Nghiên cứu thiết kế hệ thống động lực ô tô hybid 2 chỗ ngồi ứng dụng LPG

Nghiên cứu thiết kế hệ thống động lực ô tô hybid 2 chỗ ngồi ứng dụng LPG

MỞ ĐẦU

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Trong hơn hai thập kỷ qua, nước ta đã có những phát triển không ngừng về kinh tế, nhu cầu sử dụng ô tô của cả nước đã tăng lên rất đáng kể và vì vậy các nhà nghiên cứu về lĩnh vực ô tô trong nước đang

nỗ lực thiết kế một loại ô tô cá nhân thích hợp với điều kiện Việt Nam Qua phân tích thực trạng cơ sở hạ tầng giao thông ở nước ta và tìm kiếm giải pháp cho việc giải bài toán hạn chế ô nhiễm môi trường thì loại ô tô cá nhân thích hợp trong điều kiện Việt Nam là ô tô hybrid (ô

tô lai) điện - nhiệt 2 chỗ ngồi ứng dụng khí dầu mỏ hoá lỏng LPG Trong việc nghiên cứu ô tô hybid thì việc quan trọng nhất là thiết kế

hệ thống động lực nhằm có được sự kết hợp hai nguồn năng lượng hoàn toàn khác nhau này

Vì vậy chúng tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu thiết kế hệ thống động lực ô tô hybrid 2 chỗ ngồi ứng dụng LPG"

Mục đích nghiên cứu là thiết kế và sau đó chế tạo hệ thống động lực cho loại ô tô cá nhân sạch và thích hợp với điều kiện Việt Nam ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của luận án này là ô tô hybrid 2 chỗ ngồi, trọng tâm là hệ thống động lực có khả năng kết hợp công suất hai nguồn năng lượng điện và khí dầu mỏ hóa lỏng LPG

Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa lý thuyết và

thực nghiệm: Về lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về ô tô hybrid, sự kết

hợp truyền động giữa các nguồn năng lượng trong ô tô hybrid, tính

toán thiết kế hệ thống động lực thích hợp; Về thực nghiệm: Chế tạo hệ

thống động lực ô tô hybrid 2 chỗ ngồi ứng dụng LPG, sau đó lắp đặt

hệ thống này lên ô tô du lịch 2 chỗ ngồi, xác định các thông số kỹ thuật thực nghiệm và so sánh với tính toán lý thuyết

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Luận án này nghiên cứu việc thiết kế, chế tạo hệ thống động lực ô

tô hybrid điện - nhiệt ứng dụng LPG, sau đó lắp đặt và thử nghiệm trên ô tô du lịch 2 chỗ ngồi đã có sẵn Trong việc nghiên cứu hệ thống động lực ô tô hybrid, có 2 vấn đề trọng tâm, đó là việc kết hợp công suất 2 nguồn động lực và điều khiển Trong phạm vi nghiên cứu của

đề tài, chúng tôi sẽ chỉ tập trung chính vào phần kết hợp công suất 2 nguồn động lực

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Việc nghiên cứu thiết kế hệ thống động lực ô tô hybrid 2 chỗ ngồi ứng dụng LPG có ý nghĩa khoa học rất lớn vì đây là giải pháp để giải quyết hai vấn đề đang được cả thế giới quan tâm: hạn chế ô nhiễm môi trường và giảm tải cho cơ sở hạ tầng giao thông Việc thiết kế một hệ thống động lực cho chủng loại ô tô sạch và thích hợp với điều kiện trong nước có ý nghĩa rất thiết thực và cấp bách đối với nước ta CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN

Cấu trúc của luận án này bao gồm: phần Mở đầu; chương 1: Tổng quan; chương 2: Tính toán thiết kế hệ thống động lực; chương 3: Chế tạo - Lắp đặt và thử nghiệm hệ thống động lực; phần Kết luận và hướng phát triển Phần Phụ lục gồm một số hình ảnh và 01 đĩa VCD

về ô tô VIHA và thử nghiệm ô tô VIHA

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Ô TÔ HYBRID

1.1.1 Ưu điểm của ô tô hybrid

1.1.2 Những mẫu ô tô hybrid tiêu biểu hiện nay

1.1.2.1 Ô tô hybrid Honda Insight

1.1.2.2 Ô tô hybrid Toyota Prius

1.2 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA CÁC LOẠI Ô TÔ DU LỊCH

CỠ NHỎ

1.3 BỘ KẾT HỢP CÔNG SUẤT

1.3.1 Phân loại các hệ thống hybrid

1.3.1.1 Hệ thống hybrid nối tiếp (series)

1.3.1.2 Hệ thống hybrid song song (parallel)

Hệ thống hybrid song song do các ưu điểm nổi bật của nó nên hiện đang chiếm ưu thế trong việc chế tạo ô tô hybrid Trong hệ thống hybrid song song, bộ kết hợp công suất có chức năng kết hợp hai nguồn năng lượng điện và nhiệt trước khi truyền đến cầu chủ động của ô tô

1.3.2 Bộ kết hợp công suất

1.3.2.1 Bộ kết hợp công suất kiểu nối cứng tốc độ

1.3.2.2 Bộ kết hợp công suất kiểu biến đổi mô men (biến mô)

1.3.2.3 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ

1.3.2.4 Bộ kết hợp công suất kiểu hỗn hợp (nối cứng và vi sai tốc độ)

1.4 Ô TÔ CÁ NHÂN THÍCH HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Ô tô hybrid 2 chỗ ngồi ứng dụng LPG là loại ô tô cá nhân sạch và phù hợp trong điều kiện Việt Nam, vì nó không những thỏa mãn các yêu cầu khắt khe về môi trường cũng như điều kiện về cơ sở hạ tầng giao thông Việt Nam (đường giao thông, nhà ở, bãi đậu xe còn chật hẹp) mà còn rất thuận lợi vì nước ta là nước có thể chủ động nguồn cung cấp khí dầu mỏ hóa lỏng LPG Luận án sẽ đi sâu tính toán thiết

kế hệ thống động lực ô tô hybrid 2 chỗ ngồi ứng dụng LPG, trên cơ sở lựa chọn một kiểu bộ kết hợp công suất phù hợp trong số các bộ kết hợp công suất cơ bản đã nêu ra ở phần 1.3.2

Để thuận lợi cho việc gọi tên, ta gọi ô tô 2 chỗ ngồi lắp đặt hệ thống động lực hybrid ứng dụng LPG thiết kế là ô tô VIHA, viết tắt từ cụm từ tiếng Anh “ Vietnam Hybrid Automobile ” (ô tô hybrid Việt Nam) 1.5 KẾT LUẬN

Chương 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC

2.1 XÁC ĐỊNH KẾT CẤU BỘ KẾT HỢP CÔNG SUẤT

2.1.1 Lựa chọn kiểu bộ kết hợp công suất

Theo mục 1.3, bộ kết hợp công suất có 4 kiểu cơ bản: bộ kết hợp

công suất kiểu nối cứng tốc độ; bộ kết hợp công suất kiểu biến mô; bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ và bộ kết hợp công suất kiểu hỗn hợp Đi sâu phân tích ưu, nhược điểm của từng kiểu, ta chọn bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ vì đây là bộ truyền cơ khí có kết cấu

không phức tạp và có thể đảm bảo sự kết hợp linh hoạt tốc độ của hai nguồn động lực Và để sử dụng bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ một cách hiệu quả, chúng ta phải hạn chế mặt còn tồn tại của bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ là tình trạng làm việc không ổn định ở phạm vi tốc độ không có sự thoả mãn biểu thức về tỷ lệ mô men giữa hai nguồn động lực

Khi sử dụng bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ, thì tốc độ và

mô men trục ra bộ kết hợp công suất được tính theo các biểu thức sau (trong trường hợp cụ thể hệ thống động lực thiết kế, nguồn A là mô tơ điện và nguồn B là động cơ nhiệt):

sát đồ thị M /k 1và M /kN 2 theo tốc độ ở dạng đơn giản nhất (đường

Â

M /k1 cắt M /kN 2 ở điểm cực đại của M /kN 2 ) được thể hiện theo hình 2.1 dưới đây:

Hình 2.1 Đồ thị quan hệ M Đ /k 1 , M N /k 2 theo tốc độ

Ta lần lượt xét các vùng làm việc sau đây:

1 Khi n và Â n ≥ nN 0: Dưới tác dụng của mô men cản từ bên ngoài, thì trục ra của bộ kết hợp công suất sẽ dễ dàng tìm đến một điểm làm việc ổn định A nào đó trên đồ thị (có thể gọi là một chế độ dừng của cả hai nguồn động lực: mô tơ điện và động cơ nhiệt), đáp ứng sự cân bằng của mô men cản và lúc này mô men trục ra tại A có giá trị thoả mãn biểu thức 2.2 tức là:

B B B B

2 Khi n và Â n < nN 0: Giá trị MĐ/k1 lớn trong khi MN/k2 nhỏ,

trục ra bộ kết hợp công suất không thể tìm đến được một điểm làm việc ổn định nào để có thể thỏa mãn tỷ lệ về mô men giữa 2 nguồn động lực theo biểu thức 2.2 ở trên Đây là vùng làm việc không ổn định của bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ Vì thế, ta phải tìm cách giải quyết để bộ kết hợp công suất có thể làm việc ổn định ở phạm vi tốc độ khi n và Â n < nN 0

Chúng tôi nhận thấy có 2 phương pháp để giải quyết vấn đề này: Phương pháp kỹ thuật số và phương pháp dùng khớp một chiều Trong

đó, phương pháp kỹ thuật số là rất hiệu quả trong việc phối hợp 2 nguồn động lực nhưng lại rất phức tạp trong việc thiết kế, chế tạo, đặc biệt ta phải có được đường đặc tính ngoài và các đường đặc tính bộ phận mô men - tốc độ của mô tơ điện và động cơ nhiệt Phương pháp dùng khớp một chiều đơn giản về kết cấu nhưng vẫn đảm bảo giải quyết trở ngại khi bộ kết hợp công suất làm việc trong vùng không ổn định, vì thế ta chọn phương pháp dùng khớp một chiều (dùng khớp một chiều nối trục mô tơ điện với bánh răng dẫn động bởi động cơ nhiệt) Sử dụng phương pháp này, ta đã cưỡng bức tốc độ n theo N

Â

n , không để xảy ra tình trạng n bị giảm xuống gây nên tình trạng Nmất ổn định của động cơ nhiệt

Khi bố trí thêm khớp một chiều, thì mô tơ điện và động cơ nhiệt

sẽ phối hợp với nhau theo hai trường hợp:

* Khi khớp một chiều làm việc, khớp một chiều nối cứng tốc độ 2 nguồn động lực (có tác dụng hoàn toàn giống như bộ kết hợp công suất kiểu nối cứng tốc độ)

khiển việc dẫn động trực tiếp bướm ga động cơ nhiệt và bộ điều khiển tốc độ mô tơ điện

Thực tế là khi lắp thêm khớp một chiều vào bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ, kể từ lúc khởi động ô tô, khớp một chiều sẽ bắt đầu làm việc, nối cứng 2 nguồn động lực Sự làm việc của khớp một chiều

sẽ luôn xảy ra (do n ≤ N n ) và chỉ bắt đầu chấm dứt ngay khi  n và Â

N

n vừa đủ lớn hơn n0 (tức là khi n > N n ) Lúc này, bộ kết hợp công Âsuất kiểu vi sai tốc độ đã có đủ điều kiện để tìm đến một điểm làm việc ổn định khác thoả mãn biểu thức 2.1 và 2.2, có thể biểu diễn bằng điểm B trên đồ thị (điểm B là điểm có n và Â n vừa đủ lớn hơn nN 0)

về quan hệ mô men và tốc độ giữa trục ra và các trục vào

Nếu xét trên đồ thị mô men - tốc độ ứng với một chế độ tải nào đó của mô tơ điện và động cơ nhiệt, ta sẽ có được một điểm chuyển tiếp – tức là điểm kết thúc quá trình làm việc của khớp một chiều và là điểm bắt đầu quá trình phát huy tác dụng của hộp vi sai bộ kết hợp công suất Điểm này là điểm giao nhau của 2 đường M /k 1 và M /kN 2 , như điểm O trên đồ thị hình 2.1

Trong các trường hợp khác, khi đồ thị M /k 1và M /kN 2 theo tốc

độ không thuộc dạng như đã mô tả ở hình 2.1 (tức là khi đường

Â

M /k1 cắt M /kN 2 trước và sau điểm cực đại của M /kN 2 ) thì:

- Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ cũng để xảy ra vùng làm việc không ổn định giống như trường hợp đồ thị 2.1, ngoài ra sẽ tồn tại

thêm một vùng đệm trung gian giữa 2 vùng ổn định và không ổn định

- Khi bố trí thêm khớp một chiều, thì khớp một chiều sẽ vẫn có

tác dụng khắc phục được vùng làm việc không ổn định như trường hợp đồ thị hình 2.1 Chỉ có khác là điểm chuyển tiếp thường không nhất thiết nằm tại điểm giao nhau của hai đường M /k 1 và M /kN 2

như đối với đồ thị hình 2.1, mà sẽ là ở một điểm khác nằm trong vùng đệm Tuy nhiên, việc phân tích vùng đệm này rất phức tạp, chúng tôi chưa có điều kiện để đi sâu nghiên cứu

Vì vậy, khi sử dụng bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ, ứng với các dạng đồ thị M /k 1 và M /kN 2 theo tốc độ khác nhau đều tồn tại vùng làm việc không ổn định và chúng ta có thể sử dụng khớp một chiều để khắc phục vùng làm việc không ổn định này

Khi bố trí thêm khớp một chiều vào bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ ta cũng có thể xem đây là một biến thể khác của bộ kết hợp kiểu hỗn hợp đã được mô tả ở mục 1.3.2.4, trong đó ly hợp (clutch) L3

được thay bằng khớp một chiều [hay còn gọi là ly hợp một chiều (one way clutch)] Như vậy bộ kết hợp công suất thiết kế tuy có kết cấu đơn giản nhưng vẫn có được ưu điểm của bộ kết hợp công suất kiểu hỗn hợp Ở vùng tốc độ thấp, khớp một chiều làm việc, nối cứng 2 nguồn động lực, mô men kéo có giá trị lớn, ô tô có khả năng leo dốc và tăng tốc cao Ở vùng tốc độ lớn hơn, khớp một chiều không còn làm việc, hộp vi sai phát huy tác dụng, kết hợp linh hoạt tốc độ độc lập của mô

tơ điện và động cơ nhiệt cho phép ô tô chuyển động với tốc độ cao

* Khớp một chiều có nhiều loại khác nhau, nhưng để đơn giản ta

sử dụng loại khớp kiểu bi trụ là loại khớp một chiều rất phổ biến trong

thực tế

2.1.2 Lựa chọn loại hộp vi sai

Có nhiều loại hộp vi sai, nhưng để thích hợp với kết cấu cụ thể của bộ kết hợp công suất thiết kế, điều kiện gia công cơ khí thì chúng

ta chọn loại hộp vi sai bánh răng trụ, ăn khớp ngoài, răng nghiêng có

kết cấu theo hình 2.3 dưới đây

Hình 2.3 Sơ đồ truyền động sử dụng bộ kết hợp công suất thiết kế

A- Nguồn động lực thứ nhất – mô tơ điện; B- Nguồn động lực thứ hai - động cơ nhiệt; 1’, 1” - Các bánh răng vệ tinh của vi sai; 2- Bánh răng trung tâm trục vào; 3- Bánh răng trung tâm trục ra, được nối cứng với trục ra bộ kết hợp công suất; 4- Khớp một chiều; K 1 , K 2 – Khóa;

- Các ly hợp tương ứng với các nguồn A,B

2.2 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG

2.2.1 Yêu cầu của hệ thống động lực thiết kế

Xuất phát từ các phân tích ở phần Tổng quan, để hạn chế tối đa sự

ô nhiễm môi truờng và phù hợp với điều kiện ở Việt Nam hệ thống động lực thiết kế của ô tô VIHA phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Hoạt động ổn định, tin cậy, có thể kết hợp dễ dàng hai nguồn năng lượng điện và LPG;

- Được vận hành từ nguồn năng lượng chính là điện, khi cần tốc

độ cao mới cần thêm sự hỗ trợ của năng lượng LPG Nguồn ắc quy cung cấp cho mô tơ điện chủ yếu được nạp lại từ lưới điện dân dụng;

- Thích hợp với việc sử dụng trên ô tô được thiết kế để thay thế xe gắn máy, có tốc độ vừa phải, kích thước nhỏ gọn, chuyên hoạt động ở nội thành và vùng lân cận thành phố

Bânh xe

Động cơ nhiệt + Hộp số Máy phát điện

Khóa hãm động cơ nhiệt

Bộ truyền xích Bộ kết hợp

công suất Motor điện

Z4

Cầu chủ động

1 Z'

2.2.2 Câc số liệu thiết kế ban đầu

Xuất phât từ yíu cầu của hệ thống động lực thiết kế vă ô tô cơ sở

đê có sẵn, ta chọn vă có được câc số liệu thiết kế ban đầu như sau:

a Chế độ hoạt động chỉ bằng mô tơ điện: Trong phạm vi thành phố hoặc khi chỉ cần hoạt động với tốc độ vừa phải, ta cho ô tô hoạt động chỉ bằng năng lượng của mô tơ điện Gạt cần điều khiển trung

tâm đến vị trí số 2 (khoá hãm mô tơ điện và khóa hãm động cơ nhiệt

đều mở), khớp một chiều tác dụng, bộ vi sai không tác dụng, mô tơ điện hoạt động truyền lực qua cầu chủ động đến dẫn động các bánh xe

b Chế độ hoạt động bằng cả mô tơ điện lẫn động cơ nhiệt: Khi ra khỏi phạm vi thành phố hoặc khi cần hoạt động với tốc độ cao, ta điều khiển cho ô tô hoạt động ở chế độ dẫn động bằng cả mô tơ điện lẫn

động cơ nhiệt Lúc này cần điều khiển trung tâm vẫn ở vị trí số 2

(khoá hãm mô tơ điện và động cơ nhiệt đều cùng mở), ô tô nhận được năng lượng của cả 2 nguồn động lực Từ lúc khởi động ô tô, khớp một chiều làm việc, nối cứng tốc độ hai nguồn điện và nhiệt, bộ vi sai không tác dụng Ở tốc độ lớn hơn, khớp một chiều không còn tác dụng, trục mô tơ điện và bánh răng 2 quay độc lập với nhau, bộ kết hợp công suất làm việc theo kiểu vi sai tốc độ

c Chế độ hoạt động chỉ bằng động cơ nhiệt: Đây là trường hợp

dự phòng khi nguồn điện của ắc quy quá yếu, ô tô có thể hoạt động chỉ

bằng động cơ nhiệt Điều khiển cần điều khiển trung tâm đến vị trí số

3 (khoá hãm động cơ nhiệt mở, khoá hãm mô tơ điện đóng), động cơ nhiệt hoạt động, thông qua các bánh răng vệ tinh, truyền chuyển động đến trục ra bộ kết hợp công suất, cầu chủ động và các bánh xe

* Trong cả 3 chế độ trên, khi cần lùi xe, gạt cần điều khiển trung

tâm sang vị trí số 1 (khoá hãm mô tơ điện mở, khoá hãm động cơ nhiệt

đóng), chuyển công tắc tiến - lùi của ô tô sang vị trí “lùi”, dòng điện qua cuộn kích từ của mô tơ điện sẽ được đảo chiều, làm mô tơ điện quay theo chiều ngược lại, kéo ô tô chạy lùi Sau khi lùi, để ô tô tiến tới thì thao tác theo quy trình ngược lại

* Cần điều khiển trung tâm: Theo đặc tính của hộp vi sai, khi chỉ một nguồn động lực hoạt động thì nguồn còn lại phải được khóa hãm

lại, nên ta bố trí thêm cần điều khiển này Khi chỉ mô tơ điện hoạt động (theo chiều tiến), thì do đã có khớp một chiều, ta không cần phải khóa hãm động cơ nhiệt

* Trên ô tô còn được bố trí một máy phát điện công suất nhỏ dẫn động bằng động cơ nhiệt Khi ô tô hoạt động chỉ bằng năng lượng động

cơ nhiệt (khi ắc quy rất yếu), máy phát điện này luôn bảo đảm ô tô có

đủ điện để dành cho việc chạy lùi và các hoạt động tiêu tốn điện năng khác trên ô tô (chiếu sáng, gạt mưa, đèn tín hiệu ) Ngoài ra máy phát điện này còn có nhiệm vụ thu hồi năng lượng tái sinh (renewal energy): Khi ô tô xuống dốc hoặc phanh, người điều khiển nhả bàn đạp ga và nhấn bàn đạp phanh, dòng điện được nối liền mạch từ công tắc phanh (bố trí dưới bàn đạp phanh) sẽ tự động cấp nguồn cho ly hợp điện từ hoạt động, từ đó máy phát điện sẽ nhận nguồn năng lượng từ động năng của ô tô để chuyển thành năng lượng điện nạp cho ắc quy

* Ly hợp điện từ sẽ được điều khiển đóng khi người điều khiển ô

tô có yêu cầu nạp điện cho ắc quy Ly hợp cơ khí được dùng khi cần nạp điện cho ắc quy lúc ô tô đứng yên tại chỗ

* Do khoảng cách trục giữa mô tơ điện và động cơ nhiệt lớn, để đơn giản cho kết cấu truyền động, chúng tôi sử dụng bộ truyền xích để nối động cơ nhiệt với bộ kết hợp công suất

2.2.4 Tính toán xác định công suất mô tơ điện và bộ nguồn ắc quy

2.2.4.1 Tính toán xác định công suất mô tơ điện

Hệ thống động lực sau khi chế tạo được lắp lên một ô tô du lịch 2 chỗ ngồi đã có sẵn nhãn hiệu Honda (đã tháo hệ thống động lực cũ) Trước hết ta xác định sơ bộ khối lượng của ô tô, sau đó xác định công suất của mô tơ điện theo phương trình cân bằng công suất:

)V

.G.f.(