Phân tích động lực học hệ thống động lực trên xe buýt city i51 BGQ1E4

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng mô hình tính toán mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe buýt CITY I51 BGQ1E4 bằng Matlab SimDriveline tính toán cho bài toán động dựa trên các thông số kỹ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯƠNG MINH THẮNG

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC

TRÊN XE BUÝT CITY I51 BGQ1E4

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 01 năm 2020

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Hữu Nhân

5 Ủy viên: TS Nguyễn Văn Trạng

Xác nhận của Chủ tịch Hội Đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRƯƠNG MINH THẮNG MSHV: 1670308

Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1992 Nơi sinh: Tỉnh Đồng Tháp Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số : 60520116

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích động lực học hệ thống động lực trên xe buýt CITY I51

BGQ1E4

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng mô hình tính toán mô phỏng hệ thống

truyền lực trên xe buýt CITY I51 BGQ1E4 bằng Matlab SimDriveline tính toán cho bài toán động dựa trên các thông số kỹ thuật của xe tham khảo từ đó tìm ra các khoảng vận tốc chuyển số và tỉ số truyền hộp số khác nhau nhằm tối ưu tính kinh tế nhiên liệu Nhận xét kết quả thu được từ đó rút ra các kết luận về ảnh hưởng của khoảng vận tốc chuyển số và tỉ số truyền hộp số đến tiêu hao nhiên liệu của xe buýt sử dụng

trong thành phố

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2019

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2019

IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN HỮU NHÂN

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Trước hết xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Hữu Nhân vì đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện luận văn Xin cảm ơn thầy Hồng Đức Thông và thầy Đặng Tiến Phúc đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cho tôi trong quá trình phản biện, chúc thầy và gia đình luôn luôn hạnh phúc và dồi dào sức khỏe

Xin cảm ơn Bộ phận đào tạo sau đại học khoa Cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã giúp đỡ nhiệt tình trong thời gian thực hiện và bảo vệ luận văn

Đặc biệt, xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân đã khuyến khích, động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn

Cuối cùng xin cảm ơn các anh chị học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí động lực khóa 2016 đã có nhiều đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thành luận văn này

Dù đã rất cố gắng nhưng nội dung luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của quý thầy, các bạn đồng nghiệp cũng như những người cùng quan tâm tới đề tài này để nội dung luận văn hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2019

Trương Minh Thắng

TÓM TẮT

Nhằm phân tích sự ảnh hưởng của vận tốc chuyển số và tỉ số truyền hộp số của xe buýt khi chạy theo chu trình xe buýt trong thành phố ảnh hướng đến lượng tiêu hao nhiên liệu Mô hình mô phỏng được xây dựng và tính toán dựa trên Matlab/

SimDriveline với các thông số kỹ thuật tham khảo từ xe buýt City I51 BGQ1E4 Kết quả cho thấy sự ảnh hưởng của vận tốc chuyển số và tỉ số truyền hộp số ảnh hưởng đến lượng tiêu hao nhiên liệu Từ đó, ta có thể xác định được vận tốc chuyển

số và tỉ số truyền hộp số phù hợp để giảm lượng tiêu hao nhiên liệu Các kết quả tính toán phía trên được xem là cơ sở tham khảo ban đầu để thực hiện việc thiết kế cũng như đề xuất các phương án cải tiến nhằm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu của

xe trong điều kiện vận hành thực tế

ABSTRACT

In order to analyze the effect of the speed transmission and transmission ratio of buses when runing the bus cycle in the cityaffecting fuel consumption Simulation model was built and calculated based on Matlab/ SimDriveline with reference specifications from City I51 BGQ1E4 The results show that the influence of

gearbox speed and transmission ratio affects fuel consumption From there, we can determine the appropriate gearboc speed and transmission ratio to reduce fuel consumption The above calculation results are considered as the initial reference for design as well as proposed inprovement plans to reduce the fuel consumption of the vehicle in actual operating conditions

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viện: TRƯƠNG MINH THẮNG

Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1992 Nơi sinh: Đồng Tháp Địa chỉ liên lạc: 010/8 Khóm Mỹ Tây, Thị trấn Mỹ Thọ, Huyện Cao Lãnh, Tỉnh Đồng Tháp

Số điện thoại: 077 6907 407

Tôi xin cam đoan luận văn “ Phân tích động lực học hệ thống động lực trên xe

buýt City I51 BGQ1E4 ” là tôi thực hiện, không sao chép của người khác Nếu sai

sự thật, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật

Trương Minh Thắng

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Cơ sở lý thuyết về mô hình hóa hệ thống truyền động trên xe 4

2.1.1 Năng lượng của ô tô và sự tiêu hao nhiên liệu – Các khái niệm cơ bản 4

2.1.1.1 Những tổn thất về năng lượng và thực hiện quá trình phân tích 4

2.1.1.2 Đặc tính và khả năng vận hành 7

2.1.1.3 Các chế độ vận hành của ô tô 8

2.1.2 Phương pháp tính toán tiêu hao nhiên liệu của xe theo chu trình – Phương pháp điểm hoạt động trung bình 8

2.2 Sử lý số liệu từ biểu đồ tiêu thụ nhiên liệu 10

2.3 Tối ưu hóa chế độ sang số để tiết kiệm nhiên liệu 25

2.3.1 Công thức tính tiêu hao nhiên liệu của ô tô 25

2.3.2 Thiết kế chế độ lên số 26

2.3.3 Thiết kế chế độ giảm số 26

Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC BẰNG MATLAB - SIMDRIVELINE 28

3.1 Mô hình động cơ (Generic Engine) [7] 28

3.1.1 Thư viện 28

3.1.2 Mô tả 28

3.1.3 Mô hình Generic Engine 28

3.2 Mô hình Ly hợp (Disk Friction Clutch) [7] 31

3.2.1 Thư viện 31

3.2.2 Mô tả 31

3.2.3 Mô hình Ly hợp đĩa ma sát 32

3.3 Mô hình Hộp số [7] 33

3.3.1 Mô hình Bộ đồng tốc (Dog Clutch) 33

3.4 Mô hình Số truyền cuối (Differential gear) [7] 35

3.4.1 Thư viện 35

3.4.2 Mô tả 36

3.5 Mô hình Thân xe [7] 37

3.5.1 Mô hình bánh xe 37

3.5.2 Mô hình thân xe 38

Chương 4: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 42

4.1 Thông số kỹ thuật xe SAMCO CITY I51 BGQ1E4 42

4.2 Tính toán lý thuyết và lực chọn bộ chuyển số 45

4.2.1 Mô hình tính toán lượng tiêu hao nhiên liệu, momen, lực kéo theo từng chế độ tải 45

4.2.2 Đồ thị công suất và mô men động cơ 45

4.2.3 Đồ thị lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động 46

4.2.4 Tính toán lực chọn bộ chuyển số 47

4.3 Tính toán sơ bộ tỉ số truyền hộp số đề xuất trên nền tản hộp số xe buýt Samco City I51 53

4.3.1 Xác định các đặc tính động lực học với tỉ số truyền thay đổi 55

4.3.1.1 Đồ thị lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động 55

4.3.1.2 Tính toán lực chọn bộ chuyển số cho tỉ số truyền mới của hộp số 56

4.4 Các thông số nhập vào mô hình mô phỏng 60

4.4.1 Động cơ 60

4.4.1.1 Thông số nhập vào khối 60

4.4.2 Ly hợp 61

4.4.2.1 Thông số nhập vào khối 61

4.4.3 Hộp số 62

4.4.3.1 Thông số nhập vào khối 62

4.4.4 Thân xe và bánh xe 64

4.4.4.1 Thông số nhập vào khối 64

Chương 5: TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 67

5.1 Tính tiêu hao nhiên liệu bằng phương pháp điểm hoạt động trung bình lý thuyết 67

5.1.1 Dữ liệu chu trình 67

5.1.2 Tính tiêu hao nhiên liệu bằng pương pháp điểm hoạt động trung bình 68

5.2 Tính tiêu hao nhiên liệu bằng phương pháp mô phỏng 72

5.2.1 Xử lý tín hiệu momen xoắn đầu ra động cơ 74

5.2.1.1 Tín hiệu đầu vào 74

5.2.1.2 Tín hiệu đầu ra 74

5.2.1.3 Xử lý tín hiệu 74

5.2.2 Xử lý tín hiệu phanh 77

5.2.3 Xử lý tín hiệu hộp số 78

5.2.3.1 Tín hiệu đầu vào 78

5.2.3.2 Tín hiệu đầu ra 78

5.2.3.3 Xử lý tín hiệu 78

5.2.4 Xử lý tín hiệu ly hợp 82

5.2.4.1 Tín hiệu đầu vào 82

5.2.4.2 Tín hiệu đầu ra 82

5.2.4.3 Xử lý tín hiệu 82

5.2.5 Tính toán tiêu hao nhiên liệu theo mô hình 84

5.2.5.1 Tín hiệu đầu vào 84

5.2.5.2 Tín hiệu đầu ra 84

5.2.5.3 Xử lý tín hiệu 84

Chương 6: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 87

6.1 Phân tích và so sánh kết quả mô phỏng 87

6.1.1 Kết quả thu được sau khi mô phỏng 87

6.1.1.1 Sơ đồ sang số 87

6.1.1.2 Tốc độ động cơ 89

6.1.1.3 Momen động cơ 92

6.1.1.4 Lưu lượng nhiên liệu tiêu thụ 98

6.1.1.4 Vận tốc ô tô 101

6.1.1.5 Lượng nhiên liệu tiêu thụ sau khi hoàn thành chu trình 104

6.1.2 So sánh và nhận xét kết quả giữa phương pháp giải tích và phương pháp mô phỏng 105

6.1.3 So sánh và nhận xét kết quả giữa hai bộ chuyển số và bộ chuyển số với tỉ số truyền mới 106

Chương 7: ỨNG DỤNG VÀ KẾT LUẬN 109

7.1 Ứng dụng 109

7.1 Theo quan điểm sản xuất lắp ráp: 109

7.2 Theo quan điểm thiết kế mới: 109

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

t Thời gian s

trac traction mode: Chế độ kéo

MVEG cycle Chu trình của Hiệp hội Khí thải Xe cơ

giới (Motor Vehicles Emissions Group)

FUDS Lịch trình lái xe đô thị liên bang của

(Federal Urban Driving Schedule)

FHDS Lịch trình lái xe cao tốc liên bang

(Federal Highway Driving Schedule)

FTP Thủ tục kiểm tra liên bang (Federal Test

Procedure)

ECE cycle (NEDC) Chu trình lái xe Châu Âu kiểu mới (New

European Driving Cycle)

EUDC Chu trình lái xe ngoài đô thị

Fuel consumption map Biểu đồ tiêu hao nhiên liệu động cơ

BSFC Suất tiêu hao nhiên liệu (Brake-specific

V Thể tích m3

f

m Lưu lượng khối lượng nhiên liệu kg/s, g/s

 Tốc độ quay động cơ trong mô hình vòng/ phút

Threshold Ngưỡng, mức giới hạn

Redline speed Tốc độ vượt tốc của động cơ vòng/ phút

Gear hunting Hiện tượng chuyển số không cần thiết

và lặp đi lặp lại

RMS Giá trị hiệu dụng, là căn số bậc hai trung

bình bình phương (Root Mean Square)

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ thể hiện các lực khi xe di chuyển trên đường dốc 5

Hình 2.2 Mô hình các chế độ vận hành của xe 8

Hình 2.3 Các thành phần được xem xét trong phương pháp điểm hoạt động trung bình của một hệ thống truyền động động cơ IC 9

Hình 2.4 Biểu đồ tiêu hao nhiên liệu tham khảo 11

Hình 2.5 Đường tăng tiến của m f là một hàm của bmep đối với tốc độ quay n=700 vòng/phút 14

Hình 2.6 Đường tăng tiến của m f là một hàm của bmep đối với tốc độ quay n=1400 vòng/phút 15

Hình 2.7 Đường tăng tiến của m f là một hàm của bmep đối với tốc độ quay n=2100 vòng/phút 16

Hình 2.8 Đường tăng tiến của m f là một hàm của bmep đối với tốc độ quay n=2800 vòng/phút 17

Hình 2.9 Đường tăng tiến của m f là một hàm của bmep đối với tốc độ quay n=3500 vòng/phút 18

Hình 2.10 Sự tăng tiến độ nghiêng của đường thẳng phù hợp của m f như là một hàm của bmap cho mỗi tố độ động cơ 19

Hình 2.11 Sự tăng tiến của độ chia trục y của đường thẳng phù hợp của m f như là một hàm của bmep cho mỗi tốc độ động cơ 19

Hình 3.1 Hình biểu diễn khối động cơ (Generic Engine) 28

Hình 3.2 Đồ thị hàm nhu cầu công suất động cơ chuẩn 30

Hình 3.3 Hình biểu diễn khối Disk Friction Clutch 31

Hình 3.4 Hình biểu diễn khối Dog Clutch 34

Hình 3.5 Hình biểu diễn hoạt động của Dog Clutch 35

Hình 3.6 Hình biểu diễn khối Simple Gear 36

Hình 3.7 Hình ảnh biểu diễn thân xe 37

Hình 3.8 Mô hình biểu diễn chuyển động của xe 39

Hình 4.1 Mô hình tính toán tính toán tiêu hao niên liệu, momen, lực kéo theo chế độ

tải 45

Hình 4.2 Đồ thị công suất động cơ theo từng chế độ tải 45

Hình 4.3 Đồ thị momen động cơ theo từng chế độ tải 46

Hình 4.4 Đồ thị lực kéo 46

Hình 4.5 Đồ thị lực kéo (90% tải) 47

Hình 4.6 Đồ thị lực kéo (10% tải) 47

Hình 4.7 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu tay số 1 và tay số 2 48

Hình 4.8 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu tay số 2 và tay số 3 49

Hình 4.9 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu tay số 3 và tay số 4 49

Hình 4.10 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu tay số 4 và tay số 5 50

Hình 4.11 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu tay số 5 và tay số 6 50

Hình 4.12 Đồ thị lực kéo bộ chuyển số thứ nhất 52

Hình 4.13 Đồ thị lực kéo bộ chuyển số thứ hai 53

Hình 4.14 Đồ thị lực kéo với tỉ số truyền mới 55

Hình 4.15 Đồ thị lực kéo với tỉ số truyền mới (90% tải) 56

Hình 4.16 Đồ thị lực kéo với tỉ số truyền mới (10% tải) 56

Hình 4.17 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu tay số 1 và tay số 2 57

Hình 4.18 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu tay số 2 và tay số 3 57

Hình 4.19 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu tay số 3 và tay số 4 58

Hình 4.20 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu tay số 4 và tay số 5 58

Hình 4.21 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu tay số 5 và tay số 6 59

Hình 4.22 Đồ thị lực kéo bộ chuyển số với tỉ số truyền mới 60

Hình 5.1 Chu trình “Bus Cycle 10Hz” 67

Hình 5.2 Mô hình hệ thống truyền lực chưa có tín hiệu điều khiển 73

Hình 5.3 Mô hình hệ thống truyền lực đã có tín hiệu điều khiển 74

Hình 5.4 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 75

Hình 5.5 Sơ đồ tính toán trong mô hình 76

Hình 5.6 Sơ đồ tính toán trong mô hình 77

Hình 5.7 Sơ đồ tính toán trong mô hình 77

Hình 5.8 Bảng lên số 79

Hình 5.9 Sơ đồ tính toán tính hiệu lên số theo mô hình 79

Hình 5.10 Sơ đồ tính toán tín hiệu xuống số theo mô hình 80

Hình 5.11 Tạo ra tín hiệu số tiếp theo trong mô hình 80

Hình 5.12 Sơ đồ tính toán xung khi có sự chuyển số trong mô hình 81

Hình 5.13 Sơ đồ tạo ra tín hiệu cho bộ đồng tốc ở tay số 1 theo mô hình 81

Hình 5.14 Sơ đồ tạo ra tín hiệu lực dịch chuyển bộ đồng tốc trong mô hình 82

Hình 5.15 Sơ đồ tổng thể tạo ra tín hiệu áp suất ly hợp 82

Hình 5.16 Tính toán áp suất ly hợp trong mô hình 83

Hình 5.17 Tính toán Pmaxtrong mô hình 84

Hình 5.18 Mô hình tính tiêu hao nhiên liệu dựa trên tốc độ và momen xoắn 85

Hình 5.19 Mô hình chuyển đổi đơn vị trong Matlab 86

Hình 6.1 Sơ đồ sang số bộ chuyển số thứ nhất 87

Hình 6.2 Sơ đồ sang số bộ chuyển số thứ hai 88

Hình 6.3 Sơ đồ sang số với tỷ số truyền mới 88

Hình 6.4 Đồ thị và dữ liệu tốc độ động cơ theo thời gian bộ chuyển số thứ nhất 89

Hình 6.5 Đồ thị và dữ liệu tốc độ động cơ theo thời gian bộ chuyển số thứ hai 90

Hình 6.6 Đồ thị và dữ liệu tốc độ động cơ theo thời gian với tỉ số truyền mới 91

Hình 6.7 Đồ thị và dữ liệu momen động cơ theo thời gian bộ chuyển số thứ nhất 92

Hình 6.8 Đồ thị và dữ liệu tín hiệu điều khiển momen động cơ theo thời gian bộ chuyển số thứ nhất 93

Hình 6.9 Đồ thị và dữ liệu momen động cơ theo thời gian bộ chuyển số thứ hai 94

Hình 6.10 Đồ thị và dữ liệu tín hiệu điều khiển momen động cơ theo thời gian bộ chuyển số thứ hai 95

Hình 6.11 Đồ thị và dữ liệu momen động cơ theo thời gian với tỉ số truyền mới 96

Hình 6.12 Đồ thị và dữ liệu tín hiệu điều khiển momen động cơ theo thời gian với tỉ số truyền mới 97

Hình 6.13 Đồ thị và dữ liệu lưu lượng nhiên liệu theo thời gian bộ chuyển số thứ nhất 98

Hình 6.14 Đồ thị và dữ liệu lưu lượng nhiên liệu theo thời gian bộ chuyển số thứ hai 99 Hình 6.15 Đồ thị và dữ liệu lưu lượng nhiên liệu theo thời gian với tỉ số truyền mới 100

Hình 6.16 Đồ thị và dữ liệu vận tốc ô tô theo thời gian bộ chuyển số thứ nhất 101

Hình 6.17 Đồ thị và dữ liệu vận tốc ô tô theo thời gian bộ chuyển số thứ hai 102

Hình 6.18 Đồ thị và dữ liệu vận tốc ô tô theo thời gian với tỉ số truyền mới 103

Hình 6.19 Kết quả tiêu thụ nhiên liệu từ bộ chuyển số thứ nhất 104

Hình 6.20 Kết quả tiêu thụ nhiên liệu từ bộ chuyển số thứ hai 104

Hình 6.21 Kết quả tiêu thụ nhiên liệu từ bộ chuyển số với tỉ số truyền mới 105

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1 Các giá trị bmep, bsfc, Tb và m f tại 700 vòng/ phút 13

Bảng 2.2 Các giá trị bmep, bsfc, Tb và m f tại 1400 vòng/ phút 14

Bảng 2.3 Các giá trị bmep, bsfc, Tb và m f tại 2100 vòng/ phút 15

Bảng 2.4 Các giá trị bmep, bsfc, Tb và m f tại 2800 vòng/ phút 16

Bảng 2.5 Các giá trị bmep, bsfc, Tb và m f tại 3500 vòng/ phút 17

Bảng 2.6 Độ nghiêng, độ chia trục y, bình phương hệ số tương quan của đường thẳng phù hợp của m fnhư là một hàm của bmep đối với mỗi giá trị tốc độ 18

Bảng 2.7 Các hệ số của đa thức phù hợp với sự tăng tiến của độ nghiêng của đường thẳng phù hợp với tốc độ động cơ và các hệ số của đa thức phù hợp với sự tăng tiến của độ chia trục y của đường thẳng phù hợp với tốc độ động cơ 19

Bảng 2.8 Kết quả tính toán m f (g/s) phần 1 20

Bảng 2.9 Kết quả tính toán m f (g/s) phần 2 21

Bảng 2.10 Kết quả tính toán m f (g/s) phần 3 21

Bảng 2.11 Kết quả tính toán m f (g/s) phần 4 22

Bảng 2.12 Kết quả tính toán m f (g/s) phần 5 23

Bảng 2.13 Kết quả tính toán m f (g/s) phần 6 23

Bảng 2.14 Kết quả tính toán m f (g/s) phần 7 24

Bảng 3.1 Các biến số của ly hợp 32

Bảng 3.2 Bảng giải thích các ký hiệu trên mô hình chuyển động 39

Bảng 4.1 Bộ chuyển số thứ nhất – Lên số 51

Bảng 4.2 Bộ chuyển số thứ nhất – Xuống số 51

Bảng 4.3 Bộ chuyển số thứ nhất – Lên số 51

Bảng 4.4 Bộ chuyển số thứ nhất – Xuống số 51

Bảng 4.5 Bộ chuyển số với tỉ số truyền mới – Lên số 59

Bảng 4.6 Bộ chuyển số với tỉ số truyền mới – Xuống số 59

Bảng 5.1 Các dữ liệu từ chu trình 68Bảng 5.2 Chọn các thông số tính tiêu hao nhiên liệu bằng phương pháp điểm hoạt động trung bình 68Bảng 5.3 Các thông số kết quả tính tiêu hao nhiên liệu bằng phương pháp điểm hoạt động trung bình 69Bảng 5.4 Bảng dữ liệu tiêu hao nhiên liệu 85Bảng 6.1 So sánh kết quả giữa phương pháp giải tích và phương pháp SimDriveline 105Bảng 6.2 So sánh giữa bộ chuyển số 1, bộ chuyển số 2 và bộ chuyển số với tỉ số truyền hộp số mới 106

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, mức độ ô nhiễm không khí ngày càng diễn ra nghiêm trọng taị các thành phố lớn của nước ta mà cụ thể là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Lý do của hiện tượng này được giải thích do số lượng phương tiện giao thông tăng và chất lượng nhiên liệu vẫn còn thấp so với các nước trong khu vực; mô tô, xe máy đang lưu hành chưa được kiểm soát khí thải; đa số người dân không hiểu rõ tác hại của khí thải và tác dụng của bảo dưỡng, sửa chữa đến giảm khí thải độc hại và tiết kiệm tiêu hao nhiên liệu

Theo đánh giá của Phó giám đốc Sở Tài Nguyên và Môi Trường thành phố Hồ Chí Minh đưa ra chỉ tiêu giảm 70% ô nhiễm không khí từ các hoạt động giao thông vận tải; tuy nhiên chỉ tiêu này chưa đạt được so với mục tiêu đề ra Nguyên nhân chủ yếu

do thành phố còn gặp khó khăn trong việc đánh giá, định lượng được chỉ tiêu này vì việc đánh giá tỷ lệ lượng ô nhiễm giảm đòi hỏi phải triển khai đề án đánh giá lượng

xe lưu thông các loại trên đường, đo đạt mức độ phát thải của từng loại xe, xây dựng tải lượng phát thải thì mới có thể so sánh

Để đạt được mục tiêu giảm 70% ô nhiễm không khí từ các hoạt động giao thông vận tải, thời gian tới thành phố sẽ tiến hành các giải pháp cơ bản như triển khai biện pháp hạn chế lưu thông đối với phương tiện giao thông cá nhân, đẩy mạnh phát triển vận tải hành khách công cộng, điều tiết nhu cầu giao thông Với sự ra đời phương tiện giao thông công cộng nói trên nhằm giảm lượng xe ô tô, xe máy lưu thông trong khu vực thành phố, đồng thời giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường và ùn tắc giao thông giờ cao điểm Mặc khác, số lượng xe buýt đang được khai thác hiện nay được lắp ráp dựa trên nhập khẩu xe cơ sở của nhà sản xuất khác (ISUZU, DAEWOO, HYUNDAI…) nên các tính năng hoạt động của hệ thống truyền động trên xe cũng chưa phù hợp với điều kiện đường khai thác ở Việt Nam

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nói trên và mang tính cấp thiết cho sự nghiệp bảo vệ môi trường cũng như ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đòi hỏi sự can thiệp từ các

hệ thống điều khiển trên xe (kiểm soát tín hiệu phản hồi, sự cân bằng và ổn định) và tối ưu hóa các thông số của các hệ thống truyền động trên xe Nên đề tài nghiên cứu

“ Phân tích Động lực học hệ thống động lực trên xe buýt CITY I51 BGQ1E4 ”

nhằm giải quyết các vấn đề cấp thiết nói trên

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là phân tích động lực học hệ thống truyền động trên xe buýt Cụ thể, các thông số của mô hình nghiên cứu được lấy từ xe buýt CITY I51 BGQ1E4

 Phạm vi nghiên cứu là xây dựng mô hình tính toán động lực học hệ thống truyền động của xe làm cơ sở tính toán tiêu hao nhiên liệu theo chu trình Trong đó, chu trình tính toán được chọn lựa theo các chu trình chuẩn có sẵn

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

 Mục tiêu tổng thể: xây dựng được mô hình tính toán tiêu hao nhiên liệu theo chu trình cho xe buýt CITY I51 BGQ1E4 bằng phương pháp mô phỏng sử dụng công cụ Simscape Driveline trong phần mềm Matlab Qua đó, đề tài làm cơ sở đề xuất các phương án thiết kế, cải tiến hệ thống hiện hữu nhằm nâng cao tính kinh tế trong sử dụng nhiên liệu đồng thời làm giảm ô nhiễm môi trường

 Mục tiêu cụ thể: xác định được sự phân bố tỷ số truyền và số lượng tay số trong hộp số của xe buýt CITY I51 BGQ1E4 làm tăng hiệu quả kinh tế, giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu khi đưa vào khai thác sử dụng

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học: tính toán tiêu hao nhiên liệu của xe buýt CITY I51 BGQ1E4 với hệ thống truyền động của xe được xây dựng để thực hiện tính toán cho bài toán động

 Ý nghĩa thực tiễn: mô hình tính toán được xây dựng và kết quả tính toán làm

cơ sở để xác định các thông số của hộp số sao cho phù hợp giúp giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu: nghiên cứu lý thuyết về mô hình động lực học của hệ thống truyền động trên xe, lý thuyết về chu trình thử nghiệm xe và

cơ sở lý thuyết về tính toán tiêu hao nhiên liệu theo chu trình kết hợp với việc xác định các thông số kỹ thuật của xe buýt CITY I51 BGQ1E4, cũng như điều kiện khai thác vận hành của xe buýt CITY I51 BGQ1E4 hiện nay trong điều kiện thực tế

2 Sử dụng công cụ Simscape Driveline trong phần mềm Matlab để mô phỏng sự thay đổi các thông số của hệ thống truyền động Từ các kết quả thu được ta rút

ra các nhận xét và đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết về mô hình hóa hệ thống truyền động trên xe

2.1.1 Năng lượng của ô tô và sự tiêu hao nhiên liệu – Các khái niệm cơ bản

Mục này gồm 3 phần chính: Đầu tiên là phân tích động học theo phương dọc khi xe

di chuyển trên đường Phần này thảo luận về những ảnh hưởng chính đến tiêu thụ năng lượng xảy ra trong giai đoạn “từ xe cho đến quãng đường” và một số mô hình

cơ bản mô tả động lực học theo phương dọc dẫn đến khả năng vận hành của một chiếc

xe

Sự ảnh hưởng cũa chu trình xe chạy đến sự tiêu thụ nhiên liệu được phân tích ở phần

2 Kết quả chính thu được từ phân tích này là những số liệu xấp xỉ với lượng năng lượng cơ học cần có để một phương tiện hoàn thành một chu trình cho trước Từ đó, dẫn đến một nhận định rằng: Mức độ tiêu thụ nhiên liệu sẽ biến đổi cực kì nhạy khi xét đến ảnh hưởng của các thông số khác nhau trên xe và khả năng tự phục hồi động năng khi xe phanh (phanh tái sinh)

Phần thứ 3 giới thiệu một cách ngắn gọn và những cách tiếp cận quan trọng nhất để

dự đoán tính kinh tế nhiên liệu của các phương tiện, những vấn đề chính cần tối ưu hóa và những công cụ phần mềm có sẵn để giải quyết vấn đề này

2.1.1.1 Những tổn thất về năng lượng và thực hiện quá trình phân tích

a Giới thiệu

Hệ thống truyền động tạo ra năng lượng cơ học được truyền đi rất nhanh trên ô tô Các lực cản trở chuyển động làm tiêu hao năng lượng trong xe Sự tách biệt hai quá trình như trên có vẻ khá mơ hồ khi tiếp cận lần đầu Tuy nhiên, nó khá hữu ích khi phân biệt rõ ràng các ảnh hưởng riêng biệt đang xảy ra

Năng lượng trên xe được lưu trữ:

 Dưới dạng động năng khi xe tăng tốc

 Dưới dạng thế năng khi xe vận hành ở những địa hình cao

Mức tiêu hao năng lượng dạng cơ năng của xe khi thực hiện một chu trình cho trước phụ thuộc vào 3 yếu tố:

 Fa : lực cản không khí (N)

 Fr : lực cản lăn (N)

 Fg : lực cản dốc (N)

 Fd : ảnh hưởng của các lực khác mà chưa được kể đến

 Ft : lực kéo Ft là lực được tạo ra bởi lực kéo chính trừ đi lực tổn hao do moment quán tính của các khối lượng quay của động cơ, hệ thống truyền lực

và tổn thất ma sát trong hệ thống truyền lực

Hình 2.1 Sơ đồ thể hiện các lực tác dụng khi xe di chuyển trên đường dốc

b Tổn thất do lực cản không khí

Khi xe chuyển động trong môi trường không khí xuất hiện lực cản không khí tác dụng lên xe

Lực cản không khí bao gồm hai thành phần sau:

 Lực cản chính diện: lực cản này sinh ra do sự xoáy lốc của dòng khí hay do

sự tăng áp suất không khí ở phía trước và giảm áp suất không khí ở phía sau

 𝑚𝑣 : khối lượng xe (kg)

 g : gia tốc trọng trường (m/s2)

 𝛼 : độ dốc của đường (độ)

Hệ số ma sát lăn cr phụ thuộc vào nhiều yếu tố Thông số ảnh hưởng quan trọng nhất

là vận tốc xe v, áp suất lốp xe p và biên dạng mặt đường Ảnh hưởng của áp suất lốp được thể hiện gần đúng theo tỉ lệ 1/√𝑝 Mặt đường ướt có thể tăng hệ số cr lên 20%

và lái xe trong điều kiện đường xấu (đường cát thay vì đường bê tông) có thể làm tăng gấp đôi giá trị cr

Một ví dụ điển hình về các mối quan hệ này được thể hiện trong hình 2.2 Lưu ý rằng các lốp xe đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt sau một thời gian tương đối dài (khoảng hơn 10 phút) Hình 2.2 bao gồm các ví dụ về nhiệt độ cân bằng điển hình cho 3 giá trị vận tốc Trong nhiều trường hợp, đặc biệt khi tốc độ xe vẫn ở mức trung bình, hệ

số cản lăn cr có thể được coi như một hằng số

d Lực cản dốc

Khi xe chuyển động lên dốc, trọng lượng xe được phân ra hai thành phần:

 Song song với mặt đường: 𝐺 sin⁡(𝛼)

 Vuông gốc với mặt đường: 𝐺 cos⁡(𝛼)

Thành phần song song với mặt đường , hướng ngược chiều chuyển động tạo thành lực cản dốc:

𝐹𝑔(𝛼) = 𝑚𝑣 𝑔 sin⁡(𝛼) (2.3) tại đó, đối với những độ dốc nhỏ α, có thể được xấp xỉ như sau

𝐹𝑔(𝛼) ≈ 𝑚𝑣 𝑔 𝑖 (2.4) Khi đó α được biểu diễn radian

e Các lực quán tính

Quán tính của xe và của tất cả các chi tiết quay bên trong xe gây ra những lực ảo (D’Alembert) Lực quán tính gây ra bởi các khối lượng xe được tính đến trong công thức (2.1) bằng đại lượng ở vế trái Quán tính của các khối lượng quay của hệ thống truyền động có thể được tính đến trong các mô hình phụ tương ứng Tuy nhiên, để thuận tiện cho việc tính toán nhanh chóng, việc thêm quán tính của các khối lượng quay vào khối lượng của xe có thể sẽ thuận tiện hơn Một phân tích như vậy thường

sẽ xem xét đến một động cơ chính và một hộp số với tổng tỷ số truyền γ

Mô men quán tính tổng cộng của tất cả các bánh xe được cho bởi

𝑇𝑚,𝑤(𝑡) = 𝜃𝑤 𝑑

𝑑𝑡𝜔𝑤(𝑡) (2.6)

2.1.1.2 Đặc tính và khả năng vận hành

Đặc tính và khả năng vận hành là những yếu tố rất quan trọng nhưng rất khó xác định

và đo chính xác Đối với xe khách 3 yếu tố chính thường được sử dụng:

 Tốc độ tối đa

 Độ dốc lớn nhất mà xe vượt được khi đầy tải và trong tốc độ cho phép (theo pháp luật)

 Thời gian tăng tốc của xe từ lúc đứng yên đến một tốc độ cho trước (100km/h hoặc 60mph)

2.1.1.3 Các chế độ vận hành của ô tô

Từ phương trình vi phân bậc 1 (2.1), vận tốc 𝑣 của xe có thể được tính như một hàm của lực 𝐹𝑡 Tùy thuộc vào giá trị của 𝐹𝑡 xe có thể hoạt động ở 3 chế độ khác nhau:

 𝐹𝑡 > 0, lực kéo: động cơ cung cấp lực kéo cho xe

 𝐹𝑡 < 0, lực phanh: hệ thống phanh tiêu hao động năng của xe, động cơ có thể truyền động hoặc ngắt truyền động (để xem xét quá trình ngắt nhiên liệu)

 𝐹𝑡 = 0, chế độ ngắt truyền động: động cơ ngắt truyền động và các lực cản sẽ làm cho động năng của xe giảm dần

Phương pháp này yêu cầu một chu trình thử nghiệm phải được thiết lập trước Sau khi chọn loại xe, công suất trung bình tại các bánh xe 𝑃̅ có thể tính bằng các công 𝑣thức được giới thiệu từ các phần trước Thông tin này sau đó được sử dụng để “tính toán ngược” thông qua hệ thống truyền động

Lưu ý rằng chỉ có phần kéo của chu trình thử nghiệm có liên quan đến quá trình tính toán Trong quá trình phanh hoặc ngắt truyền động của chu trình, hệ thống truyền động có thể hoạt động ở chế độ cầm chừng với mức tiêu hao nhiên liệu ở chế độ không tải hoặc tại “fuel cut-off” mà không có lượng nhiên liệu tiêu thụ

Hình 2.3 Các thành phần được xem xét trong phương pháp điểm hoạt động

trung bình của một hệ thống truyền động động cơ IC

Hình 2.3 Cho thấy các thành phần liên quan đến quá trình phân tích của hệ thống truyền động của động cơ cháy do nén Hình này minh họa:

 Các tổn thất gây ra bởi hộp số và bộ vi sai (gộp chung lại thành một cụm vì mục đích đơn giản) được thể hiện bằng hiệu suất 𝜂𝑔

 Tổn thất gây ra bởi các thiết bị phụ trợ (hệ thống máy phát điện, hệ thống trợ lực lái, v.v…) và ly hợp được thể hiện bằng hiệu suất 𝜂𝑎

 Các tổn thất gây ra bởi động cơ cháy do nén được thể hiện bằng hiệu suất 𝜂𝑒

Với 𝑃̅ là năng lượng nhiên liệu được tiêu thụ bởi động cơ, cân bằng công suất tổng 𝑓quát:

𝑃̅ = ⁡ 𝜂𝑣 𝑔 𝜂𝑎 𝜂𝑒 𝑃̅ (2.5) 𝑓Cho phép tính toán lưu lượng khối lượng nhiên liệu trung bình

𝑚̅̅̅̅ = ⁡ 𝑃𝑓 ̅ /𝐻𝑓 𝑙 (2.6) Với 𝐻𝑙 nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Hiệu suất động cơ 𝜂𝑒 có thể được ước tính bằng cách sử dụng sự xấp xỉ, chẳng hạn như sử dụng biểu đồ đo được từ động cơ như hình 2.11 Lưu ý rằng 𝜂𝑒 chủ yếu phụ thuộc vào momen xoắn động cơ, trong khi tốc độ động cơ ít bị ảnh hưởng hơn Trong phương pháp điểm hoạt động trung bình mô men xoắn đặc trưng và tốc độ động cơ đặc trưng phải được xác định Theo các điểm dữ liệu này từ công suất 𝑃̅ được tiêu 𝑣thụ tại các bánh xe, vận tốc trung bình của xe 𝑣̅ và tỉ số truyền trung bình của hộp số 𝛾̅

Phương pháp điểm hoạt động trung bình có thể đưa ra các ước tính về suất tiêu hao nhiên liệu của hệ thống truyền động đơn giản (động cơ cháy nén hoặc hoặc hệ thống truyền động của động cơ điện) Nó không phù hợp với các vấn đề trong hệ thống truyền động phức tạp phải được tối ưu hóa Đặc biệt nó không cung cấp các tùy chọn bao gồm hiệu quả các vấn đề quản lý năng lượng trong các tính toán này

2.2 Sử lý số liệu từ biểu đồ tiêu thụ nhiên liệu

Brake-specific fuel consumption (BSFC) hay còn gọi là suất tiêu hao nhiên liệu ge là thông số dùng để đánh giá hiệu suất của động cơ đốt trong Bất kì động cơ nào cũng

có các giá trị BSFC khác nhau tại những tốc độ và tải khác nhau Tập hợp tất cả những giá trị này sẽ cho ta biểu đồ tiêu thụ nhiên liệu (Fuel consumption map) đặc trưng cho từng loại động cơ cụ thể Để dựng được đồ thị này cần phải có thiết bị phức tạp để đo đạc động cơ trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên tôi chưa có điều kiện để tiếp cận phương pháp này nên tôi đã quyết định chọn một Fuel consumption map của động cơ

có sẵn và tương đồng về giá trị bmep cũng như công suất và số vòng quay cực đại để làm công cụ tính toán tiêu hao nhiên liệu cho các phần sau Phương pháp này được dùng để tính lưu lượng khối lượng nhiên liệu tiêu thụ tại bất kì điều kiện nào được

xác định bởi hai thông số là momen xoắn và tốc độ động cơ từ các thông số có trên Fuel consumption map (BSFC map)

Hình 2.4 Biểu đồ tiêu hao nhiên liệu tham khảo [10]

Từ Hình 2.3, ta có thể lấy được dữ liệu những điểm làm việc của động cơ bằng cách xác định một cặp thông số bmep (pe) (áp suất trung bình hiệu dụng) và tốc độ động

cơ (n) Những tốc độ động cơ được chọn bao gồm từ 700 đến 3500 vòng/ phút Trong động cơ 4 kì, momen xoắn được sản sinh bởi động cơ [10] tại những điểm làm việc được xác định như công thức (2.7), trong đó bmep là áp suất hiệu dụng trung bình của điểm làm việc và Vd là thể tích công tác của động cơ

3

[kPa] xV [ ] [ ]

4

d b

3 9

[ / kW h] xbmep[kPa] xV [ ] [rpm]

[ / ]

2 60 3.6 10

d f

m kg s

Từ đó với một tốc độ nhất định, dữ liệu của bmep và bsfc được thu thập từ Hình 2.4

và T m b, f được tính dựa vào công thức (2.7) và (2.8) Kết quả được trình bày từ Bảng 2.1 đến Bảng 2.5 cho các giá trị tốc độ từ 700 đến 3500 vòng/ phút Sau đó với mỗi tốc độ nhất định ta dựng đường m f là một hàm của bmep, một đường thẳng gần đúng với dữ liệu và các giá trị độ nghiêng của m và của bình phương hệ số tương quan 2

R

của đường thẳng phù hợp được ghi lại đối với mỗi tốc độ quay được biểu diễn trong Bảng 2.6 Hình 2.5 đến hình 2.9 biểu diễn những đường m f là một hàm của bmep, một đường thẳng phù hợp với dữ liệu, các giá trị của độ dốc và các độ chia trên trục

y của đường thẳng và bình phương hệ số tương quan của đường thẳng phù hợp, tương ứng từ n = 700 rpm, n = 1400 rpm, n = 2100 rpm, n = 2800 rpm, n = 3500 rpm Sau

đó một đồ thị được dựng để biểu diễn sự tăng tiến của độ nghiêng của đường thẳng phù hợp của m f như là một hàm của bmep đối với mỗi tốc độ quay của động cơ với tốc độ quay như biểu diễn trên Hình 2.10 Đường tăng tiến này được lấy giá trị gần đúng với một đa thức bậc 2 Các hệ số của đa thức này được trình bày ở Bảng 2.7 Tương tự đường biểu diễn sự tăng tiến của độ chia trên trục y cũng được thể hiện ở Hình 2.11 và các hệ số của đa thức được trình bày ở Bảng 2.7 Giá trị của m f đối với một giá trị cho trước momen xoắn động cơ T b và tốc độ quay của động cơ n có thể được tính bằng cách dưới đây Công thức tính bmep [10] cho động cơ bốn kì là

3

[ ] 4 [kPa]

b d

T N m x bmep

Giá trị của m f [10] đối với giá trị cho trước của momen xoắn T b và tốc độ quay động

cơ n có thể tính được bằng công thức (2.12):

3

[ ] 4 ( , )[kg/ s] m(n) x ( )

Hình 2.5 Đường tăng tiến của m f là một hàm của bmep đối với tốc độ quay

Hình 2.6 Đường tăng tiến của m f là một hàm của bmep đối với tốc độ quay

Hình 2.7 Đường tăng tiến của m f là một hàm của bmep đối với tốc độ quay

n = 2100 vòng/ phút Bảng 2.4 Các giá trị bmep, bsfc, T b và m f tại 2800 vòng/ phút

Hình 2.8 Đường tăng tiến của m f là một hàm của bmep đối với tốc độ quay

n = 2800 vòng/ phút Bảng 2.5 Các giá trị bmep, bsfc, T b và m f tại 3500 vòng/ phút

bmep [kPa]

bsfc [g/kW.h] Tb [N.m] mf [kg/s]

Hình 2.9 Đường tăng tiến của m f là một hàm của bmep đối với tốc độ quay

n = 3500 vòng/ phút Bảng 2.6 Độ nghiêng, độ chia trục y, bình phương hệ số tương quan của đường thẳng phù hợp của m f như là một hàm của bmep đối với mỗi giá trị tốc độ

Hình 2.10 Sự tăng tiến của độ nghiêng của đường thẳng phù hợp của m f như

là một hàm của bmep cho mỗi tốc độ động cơ

Hình 2.11 Sự tăng tiến của độ chia trục y của đường thẳng phù hợp của m f

như là một hàm của bmep cho mỗi tốc độ động cơ

Bảng 2.7 Các hệ số của đa thức phù hợp với sự tăng tiến của độ nghiêng của đường thẳng phù hợp với tốc độ động cơ và các hệ số của đa thức phù hợp với

sự tăng tiến của độ chia trục y của đường thẳng phù hợp với tốc độ động cơ

-4.84124E-14 2.09595E-09 1.96296E-07 3.89424E-10 -8.1554E-07 0.000623668

y = -0,00000000000004841237x 2 + 0,00000000209594712766x + 0,00000019629605476400

R² = 0,99770551490378400000

0 0.000001

0 0.0002