Bài tập lớn tính toán động cơ ô tô hybrid

Bài tập lớn động cơ Hybrid cung cấp các kiến thức nền tảng, cơ bản phân loại các loại động cơ Hybrid, cơ cấu dẫn động. Phân tích tính toán công suất, momen động cơ Hybrid, tính toán lực kéo khi chỉ sử dụng động cơ điện. Qua đó hiểu hơn về động cơ Hybrid đang ngày càng phổ biến trên thị trường Việt Nam

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại mà quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đang diễn ra ở mọi nơi trên toàn cầu như ngày nay, nhu cầu về năng lượng là vô cùng to lớn Trong một tương lai không xa các nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ bị con người khai thác cạn kiệt, bên cạnh đó việc khai thác và sử dụng năng lượng hóa thạch gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sinh thái, ô nhiễm không khí.làm thay đổi khí hậu trái đất, ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người Chính vì thế, việc tiết kiệm nhiên liệu và năng lượng đồng thời giảm ô nhiễm môi trường luôn là yêu cầu hàng đầu đặt ra cho mỗi quốc gia

và mỗi ngành công nghiệp, đặc biêt là ngành công nghiệp ôtô vốn luôn yêu cầu phải thay đổi từng ngày Giải pháp được đưa ra là kết hợp một cách linh hoạt giữa động cơ xăng, động cơ điện và các cơ cấu giúp bảo tồn và chuyển đổi năng lượng một cách hiệu quả Chính vì vậy mà ô tô hybrid ra đời đã giải quyết được phần nào các vấn đề trên Tiết kiện được đáng kể năng lượng hóa thạch và hơn nữa ô tô hybrid rất ít gây ô nhiễm môi trường

Qua môn học Ô Tô hybrid được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS …, chúng

em đã hiểu được nhiều kiến thức từ môn học như nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực động cơ nhiệt và chuyên ngành ô tô, sự phát triển nâng tầm cao mới của dòng ô tô

mà trước đây chưa có đó là kết hợp 2 công suất trên ô tô hybrid hiện đại Sau khi đã

có số liệu tính toán chúng em đã tiến hành hoàn thành bài báo cáo, mặc dù đã hoàn thành nhưng không thể không mắc một số sai sót, mong thầy chỉ dẫn cho chúng em thêm Sau cùng, em xin gửi lời chúc sức khỏe đến thầy và gia đình, chúc thầy luôn thành công trong công việc giảng dạy và công tác tại trường

Đà nẵng, ngày 29 tháng 11 năm 2017

Ký tên

PHẦN 1 : TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID

1.1 Khái niệm về xe chạy hybrid

Về cơ bản, xe điện là cần thiết để phát triển hiệu quả để đáp ứng nhu cầu hiện nay Mang lại nguồn năng lượng hiệu quả để hỗ trợ người lái trong phạm vi nhất định Chứng minh hiệu quả cao và phát thải ít chất ô nhiễm môi trường nói chung một chiếc

xe có thể có nhiều hơn một nguồn năng lượng và chuyển đổi năng lượng ( nguồn điện ) Chẳng hạn như một hệ thống động cơ xăng ( hoặc diesel ), tế bào nhiên liệu hydro- điện Pin hóa học- động cơ điện Một chiếc xe có hai hoặc nhiều nguồn năng lượng và bộ chuyển đổi năng lượng được gọi là xe hybrid Một chiếc xe hybrid với một bộ truyền điện năng ( chuyển đổi năng lượng nguồn năng lượng) được gọi là một HEV

Một chiếc xe hybrid thường bao gồm không nhiều hơn hai bộ truyền Hơn hai thì cấu hình sẽ phức tạp hệ thống Xe hybrid thường có một nguồn năng lượng và bộ chuyển đổi hai chiều Hình 1.1 cho thấy các khái niệm về động cơ hybrid và các dòng công suất khác nhau

Hình 1.1: sơ đồ minh họa

1.2 Cấu trúc của một xe điện hybrid

cấu trúc của một xe hybrid được xác định một cách lỏng lẻo là sự kết nối giữa các thành phần mà xác định các luồng công suất và kiểm soát các luồng ra Theo truyền thống, HEVs đã được phân loại thành các loại cơ bản: hybrid kiểu nối tiếp và hybrid kiểu song song

Hình 1.2: phân loại xe oto hybrid.

1.3 Cấu trúc hybrid kiểu nối tiếp

Cấu trúc hybrid kiểu nối tiếp là cấu trúc mà có hai nguồn năng lượng cấp cho một động cơ duy nhất ( động cơ điện) để đẩy xe Phổ biến nhất là loại hybrid nối tiếp được trình bày như sơ đồ hình 1.3 Nguồn năng lượng gián tiếp là một thùng nhiên liệu và chuyển đổi năng lượng gián tiếp là một động cơ cùng với một máy phát điện Đầu ra của máy phát điện được nối với nguồn điện của xe buýt thông qua bộ chuyển đổi điện

tử ( chỉnh lưu) Nguồn năng lượng hai chiều là một bộ pin điện hóa kết nối với xe buýt bằng một bộ năng lượng chuyển đổi (chuyển đổi DC/DC) Nguồn điện cũng được kết nối với bộ điều khiển của động cơ điện Máy kéo có thể được điều khiển như một động

cơ hoặc máy phát điện, và ở phía trước hoặc ngược lại Loại này có thể cần một bộ sạc pin để sạc pin từ lưới điện

Loại này có các chế độ hoạt động như sau:

- chế độ điện : động cơ bị tắt và xe được chạy chỉ bằng pin

- Chế độ động cơ : năng lượng kéo xe chỉ từ động cơ- máy phát điện Trong khi pin không cung cấp, cũng không cho ra bất kỳ năng lượng nào đến xe Máy điện phục

vụ như nguồn điện truyền từ động cơ đến các bánh xe dẫn hướng

- Chế độ hybrid : nguồn điện kéo được lấy ra từ động cơ- máy phát điện và pin

- Chế độ động cơ kéo và pin nạp: động cơ- máy phát cung cấp năng lượng để nạp pin và kéo xe

- Chế độ phanh tái tạo : các động cơ- máy phát đã được tắt và motor kéo hoạt động như máy phát Năng lượng tạo ra được sử dụng để nạp pin

- Chế độ sạc pin: moto kéo không nhận năng lượng và động cơ- máy phát nạp pin

- Chế độ nạp pin hybrid: cả hai động cơ- máy phát và mô tơ kéo hoạt động như máy phát điện để nạp cho pin

Lợi thế của hybrid kiểu nối tiếp:

- Động cơ là hoàn toàn cơ khí khi tách ra từ các bánh xe hướng Do đó, nó có thể được vận hành tại bất kỳ điểm nào trên bản đồ đặc trưng tốc độ - momen xắn và có khả năng có thể chỉ hoạt động trong tối đa hiệu quả của nó như minh họa hình 2 Hiệu quả và phát thải của động cơ có thể được cải thiện hơn nữa bởi thiết kế tối ưu

và kiểm soát trong khu vực hẹp này Một khu vực hẹp cho phép các cải tiến lớn hơn so với một tối ưu hóa trên phạm vi toàn bộ Hơn nữa, tách cơ khí của động cơ

từ các bánh xe điều khiển cho phép sử dụng một động cơ tốc độ cao Điều này làm cho nó khó khăn cho các bánh xe trực tiếp thông qua một liên kết cơ khí, chẳng hạn như tua bin khí hoặc động cơ, với các động thái chậm như động cơ Stirling

- Bởi vì động cơ điện có đặc trưng momen- tốc độ gần lý tưởng chúng không cần phải có nhiều bánh răng truyền động, do đó thiết kế của nó rất đơn giản và giảm chi phí Hơn nữa thay vì sử dụng một động cơ và bánh răng vi sai Hai động cơ có thể được dùng, mỗi nguồn được dùng cho một bánh xe Điều này cung cấp tốc độ rời giữa 2 bánh xe nhưng cũng hoạt động như bị hạn chế trượt vi sai cho mục đích kiểm soát lực kéo.Sàng lọc cuối cùng sẽ sử dụng bốn động cơ, do đó làm cho chiếc

xe một tất cả các bánh mà không có chi phí và sự phức tạp của khoá và ổ trục chạy qua khung

- Kiểm soát chiến lược đơn giản là kết quả của các cơ khí tách rời được cung cấp cho việc truyền tải điện

Tuy nhiên nó cũng có những hạn chế sau:

- Năng lượng từ các động cơ được chuyển hai lần (cơ khí đến điện trong máy phát điện và động cơ điện cho cơ khí ở các lực kéo) Thiếu hiệu quả của máy phát điện

và động cơ kéo thêm và các thiệt hại có thể là đáng kể

- Máy phát điện làm tăng trọng lượng và chi phí

- Động cơ kéo phải có kích thước đáp ứng tối đa yêu cầu vì nó là động cơ duy nhất thúc đẩy chiếc xe

1.4 xe hybrid cấu trúc kiểu song song

Kiểu song song là kiểu mà động cơ cung cấp công suất cơ khí đến bánh xe như một chiếc xe điện thông thường Nó được hỗ trợ bởi một động cơ điện, Máy móc cùng với việc truyền tải Công suất của động cơ và động cơ điện được kết hợp với nhau bởi các khớp nối cơ khí, như minh hoạ trong hình 3

Hình 1.3 : sơ đồ cấu trúc xe hybrid kiểu song song

sự kết hợp của công suất động cơ và mô tơ điện là ở chỗ cho một số cấu hình khác nhau, chi tiết sau đây

1.4.1 momen xoắn của xe hybrid cấu trúc song song

Các khớp nối cơ khí trong hình 1.5 có thể mô-men xoắn- khớp nối hoặc tốc độ Các khớp nối của mô-men xoắn thêm lực của động cơ và mô tơ điện với nhau hoặc chia tách động cơ mô-men xoắn- khớp nối thành hai phần: kéo và sạc pin Hình 1.4 cho thấy một thiết bị mô-men xoắn- khớp nối, có hai đầu vào Một là từ động cơ và một là

từ động cơ điện Mô-men xoắn khớp nối đầu ra cho bộ truyền động cơ khí Nếu tổn thất được bỏ qua, đầu ra mô-men xoắn- khớp nối và tốc độ có thể được mô tả bởi:

Tout = k1.Tin1+k2.Tin2 (1) Trong đó: k1 và k2 là hằng số được xác định bởi các thông số của mô-men xoắn

Hình 1.5 liệt kê một số thiết bị cơ khí thường được sử dụng bộ mô-men xoắn

Hình 1.4 Torque coupling device

Hình 1.5 thiết bị thường sử dụng momen xoắn khớp nối.

Hình 1.6 cho thấy một thiết kế cấu hình hai trục, mà trong đó hai bộ truyền được sử dụng: một đặt giữa động cơ và khớp nối mô-men xoắn và khác được đặt giữa động

cơ và mô-men xoắn khớp nối Cả hai truyền có thể là một hoặc nhiều cặp bánh răng Hiệu suất và tổng thể hiệu quả vận hành có thể vượt trội so với thiết kế khác, bởi vì hai bánh răng truyền cung cấp nhiều cơ hội hơn cho động cơ và hệ thống điện (máy điện và pin) hoạt động tại của họ vùng tối ưu Thiết kế này cũng cung cấp tính linh hoạt tuyệt vời trong thiết kế của các đặc tính công và động cơ điện

Hình 1.6 cấu hình 2 trục

Các cấu hình một số lái điều khiển hai trục song song lai được thể hiện trong hình 1.7 trong đó bộ truyền nằm giữa các khớp nối mô-men xoắn và trục.chức năng bộ truyền tải để tăng cường lực cơ và mô tơ điện với quy mô tương tự.Thiết kế không đổi k1 và k2 ở các khớp nối của mô-men xoắn cho phép động cơ điện có một phạm

vi tốc độ khác nhau so với động cơ; do đó, một động cơ tốc độ cao có thể được sử dụng Cấu hình này sẽ phù hợp trong trường hợp khi một động cơ tương đối nhỏ và động cơ điện được sử dụng rộng rãi nữa và ở bộ hộp giảm tốc là cần thiết để tăng cường hiệu quả kéo ở tốc độ thấp

Hình 1.7 Cấu hình 2 trục

PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ LIÊN QUAN ĐẾN Ô TÔ HYBRID

Số liệu cho đầu bài:

+ Trọng lượng toàn bộ xe: Ga= 2,4 tấn= 23544[N]

+ Tốc độ lớn nhất của xe: Vmax= 164[km/h]= 45,6[m/s]

+ Tỉ số phân chia công suất điện/ nhiệt: 38/62 [%]

+ Bán kính làm việc của bánh xe: Rbx= 0,35[m]

+ Tốc độ động cơ đốt trong/ động cơ điện: 6500/4000 [vòng/phút]

2.1 Tính công suất tổng hai nguồn động lực

- Hệ số cản lăn f:

max

32

0,0277 2800

V

- Hệ số cản không khí k: k=0,2[Ns2/m4]

- Diện tích cản chính diện: A=2[m2]

- Hiệu suất truyền động: η=0,9

- Công suất tổng Nedc:

max max [ ] [23544.0,0277 0, 2.2.45,6 ].45,6

75027,72 0,9

edc

N

η

[W]

- Công suất cực đại theo vận tốc lớn nhất NeVmax:

max

2 max max

max

N

e N

e N

e

ω

ω ω

ω

















 + +

=

e

v

ω

ω

λ = max

ta có:

2 max

N

e

=

max

max e v v v

Suy ra:

( 2)

max max

.

v

eV e

c b a

N N

λ λ

=

Đối với động cơ xăng ta có: a=1; b=1; c=-1; chọn λv =1

từ đó suy ra:

75027, 72

75027,72

1 1 1.1 1.1

e

+ −

[W]

- Công suất cực đại của động cơ Nemax-dc:

e dc e

[W]

2.2 Chia công suất cho hai nguồn động lực

+ Công suất nguồn điện:

max_

[W]

4000

N

[v/ph]; n B =1100

[v/ph]

+ Công suất nguồn động cơ đốt trong:

max_

[W]

6500

N

[v/ph]; n M =3000

[v/ph]

2.3 Tính tỉ số truyền giảm tốc và truyền lực chính

Hình 2.1 Sơ đồ bộ kết hợp công suất ô tô hybrid.

Tỉ số truyền của giảm tốc igt:

2

1

6500

1,625 4000

gt

n

i

n

Tỉ số truyền của truyền lực chính i0:

max

.

i

R

V =ωN λV bx

Suy ra:

0

max

3, 216 30.45,6.1,625

N V R bx i

V

2.4 Tính số răng cho bộ kết hợp

1 2

1

N

N R

R Z

Z

b

a = =

R2 =R1+2.R h

Mà: 2.R2 =m n.Z b

2.R1=m n.Z a

2.R h =m n.Z h

Từ các phương trình trên suy ra:

Z b =Z a +2.Z h

Chọn Zh=18 (không bị cắt chân răng) ta có:

2

1

.

N

Z

Z

Z

h

a

+

Suy ra:

1 2 1 2

34212, 64

55820, 62 57

34212, 64 1

1

55820, 62

h a

N Z N Z

N N

−

−

Vậy: Z b =57 2.18 93+ =

+ Khi khóa bộ kết hợp thì: ikh=1

+ Khi không khóa bộ kết hợp thì:

2

57

93

a

kh

b

Z

i

Z

1

93

57

b

kh

a

Z

i

Z

2.5 Tính lực kéo cho nguồn động cơ đốt trong

Tính momen Me của động cơ đốt trong theo công thức:

.

v

e e

c b a

N M

λ λ ω

=

[N.m]

Tính lực kéo Fke của động cơ đốt trong theo công thức:

bx

t kh

gt

e

ke

R

i i

i

M

F .0.η

=

[N]

Tính vận tốc Ve của động cơ đốt trong theo công thức:

0

i

i

i

R

V

kh

gt

bx

e

e

ω

=

[m/s]

Từ kết quả tính được ta lập bảng sau:

0.05 34.02 85.95 1.41 1863.19 2.28 1155.18 0.1 68.03 89.43 2.82 1938.79 4.56 1202.05 0.15 102.05 92.51 4.24 2005.49 6.83 1243.40 0.2 136.07 95.18 5.65 2063.30 9.11 1279.25 0.25 170.08 97.43 7.06 2112.21 11.39 1309.57 0.3 204.10 99.28 8.47 2152.23 13.67 1334.39 0.35 238.12 100.72 9.89 2183.36 15.94 1353.68 0.4 272.13 101.74 11.30 2205.60 18.22 1367.47

0.45 306.15 102.36 12.71 2218.94 20.50 1375.74 0.5 340.17 102.56 14.12 2223.38 22.78 1378.50 0.55 374.18 102.36 15.53 2218.94 25.06 1375.74 0.6 408.20 101.74 16.95 2205.60 27.33 1367.47 0.65 442.22 100.72 18.36 2183.36 29.61 1353.68 0.7 476.23 99.28 19.77 2152.23 31.89 1334.39 0.75 510.25 97.43 21.18 2112.21 34.17 1309.57 0.8 544.27 95.18 22.60 2063.30 36.44 1279.25 0.85 578.28 92.51 24.01 2005.49 38.72 1243.40 0.9 612.30 89.43 25.42 1938.79 41 1202.05 0.95 646.32 85.95 26.83 1863.19 43.28 1155.18

1

680.333

3 82.05 28.24 1778.71 45.56 1102.80

Hình 2.2 Đồ thị lực kéo theo tốc độ của động cơ đốt trong.

2.6 Tính lực kéo cho nguồn điện

Tính momen Me của động cơ đốt trong theo công thức:

.

v

E E

c b a

N M

λ λ ω

=

[N.m]

Tính lực kéo Fke của động cơ đốt trong theo công thức:

bx

i kh

E

kE

R

i

i

M

F = 0.η

[N]

Tính vận tốc Ve của động cơ đốt trong theo công thức:

0

.

.

i

i

R

V

kh

bx

E

E

ω

=

[m/s]

Tính công suất động cơ điện:

NE=ME ωE

[W]

Từ kết quả tính được ta lập bảng sau:

lamda ωE

0.05 20.93 326.87 6842.53 2.28 2853.83 0.87 7510.09 0.10 41.87 326.87 13685.06 4.56 2853.83 1.73 7510.09 0.15 62.80 326.87 20527.58 6.83 2853.83 2.60 7510.09 0.20 83.73 326.87 27370.11 9.11 2853.83 3.46 7510.09

0.25 104.67 326.87 34212.64 11.39 2853.83 4.33 7510.09 0.30 125.60 272.39 34212.64 13.67 2378.20 5.19 6258.41

0.35 146.53 233.48 34212.64 15.94 2038.45 6.06 5364.35 0.40 167.47 204.30 34212.64 18.22 1783.65 6.92 4693.81 0.45 188.40 181.60 34212.64 20.50 1585.46 7.79 4172.27 0.50 209.33 163.44 34212.64 22.78 1426.92 8.66 3755.05

0.55 230.27 148.58 34212.64 25.06 1297.20 9.52 3413.68 0.60 251.20 136.20 34212.64 27.33 1189.10 10.39 3129.20 0.65 272.13 125.72 34212.64 29.61 1097.63 11.25 2888.50 0.70 293.07 116.74 34212.64 31.89 1019.23 12.12 2682.18 0.75 314.00 108.96 34212.64 34.17 951.28 12.98 2503.36 0.80 334.93 102.15 34212.64 36.44 891.82 13.85 2346.90 0.85 355.87 96.14 34212.64 38.72 839.36 14.71 2208.85 0.90 376.80 90.80 34212.64 41.00 792.73 15.58 2086.14 0.95 397.73 86.02 34212.64 43.28 751.01 16.45 1976.34 1.00 418.67 81.72 34212.64 45.56 713.46 17.31 1877.52

Hình 2.3 Đồ thị đặc tính lực kéo của động cơ điện theo vận tốc.

2.7 Tính đặc tính lực kéo tổng hợp và lực cản

Ta có lực kéo tổng của hai nguồn công suất:

bx

k

R

i

M

F = 3 0 η0

[N]

3

i

R

V =ω bx

[m/s]

Suy ra: M3 = f(M1,M2)

ω3 = f(ω1,ω2)

Mà hiệu suất của bộ kết hợp:

1

2 1

+

=

P P

P kh

η

Khi ω1=ω2 =ω3⇒M1+M2 =M3

Suy ra:

bx

kh k

R

i M

M

F = ( 1+ 2).0.η0.η

0

1

i

R

V =ω bx

Ta có:

E

M

R

F

M1 = 1 1 =

gt

e i M R

F

M2 = 2. 2 =

Suy ra:

bx

kh kh gt e E

k

R

i i i M

M

F ( + ).0 .η0.η

=

bx

t kh gt e bx

t kh

E

k

R

i i i M R

i

i

M

F = .0. .η +1 0 .η2

) ( )

(E k e

k

Suy ra:

) ( )

(

)

F kΣ = k E + k e

[N] (7-1)

Ta có công thức tính lực cản tổng của hai nguồn công suất:

2

.

.f k A v

G

F c = +

2

) 2800

32

G

[N] (7-2) Dựa vào công thức (7-1) và (7-2) ta tính được bảng số liệu sau:

0.05 2.28 4009.02 290.30

0.10 4.56 4055.88 315.68

0.15 6.83 4097.24 345.21

0.20 9.11 4133.08 378.89

0.25 11.39 4163.41 416.72

0.30 13.67 3712.58 458.70

0.35 15.94 3392.14 504.83

0.40 18.22 3151.12 555.12

0.45 20.5 2961.20 609.55

0.50 22.78 2805.41 668.13

0.55 25.06 2672.94 730.87

0.60 27.33 2556.57 797.75

0.65 29.61 2451.31 868.79

0.70 31.89 2353.61 943.97

0.75 34.17 2260.85 1023.31

0.80 36.44 2171.07 1106.80

0.85 38.72 2082.77 1194.44

0.90 41 1994.78 1286.23

0.95 43.28 1906.19 1382.16

1.00 45.56 1816.26 1482.25

Hình 2.4 Đặc tính lực kéo tổng và lực cản theo vận tốc.