 0. Thay vào phương trình (3.2.3) ta được: [(0,003423 . v2 - 0,932 . v + 40). 1 .1] / 0.2 = 2400 . 0,02 + 0,2 . 1,6.v2 + 240.1,2.v2/(2.S) S = 0,003513. v2 – 0,113000.v + 15,375590 Lấy tích phân khi v = 0 đến vmax = 16,01(m/s) ta được S = 255,6(m). Vậy quãng đường xe tăng tốc từ 0 đến vân tốc cực đại (v = 60Km/h) là 256 m. 3.8.4 Bảng tổng hợp các thông số động học của xe: Thông số Đơn vị đo Giá trị Vận tốc cực đại của xe Km/h 60 Độ dốc cực đại xe có thể vượt qua % 10 Quãng đường tăng tốc từ 0  60(Km/h) m 256 3.9. Chọn công suất động cơ nhiệt và máy phát điện: Như chúng ta đã biết, vấn đề cung cấp và lưu trữ điện năng cho xe hoạt động lâu dài là một vấn đề rất khó khăn. Hiện nay, phương pháp lưu trữ điện chủ yếu vẫn là sử dụng các loại bình ắc quy với dung lượng riêng còn thấp. Muốn tăng công suất lưu trữ thì khối lượng của bộ ắc quy sẽ lớn làm cho tải trọng có ích của xe sẽ bé lại. Hơn nữa, khi sử dụng hết bình ắc quy, thời gian nạp lại là khá dài, thường kéo dài từ 6 đến 8 giờ đồng hồ. Do đó, để tăng thời gian sử dụng xe mỗi ngày ta cần trang bị thêm cụm động cơ nhiệt - máy phát điện để khi cần nó sẽ phát điện hỗ trợ với ắc quy để cung cấp điện cho động 56
58. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân cơ điện hoạt động. Ưu điểm của cụm động cơ nhiệt kéo máy phát điện là nó luôn làm việc với chế độ có số vòng quay ổn định nên đạt hiệu suất cao và ít gây ô nhiễm môi trường hơn. Với công suất của động cơ điện như đã tính toán là 1,5(KW), ta chọn cụm động cơ nhiệt - máy phát điện có công suất tương đương. Với quan điểm ưu tiên sử dụng những thiết bị có sẵn trên thị trường để lắp đặt, chọn động cơ của hãng Lutian (Trung Quốc) sản xuất loại LT-154F, dung tích xi lanh 80(cc) và máy phát điện xoay chiều HOWO 28V-1,5KW của Trung Quốc sản xuất để trang bị cho xe cần thiết kế. Đối với động cơ Lutian LT-154F là loại động cơ xăng tạo hỗn hợp bằng bộ chế hoà khí có công suất cực đại 2,2(KW), chúng ta cần cải tạo chuyển đổi sang chạy bằng khí đốt hoá lỏng LPG (Liquid Petroleum Gas). Ngoài ra, vì động cơ điện kích từ bằng nam châm vĩnh cửu khó thực hiện hãm tái sinh nên máy phát điện HOWO 28V-1,5KW còn được sử dụng làm thiết bị phanh tái sinh năng lượng. Để máy phát điện làm việc phù hợp với bộ nguồn ắc quy 48(V) cần phải cải tạo chuyển đổi điện áp từ 28(V) sang 56(V). Do đó cần phải tính toán lại phần quấn dây và bộ tiết chế. 3.10. Cải tạo động cơ xăng thành động cơ khí đốt hoá lỏng LPG: 3.10.1. Lý thuyết cải tạo động cơ xăng thành động cơ khí hoá lỏng LPG: a) Kỹ thuật điều chỉnh thành phần hỗn hợp LPG-không khí: Trên động cơ xe, hệ thống nhiên liệu LPG hoạt động theo nguyên tắc nhiên liệu ra khỏi bình chứa dưới dạng lỏng sau đó bốc hơi ở bộ bốc hơi - giãn nở và dẫn đến họng Venturi với áp suất thấp hơn áp suất khí trời. Nhiên liệu thể khí sau đó được hút vào họng bộ chế hòa khí nhờ độ chân không giống như bộ chế hòa khí sử dụng nhiên liệu xăng. Ở động cơ xe gắn máy hai bánh công suất bé, việc xuất nhiên liệu ra khỏi bình chứa dưới dạng lỏng sẽ gây ra sự thừa nhiên liệu. Mặt khác, khi sử dụng nhiên liệu dạng lỏng chúng 57
59. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân ta cần phải có bộ giãn nở - bốc hơi rất cồng kềnh. Vì vậy phương án phù hợp nhất đối với xe gắn máy là sử dụng nhiên liệu ra khỏi bình chứa dưới dạng khí có áp suất. Sự cung cấp ga vào họng bộ chế hòa khí vì vậy được thực hiện liên tục và lượng ga nạp vào họng được điều chỉnh bởi áp suất trong ống dẫn ga và độ chân không tại họng. Kỹ thuật điều chỉnh lưu lượng ga là dùng van tiết lưu có độ mở tỉ lệ với độ mở bướm cung cấp gió. b) Hệ thống nhiên liệu cho động cơ xe gắn máy sử dụng LPG: Sơ đồ của hệ thống được mô tả trên hình 4-1, bao gồm các bộ phận sau: - Bình chứa LPG bằng thép, hình trụ, chịu được áp suất thử 34(bar). Bình có gắn đồng hồ áp suất, đồng hồ đo mực nhiên liệu. ống lấy LPG được bố trí sao cho nhiên liệu lấy ra khỏi bình ở dạng khí. Khi sử dụng, không được nạp nhiên liệu LPG lỏng quá 80% thể tích của bình. - Van: sử dụng cụm van của bình ga gia dụng để nạp ga vào bình, lấy ga ra sử dụng. Van an toàn cũng là một bộ phận của cụm van có áp suất tác động ở 18(bar). - Bộ giãn nở: sử dụng bộ giãn nở của bình ga gia dụng với lưu lượng ổn định tối đa là 2(kg/h) ở áp suất sau van là 30(mbar). - Van điện từ sử dụng nguồn điện một chiều 12(V), chỉ nhấc lên khi công tắc điện của xe ở vị trí đóng. Van điện từ có thể thay thế bằng một van chân không, mở nhờ độ chân không tại họng của bộ chế hòa khí. Mặt khác, để đề phòng sự cố của các van nói trên, một van xoay cơ khí thông thường được mắc song song với van điện từ hay van chân không. - Bình điều hòa có dung tích 0,3 lít để cung cấp ổn định lưu lượng LPG cho động cơ, tránh mạch động trong kỳ nạp, đặc biệt là khi gia tốc. 58
60. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân 1 2 3 4 5 6 7 8 11 10 9 12 13 Hình 4-1: Hệ thống nhiên liệu của xe gắn máy sử dụng LPG 1. Bộ giãn nở, 2. Van, 3. Bình chứa, 4. Đồng hồ báo mực nhiên liệu, 5. Van an toàn, 6. Tay ga, 7. Van tiết lưu, 8. Họng khuếch tán, 9. Bướm ga, 10. Bình điều hoà, 11. Van điện từ, 12. Van cơ khí, 13. Van chân không. Hình 4-2: Van điện từ và đồng hồ đo mực nhiên liệu trong bình chứa. 59
61. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Bộ tạo hỗn hợp: có thể sử dụng một trong hai phương án sau: 1. Cải tạo bộ chế hòa khí dùng xăng nguyên thủy sang dùng LPG: Trong trường hợp này hệ thống cung cấp xăng chính được cải tạo thành van trượt tiết lưu; vít xả xăng và ống xăng trào trở thành hệ thống không tải. Khoan thông đường cung cấp xăng chính và đường cung cấp xăng không tải. Lỗ không tải khi dùng xăng trở thành hệ thống cung cấp khí LPG cho động cơ. Các đường thông khí bộ chế hòa khí khi dùng xăng và ziclơ không tải được bịt kín. Tháo bỏ phao và van kim. Khí LPG được đưa vào buồng phao theo đường xăng cũ. Hệ thống điều khiển tải động cơ không thay đổi (hình 4-3). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Hình 4-3: Hệ thồng nhiên liệu LPG được cải tạo từ BCHK nhiên liệu xăng. 60
62. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân 2. Chế tạo mới bộ chế hòa khí LPG: Trong trường hợp này bộ chế hòa khí LPG được chế tạo mới có chiều dài bằng chiều dài của bộ chế hòa khí xăng nguyên thủy. Đường kính họng Venturie của bộ chế hòa khí thay đổi từ 8 đến 10,5mm ứng với các xe gắn máy có dung tích xi lanh từ 50 đến 110cc. Khí LPG được dẫn đến bọng chứa khí quanh họng và được hút vào họng qua 6 lỗ xung quanh có đường kính =1mm. Việc điều chỉnh lưu lượng LPG cung cấp cho động cơ được thực hiện bởi van tiết lưu kết hợp với một cánh bướm ga (hình 4-1). Nguyên lý làm việc của hệ thống nhiên liệu LPG như sau: Khi bật công tắt điện của xe, van điện từ 11 nhấc lên, (nếu sử dụng van chân không 13 thay cho van điện từ thì khi khởi động động cơ, van chân không mở) khí LPG từ bình chứa 3 qua van 2, được giảm áp nhờ bộ giãn nở 1, sau đó được dẫn đến bình điều hòa 10 và qua tiết lưu 7 để vào họng bộ chế hòa khí LPG 8. Van tiết lưu được mở đồng bộ với bướm ga 9 khi thay đổi tải động cơ bằng tay ga 6. ở chế độ không tải, van tiết lưu đóng kín, khí LPG qua lỗ không tải của van để vào họng. Khi tắt khóa điện (dừng động cơ), van điện từ 11 (hoặc van chân không 13) đóng lại, không cho khí LPG thoát ra ngoài để đảm bảo an toàn. Trong trường hợp cần thiết, việc đóng mở đường khí LPG cũng có thể được thực hiện nhờ van cơ khí 12. Mực nhiên liệu LPG và áp suất khí trong bình chứa được theo dõi nhờ đồng hồ đo mực nhiên liệu 4 (hình 4-2) và đồng hồ áp suất 5. Nếu cải tạo bộ chế hòa khí dùng xăng nguyên thủy sang dùng LPG thì khí LPG sau khi ra khỏi bình điều hòa được đưa vào đường xăng của bộ chế hòa khí cũ, hệ thống điều khiển tải động cơ không thay đổi. Tuy nhiên, trường hợp này khó điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp hơn. 3.10.2 Thiết kế bộ chế hòa khí sử dụng LPG cho độmg cơ Lutian LT-154F: a) Kết cấu bộ chế hòa khí: 61
63. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Một trong những cụm chi tiết quan trọng nhất để chuyển đổi động cơ dùng xăng sang dùng LPG là bộ chế hòa khí. Kết cấu của nó được mô tả trên hình 4-4. Sau khi chế tạo và lắp ráp xong, bộ chế hòa khí có dạng như hình 4-4(b). Bộ chế hòa khí có chiều dài tổng thể bằng chiều dài của bộ chế hòa khí nguyên thủy dùng xăng để tránh thay đổi kết cấu của những bộ phận khác. a) b) Hình 4-4: Mặt cắt của bộ chế hòa khí LPG (a) và hình dạng bên ngoài (b) Hình 4-5: Kết cấu các chi tiết của bộ chế hoà khí LPG. Hệ thống cung cấp ga chính được đưa vào một bọng chứa khí bao quanh họng venturie. Khí được hút vào họng qua 6 lỗ nhỏ có đường kính 1mm 62
64. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân khoan xung quanh họng. Hệ thống cung cấp ga ở chế độ không tải được dẫn riêng biệt phía sau bướm ga và được điều chỉnh bởi một vít không tải. Bộ chế hoà khí này đã được chế tạo và làm thí nghiệm tại Đại học Đà Nẵng, sau đó đem thử nghiệm thực tế trên xe Honda Wave 110. Kết cấu các chi tiết và hình dáng bên ngoài của bộ chế hoà khí như ở hình 4-5 và 4-6. Hình 4-6: Hình dáng bên ngoài của bộ chế hoà khí LPG b) Thử nghiệm bộ chế hòa khí LPG: Hình 4-7 giới thiệu ảnh chụp hệ thống thí nghiệm bộ chế hòa khí được tiến hành tại Trung Tâm Nghiên cứu Bảo vệ Môi trường Đại học Đà Nẵng. Không khí được thổi qua họng nhờ một máy nén có lưu lượng cực đại 75(m3/h), tương đương với lưu lượng không khí qua họng bộ chế hoà khí ở giai đoạn nạp khi động cơ có dung tích xi lanh 80(cm 3) chạy ở chế độ tốc độ 3.000(vòng/phút). Lưu lượng không khí được đo bằng lưu lượng kế dạng màng, mức chênh lệch áp suất trước và sau màng được xác định nhờ áp kế chữ U. Lưu lượng khí LPG được đo nhờ lưu lượng kế dạng roto. Độ mở bướm ga được xác định một cách chính xác nhờ một thước chia độ. Thí nghiệm được tiến hành trên 3 bộ chế hòa khí có đường kính họng 8mm, 10,5mm và 12mm. Lỗ nạp ga quanh họng có đường kính 1mm. Thí 63
65. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân nghiệm được thực hiện ở mỗi trường hợp với 3, 4 và 6 lỗ thông. áp suất ga được giữ ổn định nhờ bộ giãn nở của bình ga gia dụng. Nhiệt độ không khí lúc làm thí nghiệm là 28C với áp suất khí trời 750mmHg. L­u l­îng kÕ ga Th­íc x¸c ®Þnh ®é më b­ím ga ChÕ hßa khÝ L­u l­îng kÕ kh«ng khÝ Bypass kh«ng t¶i Hình 4-7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định đặc tính bộ chế hòa khí LPG. Hình 4-8 trình bày biến thiên của hệ số dư lượng không khí theo độ mở bướm ga ứng với các bộ chế hòa khí có đường kính họng khác nhau. Khi đường kính họng 8mm, thí nghiệm cho thấy ở chế độ tải rất thấp (khoảng 10% tải) thành phần hỗn hợp xấp xỉ 1. Khi độ mở bướm ga tăng, thành phần hỗn hợp giảm xuống còn khoảng 0,5 (đậm). Thật vậy khi đường kính họng bé, tốc độ không khí qua họng lớn làm tăng độ chân không tại họng dẫn đến sự gia tăng lưu lượng ga, do đó độ đậm đặc của hỗn hợp cũng tăng theo. Khi đường kính họng tăng lên 12mm, thành phần hỗn hợp ở chế độ tải thấp bé ( >1) và tăng dần theo độ mở bướm ga. Độ đậm đặc đạt giá trị xấp xỉ 1 và gần như giữ ổn định khi độ mở bướm ga lớn hơn 50%. Bộ chế hòa khí có đường kính họng 12mm vì vậy thích hợp khi động cơ làm việc ở chế độ tải lớn còn ở chế độ tải bé, thành phần hỗn hợp qua loãng, động cơ làm việc không ổn định. 64
66. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Khi thay đường kính họng 10,5mm, vị trí đạt thành phần hỗn hợp ổn định dịch về phía trái. Thực nghiệm cho thấy bắt đầu ở 20% tải thành phần hỗn hợp bắt đầu dao động quanh giá trị = 1 và giữ ổn định ở giá trị hơi lớn hơn 1 khi tải lớn. Điều này phù hợp với động cơ LPG. Thật vậy do hỗn hợp LPG- không khí được hòa trộn đồng đều nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn so với động cơ xăng. Hình 4-9 thể hiện ảnh hưởng của số lỗ nạp ga quanh họng đến thành phần hỗn hợp. Khi chỉ sử dụng 3 lỗ, do khí ga bị tiết lưu lớn nên hỗn hợp loãng. Khi tăng dần số lượng lỗ, hỗn hợp đậm đặc dần. Thí nghiệm cho thấy khi dùng 6 lỗ có đường kính 1mm là phù hợp nhất. Dạng các đường đặc tính bộ chế hoà khí trên đây cho phép động cơ làm việc tốt ở chế độ tải trung bình hay đầy tải. Ở chế độ tải bé, hỗn hợp loãng khiến động cơ làm việc không ổn định. Theo phân tích đường đặc tính lý tưởng của bộ chế hòa khí, ở chế độ tải thấp, hỗn hợp cần đậm đặc hơn để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình cháy. Đối với LPG, độ đậm đặc của hỗn hợp ở chế độ tải thấp không cần lớn như đối với động cơ xăng vì nhiên liệu ban đầu đã ở trạng thái khí nhưng nó cũng phải đậm hơn so với hỗn hợp khi động cơ chạy ở chế độ bình thường. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội. Để điều chỉnh đường đặc tính bộ chế hòa khí cho phù hợp với mọi chế độ công tác của động cơ, việc nạp ga được thực hiện thông qua một van bypass. Bypass là một van tiết lưu mô đun, nhấc lên theo độ mở của bướm ga để cung cấp một lượng ga đủ lớn vào sau bướm ga ở chế độ không tải và tải thấp. Khi mở lớn bướm ga van bypass không còn tác dụng. Hình 4-10 giới thiệu tác động của bypass đến đường đặc tính của bộ chế hòa khí LPG. Nhờ có bộ phận phụ trợ này, đường đặc tính của bộ chế hòa khí LPG có dạng tương tự với đường đặc tính lý tưởng của bộ chế hòa khí động cơ xăng. 65
67. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Hình 4-8: Ảnh hưởng của đường kính họng đến đường đặc tính của BCHK Hình 4-9: Ảnh hưởng của số lỗ nạp ga đến đường đặc tính của BCHK Hình 4-10: Đường đặc tính bộ chế hòa khí LPG khi có van bypass. 66
68. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Ngoài hệ thống không tải kiểu bypass trên đây, bộ chế hòa khí LPG không cần bộ gia tốc như động cơ xăng vì LPG ở dạng khí có khối lượng riêng không chênh lệch nhiều so với không khí nên khi gia tốc đột ngột thành phần hỗn hợp vẫn giữ ổn định như khi hoạt động bình thường. c) Kết luận: Những kết quả thực nghiệm trên đây cho thấy bộ chế hòa khí có đường kính họng 8,0mm kèm theo van bypass có đường đặc tính phù hợp với đường đặc tính lý tưởng của bộ chế hòa khí ứng với động cơ Lutian LT-154F có dung tích xy lanh 80cm3. Các thông số đo được của động cơ LT-154F sử dụng nhiên liệu LPG: - Công suất cực đại: 1,2(KW) ở số vòng quay 2500(vòng/phút). - Mô men xoắn cực đại : 3,5(N.m) ở số vòng quay 2000(vòng/phút). 3.11. Cải tạo máy phát điện phù hợp với bộ nguồn ắc quy: Máy phát điện cần trang bị yêu cầu có hiệu điện thế đủ nạp bộ nguồn ắc quy là 48(V) và công suất là 1,5(KW). Chọn công suất máy phát 1,5(KW) để cân bằng công suất với động cơ điện khi xe cần chạy đường xa. Ngoài nhiệm vụ cung cấp điện cho xe chạy đường xa, máy phát điện còn có một nhiệm vụ mới nữa là thực hiện vai trò của một thiết bị phanh tái sinh năng lượng, nhằm nâng cao hiệu suất của xe. Đối với động cơ điện sử dụng trên xe này được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi làm việc ở chế độ máy phát sẽ cho ra điện áp không ổn định, khó nạp điện vào ắc quy. Máy phát điện HOWO 28V-1,5KW có sử dụng bộ tiết chế nên điều chỉnh được hiệu điện thế phát ra ổn định và không phụ thuộc vào số vòng quay của rô to. Vì vậy mà máy phát điện này đảm nhận tốt vai trò của một bộ phận hãm tái sinh, biến động năng quán tính của xe thành điện năng nạp vào ắc quy. Về nguyên tắc, chúng ta có thể chế tạo mới được loại máy phát điện này. Tuy nhiên, để đơn giản chúng ta nên chọn máy phát điện được sử dụng ô tô 67
69. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân có cùng công suất và cải tạo lại cho tương thích. Như trình bày ở phần 4.1, chúng ta chọn máy phát điện HOWO với điện áp 28V công suất 1,5KW để chuyển đổi thành máy phát điện cần lắp đặt lên xe. Công suất của máy phát này thì tương đương nhưng điện áp chỉ đạt 28V. Chính vì vậy mà chúng ta cần phải cải tạo lại sao cho điện áp của máy phát đạt 56V. Để chuyển đổi điện áp của máy phát điện này, có hai phương án thực hiện như sau: - Giữ nguyên cuộn dây kích từ và quấn lại dây quấn phần ứng với số vòng dây lớn hơn để đủ phát ra 56(V). - Giữ nguyên máy phát điện nhưng sử dụng một máy biến áp 3 pha để chuyển dòng điện xoay chiều 3 pha 28(V) của máy phát thành 56(V). Với cả hai trường hợp này, hiệu điện thế và dòng kích từ của rô tô máy phát điện được giữ như cũ. Do đó chúng ta cần phải thiết kế lại bộ tiết chế cho thích hợp với điện áp 56(V) hoặc thực hiện trích ra 28(V) riêng biệt để cung cấp cho cuộn kích từ và bộ tiết chế. Bộ đi ốt nắn điện phải được thay thế vì những chiếc đi ốt cũ chịu được dòng lớn nhưng không chịu được điện áp 56(V). Đi ốt mới thay vào sẽ dẫn dòng điện nạp nhỏ hơn nhưng phải được mắc nối tiếp nhiều chiếc để chịu được điện áp cao hơn. Rõ ràng cả hai phương án như trên chúng ta đều dễ dàng thực hiện được. Tuy nhiên, cần phải chọn lựa một phương án tối ưu để thực hiện. So sánh giữa hai trường hợp chúng ta thấy rằng, trường hợp thứ nhất cần phải tính toán và gia công lại dây quấn phần ứng còn trường hợp thứ hai thì không cần can thiệp vào kết cấu của máy (chỉ cần đấu lại dây phát điện ra) nhưng phải tốn kém thêm một thiết bị là máy biến thế, điều đó sẽ làm giảm hiệu suất chung của máy phát điện và sẽ tăng thêm tải trọng toàn bộ của xe. Như vậy, ta chọn phương án thứ nhất để cải tạo máy phát điện là tối ưu nhất. 68
70. Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Để tính toán số vòng dây quấn mới của một máy phát điện là một bài toán khó, đòi hỏi cần phải xác định rất nhiều hệ số tính toán. Tuy nhiên, chúng ta có thể ứng dụng hai nguyên lý sau đây của máy điện để xác định lại dây quấn phần ứng một cách nhanh chóng và hiệu quả trên cơ sở đã biết các thông số cũ của máy phát điện. Theo quy luật, hiệu điện thế tỷ lệ thuận với số vòng dây quấn và cường độ dòng điện tỷ lệ thuận với tiết diện dây quấn của máy phát. Như vậy, với công suất không đổi, khi tăng điện áp lên bao nhiên lần thì cường độ dòng điện giảm đi bấy nhiêu lần. Điều đó cũng có nghĩa là chúng ta cần tăng số vòng dây quấn tỷ lệ thuận với hiệu điện thế cần thay đổi, đồng thời tiết dây dẫn cũng sẽ giảm theo với một tỷ số tương đương. Với thông số dây quấn nguyên gốc của máy phát điện HOWO trên mỗi pha là 24 vòng với tiết diện dây quấn là 20(mm2) khi chuyển đổi sẽ có dây quấn mới là: N2(vòng) = N1(vòng) x [56(V) / 28(V)] = 48,8(vòng) 50(vòng). 2 2 2 S2(mm ) = S1(mm ) x [28(V) / 65(V)] = 10,6(mm ) d = 3,27(mm). WKT 48V 24V Bộ tiết chế 24V Khóa điện Đèn báo nạp Hình 4-11 : Sơ đồ đấu dây máy phát điện. 69