thiết kế hệ thống động lực ô tô lai điện nhiệt hai chỗ ngồi

Về mặt nhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lượng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽ được nâng cao, các loại nhiên liệu khí LPG, khí thiên nhiên sẽ được áp dụng rộng rãi trên ô t

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUÂN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC

Ô TÔ LAI ĐIỆN NHIỆT HAI CHỖ NGỒI

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ MÁY KÉO - 605246

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2004

S K C0 0 0 9 8 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC

Ô TÔ LAI ĐIỆN NHIỆT HAI CHỖ NGỒI

Kỹ sư: NGUYỄN QUÂN

Thành phố Hồ Chí Minh: 08/ 2004

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC

Ô TÔ LAI ĐIỆN NHIỆT HAI CHỖ NGỒI

Người hướng dẫn: GS.TSKH BÙI VĂN GA Người thực hiện: KS NGUYỄN QUÂN

Thành phố Hồ Chí Minh: 08/ 2004

Luận văn cao học của học viên Nguyễn Quân

Đề tài: Thiết kế hệ thống động lực ô tô lai điện-nhiệt hai chỗ ngồi

ở các nước phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng lượng sạch cho ô tô đã bắt đầu Theo xu thế chung, đứng đầu danh sách ô tô chạy điện tiếp theo là ô tô lai,

ô tô chạy bằng pile nhiên liệu là ứng viên thứ ba của cuộc chạy đua Về mặt nhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lượng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽ

được nâng cao, các loại nhiên liệu khí (LPG, khí thiên nhiên) sẽ được áp dụng rộng rãi trên ô tô, các loại nhiên liệu sinh học (như ethanol, colza) có lợi thế so sánh thấp về mặt môi trường và giá thành nhiên liệu này còn cao nên hạn chế về mặt sử dụng, các nhiên liệu tổng hợp từ khí thiên nhiên đang được nghiên cứu, nhiên liệu khí hydro cho ô tô chưa có triển vọng ứng dụng do công nghệ và giá thành

Sự phát triển của ô tô sử dụng điện và pile nhiên liệu phụ thuộc vào khả năng phát triển, hoàn thiện các loại động cơ truyền thống và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng hiện nay để làm giảm ô nhiễm môi trường Để đạt được cùng tính năng kinh tế và mức độ phát ô nhiễm đối với động cơ sử dụng LPG thì trong thập niên 2010, giá nhiên liệu hydro phải giảm đi 50% và giá thành pile nhiên liệu phải giảm đi 30% so với giá cả hiện nay Vì vậy trong vòng 2 thập niên tới, ô tô chạy bằng pile nhiên liệu vẫn chưa có lợi thế cạnh tranh

so với các loại nhiên liệu thay thế

Nhu cầu sử dụng ô tô trong đi lai là xu thế tất yếu của xã hội phát triển Nước

ta có thị trường nội địa lớn với hơn 80 triệu dân Cho tới nay, thị trường này hầu như vẫn còn nguyên vẹn Trong xu thế hòa nhập kinh tế khu vực (AFTA) và thế giới (WTO), thị trường nội địa của nước ta chắc chắn sẽ là mảnh đất màu mỡ đối với các nhà sản xuất ô tô thế giới Việc thâm nhập ồ ạt ô tô bên ngoài có kích cỡ không phù một mặt sẽ gây ra những vấn nạn về ách tắt giao thông và mặt khác làm mất thị phần đối với một sản phẩm công nghiệp quan trọng của đất nước Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế tiến tới sản xuất một chủng loại ô tô phù hợp với điều kiện

sử dụng trong nước có ý nghĩa rất thiết thực và cấp bách đối với nước ta

Học viên Nguyễn Quân được giao đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống động lực của ô tô lai điệnưnhiệt Theo xu thế phát triển trên đây, lọai ô tô này sẽ thay thế dần ô tô sử dụng động cơ nhiệt, nó cũng là bước trung gian để chuyển sang ô tô dùng pile nhiên liệu khi nguồn dầu mỏ cạn kiệt Trong bản luận văn này, học viên Nguyễn Quân đã phân tích các khía cạnh kinh tếưxã hội và điều kiện cơ sở hạ tầng khác nhau để rút ra kết luận là ô tô hybrid hai chỗ ngồi là phương tiện đi lại phù hợp với nước ta trong những năm tới Nghiên cứu phát triển và chế tạo loại ô tô này

ở Việt Nam chắc chắn sẽ tạo ra một sản phẩm có thị trường tiêu thụ rộng, trước hết phục vụ nhu cầu đi lại của nhân dân, tiến tới xuất khẩu

Nội dung của bản luận văn tập trung vào các điểm chính sau:

ư Thiết kế hệ thống truyền động điện của ôt ô lai hai chỗ ngồi

ư Tính toán lắp đặt động cơ nhiệt và máy phát điện

Trong quá trình làm luận văn, học viên Nguyễn Quân đã tỏ ra rất tích cực và chủ động trong nghiên cứu Tiếp cận một vấn đề còn mới của thế giới và lần đầu tiên được nghiên cứu ở Việt Nam là một thử thách lớn đối với học viên Tuy có nhiều khó khăn ban đầu về tài liệu tham khảo và kinh nghiệm thực tiễn nhưng học viên Quân đã có nhiều nỗ lực và cố gắng vượt qua được những thử thách để hòan thành có chất lượng bản luận văn

Những kết quả đạt được ban đầu này sẽ là nền tảng cho những nghiên cứu tiếp theo về ô tô lai ở Việt Nam Các tính tóan và thiết kế trong luận văn này mới chỉ là bước mở đầu Những nghiên cứu chi tiết sau này sẽ đi sâu vào công nghệ chế tạo Người hướng dẫn đánh giá cao kết quả khoa học cũng như tinh thần học tập tích cực của học viên Cao học Nguyễn Quân Đề nghị hội đồng chấm luận án cho phép học viên Nguyễn Quân được bảo vệ luận văn của mình để nhận bằng Thạc Sĩ

Kỹ Thuật

Đà Nẵng, ngày 9 tháng 9 năm 2004

Người hướng dẫn

GS.TSKH Bùi Văn Ga Hiệu trưởng Trường Cao Đẳng Công Nghệ

Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt 1

Chương 1: MỞ ĐẦU

Chương 2: TỔNG QUAN NỘI DUNG ĐỀ TÀI

2.1 Xu thế phát triển ô tô trên thế giới và ở Việt Nam 9 2.2 Thực trạng cơ sở hạ tầng và phương tiện giao thông ở nước ta 26 2.3 Phân tích lựa chọn kiểu dáng và nguồn động lực của ô tô cá nhân

Chương 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Ô TÔ LAI ĐIỆN

NHIỆT 2 CHỖ NGỒI

3.1 Xác định công xuất động cơ điện và nguồn ắc quy 29 3.2 Tính toán các thông số động học của ô tô lai điện nhiệt hai chỗ ngồi 33

Chương 4: TÍNH TOÁN LẮP ĐẶT ĐỘNG CƠ NHIỆT VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN

4.1 Chọn công suất động cơ nhiệt và máy phát điện 36 4.2 Cải tạo động cơ xăng thành động cơ khí đốt hoá lỏng LPG 36 4.3 Cải tạo máy phát điện phù hợp với bộ nguồn ắc quy 48

Chương 5: THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ

5.1 Sơ đồ tổng quát của các cơ cấu truyền động cơ khí 51 5.2 Thiết kế bộ truyền lực chính và vi sai cầu chủ động 53 5.3 Thiết kế cơ cấu phanh tái sinh năng lượng và hỗ trợ vượt dốc 59 5.4 Thiết kế trục, gối đỡ, vỏ cầu và bôi trơn 63

Chương 6: THIẾT KẾ LẮP ĐẶT CÁC HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC TRÊN Ô TÔ

6.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ và hệ thống nạp điện cho ắc quy 69 6.2 Sơ đồ lắp đặt các hệ thống động lực trên ô tô 74

PHỤ LỤC 78

TÓM TẮT:

Đề tài: “Thiết kế hệ thống động lực ô tô lai điện nhiệt hai chỗ ngồi” sẽ xây

dựng một mô hình ô tô cá nhân rất nhỏ gọn với hệ thống động lực kết hợp giữ một động cơ điện và một động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hoá lỏng LPG Đây là một mẫu ô tô sẽ phù hợp với điều kiện sử dụng và cơ sở hạ tầng giao thông ở đô thị Việt Nam Hệ thống động cơ lai trang bị trên ô tô này được xem là nguồn động lực sạch và giá thành sản xuất không cao Đề tài này đặt nền tản cho một đề tài lớn hơn là “Thiết kế và chế tạo ô tô lai điện nhiệt hai chỗ ngồi tại Việt Nam”

Nội dụng mà đề tài thực hiện bao gồm:

- Tính toán động học và động lực học ô tô hai chỗ ngồi

- Tính toán công suất, lựa chọn mô hình động cơ lai thích hợp

- Thiết kế hệ thống truyền động ô tô

- Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ

- Lựa chọn kiểu dáng ô tô và bố trí lắp đặt hệ thống động lực trên ô tô

Với giới hạn về nội dung và thời gian thực hiện, đề tài này còn bỏ ngỏ phần thiết kế hệ thống dẫn điện và các mạch điện tử, phần này sẽ được thực hiện ở một đề tài khác tiếp theo là “Thiết kế hệ thống điện và điện tử trên xe ô tô lai điện nhiệt hai chỗ ngồi”

SUMMARY:

The aim of this dissertation is design system trainpower hybrid electric - heat

of two seat automobile, what will build a model personal car with small size and power system associate between a electric motor and a combustion internal engine that use fuel LPG (Liquid Petroleum Gas) This is the car sample which will conformity with used conditions in the city in Vietnam The hybrid engine in this car is clean source power and low price

Main content of this dissertation include:

- To calculate kinetics and dynamics of the two seat car

- To calculate the automobile power and to make choice one of suitable hybrid engine types

- To design the automobile trainpower

- To design the control engine system

- To design and place devices into the car

Because of limited times, this dissertation only to calculate and design mechanical parts and to bring out common principle The electrical and electronical parts will calculated and designed in a next other theme

LỜI CÁM ƠN:

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành biết ơn thầy giáo GS.TSKH BÙI VĂN GA, hiệu trưởng trường Cao Đẳng Công Nghệ - Đại học Đà Nẵng, thầy đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đề tài Xin cám ơn toàn thể GS, PGS, TS, ThS-GVC của Khoa Cơ Khí Động Lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn, đóng góp về mặt chuyên môn Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý Thầy Cô ở phòng Quản lý Sau Đại Học của Trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu tại trường và cũng như trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè đồng môn và gia đình đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2004

Người thực hiện luận văn:

KS NGUYỄN QUÂN

Chửụng 1: MễÛ ẹAÀU

1.1 BOÁI CAÛNH :

Sự phát triển các ph-ơng tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau nh-ng đều có xu thế chung là từng b-ớc ô tô hóa dần các quãng đ-ờng dịch chuyển Tốc độ gia tăng số l-ợng ô tô trên thế giới rất lớn, đặc biệt là khu vực Đông Nam á, chẳng hạn Hàn Quốc tốc độ tăng hằng năm là 20%, Malaysia tốc độ này có thể đạt 70% Cùng với việc gia tăng số l-ợng ô tô thì số l-ợng xe gắn máy hai bánh giảm dần Các chuyên gia kinh tế cho rằng thị tr-ờng ô tô tiềm năng trong thế kỷ 21 sẽ dịch chuyển từ các n-ớc Đông âu và Châu Mỹ La Tinh sang các n-ớc Đông Nam á, Trung á và cuối cùng là Châu Phi Theo dự báo,

số l-ợng ô tô ở Châu á Thái Bình D-ơng sẽ tăng từ 0,7 chiếc/1000 ng-ời dân năm

1985 đến 10 chiếc/1000 ng-ời dân năm 2020 và 20 chiếc/1000 ng-ời dân vào năm

- 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 đ-ờng, thiết kế tốt các nút giao thông, xây dựng các bãi đậu xe và mặt khác, cần phải lựa chọn kích cỡ ô tô phù hợp Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi chỉ xem xét đến mặt thứ hai của vấn

đề

Kích cỡ và kiểu dáng ô tô đã có sự thay đổi rất đáng kể trong thế kỷ qua và d-ờng nh- theo qui luật "đ-ờng xoắn trôn ốc" Thật vậy ngày nay ng-ời ta lại tìm thấy những ô tô mới nhất có kiểu dáng nh- ô tô "2 chevaux" (th-ờng gọi là xe con cóc) kích th-ớc nhỏ gọn của các hãng ô tô nổi tiếng trên thế giới sản xuất Ng-ời ta -u tiên chọn ô tô nhỏ bởi lẽ chúng gọn nhẹ, chiếm ít không gian trong garage và thuế l-u hành thấp Chính vì vậy, những chủng loại xe nh- Peugeot 205, Renault Twingo, Ford KA, BMW "2 chevaux" thuộc loại ô tô bán chạy nhất ở Châu Âu Mới đây trên thị tr-ờng ô tô thế giới xuất hiện những chủng loại ô tô có kích th-ớc rút gọn hai chỗ ngồi SMART Trên thị tr-ờng Châu á, các nhà chế tạo ô tô cũng rất quan tâm đến việc sản xuất các loại ô tô cỡ nhỏ Ô tô Matiz của Daewoo là một ví

dụ điển hình

Trong điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho giao thông ở n-ớc ta ch-a đ-ợc phát triển, nhà ở thành phố chật hẹp, chỗ đậu xe ch-a đ-ợc xây dựng, việc sử dụng các loại ô tô cá nhân cỡ lớn sẽ gây nhiều phiền hà cho công tác tổ chức giao thông cũng nh- cho ng-ời sử dụng Vì vậy nhiệm vụ đặt ra cho các nhà khoa học và các cơ quan quản lý giao thông là xác định kiểu loại ô tô phù hợp với n-ớc ta để khuyến khích ng-ời dân sử dụng Ô tô cá nhân ở n-ớc ta tr-ớc hết phải là ph-ơng tiện đi lại thông dụng thay thế xe gắn máy Vì vậy ô tô phải gọn nhẹ, tốc độ và

quãng đ-ờng hoạt động t-ơng thích với xe gắn máy nh-ng an toàn và tiện nghi hơn,

đặc biệt là tránh m-a nắng và bụi trên đ-ờng Giá thành của xe phải thấp để đại bộ phận ng-ời dân có nhu cầu có thể mua sắm Trong bối cảnh đó thì ô tô cỡ nhỏ hai chỗ ngồi là phù hợp với n-ớc ta nhất

- Xu h-ớng phát triển ô tô sạch

Ô tô sạch không gây ô nhiễm (Zero emission) là mục tiêu h-ớng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay Có nhiều giải pháp đã đ-ợc công bố trong những năm gần đây, tập trung là hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô tô nh- LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng l-ợng mặt trời, ô tô lai (hybrid) Xu h-ớng phát triển ô tô sạch có thể tổng hợp nh- sau:

+ Hoàn thiện động cơ diesel:

Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ diesel đã cho phép nâng cao rõ rệt tính năng của nó bao gồm áp dụng hệ thống phun ray chung (common rail) điều khiển điện tử, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đ-ờng xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao chất l-ợng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu diesel có hàm l-ợng l-u huỳnh cực thấp Việc dùng động cơ diesel sử dụng đồng thời nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng (dual fuel) cũng là một giải pháp nâng cao tính năng của động cơ diesel

+ Ô tô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế:

Các loại nhiên liệu lỏng thay thế quan tâm hiện nay là cồn, colza, có nguồn

từ thực vật Do thành phần C trong nhiên liệu thấp nên quá trình cháy sinh ra ít chất

ô nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính Ngày nay việc ứng dụng các loại nhiên liệu lỏng thay thế trên ph-ơng tiện vận tải nói chung và trên xe buýt nói riêng vẫn còn rất hạn chế do giá thành của nhiên liệu còn cao Tuy nhiên giải pháp này có lợi ở những nơi mà nguồn nhiên liệu này dồi dào hoặc các loại nhiên liệu trên đ-ợc chiết xuất từ các chất thải của quá trình sản xuất công nghiệp

Một loại nhiên liệu lỏng thay thế khác mới đây đ-ợc công bố là Dimethyl ether (DME) đ-ợc chế tạo từ khí thiên nhiên Đây là loại nhiên liệu thay thế cực sạch có thể dùng cho động cơ diesel giống nh- LPG Thử nghiệm trên ô tô cho thấy, ô tô dùng DME có mức độ phát ô nhiễm thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ô tô phát ô nhiễm cực thấp California ULEV Nếu việc sản xuất DME trên qui mô công nghiệp thành hiện thực thì trong t-ơng lai nó sẽ là nhiên liệu lỏng lý t-ởng nhất vì khí thiên nhiên phân bố đều khắp trên trái đất và có trữ l-ợng t-ơng đ-ơng dầu mỏ

+ Ô tô chạy bằng khí thiên nhiên:

Sử dụng ô tô chạy bằng khí thiên nhiên là một chính sách rất hữu ích về năng l-ợng thay thế trong t-ơng lai, đặc biệt về ph-ơng diện giảm ô nhiễm môi tr-ờng

trong thành phố Cho tới nay có hai giải pháp sử dụng khí thiên nhiên trên xe buýt,

đó là khí thiên nhiên d-ới dạng khí và khí thiên nhiên d-ới dạng lỏng Một trong những khó khăn khiến cho nguồn năng l-ợng này ch-a đ-ợc áp dụng rộng rãi trên ph-ơng tiện vận tải là vấn đề l-u trữ khí thiên nhiên (dạng khí hay dạng lỏng) trên

ô tô Ngày nay việc chế tạo bình chứa khí thiên nhiên đã đ-ợc cải thiện nhiều cả về công nghệ lẫn vật liệu, chẳng hạn sử dụng bình chứa composite gia cố bằng sợi carbon

+ Ô tô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG:

Hiện nay nhiều n-ớc, nhiều khu vực trên thế giới xem việc sử dụng LPG trên

ô tô chạy trong thành phố là giải pháp bảo vệ môi tr-ờng không khí hữu hiệu Trong cộng đồng Châu Âu thì áo là n-ớc sử dụng xe buýt LPG sớm nhất Thành phố Vienne đã sử dụng xe buýt chạy bằng LPG từ năm 1963 và cho đến nay, thành phố có 500 xe buýt chạy bằng nhiên liệu này Đan Mạch có 180, Hà Lan có 150, Tây Ban Nha có 60 xe buýt chạy bằng LPG ở ý hiện có hơn 860000 ô tô chạy bằng LPG Tỉ lệ xe buýt chạy bằng LPG cao hơn xe buýt chạy bằng khí thiên nhiên

ở Châu Âu (tỉ lệ hiện nay là 1.100/700) Ng-ời ta dự báo l-ợng LPG tiêu thụ cho giao thông vận tải sẽ gia tăng trong những năm tới do số l-ợng ô tô sử dụng nguồn năng l-ợng này gia tăng

Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ngày càng trở nên là loại nhiên liệu -a chuộng để chạy ô tô ngoài những đặc điểm nổi bật về giảm ô nhiễm môi tr-ờng nó còn có lợi thế về sự thuận tiện trong chuyển đổi hệ thống nhiên liệu Việc chuyển đổi ô tô chạy bằng nhiên liệu lỏng sang dùng LPG có thể đ-ợc thực hiện theo ba h-ớng: sử dụng duy nhất nhiên liệu LPG, sử dụng hoặc xăng hoặc LPG, sử dụng đồng thời diesel và LPG (dual fuel) Việc tạo hỗn hợp LPG không khí có thể thực hiện bằng

bộ chế hoà khí kiểu Venturie thông th-ờng hay phun LPG trên đ-ờng nạp Những

hệ thống phun mới đang đ-ợc nghiên cứu phát triển là phun LPG dạng lỏng trong buồng cháy để tăng tính năng công tác của loại động cơ này Cũng nh- các loại nhiên liệu khí khác, việc l-u trữ LPG trên ô tô là vấn đề gây nhiều khó khăn nhất mặc dù áp suất hóa lỏng của LPG thấp hơn rất nhiều so với khí thiên nhiên hay các loại khí khác Các loại bình chứa nhiên liệu LPG cũng đ-ợc cải tiến nhiều nhờ vật liệu và công nghệ mới

+ Ô tô chạy bằng điện:

Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission) đối với môi tr-ờng không khí trong thành phố Nguồn điện dùng để chạy ô tô đ-ợc nạp vào accu do đó quãng đ-ờng hoạt động độc lập của ô tô phụ thuộc vào khả năng tích

điện của accu Nếu nguồn điện đ-ợc sản xuất từ các nguồn năng l-ợng tái sinh (thủy điện, pin mặt trời ) thì ô tô dùng điện là loại ph-ơng tiện lý t-ởng nhất về mặt ô nhiễm môi tr-ờng Tuy nhiên nếu nguồn điện đ-ợc sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch thì -u điểm này bị hạn chế nếu xét về mức độ phát ô nhiễm tổng thể Ngày nay ô tô chạy bằng accu đã đạt đ-ợc những tính năng vận hành cần thiết giống nh-

ô tô sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống

+ Ô tô chạy bằng pin nhiên liệu:

Một trong những giải pháp của nguồn năng l-ợng sạch cung cấp cho ô tô trong t-ơng lai là pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là hệ thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng trong nhiên liệu thành điện năng Pin nhiên liệu tr-ớc đây chỉ đ-ợc nghiên cứu để cung cấp điện cho các con tàu không gian nh-ng ngày nay pin nhiên liệu đã b-ớc vào giai đoạn th-ơng mại hóa để cung cấp năng l-ợng cho ô tô Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động của pin nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi n-ớc Vì vậy có thể nói ô tô hoạt động bằng pin nhiên liệu là ô tô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải chất ô nhiễm trong khí xả Ô tô chạy bằng pin nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen Khó khăn vì vậy liên quan

đến l-u trữ hydro d-ới áp suất cao hoặc trong vật liệu hấp thụ trên ph-ơng tiện vận tải Nhiều nghiên cứu đề nghị điều chế hydro ngay trên xe để sử dụng cho pin nhiên liệu nh-ng hệ thống nh- vậy rất cồng kềnh và phức tạp Các công ty chế tạo

ô tô ở Đức (Daimler Benz), ở Nhật (Toyota), ở Mỹ (General Motors) đang có kế hoạch sản xuất ô tô sử dụng pin nhiên liệu và dự kiến sẽ th-ơng mại hóa ô tô này vào năm 2010

Tuy ngày nay ng-ời ta đã thành công trong chế tạo các loại pin nhiên liệu có hiệu suất cao và giá thành phù hợp nh-ng việc áp dụng ph-ơng án này trên xe buýt vẫn còn xa so với hiện thực vì so với các ph-ơng án làm giảm ô nhiễm khác, pin nhiên liệu chạy ô tô vẫn còn l¯ loại nhiên liệu “xa xỉ” v¯ “cao cấp” Ng¯y nay ng-ời ta thấy rằng nếu sử dụng pin nhiên liệu để chạy ô tô thì giá thành đắt hơn chạy bằng diesel khoảng 30%

+ Ô tô lai (hybrid):

Ô tô lai là loại ô tô sử dụng ít nhất hai nguồn sức kéo bổ sung cho nhau Trong khi các giải pháp sử dụng ô tô chạy hoàn toàn bằng điện còn nhiều bất cập thì ô tô lai sử dụng động cơ điện và động cơ nhiệt tỏ ra có nhiều -u thế nhất Ô tô lai dạng này sử dụng động cơ điện một chiều chạy bằng accu đ-ợc nạp điện bằng

điện l-ới khi ô tô dừng và nạp điện bổ sung từ cụm động cơ nhiệt-mát phát điện một chiều bố trí trên xe Ô tô lai đ-ợc nghiên cứu từ những năm 1990 Đến năm

1997, chiếc ô tô lai đầu tiên Toyota Prius ra đời tại Nhật Bản Hiện nay trên thị tr-ờng thế giới đã xuất hiện ô tô lai với các nhãn hiệu khác nhau: Honda Insight, Honda Civic, Toyota Prius với giá cả cạnh tranh với ô tô truyền thống

Động cơ nhiệt sử dụng trên ô tô lai do chỉ nạp điện bổ sung vào accu nên có công suất bé, và điều quan trọng là do nó chỉ làm việc ở một chế độ duy nhất ổn

định nên ng-ời ta có thể điều chỉnh, thiết kế để ở chế độ này động cơ phát ô nhiễm thấp nhất Động cơ nhiệt ở đây có thể là động cơ Diesel hiện đại với hệ thống lọc

bồ hóng và xử lý khí xả hay động cơ sử dụng nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hoá lỏng LPG) Lý t-ởng nhất là ô tô lai sử dụng động cơ điện một chiều

và động cơ nhiệt nạp điện bổ sung chạy bằng nhiên liệu khí (khí thiên nhiên hay khí dầu mỏ hóa lỏng) với bộ xúc tác ba chức năng lắp trên đ-ờng xả

Ngoài những đặc điểm nêu trên, tùy thuộc vào cách bố trí tổ hợp giữa động cơ

điện và động cơ nhiệt, ô tô lai điện-nhiệt còn có các -u điểm nh- sau:

- Có thể phối hợp công suất giữa động cơ điện và động cơ nhiệt một cách tối -u để đảm bảo hiệu suất sử dụng năng l-ợng cao nhất

- Có thể tận dụng giai đoạn phanh hay xuống dốc của ô tô để nạp điện vào

ắc quy

Chính vì vậy ô tô lai điện-nhiệt ngoài -u điểm có mức độ phát ô nhiễm thấp còn có hiệu suất sử dụng năng l-ợng rất cao

1.2 MUẽC ẹÍCH CUÛA ẹEÀ TAỉI:

ở các n-ớc phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng l-ợng sạch cho ô tô nói chung đã bắt đầu Theo xu thế chung, đứng đầu danh sách là ô tô chạy điện tiếp theo là ô tô lai, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu là ứng viên thứ ba của cuộc chạy đua

Về mặt nhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất l-ợng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽ đ-ợc nâng cao, các loại nhiên liệu khí (LPG, khí thiên nhiên) sẽ đ-ợc áp dụng rộng rãi trên ô tô, các loại nhiên liệu sinh học (nh- ethanol, colza) có lợi thế

so sánh thấp về mặt môi tr-ờng và giá thành nhiên liệu này còn cao nên hạn chế về mặt sử dụng, các nhiên liệu tổng hợp từ khí thiên nhiên đang đ-ợc nghiên cứu, nhiên liệu khí hydro cho ô tô ch-a có triển vọng ứng dụng do công nghệ và giá thành

Sự phát triển của ô tô sử dụng điện và pin nhiên liệu phụ thuộc vào khả năng phát triển, hoàn thiện các loại động cơ truyền thống và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng hiện nay để làm giảm ô nhiễm môi tr-ờng Các yếu tố cần quan tâm để xem xét gồm dự báo chất l-ợng của hệ thống vận chuyển khách công cộng và giá thành của pin nhiên liệu với các loại nhiên liệu thay thế khác để đạt cùng mức độ giảm NOx Kết quả nghiên cứu cho thấy trong vòng 10 năm tới, kỹ thuật làm giảm NOx bằng cách cải thiện động cơ diesel, sử dụng LPG và khí thiên nhiên rẻ hơn là sử dụng pin nhiên liệu Trong t-ơng lai dài hơn thì việc giảm NOx bằng cách sử dụng pin nhiên liệu trên xe buýt sẽ có giá thành t-ơng đ-ơng với việc cải thiện động cơ diesel để đạt cùng mức độ hiệu quả

Để đạt đ-ợc cùng tính năng kinh tế và mức độ phát ô nhiễm đối với động cơ sử dụng LPG thì trong thập niên 2010, giá nhiên liệu hydro phải giảm đi 50% và giá thành pin nhiên liệu phải giảm đi 30% so với giá cả hiện nay Vì vậy trong vòng 2 thập niên tới, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu vẫn ch-a có lợi thế cạnh tranh so với các loại nhiên liệu thay thế

Vì vậy trong điều kiện của n-ớc ta từ nay đến 2020, ô tô lai hai chỗ ngồi chạy bằng điện kết hợp với việc nạp điện bổ sung bằng động cơ nhiệt chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG là phù hợp nhất Thật vậy nh- đã phân tích trên đây, cơ sở

hạ tầng của chúng ta ch-a đ-ợc phát triển nên chỉ phù hợp với ô tô cá nhân có kích th-ớc bé Về mặt năng l-ợng thì điện năng của chúng ta đ-ợc sản xuất chủ yếu bằng thủy điện (năng l-ợng tái sinh) và chủ động nguồn cung cấp khí dầu mỏ hoá lỏng LPG Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và trong t-ơng lai gần nhà máy lọc dầu đầu tiên của Việt Nam ở Dung Quốc đi vào hoạt động, sản l-ợng khí đồng hành của nhà máy là nguồn cung cấp nhiên liệu LPG Mặt khác các nhà máy tinh luyện khí thiên nhiên cũng là nguồn cung cấp loại nhiên liệu này nên khả năng độc lập nhiên liệu LPG của chúng ta cũng rất lớn

Nhu cầu sử dụng ô tô trong t-ơng lai là xu thế tất yếu của xã hội phát triển N-ớc ta có thị tr-ờng nội địa lớn với hơn 80 triệu dân Cho tới nay, thị tr-ờng này hầu nh- vẫn còn nguyên vẹn Trong xu thế hòa nhập kinh tế khu vực (AFTA) và thế giới (WTO), thị tr-ờng nội địa của n-ớc ta chắc chắn sẽ là mảnh đất màu mỡ

đối với các nhà sản xuất ô tô thế giới Việc thâm nhập ồ ạt ô tô bên ngoài có kích

cỡ không phù một mặt sẽ gây ra những vấn nạn về ách tắt giao thông và mặt khác làm mất thị phần đối với một sản phẩm công nghiệp quan trọng của đất n-ớc Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế tiến tới sản xuất một chủng loại ô tô phù hợp với điều kiện sử dụng trong n-ớc có ý nghĩa rất thiết thực và cấp bách đối với n-ớc ta

Đề tài " thiết kế hệ thống động lực ô tô lai điện nhiệt hai chỗ ngồi" đặt nền tảng cho việc thiết kế và sản xuất một kiểu ô tô cá nhân mang nhãn hiệu Việt Nam phù hợp với điều kiện giao thông trong n-ớc, giá thành vừa phải, có hiệu suất

sử dụng năng l-ợng cao và mức độ phát ô nhiễm thấp, góp phần thực hiện nhiệm vụ cấp bách nói trên nhằm đẩy nhanh tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất n-ớc Nói tóm lại, đề tài này là b-ớc khởi đầu mà tiếp theo là thiết kế hoàn chỉnh

và chế tạo một ô tô cá nhân tại Việt Nam với mục tiêu h-ớng tới là:

- Nâng cao điều kiện sống của ng-ời dân

- Tiết kiệm năng l-ợng và giảm ô nhiễm môi tr-ờng trong giao thông vận tải

- Tạo ra mặt hàng công nghiệp đặc thù mang lợi thế cạnh tranh lớn

- Phát triển ngành công nghiệp sản xuất ô tô ở Việt Nam

1.3 PHệễNG PHAÙP NGHIEÂN CệÙU:

Phửụng phaựp nghieõn cửựu ủeồ hoaứn thaứnh ủeà taứi goàm coự:

- Tham khaỷo taứi lieọu: thoỏng keõ, so saựnh, phaõn tớch, lửùa chon

- Thửùc nghieọm: Xaực ủũnh caực thoõng soỏ, ủửụứng ủaởc tớnh, hieọu suaỏt cuỷa moọt soỏ boọ phaọn cuỷa heọ thoỏng ủoọng lửùc

Hỡnh 1-1: OÂ toõ 2 choó ngoài cuỷa Trung Quoỏc Hỡnh 1-2: OÂ toõ 2 choó ngoài cuỷa haừng Smart

Chửụng 2: TOÅNG QUAN NOÄI DUNG ẹEÀ TAỉI

2.1 XU HệễÙNG PHAÙT TRIEÅN OÂ TOÂ TREÂN THEÁ GIễÙI VAỉ ễÛ VIEÄT NAM :

2.1.1 Xu hửụựng phaựt trieồn oõ toõ treõn theỏ giụựi:

Giao thông vận tải nói chung và vận tải ô tô nói riêng là một ngành quan trọng của quá trình phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia cũng nh- trên toàn thế giới Con ng-ời và các sản phẩm sản xuất trong xã hội luôn có xu h-ớng di chuyển từ nơi này đến nơi khác Chính vì vậy mà ngành giao thông vận tải đã ra đời Và với quy luật đó, ngành giao thông vận tải đ-ợc xem là mạch máu của nền kinh tế quốc dân

Ô tô với đặc điểm có tính cơ động và linh hoạt cao đã trở thành ph-ơng tiện rất cần thiết trong ngành giao thông vận tải Có thể nói, ô tô là một thành viên không thể thiếu của xã hội Ô tô đã đóng góp một vai trò chính trong sự phát triển công nghiệp và kinh tế, đồng thời nó còn là ph-ơng tiện nâng cao tiện nghi đời sống con ng-ời và hỗ trợ giao l-u phát triển văn hóa xã hội Tuy nhiên, ô tô cũng tiêu thụ một l-ợng năng l-ợng đáng kể của dầu mỏ và gây ra nghiêm trọng về ô nhiễm môi tr-ờng Số l-ợng xe ô tô đ-ợc sử dụng hiện nay trên thế giới khoảng 740 triệu chiếc

và đ-ợc dự đoán sẽ tiếp tục tăng thêm

Để phát huy -u điểm và hạn chế những khuyết điểm, ô tô ngày nay đ-ợc các nhà thiết kế, sản xuất theo xu h-ớng đảm bảo các yêu cầu sau:

- Tối -u hoá hệ thống điều khiển vận hành và nâng cao tiện nghi trong xe

- Nâng cao hiệu suất và giảm chất thải gây ô nhiểm môi tr-ờng

- Từng b-ớc sử dụng nguồn năng l-ợng mới thay thế nguồn năng l-ợng chính sắp cạn kiệt là dầu mỏ

Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới nh- Toyota, Honda, đã tung ra thị tr-ờng những thế hệ ô tô mới có hiệu suất cao và

gi°m đáng kể lượng chất th°i gây ô nhiểm môi trường được gọi l¯ “ô tô lai”

(Hybrid - Car) Có thể nói, công nghệ lai là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi tr-ờng hay còn gọi là ô tô sinh thái (the ultimate eco-car) Xu h-ớng phát triển của ngành ô tô trên thế giới đ-ợc mô tả nh- ở hình 2-1

Từ hình 2-1 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 chạy bằng xăng dầu truyền thống không có triển vọng phát triển trong t-ơng lai Động cơ điện và động cơ khí ga (LPG hoặc LNG) tuy hiện nay còn có

một số hạn chế nhất định nh-ng đây là hai loại động cơ có nhiều -u 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 đ-ợc tạo ra từ động cơ xăng và động cơ điện đ-ợc gọi

là động cơ lai (Hybrid Engine) đ-ợc lắp đặt thành công trên xe du lịch đời mới của hãng Toyota, Honda, Động cơ lai đã phát huy -u điểm và đồng thời hạn chế nh-ợc điểm của mỗi loại động cơ thành phần Đây là loại động cơ đ-ợc xem là tốt nhất hiện nay

Hình 2-1: Xu h-ớng phát triển ô tô của thế giới

Trên hình 2-1, 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 -u điểm của mỗi loại động cơ Rõ ràng, động cơ lai xăng - điện vận hành hiệp trợ HSD (Hybrid Synergy Drive) đ-ợc xếp loại là loại động cơ có -u điểm đứng đầu hiện nay Động cơ HSD còn đ-ợc gọi là động cơ THS II (Toyota Hybrid System II) Toyota có một lịch sử dài lâu của sự cải tiến liên tục những động cơ truyền thống, bao gồm sự những động cơ xăng cháy nghèo, những động cơ xăng phun trực

Công nghệ lai – Hybrid Technology

Ô tô sinh thái The ultimate eco-car

1 HSD: Hybrid Synergy Drive -

Lai vận hành hiệp trợ

2 FCHV: Fuel Cell Hybrid

Vehicle - Xe lai pin nhiên liệu

3 HV: Hybrid Vehicle - Xe lai

4 THS: Toyota Hybrid System -

Hệ thống lai của Toyota

5 DPNR: Diesel Particulate NOX

Reduction - Động cơ điêden giảm NOX và muội than

6 D-4: Direct Injection 4 stroke -

10 VVT-i: Variable Valve Timing with intelligence - Thay đổi thời gian đóng mở xupap thông minh

tiếp và động cơ diesel phun trực tiếp ray chung (common rail) - cũng nh- những

động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế, chẳng hạn nh- khí đốt thiên nhiên nén lỏng (CNG) hoặc điện ( EV) Vào tháng 12 năm 2002, Toyota giới thiệu một số l-ợng hạn chế mẫu xe Toyota FCHV (Xe Lai Pin Nhiên liệu) chạy bằng hy-đrô cao áp

Đây cũng là sản phẩm mới của Toyota tìm kiếm đ-ợc cho dự án ô tô sinh thái car) Những kỹ s- của Toyota đều cho rằng công nghệ lai là cốt lõi cho sự phát triển ô tô eco-car Công nghệ quan trọng này sẽ đ-ợc Toyota phát triển để giảm bớt giá thành và nhanh chóng th-ơng mại hóa ứng dụng của nó Một trong những tiêu chuẩn để đánh giá một sự kiện kỹ thuật mới trên ô tô trong t-ơng lai là hiệu suất toàn phần Điều đó biểu thị hiệu quả toàn bộ của một nguồn năng l-ợng, từ sự trích

(eco-ra tới khi nó làm quay bánh xe chủ động của xe Những công nghệ lai của Toyota

đã làm tăng thêm hiệu suất về cơ bản cho những động cơ truyền động ô tô mà đỉnh cao hiện nay là động cơ lai vận hành hiệp trợ HSD hay còn đ-ợc gọi là THS II

Đặc điểm quan trọng của động cơ lai HSD là nó có thể sử dụng phối hợp động cơ xăng và động cơ điện trong bất kỳ tình huống nào và thậm chí vừa chạy vừa nạp

điện cho nó. Mô hình ô tô với ký hiệu SU - HV1 gần đây nhất của Toyota mô tả nét

đặc tr-ng một Hệ thống Lai HSD đã ứng dụng thành công cho công suất phát ra lớn

đến 120kW của một động cơ V6 và một động cơ điện 50 kW Với một động cơ V6 (3,3 lít) sử dụng công nghệ lai này có thể đem lại hiệu quả ngang bằng động cơ V8 (4,4 lít) với hiệu suất chất đốt và sự phát xạ chất gây ô nhiễm ở mức cho phép của ô tô tốt gấp hai lần Toyota sẽ phát triển hơn nữa những ứng dụng của công nghệ lai bởi vì Toyota tin t-ởng rằng đây là một công nghệ cốt lõi Những hệ thống lai của Toyota có thể tích hợp với nhiều loại hệ thống truyền động - không những động cơ xăng, mà còn cả động cơ đi-ê-den, xe năng l-ợng thay thế, và cả xe pin nhiên liệu

Và công nghệ lai HSD của Toyota là thiết thực, mạnh và linh hoạt đủ để tăng c-ờng bảo vệ môi tr-ờng và vận hành hiệu quả của bất kỳ những kiểu ô tô nào, từ ô tô du lịch đến xe tải nhỏ và cả xe đắc tiền Đây mới chỉ là sự khởi đầu, công nghệ lai chắc chắn sẽ tiếp tục đ-ợc phát triển xa hơn nữa trong t-ơng lai

Hình 2-2 giới thiệu Toyota Prius New là loại đầu tiên sử dụng Lai Vận hành Hiệp trợ HSD Mô hình này đ-ợc thiết kế theo tiêu chuẩn của Nhật với hiệu suất chất đốt đạt đ-ợc 35,5(km/L) (chu trình kiểm tra của Nhật), gấp hai lần của Corolla 1,5 lít và hoàn toàn tuân theo với những điều kiện Mức phát xạ Cực thấp nghiêm ngặt nhất (Ultra- Low Emissions Level) của Nhật bản ở hình 2-3 và bảng 2-1 cho

ta thấy hiệu quả cách biệt của các loại ô tô lai so với các loại ô tô truyền thống

Hình 2-2: Ô tô du lịch Toyota Prius New

Hình 2-3: Đồ thị mô tả mối liên hệ giữa hiệu suất và khả năng tăng tốc

Bảng 2-1: So sánh hiệu suất sử dụng nhiên liệu toàn phần của các đời xe

Hiệu suất biến đổi nhiên liệu (A%)

Hiệu suất biến đổi thành cơ năng (B%)

Hiệu suất toàn phần (A%.B%)

Toyota pin nhiên liệu FCHV 58 50 29

Sau đây là đặc điểm cơ bản của 3 loại động cơ nằm trong nhóm đầu của bảng xếp hạn gồm: THS, THS II và FCHV

a) Hệ Thống Lai THS Của Toyota (Toyota Hybrid System):

Vào tháng giêng năm 1997, Toyota công bố bắt đầu dự án Toyota Eco-car.Bằng một công việc của sự cố gắng này, Toyota đã quyết định giải quyết đ-ợc nhiệm vụ quốc tế khó khăn của việc giảm bớt sự phát xạ CO2 để ngăn ngừa sự nóng lên của trái đất và tăng tốc sự phát triển của xe lai với mục đích đạt đ-ợc hiệu suất nhiên liệu cao hơn so với xe ô tô truyền thống Sau đó vào tháng ba của cùng năm

đó, Toyota công bố hoàn thành của một hệ thống truyền động mới gọi là Hệ thống Lai Toyota (Toyota Hybrid System - THS) cho sự sử dụng trong những xe ô tô hành khách Hệ thống truyền động này kết hợp một động cơ xăng và một động cơ điện

mà nó không yêu cầu sự nạp điện ngoài nh- những xe ô tô điện hiện nay Nhiên liệu nạp lại cho xe là xăng nh- những chiếc xe ô tô truyền thống Hệ thống này cũng đạt đ-ợc gần gấp hai lần hiệu suất nhiên liệu so với những động cơ xăng truyền thống THS đ-ợc lắp đặt trong xe ô tô hành khách Prius, và đã đ-ợc giới thiệu vào tháng 12 năm 1997 tại thị tr-ờng Nhật bản với t- cách là loạt sản phẩm

xe lai hành khách đầu tiên trên thế giới Vào năm 2000, Prius bắt đầu đ-ợc tiếp thị

ở hải ngoại Prius đã đạt đ-ợc một danh tiếng là một loại xe ô tô có tính sáng tạo cao với số l-ợng bán ra rộng khắp thế giới v-ợt hơn 110.000 chiếc.Trong lúc đó,

truyền thống

THS vẫn tiếp tục đ-ợc phát triển và trong năm 2001 Toyota cho ra đời mô hình THS - C với kết hợp THS và CVT (continuously variable transmission - hệ thống truyền động biến thiên liên tục) đ-ợc lắp đặt trong xe tải nhỏ Estima Hybrid và THS - M (một hệ thống lai nhẹ) đ-ợc lắp đặt trong Crown, xe du lịch đắc tiền, cả hai đều đ-ợc bán ra cho thị tr-ờng Nhật bản Thành công này đã góp phần rất lớn tạo ra những sáng kiến cho những thế hệ xe ô tô của thế kỷ 21

Hoạt động của hệ thống THS đ-ợc mô tả nh- sau:

Hình 2-4: Mô tả hoạt động của động cơ THS

Khởi động: Chỉ động cơ điện đ-ợc sử dụng cho khởi động và từ tốc độ thấp tới

trung bình

Chạy bình th-ờng: Khi vận tải khách, cả động cơ xăng lẫn động cơ điện đều

điều khiển những bánh xe chủ động: công xuất động cơ xăng đ-ợc chia ra giữa những bánh xe và một máy phát điện, mà máy phát điện này điều khiển động cơ

điện quay Sự cung cấp năng l-ợng là đ-ợc kiểm soát để làm hiệu suất cực đại Tất nhiên, máy phát cũng nạp lại nguồn ắc quy từ công suất động cơ xăng d- thừa

Tăng tốc đột ngột: Nguồn ắc quy cùng bổ sung thêm năng l-ợng để đẩy mạnh

truyền công suất, khi đó động cơ xăng và động cơ điện cùng cung cấp sức kéo để cân bằng với đòi hỏi của sự gia tốc

Giảm tốc/Sự phanh: Động cơ điện đóng vai trò một máy phát điện đ-ợc kéo

bởi những bánh xe của ô tô "Hệ thống phanh làm tái sinh" này khôi phục động năng của ô tô thành điện năng và đ-ợc cất giữ trong nguồn ắc quy hiệu suất cao Trong quá trình hoạt, hệ thống THS tạo một mối liên hệ chặc chẽ giữa động cơ điện và động cơ xăng Cả hai động cơ thành phần này kết hợp đ-a ra công suất hợp lý theo đòi hỏi của phụ tải làm cho hoạt động của xe tiện nghi và an toàn ở hiệu quả cao nhất có thể có

Hệ thống THS có 3 kiểu liên kết của hai động cơ thành phần, đó là kiểu nối tiếp, kiểu song song và kiểu hỗn hợp

- Kiểu lai nối tiếp : Động cơ điện điều khiển những bánh xe; công việc duy nhất của động cơ xăng là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng Kiểu lai này đ-ợc mô tả nh- ở hình 2-5

- Kiểu lai song song: Động cơ xăng thực hiện điều khiển chính những bánh

xe; động cơ điện sẽ giúp đỡ cho gia tốc Sơ đồ cấu tạo của hệ thống này thể hiện ở hình 2-6

- Kiểu lai hỗn hợp: Hệ thống này có một bộ phận gọi là "thiết bị phân chia

công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ xăng và

động cơ điện đến các bánh xe chủ động Tuy nhiên xe có thể chạy theo "kiểu êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện Sơ đồ cấu tạo nh- ở hình 2-7

Khởi động Chạy bình th-ờng Tăng tốc Giảm tốc Dừng

Động cơ xăng

tự động tắc

Động cơ xăng

và động cơ điện

Hình 2-5: Hệ thống lai nối tiếp

Hình 2-6: Hệ thống lai song song

Hình 2-7: Hệ thống lai hỗn hợp

Động cơ xăng

Bánh răng giảm tốc Máy phát điện

Dòng cơ năng Dòng điện năng

Động cơ xăng

Bánh răng giảm tốc

Cơ cấu truyền động

Dòng cơ năng Dòng điện năng

Động cơ xăng

Bánh răng giảm tốc

Bộ phân chia công suất

Dòng cơ năng Dòng điện năng Máy phát điện

Ô tô lai sử dụng hệ thống phanh tái sinh Hệ thống phanh này kết hợp quá trình hãm thuận nghịch của động cơ điện với hệ thống phanh thuỷ lực truyền thống Nhờ vậy mà ô tô có thể tái sinh lại năng l-ợng nạp vào ắc quy, đồng thời bảo đảm

an toàn tốt nhất cho ng-ời sử dụng Mối liên hệ này đ-ợc thực hiện thông qua bộ

điều khiển điện tử ECU Sơ đồ hệ thống đ-ợc mô tả ở hình 2-8

Hình 2-8: Hệ thống phanh của ô tô lai THS

Ưu và nh-ợc điểm của 3 kiểu lai của hệ thống THS đ-ợc so sánh ở bảng 2-2

Bảng 2-2: So sánh -u nh-ợc điểm giữa 3 kiểu hệ thống lai

Kiểu lai

Sự cải tiến tiết kiệm nhiên liệu Sự thực hiện truyền động

Sự dừng không tái sinh

Lấy lại năng l-ợng

Hoạt động hiệu suất cao

Tổng hiệu suất Gia tốc

Công suất phát ra cao liên tục

Nối tiếp

Song song

Hổn hợp

Tuyệt vời Cao cấp hơn Có bất lợi

b) Hệ Thống Lai Toyota THS ii:

Xây dựng trên nền tản của THS, Toyota đã phát triển ý t-ởng mới cho hệ thống lai Vận hành Hiệp trợ (Hybrid Synergy Drive) gọi là HSD hoặc THS II, với mục đích đạt đ-ợc những mức cao của tính t-ơng thích với môi tr-ờng và tăng dần công suất đầu ra của động cơ điện lên 1,5 lần, tăng hiệu điện thế lớn cho nguồn

điện cung cấp và đạt đ-ợc cải tiến quan trọng trong hệ thống điều khiển

Trong một hệ thống truyền lực truyền thống, có một sự cân bằng giữa công suất và hiệu suất.Nếu ta cố gắng nâng cao một trong hai, thì cái còn lại sẽ giảm

Hệ thống lai THS II tháo gỡ đ-ợc mối quan hệ này Hiệu quả mà hệ thống lai THS

II đạt đ-ợc nhờ nâng cao điện áp của hệ thống lai tới một cực đại 500V (tăng thêm hơn 274V so với hệ thống Prius tr-ớc đây) Một điện áp cao hơn có nghĩa rằng

Nguoàn aộc quy

Boọ ủieàu khieồn heọ thoỏngphanh

Maựy phaựt ủieọn

Boọ chia coõng suaỏt

Vũ trớ baứn ủaùp phanh

Baựnh raờng

giaỷm toỏc

ẹoọng

cụ xaờng

ẹoọng

cụ ủieọn

Phanh taựi sinh

Phanh thuyỷ lửùc

Boọ ủieàu khieồn trung taõm

Boọ ủieàu khieồn coõng suaỏt

Baàu phanh chớnh

công suất mà nguồn điện cung cấp cho động cơ điện sẽ sử dụng một dòng điện nhỏ hơn để giảm nhiệt năng toả ra trên dây dẫn, do đó tăng thêm hiệu suất của hệ thống Hoặc, nếu dòng điện đ-ợc giữ nh- cũ, điện áp cao hơn sẽ tăng công suất phát ra của động cơ điện.

Hoạt động của động cơ xăng và động cơ điện trong mỗi hệ thống đ-ợc mô tả nh- ở biểu đồ hình 2-10 Biểu đồ này cho thấy tỷ lệ của sự sử dụng giữa động cơ xăng và động cơ điện khác nhau phụ thuộc vào hệ thống lai Từ một hệ thống lai nối tiếp sử dụng động cơ xăng của nó để phát điện cho động cơ điện điều khiển kéo những bánh xe chủ động, động cơ xăng và động cơ điện làm việc cùng một l-ợng của thời gian Một hệ thống lai song song sử dụng động cơ xăng nh- nguồn sức mạnh chính, động cơ điện chỉ có cung cấp sức kéo trong thời gian gia tốc Bởi vậy,

động cơ xăng đ-ợc sử dụng nhiều hơn động cơ điện Còn trong một hệ thống lai hỗn hợp (THS trong Prius), một thiết bị chia công suất phân chia công suất động cơ

ra từng phần, vì vậy tỷ lệ của công suất đi trực tiếp tới các bánh xe chủ động và tới máy phát điện là thay đổi liên tục Động cơ điện có thể chạy ra điện nh- một máy phát điện nên động cơ điện đ-ợc sử dụng nhiều hơn so với động cơ xăng

Hình 2-10: Tỷ lệ sử dụng công suất giữa hai loại động cơ thành phần

Nguyên lý làm việc của THS II cũng t-ơng tựa nh- ở hệ thống THS Mô hình cấu tạo của nó đ-ợc mô tả ở hình 2-11 Tất cả các bộ phận cơ bản của THS II đã

đ-ợc phát triển bởi Toyota theo một cách riêng của nó Mạch điện điện áp cao,

động cơ điện, máy phát điện và nguồn ắc quy đã đ-ợc thiết kế lại thật tối -u Hệ thống gồm có hai loại nguồn công suất, một động cơ xăng hiệu suất cao kiểu chu trình Atkinson (chu trình tỷ số nén cao), kết hợp với một động cơ điện xoay chiều (AC) đồng bộ nam châm vĩnh cửu với công suất phát ra gấp 1,5 lần so với hệ thống THS tr-ớc đây Ngoài ra, hệ thống còn có một máy phát điện, một bộ nguồn ắc quy Niken - Hyđrua kim loại (Ni-MH) hiệu suất cao và một điều khiển công suất tối -u

Hình 2-11: Cấu hình của một hệ thống THS II

Kiểu lai song song

Kiểu lai hỗn hợp

Tốc độ cao Tốc độ thấp

Bộ điều khiển công suất

Động cơ điện Bánh răng

giảm tốc

Bộ phân chia công suất

Máy phát điện

Động cơ xăng

Nguồn ắc quy

Hệ thống THS II có một số điểm khác biệt đối với hệ thống THS nh- sau:

- Hệ thống điện có điện áp cao hơn:

Mạch điện điện áp cao là một công nghệ mới trong hệ thống THS II Nhờ điều kiện phát triển một mạch điện điện áp cao mới bên trong bộ điều khiển, điện áp của

động cơ điện và máy phát điện đã đ-ợc tăng lên 500V Do đó, nguồn điện có thể cung cấp cho động cơ điện một dòng điện nhỏ hơn với công suất không đổi, nhờ vậy góp phần để tăng hiệu suất của hệ thống So sánh điện áp giữa hai hệ thống THS và THS II đ-ợc mô tả nh- ở hình 2-12

Hình 2-12: Hệ thống điện điện áp cao của THS II

- Động cơ điện kiểu xoay chiều đồng bộ công suất cao:

Động cơ điện đã đ-ợc phát triển dựa vào những công nghệ mà Toyota đã nuôi d-ỡng trong khi thiết kế cho những xe ô tô điện.THS II sử dụng một động cơ điện kiểu AC đồng bộ nam châm vĩnh cửu, mà cũng chính là một mô tơ DC không chổi than hiệu suất cao sử dụng dòng AC Những nam châm Neođim (những nam vĩnh cửu) đ-ợc bố trí trong một rô to làm từ thép điện từ mỏng ghép lại tạo thành một

động cơ điện hiệu suất cao.Hơn nữa, nhờ sắp xếp những nam châm vĩnh cửu trong một sự tối -u hình chữ V, mô men xoắn dẫn động đ-ợc cải thiện và công suất đầu

ra là đ-ợc tăng.Kết hợp với điện áp cao của bộ cung cấp điện, công suất phát ra lớn nhất của động cơ điện đ-ợc tăng lên khoảng xấp xỉ gấp 1,5 lần so với ở hệ thống THS, cụ thể là từ 33KW tới 50kW với kích th-ớc của động cơ điện giống nhau Có thể nói đây là mẫu động cơ điện sản sinh ra công suất trên một đơn vị trọng l-ợng (thể tích) cao nhất của thế giới Để điều khiển động cơ điện, một phát triển mới hơn

là hệ thống điều khiển điều biến đã đ-ợc thêm vào ở vùng tốc độ trung bình, khác với ph-ơng pháp tr-ớc đây là chỉ điều khiển ở tốc độ thấp và cao.Nhờ việc cải tiến ph-ơng pháp cải biến độ rộng xung, công suất phát ra tổng cộng cả hai động cơ của

hệ thống THS II trong phạm vi tốc độ trung bình đã đ-ợc tăng thêm một l-ợng lớn nhất xấp xỉ 30 %

Hình 2-13: Vị trí lắp đặt nam châm vĩnh cửu trong rô tô động cơ điện

Hình 2-14: Đ-ờng đặc tính của hai hệ thống lai THS và THS II

- Nguồn ắc quy của hệ thống lai:

Trong THS II, nguồn ắc quy Nickel - Hyđrua kim loại đảm bảo hiệu năng cao

và gọn nhẹ Để duy trì một sự tích nạp điện không thay đổi, nguồn ắc quy phóng hoặc nạp điện thông qua máy phát và động cơ điện, và bởi vậy không yêu cầu sự nạp điện từ bên ngoài nh- đối với xe ô tô điện

Hình 2-15: Bộ ắc quy Ni-MH

P(KW)

M(Nm)

- Thiết bị phân chia công suất:

Công suất động cơ xăng đ-ợc chia ra từng phần nhờ sử dụng cơ cấu bánh răng hành tinh Thông qua cơ cấu phân chia công suât, ở các chế độ hoạt động khác nhau của xe thì số vòng quay của động cơ điện, máy phát điện và động cơ xăng sẽ khác nhau Nhờ vậy mà hệ thống này có thể tận dụng hết công suất của động cơ xăng ở tốc độ cao và mô men xoắn cực đại của động cơ điện ở tốc độ thấp Sơ đồ cấu tạo và đồ thị biểu diễn các chế độ hoạt của nó nh- ở hình 2-16 và 2-17

Hình 2-16: Thiết bị phân chia công suất kiểu bánh răng hành tinh

Hình 2-17: Vòng quay của các thiết bị ở các chế độ hoạt động

Động cơ xăng Máy phát điện Động cơ điện

Bánh xe chủ động

Máy phát điện

n(v/ph)

Động cơ điện n(v/ph)

Động cơ xăng n(v/ph)

nén và hành trình giãn nở có thể độc lập với nhau Các xu páp nạp và xả đ-ợc điều khiển theo hệ thống VVT-i (Variable Valve Timing-intelligent), hệ thống này sẽ tính toán điều chỉnh thời gian đóng mở xu páp theo điều kiện hoạt động của động cơ, do đó luôn thu đ-ợc hiệu quả cực đại

Hình 2-18: Chu trình Atkinson

Hình 2-19: Mặt cắt ngang động cơ lai THS II

Chu trình truyền thống

Chu trình Atkinson (tỷ số nén cao)

Chu trình Atkinson

(tỷ số nén cao)

Chu trình truyền thống

Thể tích xi lanh V(cm3)

Động cơ điện

- Hệ thống điều khiển trung tâm:

Hệ thống điều khiển của THS II bảo đảm duy trì trạng thái làm việc của xe ô tô có hiệu quả cực đại và an toàn cao nhất bởi việc quản lý năng l-ợng sử dụng toàn bộ xe, bao gồm năng l-ợng để di chuyển xe ô tô cũng nh- năng l-ợng sử dụng cho những thiết bị phụ , nh- điều hòa không khí, hệ thống s-ởi, hệ thống đèn pha

Hy-đrô là một nguồn năng l-ợng lý t-ởng vì nó có một mật độ năng l-ợng cao cho trọng l-ợng của nó và thân thiện với môi tr-ờng Hy-đrô có thể thu đ-ợc từ nhiều nguồn khác nhau, vì vậy nó có thể giảm bớt phần phụ thuộc năng l-ợng của

Theo lý thuyết, bạn có thể tính toán đ-ợc rằng một pin nhiên liệu có thể chuyển đổi 83% của năng l-ợng hy-đrô thành năng l-ợng điện, một hiệu suất rất cao so với hiệu suất cực đại 30% tới 40% có thể có của với một động cơ xăng Hơn nữa, theo nguyên tắc, pin nhiên liệu không sản sinh CO2 hoặc những sự phát xạ có hại khác; chất thải duy nhất của nó là n-ớc (H2O)

Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu đ-ợc mô tả trên hình 2-22

Hình 2-22: Sơ đồ nguyên lý bộ pin nhiên liệu FCHV

Toyota áp dụng công nghệ lai này để đạt đ-ợc hiệu suất cao trong TOYOTA FCHV

đồng thời khoảng 130.000 kilômet cùng các mẫu xe khác, TOYOTA FCHV là một

xe lai pin nhiên liệu đáng tin cậy và có độ bền cao, đồng thời có sự cân bằng đặc biệt của hiệu suất cao và tiết kiệm nhiên liệu

Nhiên liệu

Hệ thống l-u trữ Bình chứa áp suất cao

áp suất cực đại của bình (MPa) 35

ắc quy Kiểu Nickel-Hyđrua Kim loại

Hệ thống nhiên liệu trên xe FCHV đ-ợc bố trí nh- ở hình 2-25 Những thùng hy-đrô cao áp đ-ợc thiết kế theo tiêu chuẩn an toàn cực đại để tránh cắt đứt dù xe ô tô chịu đựng một sự va chạm mạnh từ phía sau

Hình 2-25: Hệ thống nhiên liệu của FCHV

2.1.2 Xu hửụựng phaựt trieồn oõ toõ ụỷ Vieọt Nam :

Taùi Vieọt Nam, thũ trửụứng mua baựn oõ toõ ủang coự trieồn voùng lụựn Trong thụứi gian gaàn ủaõy, neàn kinh teỏ quoỏc gia tửứng bửụực phaựt trieồn toỏt, ủụứi soỏng cuỷa nhaõn daõn ngaứy caứng sung tuực, ủaởc bieọt laứ nhửừng ngửụứi daõn thaứnh thũ, neõn nhu caàu mua saộm oõ toõ noựi chung cuừng nhử oõ toõ caự nhaõn noựi rieõng laứ raỏt lụựn Theo caực chuyeõn gia kinh teỏ, thũ trửụứng oõ toõ ủang chuyeồn daàn tửứ chaõu AÂu vaứ chaõu Myừ sang chaõu AÙ, maứ ủửựng ủaàu laứ khu vửùc ẹoõng Nam AÙ, trong ủoự coự Vieọt Nam Hieọn taùi ụỷ nửụực ta coự 4 coõng ty lụựn chuyeõn saỷn xuaỏt oõ toõ lieõn doanh vụựi nửụực ngoaứi nhử: TOYOTA, MAZDA, MERCEDES BENZ vaứ ISUZU Nhỡn chung, caực coõng ty naứy ủang laứm aờn coự hieọu quaỷ vaứ ủaừ taựi ủaàu tử saỷn xuaỏt raỏt lụựn Ngoaứi ra coứn coự nhieàu daõy chuyeàn nhoỷ laộp raựp oõ toõ hoaởc caực ủaùi lyự mua baựn oõ toõ cuỷa caực coõng ty khaực nhử KIA, SUZUKI, HUYNDAI, FORD, NISSAN cuừng ủang coự maởt taùi nhieàu nụi treõn ủaỏt nửụực Vieọt Nam Nhieàu nhaứ maựy cheỏ taùo oõ toõ troùng taỷi lụựn cuừng ủaừ vaứ ủang ủửụùc xaõy dửùng nhử nhaứ maựy saỷn xuaỏt oõ toõ taỷi MAZ, coõng ty oõ toõ 1-5 (TRANSINCO), ẹaõy chớnh laứ daỏu hieọu

Thành phần liên quan đến điện áp cao Cảm biến dò hyđrô Thành phần liên quan đến hyđrô Cảm biến sự va chạm

Bộ điều khiển công suất

Thùng chứa hyđrô áp suất cao

Động cơ

điện

Bộ pin nhiên liệu Toyota FC Stack Dòng điện Dòng hyđrô

khởi sắc cho sự phát triển một nền công nghiệp ô tô lớn mạnh trong một tương lai không xa

Cũng như xu hướng chung của thế giới, những chiếc ô tô tại Việt nam cũng đòi hỏi ít gây ô nhiễm môi trường, hiệu quả kinh tế cao, phù hợp với cơ sở hạ tầng và mẫu mã đẹp Tuy nhiên, do đời sống của đại đa số người dân đang còn

ở mức hạn chế nên nhu cầu mua sắm ô tô tại thị trường Việt Nam lớn nhất chủ yếu là chủng loại xe có mức giá trung bình và thấp Nhu cầu về mua sắm xe sang trọng và đắc tiền còn rất thấp Riêng đối với ô tô cá nhân (ô tô du lịch), thị trường Việt Nam đang có tiềm năng rất lớn Hiện nay, xe hai bánh vẫn còn là phương tiện cá nhân phổ biến ở nước ta Đây là loại phương tiện rất cơ động nhưng cũng có rất nhiều nhược điểm như gây ô nhiễm môi trường, dễ gây ùn tắt và tai nạn giao thông Do đó, nhu cầu sử dụng ô tô cá nhân thay thế cho xe hai bánh sẽ có xu hướng tăng nhanh trong thời gian tới

Nói tóm lại, nền công nghiệp ô tô tại Việt Nam là đang còn non trẻ nhưng có một tiềm năng lớn và chủng loại ô tô cá nhân (ô tô du lịch) sẽ có xu hướng phát triển mạnh nhất trong tương lai

2.2 THỰC TRẠNG CƠ SỞ HẠ TẦNG GIAO THÔNG Ở NƯỚC TA:

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 17%, 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(m2/người), chỉ tiêu đất cây xanh, công viên, thể dục thể thao là 18(m2/người) và chỉ tiêu đất xây dựng công trình phục vụ lợi ích công cộng là 5(m2/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 Quốc, rất hợp thị hiếu tiêu dùng của người lao động Việt Nam, đã được mọi người 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 kích cỡ xe phù hợp để sử dụng Và đây cũng chính là mấu chốt vấn đề để thực hiện đề tài thiết kế một chiếc xe ô tô cá nhân phù hợp với cơ sở hạ tầng giao thông đô thị Việt Nam

2.3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN KIỂU DÁNG VÀ NGUỒN ĐỘNG LỰC CỦA

Ô TÔ CÁ NHÂN PHÙ HỢP VỚI VIỆT NAM:

Xe ô tô là phương tiện vô cùng quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Mặc dù nó cũng đã gây ra nhiều vấn nạn cho xã hội nhưng người ta không thể xoá bỏ nó mà chỉ tìm cách khắc phục nhược điểm của nó Một chiếc ô tô được thị trường và nhà nước chấp nhận đưa ra sử dụng nếu nó có các tiêu chuẩn sau:

- Giá cả phù hợp

- Mẫu mả đẹp

- Lưu thông thuận tiện và an toàn

- Ít gây ô nhiễm môi trường

Tại thị trường Việt Nam, theo đánh giá của các nhà chuyên môn, tiềm năng phát triển ô tô 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 đa số người dân lao động Do đó, việc cho ra đời một chiếc xe ô tô phù hợp với thị trường Việt Nam là điều cần thiết

Trước hết, ta lựa chọn kiểu dáng của xe ô tô Như 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, chọn kiểu xe ô tô cá nhân có hai chỗ ngồi là giải pháp tối ưu nhất

Ngoài những lý do trên, xe ô tô cá nhân hai chỗ ngồi còn phù hợp với thực tế ở những mặt sau: đa số người dân thành phố sử dụng xe để đi làm hàng ngày một cách riêng lẻ, chiếc xe 2 chỗ ngồi ít lãng phí hơn loại 4 chỗ ngồi thông thường, nó chỉ tương đương như một chiếc xe máy mà mọi người thường sử

dụng, đồng thời xe 2 chỗ ngồi sẽ cho ra giá bán thấp hơn những xe nhiều hơn 2 hai chỗ cùng loại, người tiêu dùng sẽ dễ có cơ hội mua sắm hơn

So với chiếc xe máy, mô tô, xe ô tô 2 chỗ ngồi tuy giá bán cao hơn và kích thước lớn hơn nhưng người sử dụng được an toàn hơn, tránh được mưa nắng và bụi đường của môi trường khí hậu Việt Nam Với lý do đó, nó chắc chắn cạnh tranh được với loại xe gắn máy hai bánh, loại phương tiện đang chiếm đa số và gây ra nhiều gánh nặng cho xã hội trong một tương lai gần

Sau khi xác định được kiểu dáng phù hợp, ô tô cá nhân 2 chỗ ngồi, ta cần chọn nguồn động lực tối ưu cho ô tô 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 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 điện hoặc pin nhiên liêu thì việc thay động cơ đốt trong bằng động

cơ điện trên xe ô tô sẽ giảm đáng kể nguồn gây ô nhiễm môi trường trên trái đất Nhược điểm hiện nay của xe điện vấn đề tiếp 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 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

Từ những phân tích trên, ta chọn động cơ lai điện nhiệt để làm nguồn động lực cho xe được thiết kế Tuy nhiên, khác với nguyên tắc của các loại động cơ lai “vận hành hiệp trợ” của Toyota là nguồn điện không cần được nạp lại từ bên ngoài, động cơ lai được trang bị trên xe hai chỗ ngồi này là động cơ lai

“vận hành phụ trợ” Nguồn điện cung cấp cho động cơ điện chủ yếu được nạp lại từ lưới điện dân dụng, còn động cơ nhiệt chạy bằng khí ga LPG chỉ kéo máy phát điện cung cấp cho động cơ điện khi xe cần chạy đường xa mà thôi Nói tóm lại, ô tô này vận hành từ nguồn năng lượng chính là điện, loại năng lượng mà tại Việt Nam được sản xuất phần lớn từ thuỷ điện bằng một tiềm năng lớn và không gây ô nhiễm môi trường Với kết hợp một động cơ đốt trong chạy bằng khí ga hoá lỏng (LPG) chắc chắn động cơ lai “vận hành phụ trợ” của xe ô tô cá nhân hai chỗ ngồi là loại động cơ “sạch” và phù hợp với nền kinh tế Việt Nam

Như vậy, chọn kiểu dáng và nguồn động lực cho xe cần thiết kế là loại hai chỗ ngồi động cơ lai điện - nhiệt (LPG) “vận hành phụ trợ”

Chương 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Ô TÔ LAI ĐIỆN NHIỆT 2 CHỖ NGỒI

3.1 XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ NGUỒN ẮC QUY:

3.1.1 Chọn sơ bộ khối lượng của các thành phần :

3 Các bánh xe (5 cái): 40 kg

4 Trọng tải (2 người): 140 kg

5 Hệ thống truyền động điện (chiếm 30%): 140 kg

6 Động cơ khí ga và máy phát xoay chiều: 50 kg

FM = FL + FD + FG + FQ (1) Lực cản lăn được tính: FL = f.G với f là hệ số cản lăn và G là tổng trọng tải của xe, ở đây G = 5000(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

Từ những tính toán trên, thay các giá trị vừa tính được vào công thức (1) ta được FM = 100 + 500 + 120 + 500 = 1220(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 = 100 + 500 = 600(N)

FMG = FL + FG = 100 + 120 = 220(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 vận tốc có thể rất nhỏ nên công suất cũng có thể nhỏ hơn Ta chọn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động cơ điện, khi đó FMG = 220(N) và vận tốc của xe v = 19,4(m/s) Ta có công suất cản của xe lúc này là:

PCG = FMG v = 220 19,4 = 4268(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 = PCG /  với  là hiệu suất của hệ thống truyền lực, chọn sơ bộ  = 0,95 ta được:

PM = 4268 / 0,95 = 4493(W) (3) Chọn công suất của động cơ điện cần trang bị cho xe này là:

PM = 4500(W) = 4,5(KW)

2 Hiệu điện thế của độngcơ 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 12(V) sẽ tăng và đòi hỏi 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 thống kê mức điện áp của các loại động cơ điện điện có trên thị trường, chọn loại động cơ điện có hiệu điện thế U = 90(V) Với hiệu điện thế này khối lượng động cơ điện tương đối nhỏ và số lượng bình ắc quy cũng vừa phải

3 Chọn loại động cơ điện:

Hiện nay, động cơ điện trang bị trên ô tô 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 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 một chiều có chổi than thì tuổi thọ không cao, trong quá trình vận

hành đòi hỏi phải bảo dưỡng chổi than, còn động cơ điện một chiều không chổi than thì có rất nhiều ưu điểm nhưng giá thành rất cao và cũng chưa được bán ra nhiều trên thị trường Động cơ xoay chiều còn có nhược điểm nữa là hệ thống điều khiển phức

Hình 3-1: Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện

tạp, cần có bộ biến tần để biến đổi điện một chiều (DC) từ ắc quy thành dòng điện xoay chiều (AC) cung cấp cho động cơ Nếu xét về mặt kinh tế, sử dụng động cơ một chiều có chổi than sẽ cho ra giá thành thấp nhất

Với mục tiêu kinh tế, ta chọn loại động cơ điện một chiều có chổi than làm nguồn động lực cho xe cần thiết kế Ngoài ra, ở vùng công suất nhỏ (4,5KW)ø động cơ một chiều có chổi than hoạt động cũng khá hiệu quả Hiện nay, trên thị trường có bán loại động cơ một chiều có chổi than DC ZYT145/06-90 do Trung Quốc sản xuất với hiệu điện thế định mức DC 90(V) và công xuất 4,5(KW), ta chọn loại động cơ này để lắp đặt lên xe

3.1.3 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 Với hiệu điện thế của động cơ điện được chọn là 90(V), số lượng bình ắc quy cần thiết là 8 bình loại 12(V) 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:

Động cơ

DC

Động cơ AC đồng bộ

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 trọng khối lượng trên dung lượng nhỏ hơn Dựa vào thông số kỹ thuật của bình ắc quy do nhà sản xuất cung cấp, loại bình ắc quy 12(V)-50(AH) có khối lượng m = 15(kg) Động cơ điện 90(V)-4,5(KW) có khối lượng m2 = 25(kg) Như vậy, tổng khối lượng của hệ thống truyền động điện sẽ là:

m = 8 m1 + m2 = 8 15 + 25 = 145(kg) Tính hệ số tỷ lệ khối lượng:

 = m / M = 145 / 500 = 0,29 < 30%

Như vậy, tỷ lệ này đã đạt yêu cầu kỹ thuật

3.1.4 Tổng hợp các thông số của động cơ điện và bộ ắc quy:

1 Động cơ điện:

- Kiểu: ZYT145/06-90 (TQ) - Hiệu điện thế : 90(V)

- Công suất : 4,5(KW) - Vòng quay định mức: 3.000(v/ph)

- Khối lượng: 25(kg) - Mô men xoắn cực đại: 60(Nm)

2 Nguồn ắc quy:

- Loại: N12V-50AH (Đồng Nai) - Số lượng bình: 8(bình)

- Khối lượng mỗi bình: 15(kg) - Kích thước: 240 x 180 x 170(mm)

Hình 3-2: Kết cấu của động cơ điện DC ZYT145/06-90

3.2 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA Ô TÔ LAI ĐIỆN NHIỆT HAI CHỖ NGỒI:

3.2.1 Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực:

Đối với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (DC ZYT145/06-90) mà ta vừa chọn như trên, đường đặc tính cơ của nó gần giống với đường đặc tính kéo lý tưởng của ô tô, đồng thời động cơ điện có thể đổi chiều quay dễ dàng nên chúng ta có thể thiết kế hệ thống truyền lực mà không cần hộp số như ở động

cơ đốt trong Như vậy, hệ thống truyền lực của xe này được thiết kế theo sơ đồ sau:

Hình 3-3: Sơ đồ hệ thống truyền lực

Từ sơ đồ này, tỷ số truyền của hệ thống xác định theo công thức:

iH = M / BX = nM / nBX (1) trong đó M , nM là vận tốc góc và số vòng quay định mức của động cơ điện và

BX nBX là vận tốc góc và số vòng quay cần thiết lớn nhất của bánh xe Ta có

nM = 3000 (v/ph) và nBX được xác định theo công thức:

nBX = 60 {vmax / (2  rBX)} = 60 {19,4 / (2 3,14 0,2)} = 926,75 (v/ph) Thay các giá trị có được vào công thức (1) ta được:

iH = 3000 / 926,75 = 3,237 Chọn tỷ số truyền chung của hệ thống truyền lực là iH = 3

3.2.2 Xác định vận tốc lớn nhất của xe:

Hộp giảm tốc

Động cơ điện

Cầu chủ động