Báo cáo nghiên cứu khoa học THIẾT kế bố TRÍ hệ THỐNG ĐỘNG lực TRÊN ô tô HYBRID 2 CHỖ NGỒI

Năng lượng điện nạp vào accu chủ yếu lấy từ lưới điện dân dụng khi ô tô không hoạt động, còn động cơ nhiệt chỉ kéo máy phát điện cung cấp thêm năng lượng khi xe chạy đường dài hay vượt d

Hình 1: Ô tô SMART 2 chỗ ngồi

THIẾT KẾ BỐ TRÍ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC TRấN ễ Tễ HYBRID 2 CHỖ NGỒI

DESIGN AND INSTALLATION OF POWER TRAIN SYSTEM

ON TWO-PASSENGER CARS

BÙI VĂN GA

Trường Đại học Bỏch khoa, Đại học Đà Nẵng

NGUYỄN QUÂN

Trường Trung cấp Thuỷ sản Thừa Thiờn - Huế

TểM TẮT

Hệ thống động lực của ụ tụ lai hai chỗ ngồi phự hợp với điều kiện vận hành ở Việt Nam được tớnh toỏ

và thiết kế Hệ thống sử dụng động cơ nhiệt 110cc chạy bằng gas LPG và động cơ điện cú cụng suất 4,5kW chạy bằng accu

ABSTRACT

This article presents the calculation, design, and installation of the power train system on two-passenger cars The system is composed of a 110cc LPG internal combustion engine and a 4,5kW electrical engine powered by batteries

1 Giới thiệu

Cơ giới hóa sự dịch chuyển là xu thế phát triển tất yếu của xã hội loài người Các chuyên gia kinh tế cho rằng thị trường ô tô tiềm năng trong thế kỷ 21 sẽ dịch chuyển từ các nước Đông âu và Châu Mỹ La Tinh sang các nước Đông Nam á, Trung á và cuối cùng là Châu Phi [3] Sự gia tăng mật độ ô tô dẫn đến hai vấn đề lớn cần giải quyết đó là sự quá tải của cơ sở hạ tầng và ô nhiễm môi trường

Giải quyết vấn đề thứ nhất, ngoài việc

làm tốt công tác qui hoạch đô thị, nâng cấp hệ

thống giao thông, sự lựa chọn kích cỡ ô tô phù hợp

cũng đóng vai trò quan trọng Kích cỡ và kiểu

dáng ô tô đã có sự thay đổi rất đáng kể trong thế

kỷ qua Để thuận tiện cho việc di chuyển trong

thành phố và đậu xe, các nhà sản xuất ô tô đã cho

ra đời những ô tô cá nhân có kích thước nhỏ gọn Ô

tô SMART 2 chỗ ngồi là một ví dụ điển hình

(hình 1) [10]

Giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường liên

quan đến công nghệ về ô tô sạch, có nhiều giải

pháp đã được công bố trong những năm gần đây:

hoàn thiện các loại động cơ đốt trong truyền thống, sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel , sử dụng ô tô chạy điện, pin nhiên liệu [4] Công nghệ ô tô lai (hybrid) kết hợp sự làm việc tối ưu của các nguồn dẫn động khác nhau đã mở ra triển vọng sáng sủa cho một loại ô tô sinh thái lý tưởng (hình 2) Trên hình vẽ này, chúng ta thấy ô tô lai sử dụng động cơ đánh lửa cưỡng bức kết hợp với động cơ điện

Hình 2: Xu hướng phát triển ô tô sạch

Hình 3: Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô

lai thiết kế

vận hành hiệp trợ được xếp loại là loại ô tô có ưu điểm hàng đầu về mặt sinh thái hiện nay [11]

2 ô tô cá nhân ở Việt Nam

Theo đánh giá của các nhà chuyên môn, tiềm năng phát triển ô tô ở nước ta là rất lớn,

đặc biệt là các loại ô tô có giá cả ở mức độ thấp và trung bình, phù hợp với túi tiền của đa

số người dân lao động 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, bãi đậu xe chưa được xây dựng,

các loại ô tô cá nhân cỡ lớn sẽ gây nhiều

phiền hà cho công tác tổ chức giao thông

cũng như cho người sử dụng Vì vậy việc

xác định một kiểu dáng xe phù hợp với cơ sở

hạ tầng và thỏa mãn các tiêu chí về mức

độ phát ô nhiễm ở nước ta là rất cần thiết

Ô tô cá nhân ở nước ta trước hết phải là

phương tiện đi lại thông dụng có thể thay

thế xe gắn máy Vì vậy ô tô phải gọn nhẹ

có tốc độ và quãng đường hoạt động tương

đương với xe gắn máy nhưng an toàn và

tiện nghi hơn, đặc biệt là tránh mưa nắng

và bụi trên đường Giá thành của xe phải thấp để đại bộ phận người dân có nhu cầu có thể mua sắm Trong bối cảnh đó thì ô tô cỡ nhỏ hai chỗ ngồi là phù hợp với nước ta nhất [7]

Về hệ thống động lực của ô tô, từ những phân tích trên đây chúng ta thấy xu thế phát triển tương lai của ô tô là hướng về ô tô sinh thái, trong đó ô tô lai kết hợp dẫn động giữa động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ điện có ưu thế lớn nhất hiện nay Để đón

đầu sự phát triển này, chúng ta chọn hệ thống động lực của ô tô Việt Nam theo kiểu lai

điện-nhiệt, trong đó động cơ điện chạy bằng accu và động cơ nhiệt chạy bằng khí gas hóa lỏng LPG Khác với nguyên tắc ô tô lai "vận hành hiệp trợ" của Toyota, ô tô lai hai chỗ ngồi này vận hành theo nguyên tắc "phụ trợ" Năng lượng điện nạp vào accu chủ yếu lấy từ lưới điện dân dụng khi ô tô không hoạt động, còn động cơ nhiệt chỉ kéo máy phát điện cung cấp thêm năng lượng khi xe chạy đường dài hay vượt dốc

Sử dụng hệ thống động lực như trên đối với ô tô cá nhân ở nước ta sẽ mang lại lợi ích

về nhiều mặt Thật vậy, phần lớn điện năng của chúng ta được sản xuất bằng thủy điện (năng lượng tái sinh) không có khí thải gây ô nhiễm Khí dầu mỏ hoá lỏng LPG là sản phẩm của quá trình lọc dầu hay tinh luyện khí thiên nhiên có nguồn cung cấp dồi dào ở nước

ta Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và trong tương lai các nhà máy lọc ở Dung Quất, Vũng Rô, các nhà máy sản xuất

gas ở các đầu mối tiếp nhận khí thiên nhiên

được xây dựng và đi vào hoạt động thì khả

năng độc lập nhiên liệu LPG của chúng ta sẽ

rất lớn

3 Thiết kế hệ thống động lực ô tô

lai hai chỗ ngồi điện-nhiệt theo kiểu

"phụ trợ"

Trên cơ sở phân tích điều kiện làm

việc của ô tô lai theo kiểu phụ trợ trên đây,

chúng tôi tính toán thiết kế hệ thống động

lực của ô tô lai điện-nhiệt hai chỗ ngồi có khối lượng tòan bộ xe 500kg, vận tốc cực đại 70km/h và quãng đường tăng tốc 0-70km/h là 286/m

Hình 3 giới thiệu sơ đồ hệ thống động lực của ô tô lai phụ trợ Cơ cấu truyền động cơ khí của ô tô được chia ra làm hai nhóm chính:

- Hệ thống truyền lực ô tô, bao gồm: động cơ điện, hộp giảm tốc (truyền lực chính), bộ vi sai, các bán trục và bánh xe chủ động

- Cơ cấu cụm máy phát điện, bao gồm: động cơ LPG, máy phát điện và bộ truyền động liên kết với cầu chủ động

Hình 4 giới thiệu sơ đồ hệ thống điều khiển điện của ô tô Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:

a) ở chế độ bình thường, động cơ điện kéo bánh xe chủ động quay thông qua bộ bánh răng giảm tốc và bộ vi sai Máy phát điện và cầu chủ động được liên hệ với nhau qua ly hợp điện từ và bộ truyền động đai ở chế độ xe chạy bình thường, ly hợp điện từ ở trạng thái ngắt, cầu chủ động không kéo máy phát điện quay theo Công suất của động cơ điện

được dùng để kéo xe ô tô 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 bàn đạp

ga, động cơ điện được cắt điện, đồng thời một công tắc cuối hành trình bàn đạp ga sẽ

điều khiển ly hợp điện từ đóng lại, khi đó cầu 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 đạp bàn đạp ga, ly hợp điện từ sẽ chuyển sang trạng thái ngắt, động cơ điện được cấp điện, xe tiếp tục làm việc ở chế độ chạy bình thường

Hình 4: Sơ đồ hệ thống điều khiển điện của ô tô lai thiết kế

c) Khi cần chạy đường dài, người lái chuyển điều khiển xe sang hoạt động ở chế độ

"phụ trợ" Khi động cơ LPG hoạt động kéo máy phát điện hỗ trợ cùng bình ắc quy cung cấp

điện năng cho động cơ điện 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 một tốc độ cố định tương ứng với công suất phát ra cực đại nên hạn chế phát thải các chất 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

Động cơ

LPG

Bộ Ly hợp điện

từ

Động cơ điện

Máy phát

điện

Bình gasLPG

Ghế ngồi

Cầu chủ

động

Bình accu

1,2m

Hình 5: Thiết kế bố trí các bộ phận của hệ thống

động lực lên chassi ô tô lai

Hình 6: Mô phỏng hệ thống động lực của ô tô lai hai

chỗ ngồi trong không gian ba chiều

ngắt nên sự quay của máy phát điện không làm ảnh hưởng đến sự quay của cầu chủ động Trong trường hợp cần giảm tốc độ xe, người lái nhả bàn đạp ga, tín hiệu từ công tắc cuối hành trình của bàn đạp 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 đạp bàn đạp ga, hệ thống sẽ chuyển sang hoạt động ở chế độ như trước

d) Khi xe chạy vào đường có độ dốc lớn, động cơ điện không thể cung cấp đủ mô men để vượt dốc, người lái nhấn nút "vượt dốc" trên bảng điều khiển, động cơ LPG được khởi

động và ly hợp điện từ được điều khiển chuyển sang trạng thái đóng để động cơ LPG hỗ trợ với động cơ điện kéo xe vượt dốc Nếu người lái nhấn nút "vượt dốc" lại một lần nữa, chế

độ vượt dốc sẽ tắt, xe chuyển sang hoạt động ở chế độ như trước

e) Khi cần phải lùi xe, người lái kéo cần điều khiển chiều chuyển động của xe sang

vị trí "lùi", động cơ điện sẽ được cấp một

điện áp ngược (đổi chiều cực tính) làm

động cơ điện đổi chiều quay kéo xe chạy

lùi Trong trường hợp này, động cơ LPG và

động cơ điện sẽ có chiều quay ngược nhau,

để bảo đảm an toàn cho hệ thống, ly hợp

điện từ phải luôn luôn ở trạng thái ngắt, tức là

không thể thực hiện phanh tái sinh năng lượng

hoặc hỗ trợ vượt dốc Muốn dừng xe người lái

phải sử dụng hệ thống phanh thuỷ lực hoặc

phanh tay được trang bị trên xe

Để đề phòng trường hợp khi xe dừng,

người lái nhả bàn đạp ga và không tắt hệ

thống điện toàn bộ xe, hệ thống phanh tái

sinh năng lượng đang hoạt động, dòng điện

kích từ có thể làm nóng cuộn dây kích từ

của máy phát điện và làm tổn hao năng lượng,

một rơ le điện từ sẽ điều khiển cắt dòng

điện kích từ khi tín hiệu từ cảm biến tốc

độ xe nhỏ hơn mức cho phép

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 bàn đạp ga, vị trí các cần hoặc nút điều khiển, cảm biến tốc độ xe và các tín hiệu ra đến bộ điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ điện, 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

Trên cơ sở phân tích điều

kiện làm việc trên đây của ô tô lai,

chúng tôi đã tính toán thiết kế hệ

thống động lực của ô tô Hình 5 giới

thiệu sơ đồ bố trí hệ thống động lực

trên xe Mô phỏng bố trí hệ thống

động lực trong không gian ba chiều

được trình bày trên hình 6 Tỷ lệ

phân bố tải trọng giữa hai cầu xe là 50%-50%; cầu xe sử dụng kiểu treo độc lập và cầu chủ động là cầu trước Xe có chiều dài 1,6m và chiều rộng 1,2m

Như chúng ta đã biết, vấn đề nan giải nhất của ô tô chạy điện là lưu trữ điện năng bằng accu Muốn tăng quãng đường hoạt động độc lập của ô tô, chúng ta phải tăng khối lượng accu do đó tự trọng của ô tô sẽ tăng Hơn nữa, khi sử dụng hết bình ắc quy, thời gian nạp lại

là khá dài, thường kéo dài từ 8 đến 10 giờ đồng hồ Ô tô lai phụ trợ khắc phục được trở ngại này bằng cách cho động cơ LPG cung cấp điện nạp cho accu song song với quá trình sử dụng khi cần thiết Ưu điểm của động cơ nhiệt kéo máy phát điện là nó luôn làm việc với chế độ ổn định tối ưu làm tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường [5] Trong thiết

kế này có thể dùng 8 bình accu Đồng Nai N12V-50AH

Theo tính toán, để đạt được các tính năng yêu cầu, động cơ điện sử dụng phải có công suất tối thiểu 4,5kW Chọn động cơ điện một chiều kiểu ZYT145/06-90 của Trung Quốc có hiệu điện thế 90V, tốc độ quay định mức 3.000 v/ph và mô men xoắn cực đại

60 Nm Để hệ thống có thể hoạt động bình thường, 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, chọn động cơ xe gắn máy có dung tích xi lanh 110cc và máy phát điện xoay chiều 263-A sử dụng trên xe ô tô tải БелАЗ-540 với điện áp 28V công suất 4,5kW Động cơ xe gắn máy 110cc nguyên thủy chạy bằng xăng có công suất cực đại 5,5kW được cải tạo sang chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG [6] Các thiết bị lựa chọn này có khối lượng nhỏ hơn các loại khác có công suất tương đương

4 Kết luận

Ô tô lai hai chỗ ngồi sử dụng động cơ điện chạy bằng accu và động cơ đốt trong chạy bằng khí gas hóa lỏng LPG là ô tô cá nhân phù hợp với điều kiện Việt Nam cả về

điều kiện sử dụng lẫn khả năng cung cấp năng lượng và bảo vệ môi trường

Hệ thống động lực của xe đã được tính tóan, thiết kế với việc sử dụng các trang thiết bị có sẵn cho thấy khả năng chế tạo ô tô nói trên là hiện thực

Một mô hình ô tô lai điện-nhiệt 2 chỗ ngồi cần được chế tạo để đánh giá tính năng của ô tô trước khi đưa vào sản xuất

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bob Brant, Build your own electric vehicle, Mc Graw Hill Book, 1994

[2] Đỗ Văn Dũng, Hệ thống điện và điện tử trờn ụ tụ hiện đại, Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Thành phố Hồ Chớ Minh, 2003

[3] Bựi Văn Ga, Trần Văn Nam, Planning Urban Transport System for Danang City,

ICAT 2002, PROCEEDINGS International conference on automotive technology, paper 032, Science and Technics publishing house

[4] Bựi Văn Ga, Hồ Tấn Quyền, Nhan Hồng Quang, Phương tiện giao thụng sạch phự

hợp với điều kiện Việt Nam, Hội nghị Nghiờn cứu Khoa học, chuyển giao cụng nghệ

mụi trường phục vụ đào tạo và bảo vệ mụi trường cụng nghiệp, Thành phố Hồ Chớ Minh, ngày 22-23/8/2003

[5] Bui Van Ga, Combustion of LPG-air lean mixture and its application on motorcycle

engines, The ASEM workshop on EU/ASIA Science and Technology co-operation on

clean technology, Hanoi, 3-4 November, 2004

[6] Bựi Văn Ga, Bựi Thị Minh Tỳ, Hệ thống nhiờn liệu của xe gắn mỏy chạy bằng ga

LPG, Tạp chớ Giao thụng vận tải, số 10/2004, pp 23-24 và 27

[7] Bùi Văn Ga, Hồ Sỹ Xuân Diệu, Ô tô hybrid: Phương tiện giao thông cá nhân ô sạch

phù hợp với điều kiện Việt Nam, Hội nghị Khoa học-Công nghệ, Kỷ Niệm 40 năm

Ngày Thành lập Cục Đăng Kiểm Việt Nam, pp 165-172, Hà Nội 16-4-2004

[8] Nguyễn Quân, Thiết kế hệ thống động lực ô tô lai điện-nhiệt hai chỗ ngồi, Luận văn

Thạc sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, 2004 [9] Website: hppt://www.dc-motors.globalspec.com

[10] Website: hppt://www.smart.com

[11] Website: hppt://www.toyota.com