Đề tài Tính toán động học - Động lực học và mô phỏng chế độ làm việc của bộ phân phối công xuất trên xe lai (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Tính toán động học - Động lực học và mô phỏng chế độ làm việc của bộ phân phối công xuất trên xe lai (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC - ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ PHỎNG CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ PHÂN PHỐI CƠNG XUẤT TRÊN XE LAI MÃ SỐ: T2010 - 27 ChỦ TRÌ: Th.S NGUYỄN VĂN TRẠNG S K C 0 0 2 9 6 0 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 8/2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH ___ oo0oo ___ KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Thuyết minh đề tài NCKH cấp trường TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC-ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ PHỎNG CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRÊN XE LAI MÃ SỐ: T 2010 – 27 CHỦ TRÌ: Th.S NGUYỄN VĂN TRẠNG Tháng 08 - 2010 Tháng 12/2005
3. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay nước ta cĩ hiệp hội sản xuất xe hơi gọi tắt là VAMA gồm rất nhiều cơng ty trong đĩ cĩ các cơng ty lớn như Toyota, Ford, Honda, GM, Mercedes benz, Isuzu Các cơng ty này đang làm ăn rất phát đạt, đơn cử như Toyota luơn dẫn đầu thị trường về số lượng xe bán ra. Bên cạnh đĩ, cũng đã xuất hiện các doanh nghiệp của người Việt Nam cũng đang ngày càng khẳng định tên tuổi của mình trong thị trường ơ tơ như Trường Hải, Samco Đây chính là dấu hiệu cho thấy sự khởi sắc của thị trường ơ tơ Việt Nam. Cùng với chính sách ủng hộ của Nhà Nước, nhiều chuyên gia dự đốn thị trường ơ tơ của Việt Nam sẽ cịn tiếp tục tăng trưởng cao trong nhiều năm tới, nền cơng nghiệp ơ tơ của Việt Nam sẽ cĩ điều kiện tiến xa hơn nữa. Tuy nhiên kéo theo sự phát triển đĩ là những lo ngại về cơ sở hạ tầng khơng đáp ứng kịp, khơng khí ơ nhiễm (do nước ta chưa áp dụng các tiêu chuẩn khí thải cao mà chỉ mới áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 2). Đại đa số xe tại thị trường nước ta khơng lắp bộ xử lí khí thải vì nĩ làm tăng giá thành của xe, bên cạnh đĩ ta cịn nhập xe cũ từ nước ngồi nên chất lượng của xe cĩ thể khơng đạt tiêu chuẩn khí thải. Hiện nay, xu hướng sử dụng xe tiết kiệm nhiên liệu và khơng gây ơ nhiễm mơi trường đang rất thịnh hành tại nhiều nước phát triển. Chính từ nhu cầu rất lớn đĩ, mà các hãng trên thế giới đều cĩ chương trình nghiên cứu riêng, như hãng Toyota đã rất thành cơng với dự án G21, từ dự án này hãng đã trình làng chiếc xe lai rất nổi tiếng là Toyota Prius. Hiện nay, nhu cầu sử dụng xe lai rất cao và hứa hẹn trong vài năm tới sẽ thay thế dần dịng xe truyền thống. Tại Việt Nam xe lai vẫn cịn là một khái niệm khá mới, hệ thống truyền động xe lai là một bộ phận quan trọng quyết định tới hiệu suất của xe. Chính vì vậy, đề tài “TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC-ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ PHỎNG CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ PHÂN PHỐI CƠNG SUẤT TRÊN XE LAI” bắt nguồn từ nhu cầu thực tế đĩ để giúp cho mọi người cĩ khái niệm và cái nhìn tồn diện về dịng xe lai từ đĩ cĩ sự tính tốn thích hợp theo yêu cầu của mình. Đề tài này sẽ đi sâu vào phân tích động học, động lực học và mơ phỏng các chế độ làm việc khác nhau của bộ phân phối cơng suất trong hệ thống tryuyền động của xe lai. Đề tài này sẽ là một nguồn tài liệu tham khảo cĩ giá trị cho những đối tượng đang học tập, làm việc và nghiên cứu trong lĩnh lực ơ tơ nĩi chung và cho sinh viên ngành Cơ khí Động lực tại trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh nĩi riêng. TP. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2010 Chủ nhiệm đề tài ThS. Nguyễn Văn Trạng Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 1
4. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai MỤC LỤC Trang LỜI NĨI ĐẦU 1 PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 3 I. Đối tượng nghiên cứu 3 II. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước 3 III. Những vấn đề cịn tồn tại 5 PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 8 I. Mục đích của đề tài 8 II. Phương pháp nghiên cứu 8 III. Nội dung 9 III.1. Giới thiệu các bộ phận chính của xe lai 9 III.2. Các hệ thống truyền động của xe lai 15 III.3. Tính tốn động học và mơ phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối cơng suất (Power Split Device) 27 IV. Kết quả nghiên cứu 50 PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 51 I. Kết luận 51 II. Đề nghị 51 III. Hướng phát triển của đề tài 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 2
5. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ I. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Các chuyên gia kinh tế cho rằng thị trường ơ tơ tiềm năng trong thế kỉ 21 sẽ chuyển dịch từ các nước Đơng Âu và Châu Mỹ La Tinh sang các nước Đơng Nam Á, Trung Á, và cuối cùng là Châu Phi. Theo dự báo số lượng ơ tơ ở Châu Á Thái Bình Dương sẽ tăng từ 0,7 chiếc/1.000 dân năm 1985 lên 10 chiếc/1.000 dân vào năm 2020 và lên 20 chiếc /1.000 dân vào năm 2060. Sự gia tăng mật độ ơ tơ dẫn đến hai vấn đề lớn cần giải quyết đĩ là sự quá tải của cơ sở hạ tầng và ơ nhiễm mơi trường. Xe lai cĩ rất nhiều ưu điểm so với xe hơi truyền thống. Thứ nhất, là khả năng tích lũy năng lượng tạm thời của ắc-quy để cĩ thể sử dụng khi nhu cầu về điện năng lớn. Động cơ đốt trong cũng cĩ thể được sử dụng hiệu quả hơn ở các chế độ tải cao vì thế gĩp phần làm cho việc sử dụng nhiên liệu tốt hơn. Một đặc điểm quan trong khác là động cơ đốt trong cĩ thể kết hợp với các nguồn năng lượng khác, do đĩ cĩ thể sử dụng động cơ đốt trong cĩ kích thước và cơng suất nhỏ hơn nhưng vẫn đảm bảo cơng suất của xe, từ đĩ giảm bớt được sự tiêu thụ nhiên liệu và thải ra ít khí thải hơn. Động cơ đốt trong luơn được hoạt động tại chế độ tải và số vịng quay tối ưu do đĩ động cơ đốt trong đạt hiệu suất rất cao, đồng thời tiêu thụ nhiên liệu cũng ít hơn. Thêm vào đĩ với cơng nghệ phục hồi lực phanh, giúp cho xe lai nâng cao được hiệu suất hoạt động. Khi phanh động cơ điện sẽ cĩ chức năng như là máy phát giúp cho xe giảm tốc độ động thời biến đổi lượng nhiệt năng bị mất mát khi xảy ra ma sát giữa má phanh và trống phanh thành điện năng và tích lũy cho ắc-quy điện áp cao. Động cơ đốt trong trên xe lai khơng phải lúc nào cũng làm việc, khi khơng cần thiết nĩ cĩ thể ngừng hoạt động do đĩ tiết kiệm được nhiên liệu. Từ những lý do như trên nên việc nghiên cứu, tiềm hiểu về hệ thống truyền động và tiến xa hơn là chế tạo xe lai phù hợp với điều kiện Việt Nam là việc làm cần thiết và đĩ cũng chính là đối tượng nghiên cứu chủ yếu của đề tài. II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC Ngay nay, cơng nghệ chế tạo ơ tơ phát triển rất nhanh, ngày càng hồn thiện và đi theo các hướng sau: ● Hồn thiện hệ thống điều khiển, nâng cao tốc độ xử lí và trang bị thêm tiện nghi trong xe. ● Nâng cao hiệu suất của xe và giảm chất thải gây ơ nhiễm mơi trường. ● Sử dụng các nguồn năng lượng mới trên ơ tơ thay thế cho nguồn năng lượng hĩa thạch. Hiện nay cĩ rất nhiều hãng ơ tơ lớn trên thế giới đi sâu vào nghiên cứu và phát triển dịng xe hơi sạch khơng gây ơ nhiễm mơi trường, hiệu suất cao. Trong đĩ cĩ “xe lai” mà đi tiên phong là hãng Toyota, Honda Sự ra đời của ơ tơ lai được xem là bước tiến vuợt bậc đã mở ra kỷ nguyên mới cho ngành cơng nghiệp ơ tơ thế kỉ 21. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 3
6. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai Xu hướng phát triển ơ tơ trên thế giới HSD: Hybrid Synergy Drive – Dẫn động trợ lực lai. FCHV: Fuel Cell Hybrid Vehicle – Xe lai dùng pin nhiên liệu. HV: Hybrid Vehicle – Xe lai. THS: Toyota Hybrid System – Hệ thống lai của Toyota. DPNR: Diesel Particulate NOX Reduction – Giảm NOx và muội than trên động cơ Diesel. D-4: Direct Injection 4 stroke – Động cơ 4 kỳ phun trực tiếp. Lean Burn: Động cơ đốt nghèo. DPR: Diesel Particulate active Reduction System – Hệ thống giảm thiểu muội than trên động cơ Diesel. EV: Electric Vehicle – Xe điện. CNG: Compressed Natural Gas – Khí thiên nhiên hĩa lỏng. VVT-i: Variable Valve Timing with intelligence – Hệ thống đĩng mở xú-páp thơng minh. Theo hình trên ta thấy ơ tơ hiện nay cĩ thể được phân ra làm bốn dạng: động cơ xăng, động cơ Diesel, động cơ điện và động cơ sử dụng năng lượng thay thế. Trong đĩ, động cơ xăng và động cơ dầu đã cĩ nguồn gốc lâu đời, và ngày nay đang được cải tiến rất nhiều về mặt cơng nghệ chế tạo lẫn tính năng nên hiệu suất hoạt động được nâng lên khá cao. Nhưng do quá phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hĩa thạch, nên sự phát triển bị hạn chế và nhường chỗ cho các phương tiện sạch. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 4
7. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai Động cơ điện và động cơ ga tuy cịn nhiều hạn chế trong cơng nghệ nhưng triển vọng để phát triển là rất lớn. Hiện nay xe lai được xem là loại tốt nhất khi nĩ cĩ sự kết hợp những ưu điểm nổi bật của động cơ đốt trong và động cơ điện. Với khả năng tiết kiệm nhiên liệu và ít gây ơ nhiễm mơi trường nĩ luơn nằm trong chiến lược hỗ trợ của các chính phủ (như Mỹ, Thụy Điển, Đức). Với sự hỗ trợ từ chính phủ và chính sách phát triển dịng xe lai của các hãng xe trên thế giới, theo các chuyên gia dự đốn thế kỉ 21 sẽ là kỷ nguyên của dịng xe lai. Tuy nhiên với sự khủng hoảng kinh tế, giá nhiên liệu biến động khơng ngừng thì những xe cĩ cơng suất lớn, tiêu tốn nhiều nhiên liệu sẽ khơng phù hợp với điều kiện của nước ta. Do đĩ, dịng xe lai với khả năng tiết kiệm nhiên liệu, ít ơ nhiễm mơi trường sẽ là sự lựa chọn thích hợp với người dân vì giá thành của nĩ cũng chỉ ngang với xe Innova nhưng hiệu quả lại cao hơn. Tuy việc nghiên cứu và ứng dụng xe lai của Việt Nam chưa cĩ những kết quả khả thi nhưng trong thời gian gần đây tại Tp. Hồ Chí Minh đã xuất hiện một vài chiếc xe lai với nhãn hiệu Lesux như RX400h, giá của nĩ khi nhập vào Việt Nam cũng khơng đắt hơn bao nhiêu so với Camry 3.5Q. Điều này hứa hẹn xe lai rất cĩ cơ sở để tiếp tục là sự lựa chọn của người dân Việt Nam. III. NHỮNG VẤN ĐỀ CỊN TỒN TẠI Sự phát triển ngành giao thơng vận tải và cơng nghiệp chế tạo ơ tơ ở các nước đều theo hướng giảm nhẹ sự tác động đến hai vấn đề kinh tế -xã hội và đời sống. 1. Giảm tải cho cơ sở hạ tầng Giải quyết vấn đề này liên quan đến cơng tác quy hoạch đơ thị và nâng cấp hệ thống giao thơng, mở rộng đường, thiết kế các nút giao thơng, xây dựng các bãi đậu xe, và mặt khác cần lựa chọn kích cỡ ơ tơ phù hợp. Ở đây ta chỉ bàn đến kích cỡ của ơ tơ. Trong vài năm gần đây kích cỡ và kiểu dáng ơ tơ thay đổi rất đáng kể, người ta chọn ơ tơ nhỏ vì nĩ gọn nhẹ, chiếm ít diện tích trong gara và chịu thuế thấp hơn. Chính vì thế các loại xe nhỏ gọn như Peugeot 205, Ford KA bán rất chạy. Trên thị trường Châu Á các nhà sản xuất ơ tơ cũng rất quan tâm trong việc chế tạo các dịng xe nhỏ như chiếc Matiz của GM là một ví dụ điển hình. Trong điều kiện cơ sở hạ tầng của nước ta chưa phát triển kịp với tốc độ dân số và phương tiện lưu thơng thì ơ tơ nhỏ là một lựa chọn hợp lý nhất. 2. Giảm ơ nhiễm mơi trường - xu hướng ơ tơ sạch Dân số của thế giới ngày càng tăng và nhu cầu muốn sở hữu một chiếc ơ tơ riêng ngày càng nhiều. Chính điều đĩ đã dẫn đến một vấn đề đáng lo ngại là sự ơ nhiễm mơi trường, hiệu ứng nhà kính và sự leo thang của giá nhiên liệu. Cụ thể: Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 5
8. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai  Khơng khí bị ơ nhiễm và sự ấm dần lên của trái đất Sự ấm lên của trái đất được xem là mối nguy hiểm lớn nhất đang đe dọa đến thế giới của chúng ta. Nguyên nhân chính gây ra sự thay đổi khí hậu chính là từ các chất khí độc thuộc nhĩm “khí nhà kính”, trong đĩ khí cơ bản gây nên sự nĩng lên của trái đất là Carbon Dioxide (CO2). Việc sử dụng các nguồn nhiên liệu cĩ nguồn gốc hĩa thạch như than, dầu mỏ hay gaz đã thải ra mơi trường một lượng lớn khí CO2 và điều đĩ gây ra hiệu ứn nhà kính. Kéo theo sự ấm lên của trái đất, thời tiết khí hậu cũng diễn biến ngày càng phức tạp, thường xuyên xuất hiện các cơn bão nhiệt đới, hạn hán, lũ lụt ngày càng trầm trọng hơn. Sự thay đổi của khí hậu cũng ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người, số người mắc bệnh ung thư ngày càng nhiều. Ngày nay các căn bệnh lạ xuất hiện nhiều hơn, đe dọa sức khoẻ và tính mạng của con người. Một trong những nguyên nhân chính gây ra điều này bắt nguồn từ lượng khí thải của động cơ đốt trong trên xe. Chỉ riêng tại Châu Âu lượng khí CO2 mà xe hơi thải ra chiếm 15% trong tổng số khí gây hiệu ứng nhà kính (theo Eurostat 2004), tại Mỹ lượng khí CO2 xe hơi thải ra chiếm 1/3 lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (theo Cheon 2003).  Sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu khơng thể tái sinh Nền kinh kinh tế ngày nay, trong đĩ ngành cơng nghiệp cịn phụ thuộc quá nhiều vào nguồn nhiên liệu khơng tái sinh. Hiện nay, chúng ta phụ thuộc hồn tồn vào nguồn nhiên liệu hĩa thạch và chủ yếu trong ngành cơng nghiệp điện, ngành giao thơng vận tải và cơng nghiệp sản xuất. Vấn đề chính là nguồn nhiên liệu này cĩ giới hạn và cách duy nhất để duy trì sự cung cấp này là con người phải tìm ra nhiều mỏ dầu khác. Chính từ nhu cầu bức thiết đĩ địi hỏi chính phủ các nước khơng cĩ sự lựa chọn nào khác là phải hạn chế sự phụ thuộc quá nhiều vào nguồn nhiên liệu hĩa thạch, chủ yếu là dầu mỏ. Yêu cầu tiên quyết được đặt ra là phải tìm ra nguồn năng lượng mới thay thế từng bước nguồn nhiên liệu hố thạch.  Tạo ra các phương tiện vận tải thân thiện với mơi trường Chính từ nguyên nhân gây ấm lên của trái đất, giá nhiên liệu leo thang và các quy định nghiêm ngặt về khí thải của các nước đối với xe hơi, các cơng ty sản xuất ơ tơ lâm vào tình trạng khủng hoảng trong việc kinh doanh. Để vượt qua thời kì khĩ khăn này buộc các cơng ty phải nghiên cứu chế tạo ra các dịng xe hơi mới thỏa mãn hai tiêu chí: ● Giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hố thạch. ● Giảm thiểu khí gây hiệu ứng nhà kính và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Từ đĩ đã cĩ rất nhiều ý tưởng và khái niệm mới hình thành nhằm đáp ứng các yêu cầu trên. Ta biết xe hơi dùng nhiên liệu hĩa thạch trong quá trình dẫn động là một trong những nguồn đĩng gĩp lớn nhất trong việc gây ơ nhiễm mơi trường, đồng thời cũng là nguồn tiêu thụ nhiều nhiên khá nhiều. Chính vì thế ơ tơ sạch khơng gây ơ nhiễm mơi trường (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ơ tơ hiện nay. Cĩ nhiều giải pháp đã được cơng bố trong những năm gần đây đĩ là sử dụng các loại nhiên liệu khơng truyền thống cho ơ tơ như khí hố lỏng LPG, khí thiên nhiên, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ơ tơ lai (hybrid). Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 6
9. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai Trong giai đoạn này, cĩ thể nĩi cách giải quyết tối ưu nhất là sử dụng xe lai điện (Hybrid Electric Vehicle - HEV) đây là dịng ơ tơ dùng nhiều nguồn năng lượng theo cơng thức: Động cơ đốt trong + động cơ điện = dịng xe lai HV (Hybrid Vehicle) Nhưng tại sao lại khơng dùng xe điện thuần túy (Electric Vehicle - EV). Đây cĩ lẽ là loại ơ tơ sạch nhất vì khơng cĩ khí thải nhưng tiếc thay xu hướng phát triển này lại khơng cĩ triển vọng nhiều bởi những trở ngại chính như sự hạn chế của hành trình, ắc- quy ngày nay dung lượng chưa đủ lớn để thỏa mãn một hành trình dài mà khơng cần nạp lại và thời gian tái nạp khá lâu. Sự ra đời của xe lai chính là nhằm khắc phục sự hạn chế về hành trình của xe điện đồng thời nĩ cũng đã chứng minh được khả năng tuyệt vời trong việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 7
10. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Giảm ơ nhiễm mơi trường do khí thải động cơ ơ tơ phát ra, giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hố thạch, nâng cao cơng suất và hiệu suất của xe. Đây là mơt loạt những vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học mà hầu như khơng bao giờ cĩ được đáp số cuối cùng. Tiếp tục nghiên cứu, cải tiến, hồn thiện là những việc làm trước mắt và trong tương lai của ngành cơng nghiệp ơ tơ. Trong điều kiện Việt Nam, để theo kịp với xu hướng của thế giới. Nhà nước phải cĩ những chính sách hợp lý, các nhà chuyên mơn phải cĩ những nghiên cứu hiệu quả cùng chung tay phát triển ngành giao thơng nước nhà theo hướng kinh tế và thân thiện với mơi trường. Đề tài này “TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC-ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ PHỎNG CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ PHÂN PHỐI CƠNG SUẤT TRÊN XE LAI” khơng nằm ngồi mục đích trên và nĩ mang tính cơ sở cho các bước nghiên cứu tiếp theo. II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tham khảo tài liệu và thực hiện mơ phỏng: Tham khảo các tài liệu, các kết quả nghiêu cứu và các phát phát minh, sáng chế trong lĩnh vực xe lai từ Internet. Tính tốn động học và động lực học của bộ phân phối cơng suất nhằm đưa ra quan hệ tỉ số truyền, mơmen, cơng suất và hiệu suất truyền động ở các chế độ khác nhau. Biên tập nội dung, viết kịch bản. Thực hiện mơ phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối cơng suất bằng phần mềm Macromedia Flash. Thiết kế các Slide trình chiếu trên Microsoft Powerpoint cĩ liên kết các hình động đã mơ phỏng. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 8
11. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai III. NỘI DUNG III.1. Giới thiệu các bộ phận chính của xe lai Một chiếc xe lai cĩ rất nhiều bộ phận, nhưng quan trong nhất là các bộ phận sau: - Động cơ đốt trong. - Động cơ điện. - Máy phát. - Bộ phân chia cơng suất (PSD – power split devide) - Bộ điều khiển cơng suất (PCU – power control unit). - Ắc-quy điện áp cao. - Bên cạnh đĩ cũng cĩ một vài bộ phận khơng kém phần quan trọng như hệ thống làm mát. Cảm biến vị trí số Bộ xử lý trung tâm (ECU HV) Ắc-quy điện Bộ xử lý cao áp động cơ (ECM) Hộp điều khiển phanh Bộ chuyển đổi Cảm biến vị trí bàn đạp ga cơng suất Hệ thống truyền động 1. Động cơ đốt trong Trên xe lai của hãng Toyota sử dụng động cơ đốt trong cĩ thể kết hợp với động cơ điện khi làm việc để đạt đến hiệu suất cao nhất, đồng thời cĩ khả năng chạy tiết kiệm khi đang sử dụng động cơ điện dẫn động. Đối với xe của hãng Toyota cũng như nhiều hãng sản xuất xe lai khác, đã ứng dụng những cơng nghệ mới nhằm nâng cao hiệu suất, cụ thể:  Giảm kích cỡ của động cơ. Đối với xe lai nhà chế tạo dùng động cơ cĩ kích thước nhỏ hơn so với với các động cơ truyền thống. Động cơ đốt trong ở đây khơng được thiết kế để tạo ra cơng suất lớn nhất theo yêu cầu khi xe tăng tốc hay khi leo dốc đứng. Khi cần một chạy với tốc độ cao trong quãng đường dài hay chỉ cần vượt xe khác hoặc khi cần leo dốc cao, thì hệ thống điều khiển của xe sẽ yêu cầu sự giúp đỡ từ động cơ điện nhằm cung cấp thêm cơng suất hỗ trợ cho động cơ. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 9
12. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai  Chu kì cĩ tỉ số giản nở cao (chu kì Atkinson/Miller) Áp suất trong xylanh P 2 (MN/m ) Đối với các xe truyền thống thì động cơ đốt trong sử dụng chu trình Otto. Đối với xe lai, hãng Toyota qua nhiều lần thực nghiệm đã quyết định sử dụng động cơ cĩ dung tích 1.5 lít đối với xe Prius vì nĩ đem lại nhiều ưu điểm nhất, bên cạnh đĩ nĩ sử dụng chu trình Atkinson thay vì sử dụng chu trình Otto, đây là một trong những chu trình cĩ hiệu suất nhiệt và tỉ số giãn nở cao nhất. Bởi tỉ số giãn nở [(thể tích kì giãn nở + thể tích buồng cháy)/(thể tích buồng cháy)] đã được tăng lên bằng cách giảm thể tích buồng cháy của động cơ đốt trong, và buồng đốt được cách li chỉ sau khi lực sinh cơng của kì nổ vừa kết thúc, điều đĩ làm nâng cao cơng suất do kì nổ tạo ra. Ở các động cơ truyền thống, thể tích kì giãn nở và thể tích kì nén gần như là một giá trị đồng nhất, tỉ số nén [(thể tích kì nén + thể tích buồng cháy)/(thể tích buồng cháy)] và tỉ số giản nở về cơ bản là tương đồng với nhau, đây là điểm khơng thuận lợi của các động cơ dùng chu trình Otto. Do đĩ khi chúng ta cố gắng thay đổi tỉ số giản nở của động cơ thì đồng thời nĩ cũng làm gia tăng tỉ số nén của động cơ. Vì vậy kết quả tất yếu xảy ra là gây kích nổ và đĩ chính là điểm giới hạn cho việc gia tăng tỉ số giãn nở. Ở chu trình Atkinson thì việc đĩng xú-páp nạp được thực hiện trễ lại, và trong hành trình đầu tiên của kì nén (khi piston bắt đầu đi lên), xu-páp nạp vẫn mở, khi đĩ một phần lượng khí nạp đã vào xy-lanh quay ngược trở lại cổ gĩp nạp, cĩ tác dụng làm trì hỗn thời gian bắt đầu kì nén của động cơ. Theo biện pháp này, ta thay đổi tỉ số giãn nở nhưng khơng làm thay đổi tỉ số nén của động cơ.  Hiệu quả cao. Động cơ được trang bị hệ thống VVT-I (Variable Valve Timing-intelligent) để điều chỉnh thời gian đĩng mở xu-páp theo điều kiện hoạt động của xe, để xe luơn đạt hiệu suất cao nhất. Ngồi ra, động cơ dùng buồng đốt cĩ kết cấu đặc biệt giúp cho sự lan truyền tia lữa điện nhanh chĩng trong tồn bộ buồng đốt trong. Với hiệu suất nhiệt cao kết hợp với sự giảm cả về kích cỡ và trong lượng của thân động cơ qua việc sử dụng xy- lanh chế tạo bằng hợp kim nhơm, và cổ ống hút gọn, v.v.giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu của động cơ. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 10
13. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai  Nâng cao cơng suất đầu ra. Tốc độ của động cơ tăng từ 4500v/ph lên 5000v/ph, do đĩ cải thiện được cơng suất đầu ra. Một số bộ phận như xéc-măng cĩ độ căng thấp hơn, lị xo xu-páp thì làm nhỏ lại, kết quả làm giảm sự mất mát cơng suất do ma sát. Xa hơn, việc tăng số vịng quay lên thêm 500 v/ph đã làm cho số vịng quay của máy phát nhanh hơn, gia tăng lực dẫn động trong suốt quá trình khi xe tăng tốc và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu. 2. Động cơ điện Động cơ điện đã và đang được phát triển dựa trên những cơng nghệ mà hãng Toyota đã phát triển trong quá trình nghiên cứu dịng xe điện. Hệ thống THS-II (Toyota hybrid system II) sử dụng động cơ điện đồng bộ xoay chiều cĩ khả năng tạo ra momen cao tại tốc độ thấp và cĩ cơng suất đầu ra cao. Nĩ được thiết kế khơng cĩ chổi than, sử dụng dịng điện xoay chiều, và nam châm vĩnh cửu; rotor được làm từ các lá thép kỹ thuật điện làm cho nĩ cĩ hiệu suất cao. Ngồi ra, với cách xắp xếp các nam châm vĩnh cửu theo cách tối ưu nhất dưới dạng hình chữ V, vì thế momen dẫn động được cải thiện rõ rệt và cơng suất đầu ra được tăng lên đáng kể. Điều đĩ cộng với việc kết hợp được cơng Sơ đồ mặt cắt ngang động cơ điện suất đầu ra lớn hơn bằng cách gia tăng cơng suất do điện áp cao cung cấp (điện áp cung cấp cĩ thể lên tới 500V). Do đĩ, cơng suất đầu ra tăng lên gấp 1.5 lần so với hệ thống trước đĩ là THS, cơng suất đạt đến 50kW từ 33kW của hệ thống trước đĩ, ngay cả với mơ-tơ cĩ cùng kích cỡ, nĩ cũng tạo ra cơng suất lớn nhất trên một đơn vị khối lượng hay trên một đơn vị thể tích. Để điều khiển được động cơ điện, người ta đã phát triển một hệ thống điều khiển quá trình điều biến hoạt động khi mơ-tơ đang ở dãy tốc độ trung bình, thêm vào đĩ nĩ cũng tồn tại các phương pháp điều khiển khi mơ-tơ hoạt động tại tốc độ thấp và tốc độ cao. Với cách thức thay đổi bề rộng của xung, làm cho cơng suất đầu ra của mơ-tơ khi hoạt động tại dãy tốc độ trung bình được tăng lên, lớn nhất cĩ thể tăng xấp xĩ đến 30%. Mơ-tơ điện của xe Toyota Prius Trên xe lai hiện nay động cơ điện được lắp đặt theo các cách sau: Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 11
14. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai - Mỗi bánh xe gắn một mơ-tơ điện: Trong cách bố trí này nhà chế tạo sẽ gắn động cơ cĩ cơng suất khoảng 50 mã lực vào mỗi bánh xe, cách thiết kế này giúp cho việc kiểm sốt momen đến mỗi bánh xe được dễ dàng. Ngồi ra, điều này giúp làm giảm bớt các bộ phận cơ khí phức tạp (hộp số, vi sai ). Các bộ phận, mơ-tơ và ổ trục bánh xe sẽ được chuyển đổi một cách nhanh chĩng và dễ dàng mà khơng tốn nhiều dây dẫn và vật liệu. Tuy nhiên, với cách xắp xếp này lại cần nhiều hơn các hệ thống phân phối cơng suất điện và một số thiết bị khác. Do đĩ, giá thành của xe sẽ rất cao. - Mỗi trục gắn một mơ-tơ: Trong cách bố trí này người ta sẽ gắn trên mỗi trục một động cơ cĩ cơng suất 100 mã lực. Nĩ sẽ cĩ sự linh động thấp hơn so với loại trên và cũng cần cĩ vi sai ở mỗi trục, nhưng giá thành của xe sẽ giảm. - Trên xe chỉ cần một mơ-tơ điện: Đây là cách bố trí phổ biến nhất hiện nay, và nĩ thường đặt ở cầu trước để dẫn động các bánh xe. Trong thực tế cĩ bao gồm cả ắc-quy HV nên nĩ chiếm nhiều diện tích hơn so với các xe thơng thường chỉ dẫn động với duy nhất động cơ điện. 3. Máy phát Cũng giống như động cơ điện, máy phát của xe cũng dùng loại đồng bộ xoay chiều. Để cĩ thể cung cấp cho đầu ra của động cơ điện một cơng suất đầy đủ thì máy phát phải quay ở tốc độ rất cao, qua đĩ để cĩ thể gia tăng cơng suất đầu ra. Cách thức được dùng là tăng số vịng quay lên cao nhất cĩ thể từ 6.500v/ph lên tới 10.000v/ph. Với tốc độ quay rất cao như vậy, bên trong cĩ chứa 8 cực nam châm vĩnh cữu, nĩ cĩ khả năng tạo ra một lượng cơng sưất rất lớn cho quá trình nạp ắc-quy và cung cấp thêm cơng suất theo yêu cầu từ động cơ điện. Ngồi ra, máy phát cịn cĩ chức năng như một bộ phận khởi động động cơ. Khi khởi động, máy phát làm quay bánh răng mặt trời trong bộ phân chia cơng suất do đĩ tạo ra momen làm quay động cơ. Với tốc độ rất cao của máy phát nĩ làm gia tăng khả năng cung cấp cơng suất cho xe tại dãi tốc độ cao, qua đĩ gia tăng hiệu suất tăng tốc của xe khi xe chạy tại tốc độ thấp và trung bình. Kết quả, khả năng kết hợp tối ưu giữa cơng suất đầu ra của mơ-tơ điện và của động cơ đốt trong được cải thiện rõ ràng. Momen Momen Tốc độ (vịng/phút) Tốc độ (vịng/phút) Đồ thị quan hệ momen, cơng suất và tốc độ của máy phát Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 12