Tài liệu Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô và xe máy

MỤC LỤC: MỞ ĐẦU...........................................................................................................................2 Chương 1: TỔNG QUAN.................................................................................................5 1.1. Xu hướng phát triển xe gắn máy lai (hybrid) trên thế giới:....................................5 1.2. Một số kiểu truyền động lai (hybrid) điển hình trên ô tô:.................................13 1.3. Kết luận:...............................................................................................................22 Chương 2: PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CÁ NHÂN PHÙ HỢP VỚI VIỆT NAM .........................................................................................................................................24 2.1. Xe gắn máy lai (hybrid) điện nhiệt sử dụng nhiên liệu LPG - một giải pháp tối ưu cho phương tiện giao thông cá nhân ở Việt Nam:.................................................24 2.2. Nghiên cứu chọn kiểu truyền động lai phù hợp cho xe gắn máy:......................26 2.3. Kết luận:...............................................................................................................38 Chương 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO XE GẮN MÁY LAI (HYBRID) SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KHÍ HOÁ LỎNG LPG.....................................................................................................................39 3.1. Chọn sơ bộ khối lượng của các thành phần:......................................................39 3.2. Xác định các thông số của động cơ điện:............................................................39 3.3. Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy:......................................................42 3.4. Tổng hợp các thông số của động cơ điện và bộ ắc quy:.....................................43 3.5. Xác định động cơ nhiệt:.......................................................................................44 3.6. Sơ đồ nguyên lý tổng quát của các cơ cấu truyền động cơ khí:.........................45 3.7. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ:....................................................................49 3.8. Xác định các thông số động học của xe:..............................................................54 3.9. Chọn công suất động cơ nhiệt và máy phát điện:...............................................56 3.10. Cải tạo động cơ xăng thành động cơ khí đốt hoá lỏng LPG:...........................57 3.11. Cải tạo máy phát điện phù hợp với bộ nguồn ắc quy:......................................67 3.12. Thiết kế bộ truyền động đai hình thang:..........................................................70 3.13. Thiết kế bộ ly hợp ly tâm và ly hợp điện từ:.....................................................75 3.14. Thiết kế bố trí tổng thể hệ thống truyền động của xe:.....................................78 3.15. Chế tạo bộ điều khiển điện tử trung tâm (ECC):.............................................81 3.16. Đo mô men và công suất của bánh xe chủ động:..............................................86 Chương 5: CẤU TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO XE Ô TÔ (HYBRID) HAI CHỔ NGỒI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KHÍ HOÁ LỎNG LPG...........................................................................................................90 5.1. Ô tô cá nhân ở Việt Nam:....................................................................................90 5.2. Cấu tạo thống động lực ô tô lai hai chỗ ngồi điện-nhiệt tại Việt Nam:..............91 5.3. Kết luận:...............................................................................................................95 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................96 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân MỞ ĐẦU Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau nhưng đều có xu thế chung là cơ giới hoá quãng đường dịch chuyển. Sự gia tăng mật độ phương tiện giao thông dẫn đến hai vấn đề lớn cần giải quyết đó là sự quá tải của cơ sở hạ tầng và ô nhiễm môi trường. Sự phát triển ngành giao thông vận tải của hầu hết các nước đều được thực hiện theo định hướng làm giảm nhẹ sự tác động của hai vấn đề này đến kinh tế - xã hội. - 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 đường, thiết kế tốt các nút giao thông, xây dựng các bãi đậu xe... và mặt khác, cần phải lựa chọn loại phương tiện giao thông phù hợp. Mặt thứ nhất của vấn đề là trách nhiệm của các cấp chính quyền quốc gia. Còn đối với trách nhiệm của một người nghiên cứu khoa học thì nhiệm vụ cần quan tâm là phải xem xét đến mặt thứ hai của vấn đề, nghiên cứu đề xuất loại phương tiên giao thông hợp lý với cơ sở hạ tầng đô thị. Trong điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho giao thông ở nước ta chưa được phát triển, nhà ở thành phố chật hẹp, chỗ đậu xe chưa được xây dựng, việc sử dụng các loại phương tiện giao thông cá nhân cỡ lớn như ô tô du lịch từ 4 đến 12 chỗ sẽ gây nhiều phiền hà cho công tác tổ chức giao thông cũng như cho người sử dụng. Vì vậy nhiệm vụ đặt ra cho các cơ quan quản lý giao thông là khuyến khích người dân sử dụng những loại phương tiện vận chuyển cá nhân thích hợp như ô tô kích cỡ nhỏ 2 chỗ ngồi hoặc xe gắn máy, trong đó xe gắn máy là phương tiện giao thông được người dân ưa chuộn nhất hiện nay ở nước ta. Mặt dù đây chưa phải là phương tiện chiếm mật độ giao thông bé nhất (sau xe buýt) nhưng rất phù hợp với điều kiện sử dụng ở Việt Nam do 1 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân tính cơ động cao, dễ cất giữ, tiêu thụ nhiên liệu ít và giá cả phù hợp với túi tiền của đại đa số người dân lao động. - Phát triển nguồn động lực sạch: Hiện nay, phương tiện giao thông là một trong những tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Do đó, yêu cầu cấp bách đặt ra cho các nhà nghiên cứu là phải tìm ra nguồn động lực sạch không gây ô nhiễm (zero emission) để trang bị cho phương tiện giao thông. Ngoài ra, do nguy cơ nguồn dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong một tương lai gần nên cũng đòi hỏi con người cần phải tìm ra những nguồn năng lượng mới thay thế cho dầu mỏ hoặc ít ra cũng cần phải cải tiến động cơ nâng cao hiệu suất để tiết kiệm năng lượng. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây như: - Tập trung hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel. - Cải tiến quá trình cung cấp nhiên liệu và đánh lửa trên động cơ xăng. - Sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như: LPG (Liquid Petroleum Gas), khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời. - Nguồn động lực lai (hybrid) điện - nhiệt. Tất cả các giải pháp trên đều có những ưu và nhược điểm riêng. Trong đó, hai giải pháp được đánh giá tốt nhất hiện nay là loại động cơ sử dụng pin nhiên liệu FCHV (Fuel Cell Hybrid Vehicle) và động cơ lai điện nhiệt HSD (Hybrid Synergy Drive) do hãng TOYOTA đề xuất. Đối với động cơ FCHV, nó có ưu điểm là hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường nhưng nhiên liệu cung cấp cho nó là khí hydrogen có giá thành rất cao, còn động cơ HSD thì tuy đã giảm đáng kể khả năng gây ô nhiễm môi trường, hiệu suất cao nhưng do sử dụng xăng nên nó còn phụ thuộc rất nhiều vào nguồn cung cấp dầu mỏ. Động cơ Diesel cải tiến tuy hạn chế tối đa phát thải khí gây ô nhiễm môi trường và hiệu suất cao nhưng nó cũng không phải là động cơ đầy hứa hẹn 2 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân trong tương lai vì loại động cơ này vẫn phải sử dụng nhiên liệu từ nguồn dầu mỏ. Động cơ sử dụng nhiên liệu khí hoá lỏng LPG đang phát huy nhiều ưu điểm như trữ lượng LPG trên trái đất là còn dồi dào, hiệu suất tương đối cao và ít gây ô nhiễm môi trường nhưng nó vẫn còn có nhược điểm là vấn đề nạp lại nhiên liệu gặp nhiều khó khăn. Một xu hướng rất nổi bậc hiện nay là sử dụng nguyên lý lai (hybrid) cho nguồn động lực sử dụng trên phương tiện giao thông vận tải. Động cơ lai sẽ kết hợp được ưu điểm của hai động cơ thành phần và hạn chế những nhược điểm của chúng nên tạo ra được hiệu suất tổng hợp rất cao và đồng thời giảm thiểu phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy mà công nghệ lai đã được các nhà sản xuất ô tô trên thế giới tập trung nghiên rất nhiều trong những năm gần đây. 3 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Xu hướng phát triển xe gắn máy lai (hybrid) trên thế giới: 1.1.1. Piaggio hybrid scooter: Đối với các hãng sản xuất xe máy, công nghệ lai (Hybrid) quả thực là một vấn đề khó khi áp dụng trên những mẫu xe máy thương mại mang tính chất phổ thông. Ngoài việc có chi phí sản xuất cao, việc đưa ra giải pháp sử dụng động cơ điện và động cơ đốt trong có thể phối hợp nhịp nhàng và mang lại hiệu quả cao khi vận hành luôn là một bài toán khó, đòi hỏi tư duy sáng tạo và công nghệ vượt thời gian của những nhà sản xuất. Chính vì vậy trong thời điểm hiện tại, những mẫu xe máy Hybrid mỗi khi xuất hiện chưa thể là một giải pháp hoàn hảo cho các phương tiện di chuyển cá nhân, thế nhưng nó lại mang ý nghĩa lớn về trình độ và đẳng cấp của từng hãng xe. Nhà sản xuất xe máy Italia - Piaggio sẽ trở thành công ty đầu tiên trang bị hệ truyền động hybrid cho xe scooter (xe hai bánh thiết kế dành cho quý bà). Mới đây, hãng thông báo kế hoạch phát triển những phiên bản hybrid dành cho Vespa LX, Piaggio X8 và chiếc scooter 3 bánh Vespa MP3. Động cơ xăng Động cơ điện Bộ điều khiển điện tử Hình 1-1: Động cơ lai HyS Vespa LX. 4 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Hệ truyền động lai mang tên HyS (Hybrid Scooter) có thể vận hành ở chế độ chỉ động cơ điện hoặc ở chế độ kết hợp (hybrid) giữa động cơ xăng với động cơ điện. Piaggio HyS là hệ thống lai song song trong đó một động cơ đốt trong và một động cơ điện tích hợp vào vỏ động cơ chung và đồng thời cũng được điều khiển chung bằng một hệ thống điện tử. Cả hai động cơ này đồng thời cung cấp năng lượng cho bánh sau bằng bộ truyền động đai vô cấp. Hệ thống điều khiển điện tử kết hợp hai động cơ nhằm đem lại khả năng tăng tốc nhanh hơn và giúp giảm đáng kể việc tiêu thụ nhiên liệu (1,67 lít / 100km), ngoài ra khí thải C02 chỉ còn 40g/km khi sử dụng 65% chế độ hybrid và 35% chế độ điện. HyS cũng sử dụng hệ thống phanh tái sinh giúp thu hồi năng lượng thường xuyên bị mất đi trong quá trình phanh. Ngoài ra, dòng scooter này còn có thể nạp lại ắc quy từ nguồn điện sinh hoạt 220V. Hộp số tự động, hệ thống đánh lửa điện tử và khởi động tự động giúp người sử dụng dễ dàng vận hành xe trong đô thị cũng như ở vùng ngoại thành. Động cơ xăng Truyền động đai vô cấp Động cơ điện Hình 1-2: Động cơ lai HyS Vespa MP3. 5 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Piaggio HyS sử dụng giải pháp công nghệ vô cùng tân tiến và phức tạp nhưng vẫn dễ sử dụng. Một công tắc dùng để chọn một trong các chế độ vận hành: hybrid hoặc điện. Trong chế độ kết hợp, HyS điều khiển công suất đầu ra từ hai động cơ xăng và điện, thông qua hệ thống điều khiển điện tử (SGE) nhằm tăng công suất và chọn tỷ số truyền phù hợp với trạng thái vận hành của xe. Suốt quá trình giảm tốc độ và phanh, hệ thống điều khiển thu hồi công suất bị mất và nạp vào ắc quy. Công nghệ truyền động điện tử không chỉ cho phép hệ thống điều khiển kiểm soát năng lượng đầu ra được kết hợp của hai động cơ mà còn điều khiển động cơ nhiệt vận hành ở chế độ có hiệu suất cao nhất, vì vậy giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải gây ô nhiễm môi trường. Tất cả những thông tin về công nghệ này vẫn còn nằm trong vòng bí mật. Dự kiến, ba phiên bản đầu tiên của Piaggio HyS sẽ là Vespa LX, Piaggio X8 và MP3 ba bánh. Theo thông tin ban đầu, HyS sử dụng một động cơ xăng xy lanh đơn, 4 kỳ làm mát bằng chất lỏng, có dung tích 125cm 3, công suất cực đại 11kW ở số vòng quay 8.500 vòng/phút, kết hợp với một động cơ điện có công suất cực đại 2,6kW, sử dụng bộ nguồn ắc quy Lithium-ion gồm 3 bình 12V-26AH. Trên phiên bản X8 và MP3, ắc quy được dấu vào ngăn đựng hành lý dưới yên xe, tuy nhiên, khoảng không này vẫn đủ lớn để đặt mũ bảo hiểm. Mẫu Vespa LX hybrid, khoảng không gian phía dưới yên xe chỉ dùng để chứa ắc quy, cốp đựng hành lý và mũ bảo hiểm sẽ được bố trí ở phía trên sau đuôi xe. Trên bản điều khiển ở tay lái xe có lắp đặt một đồng hồ báo tình trạng lưu trữ điện của ắc quy. Thời gian một lần nạp lại đầy bộ nguồn ắc quy bằng lưới điện 220V là khoảng 3 giờ. Tổng trọng lượng toàn bộ động cơ và ắc quy của hệ thống HyS là khoảng 30kg. 1.1.2. Yamaha HV-X Hybrid Scooter: Được giới thiệu tại triển lãm Tokyo Motor Show 2009, Yamaha HV-X được xem như mẫu xe máy hybrid có tính thực tế cũng như khả năng vận 6 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân hành hoàn hảo trong mọi điều kiện sử dụng. Yamaha HV-X Hybrid được trang bị một động cơ điện 300V, công suất tối đa 15kW với bộ ắc quy loại Lithium-ion và động cơ đốt trong xy lanh đơn, 4 kỳ, 250cm 3 với bộ truyền động đai vô cấp dẫn động đến bánh xe sau chủ động. Động cơ xăng 250cm3 Động cơ điện 15kW Ắc quy Lithium-ion 300V Bộ điều khiển điện tử Bộ chuyển đổi điện Thùng chứa xăng Hình 1-3: Sơ đồ cấu tạo xe Yamaha HV-X Hybrid Scooter. Hình 1-4: Yamaha HV-X Hybrid Scooter. Yamaha HV-X Hybrid có cách bố trí các bộ phận trong hệ thống động lực khá phức tạp. Tại vị trí đặt bình chứa nhiên liệu truyền thống là một hệ thống bộ nguồn ắc quy cỡ lớn và hệ thống điều khiển điện tử trung tâm (IC điều khiển). Trong khi đó, bình chứa nhiên liệu dành cho động cơ đốt trong được chuyển xuống phía đuôi xe. Phía dưới bộ vỏ nhựa là những chi tiết động cơ phức tạp được sắp xếp dày đặc trên khung xe. Hệ thống động cơ xăng và 7 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân động cơ điện của HV-X được điều khiển chung bằng bộ IC trung tâm. Trong điều kiện xe vận hành ở tốc độ đều hoặc tăng giảm tốc nhẹ (chậm), hệ thống điều khiển điện tử sẽ kích hoạt động cơ điện và ngắt hệ thống động cơ xăng giúp chiếc xe vận hành ở chế độ êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu. Trong khi đó, khi xe cần vận hành ở công suất tối đa như leo dốc hoặc vận hành trên đường cao tốc, hệ thống điều khiển trung tâm sẽ kích hoạt cả hai hệ thống động cơ xăng và động cơ điện cùng hoạt động. Như vậy, có thể nhận thấy rõ mục đích sử dụng của từng kiểu động cơ trong hệ thống truyền động lai này là: động cơ điện sẽ được dùng chủ yếu, thường xuyên trong quá trình xe chạy và khi đi đường trường hoặc vượt dốc thì động cơ xăng mới hoạt động. Ngoài ra, khi nguồn điện của ắc quy đã hết, xe có thể chạy bằng động cơ xăng như một chiếc xe máy bình thường khác. Hiện tại Yamaha mới chỉ dừng lại ở việc giới thiệu sơ bộ về mẫu xe tay ga đặc biệt này. Tuy nhiên với những hình ảnh được Yamaha công chiếu trong dịp triển lãm Tokyo Motor Show 2009, chiếc xe được giới chuyên môn và những người đam mê xe máy đánh giá cao. Mặc dù vậy, Yamaha vẫn tuyên bố giữ kín thông tin kỹ thuật cũng như nói về tương lai của mẫu xe này. 1.1.3. Honda Hybrid Scooter: Ngày 24 tháng 8 năm 2004, Honda đã giới thiệu mẫu xe lai đầu tiên kiểu dáng “scooter” với khả năng giảm khí thải gây ô nhiểm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu. Xe lai này kết hợp hoạt động của một động cơ đốt trong phun xăng điện tử 50cm3 và một động cơ điện kiểu xoay chiều đồng bộ gắn trực tiếp vào bánh sau của xe. Hệ thống sử dụng một bình ắc quy niken - hyđrua kim loại (Ni-MH) để lưu trữ năng lượng. Khi chạy trên đường bằng phẳng trong thành phố, một mình động cơ điện sẽ dẫn động xe chạy với tốc độ đạt 30 km/h. Khi cần lực phát động lớn như tăng tốc hoặc lên dốc thì động cơ đốt trong sẽ kết với động cơ điện thông qua bộ truyền động đai vô cấp để tăng 8 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân thêm công suất kéo. Để tận dụng năng lượng, khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc thì động cơ điện sẽ trở thành máy phát điện nạp điện vào ắc quy. Mẫu xe này có hiệu suất rất cao và giảm được 37% nồng độ CO trong khí thải so với xe gắn máy cùng công suất. Hình 1-5: Honda hybrid Scooter. 1.1.4. eCycle Hybrid: Xe eCycle nhìn bên ngoài trông giống như một chiếc xe mô tô thể thao với động cơ 250cm3 chạy xăng, ngoại trừ tốc độ và công suất cực đại mà nó đạt được. Khối hybrid của eCycle đạt được công suất 42V x 400A = 16.800W đối với động cơ điện và 12.000W đối với động cơ xăng bốn kỳ hai xy lanh có dung tích 250cm3. Khối lưu trữ điện của chiếc xe này bao gồm ba ắc quy 14V. Khả năng tăng tốc từ 0-100 km/h trong thời gian 6 giây và tốc độ tối đa 120km/h. Tiêu thụ nhiên liệu đạt 50km/lít với lượng phát sinh khí thải gây ô nhiễm là rất thấp. Các chuyên gia hàng đầu về đô ̣ng cơ hybrid cũng khẳng định rằng, eCycle hybrid là chiếc xe máy rất hiện đại với loại vật liệu sử dụng có trọng lượng rất nhẹ, hạn chế khí thải gây ô nhiễm môi trường và khả năng hãm tái sinh năng lượng đạt hiệu quả cao. Kết cấu nhẹ của eCycle đều dựa trên một bộ phận trung tâm, nơi đặt động cơ đốt trong, động cơ điện, máy phát, ắc quy và các 9 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân bộ phận của hệ truyền động là khung xe được chế tạo bằng hợp kim nhôm đặc biệt. Hệ thống lái và bộ giảm xóc lò xo để trần mang đến hình ảnh thể thao cho chiếc xe này. Hệ thống treo phía trước là dạng càng đơn nằm ngang với một tay đòn lắp một cách chắc chắn với khung trung tâm. Các bánh xe mâm đúc bằng nhôm đường kính 40cm, hộp số hai cấp tốc độ điều khiển tự động và được dẫn động bằng xích để truyền mô men xoắn ra bánh xe sau. Tự trọng của xe máy eCycle hybrid đạt khoảng 100kg. Hình 1-6: Xe máy eCycle hybrid. 1.1.5. FA - 801 (Hybrid 80cm3 - 500W): Công ty sản xuất xe gắn máy FUSEN của Thái Lan đã cho ra đời mẫu xe mô tô lai (hybrid) được kết hợp từ một động cơ điện 500W và một động cơ đốt trong 80cm3. Khi xe chạy từ 0 - 34km/h, động cơ điện sẽ hoạt động. Khi xe đạt tốc độ 35km/h, hộp điều khiển điện tử sẽ khởi động động cơ đốt trong và ngắt động cơ điện, lúc này động cơ đốt trong sẽ thay thế động cơ điện để cung cấp sức kéo cho xe chạy. Khi tốc độ xe thấp hơn 35km/h, hệ thống điều khiển sẽ giúp xe tự động chuyển sang hoạt động bằng động cơ điện. Trên tay lái của xe có nút chọn chế độ chạy xe ở 2 trạng thái: chế độ chạy điện và chế độ chạy lai (hybrid). Loại xe này có các ưu điểm: 10 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Tiết kiệm nhiên liệu và giảm sự ô nhiễm môi trường khi chạy ở chế độ lai. - Hoạt động êm và không ô nhiễm môi trường khi chạy ở chế độ xe điện. - Giá thành thấp. Các đặc tính kỹ thuật của xe: - Công suất động cơ điện: 500W có thể kéo xe chạy đạt 50km/h, quãng đường xe chạy hết bình ắc quy là 90km. - Nguồn ắc quy: 12V-17AH x 4bình, nạp lại với 1,8A trong thời gian 6 giờ. - Tốc độ cực đại của xe đạt: 90km/h. FA - 801 (Hybrid 80cm3 - 500W) Bảng đồng hồ Nút lựa chọn chế độ hoạt động Hình 1-7: Cấu tạo của xe Fusen FA-801 hybrid. 11 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân 1.2. Một số kiểu truyền động lai (hybrid) điển hình trên ô tô: Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới như Toyota, Honda, Isuzu, Mercedes, BMW, Fiat, . . . đã tung ra thị trường những thế hệ ô tô mới có hiệu suất cao và giảm đáng kể lượng chất thải gây ô nhiểm môi trường được gọi là “ô tô lai” (Hybrid - Car). Có thể nói, công nghệ lai là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của ngành sản xuất ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái (the ultimate eco-car). Xu hướng phát triển của ngành ô tô trên thế giới được mô tả như ở hình 1-8. Ô tô sinh thái The ultimate eco-car Công nghệ lai – Hybrid Technology Năng lượng Động cơ diesel thay thế Động cơ Xăng Động cơ Điện DPR:- Diesel 1. HSD: Hybrid Synergy7.Drive Lai vậnParticulate hành hiệp active trợ. Reduction System - Động cơ diesel có hệ thống giảm muội tha 8. EV: Electric Xe điện. 2. FCHV: Fuel Cell Hybrid Vehicle - XeVehicle lai pin -nhiên liệu. 3. HV: Hybrid Vehicle -9. XeCNG: lai. Compressed Natural Gas - Khí đốt thiên nhiên nén lỏng. VVT-i: Variable Valve Timing with intelligence - Thay đổi thời gian đóng mở xupap thông m 4. THS: Hệ thống lai của10. Toyota. 5. DPNR: Động cơ diesel giảm NOX và muội than. 6. D-4: Direct Injection 4 stroke - Phun trực tiếp 4 nhịp. Hình 1-8: Xu hướng phát triển nguồn động lực của ô tô trên thế giới. 12 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Từ hình 1-8 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 chính được dùng làm nguồn động lực cho ô tô là động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ điện và động cơ sử dụng năng lượng thay thế như động cơ sử dụng khí đốt hoá lỏng LPG (Liquid Petroleum Gas) hoặc LNG (Liquid Nature Gas). Động cơ xăng và diesel được xem là hai loại động cơ truyền thống với ưu điểm nổi trội hơn các loại động cơ khác là việc cung cấp nhiên liệu đơn giản và nhanh chóng. Tuy nhiên hiệu suất của nó thì không cao và đồng thời gây ô nhiểm môi trường lớn nhất. Hai loại động cơ này đã được cải tiến qua nhiều thế hệ và đã trở nên rất hiện đại, nhưng đứng trước nguy cơ cạn kiệt của nguồn dầu mỏ, có thể nói động cơ chạy bằng xăng dầu truyền thống không có triển vọng phát triển trong tương lai. Động cơ điện và động cơ khí ga (LPG hoặc LNG) tuy hiện nay còn có một số hạn chế nhất định nhưng đây là hai loại động cơ có nhiều ưu 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 được tạo ra từ động cơ xăng và động cơ điện được gọi là động cơ lai (Hybrid Engine) được lắp đặt thành công trên xe du lịch đời mới của các hãng như Toyota, Honda, Isuzu, Mercedes, BMW, Fiat, . . . Động cơ lai đã phát huy ưu điểm và đồng thời hạn chế nhược điểm của mỗi loại động cơ thành phần. Đây là loại động cơ được xem là tốt nhất hiện nay. Trên hình 1-8, 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 ưu điểm của mỗi loại động cơ. Rõ ràng, động cơ lai xăng - điện vận hành hiệp trợ HSD (Hybrid Synergy Drive) được xếp loại là loại động cơ có ưu điểm đứng đầu hiện nay. Động cơ HSD được hãng sản xuất ô tô nổi tiếng thế giới Toyota thiết kế và chế tạo sử dụng trên xe ô tô du lịch Prius nên còn được gọi là động cơ THS II (Toyota Hybrid System II). 13 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân 1.2.1. Hệ thống lai của Toyota (Toyota Hybrid System II): Hệ thống gồm có hai loại nguồn công suất, một động cơ xăng hiệu suất cao sử dụng chu trình nhiệt Atkinson, là một chu trình tỷ số nén cao kết với một động cơ điện đồng bộ xoay chiều (AC) nam châm vĩnh cửu, một máy phát, nguồn ắc quy Niken - Hydrua kim loại (Ni - MH) hiệu suất cao và một điều khiển công suất. Bộ điều khiển công suất này có thiết kế một mạch điện tăng áp cao để nâng điện áp của hệ thống cung cấp công suất cho động cơ điện và máy phát đến một điện áp cao đạt 500V, ngoài ra một bộ biến đổi AC-DC để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) sử dụng trên động cơ điện và máy phát thành dòng điện một chiều (DC) lưu trữ trên nguồn ắc quy và ngược lại. Một bộ phận quan trọng khác nữa là bộ phân chia công suất sử dụng cơ cấu vi sai, nhằm phân phối mô men quay từ động cơ xăng đến động cơ điện và máy phát một cách tối ưu theo mọi chế độ vận hành của ô tô. Bộ điều khiển công suất tự động điều khiển một cách chính xác những hoạt động của động cơ xăng, máy phát và động cơ điện sao cho chế độ làm việc đạt được hiệu suất cao nhất. Nguyên lý hoạt động của động cơ THS II được chia thành sáu chế độ đặc trưng và được mô tả như sau: Ắc quy Ắc quy Động cơ xăng Máy phát Động cơ xăng Máy phát Bộ điều khiển công suất Bộ điều khiển công suất Bộ vi sai Bộ vi sai Động cơ điện Động cơ điện Hình 1-9: Đường truyền công suất ở tốc độ thấp và chạy bình thường 14 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Khởi hành từ tốc độ thấp tới trung bình: Động cơ xăng không hoạt động vì ở vùng tốc độ này hiệu suất nhiệt thấp, lúc này xe chỉ chạy bằng động cơ điện như mô tả ở hình 1-9 với dòng truyền công suất "A". - Vận hành ở điều kiện bình thường: Công suất của động cơ xăng được bộ vi sai phân phối công suất chia thành hai phần, một phần làm quay máy phát tạo ra dòng điện cung cấp cho động cơ điện (dòng "B"), phần còn lại của công suất được truyền động trực tiếp đến bánh xe chủ động (dòng "C"). Tỷ lệ độ lớn của mỗi dòng công suất "B" và "C" phụ thuộc vào tỉ số truyền trên mỗi nhánh của bộ vi sai. Sự phân phối công suất theo nguyên lý này giúp động cơ xăng luôn chạy ở tốc độ quay cao nhưng sức kéo đáp ứng được yêu cầu của lực cản khi xe chạy. Nhờ tránh được vùng làm việc ở tốc độ quay thấp nên động cơ xăng có hiệu suất cao và giảm nồng độ khí thải gây ô nhiễm môi trường. Một phần công suất dư thừa của động cơ xăng được máy phát thu nhận và nạp điện cho ắc quy lưu trữ để sử dụng khi cần. - Gia tốc đột ngột: Khi đạp ga đột ngột, hệ thống điều khiển sử dụng hết công suất phát ra của động cơ xăng theo dòng "B" và "C", đồng thời nhận thêm dòng điện từ ắc quy để tăng công suất cho động cơ điện theo dòng "A". Ắc quy Ắc quy Động cơ xăng Máy phát Động cơ xăng Máy phát Bộ điều khiển công suất Bộ vi sai Bộ vi sai Động cơ điện Bộ điều khiển công suất Động cơ điện Hình 1-10: Đường truyền công suất khi tăng tốc và khi giảm tốc 15 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân - Giảm tốc độ hoặc phanh lại: Động cơ xăng ngừng hoạt động, động cơ điện đóng vai trò là một máy phát nhận công suất từ các bánh xe (động năng quán tính) và tạo ra dòng điện cao áp nạp lại cho ắc quy theo dòng "D". Động cơ xăng Ắc quy Máy phát Động cơ xăng Máy phát Động cơ điện Bộ điều khiển công suất Bộ vi sai Động cơ điện Bộ vi sai Hình 1-11: Đường truyền công suất khi nạp điện và động cơ THS II - Tự nạp lại nguồn ắc quy: Khi dung lượng điện chứa trong ắc quy còn thấp hơn mức cho phép, động cơ xăng sẽ được kích hoạt chạy và kéo máy phát điện để tự nạp lại ắc quy theo dòng "E". - Dừng xe: Động cơ xăng và động cơ điện tự động dừng. Hệ thống lai THS II (HSD) có bốn đặc trưng sau: - Giảm mất mát năng lượng: Hệ thống tự động tắt động cơ xăng khi xe dừng để giảm bớt sự lãng phí năng lượng khi động cơ chạy không tải. - Khôi phục và sử dụng lại năng lượng: Năng luợng mà bình thường bị biến thành nhiệt trong suốt thời gian giảm tốc độ và phanh đã được khôi phục thành năng lượng điện nạp lại cho nguồn ắc quy. - Động cơ điện hỗ trợ tăng tốc: Động cơ điện cùng kết hợp với động cơ xăng nhằm tăng công suất trong suốt quá trình gia tốc. - Điều khiển hoạt động hiệu suất cao: Động cơ điện hoạt động chủ yếu ở tốc độ thấp và động cơ xăng hoạt động chính ở tốc độ cao nhờ đó mà khắc phụ được nhược điểm của động cơ xăng khi chạy ở tốc độ thấp. 16 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân Thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống lai THS II (HSD) như sau: - Động cơ xăng 4 kỳ; 4 xi lanh; tổng dung tích xi lanh 1,5 lít; công suất cực đại 57kW ở số vòng quay 5000 vòng/phút. - Động cơ điện xoay chiều đồng bộ công suất 50kW, hiệu điện thế 500V. - Ắc quy: Nickel-metal hydride (Ni-MH), hiệu điện thế 500V-100AH. 1.2.2. Hệ thống lai của Honda Hybrid: Hệ thống lai mới nhất hiện nay của Honda được thiết kế cho ô tô du lịch NEW INSIGHT, kiểu động cơ i-VTEC 3-Stage IMA (Integrated Motor Assist). Đây là hệ thống lai kiểu kết hợp song song giữa động cơ xăng và động cơ điện. Động cơ xăng là loại 4 kỳ 4 xi lanh, dung tích xi lanh 1.3 lít, công suất 65kW ở số vòng quay 5.800 vòng/phút, hệ thống phân phối khí sử dụng công nghệ i-VTEC 3-Stage với ba chế độ điều khiển xu páp: đóng hoàn toàn tất cả các xu páp ở trạng thái nghỉ, đóng mở bình thường và đóng mở tăng cường khi chạy ở tốc độ cao. Động cơ điện là loại một chiều không chổi than (DC brushless motor), hiệu điện thế 100V, công suất 10kW ở số vòng quay 1.500 vòng/phút. Bộ nguồn ắc quy là loại Ni-MH (Nickel - Metal Hydride), dung lượng 100V-200AH. Cả động cơ xăng và động cơ điện được kết hợp nối cứng với nhau và cùng truyền mô men xoắn đến bánh xe chủ động thông qua bộ truyền động đai vô cấp. Động cơ điện được thiết kế có kích thước tương đương như một bánh đà và được lắp vào đúng vị trí của bánh đà động cơ xăng, do đó, rô to của động cơ điện có vai trò tạo quán tính thay thế bánh đà. Toàn bộ hệ thống được điều khiển hoạt động phối hợp công suất một cách tự động thông qua bộ điều khiển điện tử PCU (Power Control Unit). Nguyên tắc hoạt động của hệ thống Honda Hybrid IMA như sau: - Khởi hành và chạy với vận tốc chậm: Chỉ một mình động cơ điện hoạt động, lúc này động cơ xăng ở trạng thái nghỉ. Vì động cơ điện được lắp nối cứng với động cơ xăng nên trục khuỷu quay theo. Để giảm tổn hao công suất 17 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân trong các xi lanh, hệ thống i-VTEC điều khiển cơ cấu phân phối khí đóng hoàn toàn tất cả các xu páp (cam không điều khiển mở xu páp). Động cơ xăng Động cơ điện Truyền động đai vô cấp Động cơ điện Hình 1-12: Cấu tạo động cơ Honda Hybrid IMA. - Chạy bình thường với vận tốc từ trung bình trở lên: Chỉ một mình động cơ xăng hoạt động, động cơ điện ở trạng thái nghỉ (không cấp nguồn), rô to của động cơ điện có vai trò là một bánh đà của động cơ xăng. Trong trường hợp này, nếu ắc quy hết điện, động cơ điện được điều khiển trở thành một máy phát điện và nhận một phần công suất từ động cơ xăng để nạp điện cho ắc quy. - Tăng tốc đột ngột hoặc vượt dốc cao: Hệ thống điện tử PCU sẽ điều khiển cả động cơ xăng và động cơ điện cùng kết hợp công suất để tăng sức kéo cho ô tô. - Giảm tốc hoặc phanh xe: Động cơ xăng được điều khiển chuyển sang trạng thái nghỉ (tất cả các xu páp đều đóng) và động cơ điện trở thành một máy phát điện nhận động năng quán tính từ ô tô biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy. - Dừng xe: Cả hai động cơ đều ngừng hoạt động. Với nguyên tắc hoạt động như trên, động cơ IMA khắc phục được nhược điểm của động cơ xăng là có hiệu suất thấp ở vùng tốc độ thấp nên đem lại 18 Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân hiệu suất tổng thể khá cao. Cấu tạo theo nguyên tắc này giúp động cơ nhỏ gọn và nhẹ hơn so với hệ thống THS II của Toyota. Hệ thống i-VTEC điều khiển tăng cường độ mở xu páp giúp động cơ xăng tăng công suất và hiệu suất khi chạy ở tốc độ cao. Tuy nhiên, do hệ thống IMA chỉ kết hợp lai song song nên hiệu quả tổng thể không thể bằng hệ thống THS II của Toyota. 1.2.3. Hệ thống lai của Mercedes-Benz ML 450 Hybrid: Lần đầu tiên ra mắt tại triển lãm ô tô New York hồi tháng 4 năm 2009, mẫu Mercedes-Benz ML 450 hybrid 2010 đã chính thức có mặt trên thị trường Mỹ từ ngày 16 tháng 11 năm 2009. Chiếc xe sử dụng động cơ xăng 3.5 lít V6 công suất 205kW, kết hợp với hai động cơ điện, trong đó, một động cơ điện được bố trí cùng nhóm với động cơ xăng nằm ở phía cầu trước có công suất 62kW và một động cơ điện được bố trí độc lập nằm ở phía cầu sau có công suất 60kW, như vậy tổng công suất của hệ thống đạt 327kW. Ắc quy sử dụng trên ô tô này là loại Ni-MH (nickel - metal hydride), hiệu điện thế 288V và được đặt ở bên dưới sàn của ngăn chứa hành lý phía sau xe. Theo MercedesBenz, mẫu SUV hybrid cỡ lớn này tiêu thụ trung bình 11,2 lít nhiên liệu cho 100 km trong thành phố và 9,8 lít/100 km đường cao tốc. Nhờ ứng dụng những công nghệ mới mà mức tiết kiệm nhiên liệu của chiếc hybrid này được cải thiện đáng kể với chức năng tự động tắt động cơ xăng khi không cần thiết như chờ đèn đỏ hay tắc đường. Hệ thống sử dụng hai động cơ điện lắp riêng trên mỗi cầu xe nhằm giảm kích thước cho động cơ điện được lắp chung với động cơ xăng. Ngoài ra, mặc dù động cơ xăng chỉ dẫn động cầu trước nhưng nhờ có động cơ điện ở phía cầu sau nên hệ thống truyền động vẫn thực hiện được chức năng "4 bánh chủ động chống trượt" (4MATIC). Nguyên tắc hoạt động của hệ thống lai trên ô tô ML 450 Hybrid như sau: - Khởi hành và chạy chậm: Khi chạy trong thành phố với tốc độ chậm, xe vận hành chỉ bằng động cơ điện, tốc độ cực đại đạt 55 km/h. 19