Tài liệu Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid lpg điện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CẢI TẠO XE GẮN MÁY CHẠY BẰNG XĂNG THÀNH XE GẮN MÁY HYBRID LPG – ĐIỆN (THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ) Người hướng dẫn: PGS. TS. TRẦN THANH HẢI TÙNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN NGUYÊN Số thẻ sinh viên: 103140035 Lớp: 14C4A Đà Nẵng, 06/2019 TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện (Thiết kế truyền động cơ khí). Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nguyên Số thẻ sinh viên: 103140035 Lớp: 14C4A Đề tài trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu và giới thiệu về xe gắn máy hybrid. Khảo sát tổng quát hệ thống truyền động sử dụng trên xe chọn để cải tạo mà cụ thể là xe Honda LEAD 110 Fi đời 2009. Từ việc lựa chọn phương án bố trí tối ưu, đi đến tính toán lực kéo khi sử dụng động cơ điện, động cơ nhiệt và khi kết hợp cả hai cùng làm việc. Kết quả của quá trình thực nghiệm phân tích, lựa chọn các phương án để cải tạo và lắp đặt động cơ điện ở phía trước. Tiếp theo là tiến hành lắp đặt các chi tiết và bộ phận lên xe sau khi đã chọn phương án bố trí khoa học, tối ưu để đảm bảo tận dụng được không gian của xe cũng như tăng được tính thẩm mỹ cho xe sau cải tạo. Vận hành chạy thử để có những so sánh, đánh giá giữa việc sử dụng nhiên liệu LPG và xăng ban đầu. Đánh giá khả năng vận hành bằng điện, bằng nhiên liệu LPG và khi kết hợp cả hai. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: NGUYỄN VĂN NGUYÊN Số thẻ sinh viên: 103140035 Lớp: 14C4A Khoa: Cơ khí giao thông Ngành: Kỹ thuật Cơ khí 1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện (Thiết kế truyền động cơ khí) 2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện 3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Theo tài liệu xe Honda Lead 110 Fi 4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1. Mục đích, ý nghĩa khoa học của đề tài 1.2. Vấn đề năng lượng và môi trường hiện nay 1.3. Giới thiệu về xe hybrid và xu hướng phát triển của ô tô - xe máy hybrid trong tương lai 1.4. Tổng quan về xe gắn máy hybrid LPG – Điện 1.5. Ưu, nhược điểm của động cơ hybrid LPG – Điện so với động xăng ban đầu 1.6. Kết luận Chương 2. KHẢO SÁT TỔNG QUÁT XE HONDA LEAD 110 Fi 2.1. Giới thiệu chung về xe Honda LEAD 110 Fi 2.2. Các thông số kỹ thuật của xe 2.3. Sơ đồ bố trí tổng thể ban đầu 2.4. Khảo sát hộp số vô cấp sử dụng trên xe Honda LEAD 110 Fi 2.5. Khảo sát ly hợp xe Honda LEAD 110 Fi 2.6. Kết luận Chương 3. TÍNH TOÁN LỰC KÉO ĐỘNG CƠ CỦA XE HYBRID LPG – ĐIỆN 3.1. Tính toán lực kéo khi sử dụng động cơ điện 3.2. Tính toán lực kéo khi sử dụng động cơ nhiệt 3.3. Tính toán lực kéo của động cơ khi sử dụng kết hợp động cơ điện và động cơ nhiệt 3.4. Kết luận Chương 4. QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ VÀ CẢI TẠO XE GẮN MÁY HYBRID 4.1. Bố trí lắp đặt động cơ điện ở phía trước 4.2. Thiết kế, gia công ống lót nối trục của chảng ba 4.3. Thiết kế, gia công mặt bích để lắp đặt đĩa phanh 4.4. Kết luận Chương 5. LẮP ĐẶT CÁC CHI TIẾT VÀ BỘ PHẬN LÊN XE SAU KHI CẢI TẠO 5.1. Lắp đặt hệ thống động cơ điện 5. 6. 7. 8. 9. 5.2. Lắp đặt hệ thống động cơ LPG 5.3. Kiểm tra, lắp lại vỏ xe, thử xe và đánh giá 5.4. Kết luận KẾT LUẬN Bản vẽ STT Tên bản vẽ Cỡ bản vẽ Số lượng 1 Bản vẽ sơ đồ tổng quát hệ thống truyền A3 01 động cơ khí 2 Bản vẽ lắp ly hợp ly tâm A3 01 3 Bản vẽ lắp hộp số vô cấp của xe A3 01 4 Bản vẽ chi tiết ống lót nối trục chảng ba A3 01 5 Bản vẽ chi tiết mặt bích lắp đặt đĩa phanh A3 01 6 Bản vẽ chi tiết đệm chữ L A3 01 7 Bản vẽ cải tạo chảng ba A3 01 8 Bản vẽ sơ đồ bố trí mạch sạc lại cho ắc quy A3 01 9 Bản vẽ lắp gá đặt ắc quy A3 01 Tổng 09 Mô hình sản phẩm: Mẫu xe máy Hybrid LPG-Điện Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS. TRẦN THANH HẢI TÙNG Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 25/02/2019 Ngày hoàn thành đồ án: 03/06/2019 Đà Nẵng, ngày 25 tháng 02 năm 2019 Trưởng Bộ môn Ô tô – Máy động lực Người hướng dẫn Dương Việt Dũng Trần Thanh Hải Tùng LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển của Khoa học – Kỹ thuật thì phương tiện giao thông cũng ngày càng trở nên đa dạng. Tuy nhiên, chủ yếu vẫn là phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong. Đây chính là những loại phương tiện phát ra một lượng lớn khí thải độc hại ra môi trường. Bên cạnh đó, nhiên liệu hóa thạch ngày càng trở nên cạn kiệt bởi sự khai thác bừa bãi của con người. Để có biện pháp khắc phục những vấn đề trên đòi hỏi phải có một loại phương tiện tham gia giao thông vừa giảm phát thải ô nhiễm môi trường, vừa tiết kiệm năng lượng bền vững và lâu dài. Nắm bắt được điều này, nhóm chúng em đã cùng nhau thực hiện đề tài Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện. Với đề tài này, chúng ta vừa tiết kiệm được năng lượng nhờ vận hành bằng điện, vừa giảm được lượng phát thải ra môi trường. Đề tài được thực hiện với các tiêu chí: tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường, gọn gàn và có tính thẩm mỹ cao. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và góp ý tận tình của thầy PGS. TS. Trần Thanh Hải Tùng, thầy GS. TSKH. Bùi Văn Ga và thầy ThS. Võ Anh Vũ trong khoảng thời gian nhóm thực hiện đồ án. Trong suốt quá trình làm đồ án sẽ không tránh khỏi sai sót do kiến thực còn hạn chế, chúng em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để chúng em có thể hoàn thành sản phẩm của mình tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn! i CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả thực hiện nghiên cứu, cải tạo trong đồ án này là trung thực. Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong đồ án đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố. Nếu có sai sót gì xảy ra tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra. Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Nguyên ii MỤC LỤC Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu i Cam đoan Mục lục Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ ii iii v Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt viii Trang MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .............................................2 1.1. Mục đích, ý nghĩa khoa học của đề tài ................................................................2 1.2. Vấn đề năng lượng và môi trường hiện nay ........................................................2 1.2.1. Vấn đề về năng lượng ...........................................................................................2 1.2.2. Vấn đề về môi trường .........................................................................................12 1.3. Giới thiệu về xe hybrid và xu hướng phát triển của ô tô – xe máy hybrid trong tương lai 15 1.3.1. Giới thiệu về xe hybrid .......................................................................................15 1.3.2. Xu hướng phát triển của ô tô – xe máy hybrid trong tương lai ..........................17 1.4. Tổng quan về xe gắn máy hybrid LPG – Điện ..................................................18 1.5. Ưu, nhược điểm của động cơ hybrid LPG – Điện so với động cơ xăng ban đầu .......................................................................................................................................18 1.5.1. Ưu điểm ...............................................................................................................18 1.5.2. Nhược điểm .........................................................................................................18 1.6. Kết luận .................................................................................................................19 Chương 2: KHẢO SÁT TỔNG QUÁT XE HONDA LEAD 110 Fi ......................20 2.1. Giới thiệu chung về Honda LEAD 110 Fi .........................................................20 2.2. Các thông số kỹ thuật của xe ..............................................................................21 2.3. Sơ đồ bố trí tổng thể ban đầu .............................................................................22 2.4. Hộp số vô cấp sử dụng trên xe ............................................................................22 2.4.1. Sơ đồ cấu tạo .......................................................................................................23 2.4.2. Nguyên lý hoạt động ...........................................................................................24 2.5. Khảo sát đặc điểm ly hợp xe Honda LEAD 110 Fi ...........................................25 iii 2.5.1. Kết cấu ly hợp ......................................................................................................25 2.5.2. Nguyên lý hoạt động ...........................................................................................27 2.6. Kết luận .................................................................................................................28 Chương 3: TÍNH TOÁN LỰC KÉO ĐỘNG CƠ CỦA XE HYBRID LPG – ĐIỆN .......................................................................................................................................29 3.1. Tính toán lực kéo động cơ khi sử dụng động cơ điện .......................................29 3.2. Tính toán lực kéo động cơ khi sử dụng động cơ nhiệt ......................................30 3.2.1. Tính chọn động cơ nhiệt .....................................................................................30 3.2.2. Tính toán tính năng xe gắn máy khi chạy bằng động cơ nhiệt ...........................31 3.3. Tính toán lực kéo của động cơ khi sử dụng kết hợp động cơ điện và động cơ nhiệt .............................................................................................................................36 3.4. Kết luận .................................................................................................................37 Chương 4: QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ VÀ CẢI TẠO XE GẮN MÁY HYBRID ............................................................................................................38 4.1. Bố trí lắp đặt động cơ điện ở phía trước ...........................................................38 4.1.1. Cải tạo phuộc để lắp trục bánh xe điện ..............................................................38 4.1.2. Cải tạo chảng ba để lắp đặt bánh xe động cơ điện ..............................................39 4.2. Thiết kế ống lót nối trục của chảng ba ...............................................................41 4.3. Thiết kế mặt bích để lắp đặt đĩa phanh .............................................................42 4.4. Kết luận .................................................................................................................44 Chương 5: LẮP ĐẶT CÁC CHI TIẾT VÀ BỘ PHẬN LÊN XE SAU KHI CẢI TẠO...............................................................................................................................45 5.1. Lắp đặt hệ thống động cơ điện phía trước ........................................................45 5.1.1. Lắp đặt hệ thống phanh đĩa .................................................................................45 5.1.2. Lắp đặt bánh xe động cơ điện .............................................................................46 5.1.3. Gá đặt ắc quy .......................................................................................................48 5.2. Lắp đặt hệ thống LPG ..........................................................................................50 5.2.1. Bố trí gá đặc bộ phụ kiện GATEC-27 .................................................................50 5.2.2. Bố trí lắp đặt bình chứa LPG ..............................................................................52 5.3. Kiểm tra, lắp đặt lại vỏ xe, thử xe và đánh giá .................................................53 5.3.1. Kiểm tra, lắp đặt lại vỏ xe ...................................................................................53 5.3.2. Thử xe và đánh giá ..............................................................................................53 5.4. Kết luận .................................................................................................................54 KẾT LUẬN ..................................................................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................57 iv DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của xe Honda LEAD 110 Fi 2009 Bảng 3.1 Kết quả tính toán lực kéo theo vận tốc chuyển động của xe Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật động cơ nhiệt Bảng 3.3. Kết quả tính toán mô men và công suất Bảng 3.4 Biến thiên của tỷ số truyền hộp số vô cấp theo tốc độ động cơ Bảng 3.5 Kết quả tính toán động lực học động cơ nhiệt Bảng 3.6 Kết quả tính toán lực kéo khi kết hợp hai nguồn động lực Bảng 5.1 Thông số ắc quy Bảng 5.2 Kết quả đánh giá thực nghiệm Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng của thế giới 1970 – 2025 (Đơn vị nghìn triệu triệu BTU) Hình 1.2 Nhà máy điện hạt nhân Hình 1.3 Ô tô Aspire của Ford sử dụng khí nén tự nhiên (CNG) Hình 1.4 Sản xuất và ứng dụng của năng lượng sinh khối Hình 1.5 Quy trình khai thác điện địa nhiệt Hình 1.6 Nhà máy thủy điện Hình 1.7 Tuabin gió Hình 1.8 Mô hình ô tô sử dụng năng lượng mặt trời Hình 1.9 Mô hình khai thác điện từ năng lượng thủy triều Hình 1.10 Khai thác điện từ sóng biển Hình 1.11 Ô nhiễm môi trường từ quá trình công nghiệp hóa Hình 1.12 Diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp Hình 1.13 Lượng khí thải CO2 sinh ra do sử dụng năng lượng hóa thạch (Đơn vị tỷ tấn) Hình 1.14 Cấu tạo xe hybrid nối tiếp (trái) và song song (phải) Hình 1.15 Toyota Prius Hybrid 1997 Hình 1.16 Ô tô Toyota Prius Plug-In Hybrid (trái) và xe tay ga Honda PCX Hybrid (phải) Hình 2.1 Honda LEAD 110 Fi 2009 Hình 2.2 Sơ đồ bố trí tổng thể ban đầu trên xe LEAD Hình 2.3 Hộp số vô cấp trang bị trên xe Honda LEAD Hình 2.4 Sơ đồ hộp số vô cấp khảo sát trên xe Honda LEAD Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hộp số vô cấp v Hình 2.6 Ly hợp ly tâm trên xe Honda LEAD 110 Fi Hình 2.7 Vỏ nồi ly hợp Hình 2.8 Bộ guốc ma sát và đĩa guốc văng Hình 2.9 Trục trung tâm Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của ly hợp ly tâm Hình 3.1 Đồ thị đặc tính lực kéo của xe máy điện Hình 3.2 Đồ thị đặc tính tốc độ của động cơ nhiệt Hình 3.3 Đồ thị lực kéo của động cơ nhiệt Hình 3.4 Đồ thị lực kéo của động cơ nhiệt và động cơ điện Hình 3.5 Đồ thị lực kéo khi kết hợp cả động cơ điện và động cơ nhiệt Hình 4.1 Phuộc trước sử dụng trên xe Honda LEAD trước khi cải tạo Hình 4.2 Phuộc trước sau khi cải tạo Hình 4.3 Đệm chữ L để chống xoay trục Hình 4.4 Phương án cải tạo chảng ba bằng cách nối phuộc Hình 4.5 Chảng ba cũ (trái) và chảng ba mới (phải) Hình 4.6 Bản vẽ kết cấu chảng ba cũ (trái) và mới (phải) Hình 4.7 Bản vẽ thiết kế ống lót nối trục chảng ba Hình 4.8 Ống lót nối trục lắp trên chảng ba Hình 4.9 May ơ bánh xe trước của xe LEAD Hình 4.10 Bản vẽ thiết kế mặt bích Hình 4.11 Hình dạng mặt bích thiết kế Hình 5.1 May ơ và đĩa phanh của bánh xe (trước) trước khi cải tạo Hình 5.2 Mặt bích được gắn trên bánh xe điện để lắp đĩa phanh Hình 5.3 Đĩa phanh sau khi lắp trên phần may ơ của mặt bích Hình 5.4 Lắp phuộc vào chảng ba mới sau khi cải tạo Hình 5.5 Lắp bánh xe điện lên phuộc Hình 5.6 Lắp đặt lại cụm piston của hệ thống phanh đĩa Hình 5.7 Ắc quy dùng để cấp nguồn cho động cơ điện Hình 5.8 Phương án bố trí ắc quy ở cốp xe Hình 5.9 Phương án bố trí ắc quy ở vị trí đặt bình xăng trước khi cải tạo Hình 5.10 Phần không gian để bố trí gá đặt ắc quy động cơ điện Hình 5.11 Thiết kế giá đỡ gá đặt ắc quy (trái) và chế tạo giá đỡ ắc quy (phải) Hình 5.12 Thay thế bình xăng (trái) thành bộ ắc quy cung cấp cho động cơ điện (phải) Hình 5.13 Bộ phụ kiện GATEC-27 Hình 5.14 Bố trí bộ phụ kiện GATEC-27 Hình 5.15 Phương án bố trí bình chứa LPG ở cốp xe vi Hình 5.16 Bố trí gá đặt bình chứa LPG ở cốp xe Hình 5.17 Lắp đặt lại vỏ xe sau khi cải tạo Hình 5.18 Chạy thực nghiệm trên đường phố vii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT LPG : (Liquefied Petroleum Gas) Khí dầu mỏ hóa lỏng BTU CNG : (British Thermal Unit) Đơn vị nhiệt Anh : (Compressed Natural Gas) Khí đốt nén tự nhiên FK FL FG [N] [N] [N] : Lực kéo tiếp tuyến : Lực cản lăn : Lực cản gió FQ [N] : Lực quán tính PC [W] : Công suất cản ở bánh xe vmax ηt Me ꞷe ꞷM kM [m/s] : Vận tốc cực đại của xe : Hiệu suất của hệ thống truyền động [N.m] : Mô men xoắn của động cơ [rad/s] : Tốc độ góc của động cơ [rad/s] : Tốc độ góc ứng với mô men xoắn cực đại của động cơ : Hệ số thích ứng của động cơ theo mô men xoắn Pmax a, b, c [W] Mkbx it ꞷbx v Rbx vĐCĐ FkĐCĐ vĐCĐT FkĐCĐT [N.m] : Mô men kéo ở bánh xe chủ động : Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực [rad/s] : Tốc độ góc của bánh xe chủ động [m/s] : Vận tốc của bánh xe chủ động [m] : Bán kính bánh xe [m/s] : Vận tốc động cơ điện [N] : Lực kéo của động cơ điện [m/s] : Vận tốc động cơ đốt trong [N] : Lực kéo của động cơ đốt trong FkĐCĐ(vĐCĐT) [N] FkƩ [N] : Công suất cực đại của động cơ : Hằng số Lây-đéc-man : Lực kéo của động cơ điện theo vận tốc của động cơ đốt trong : Lực kéo tổng viii Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện (Thiết kế truyền động cơ khí) MỞ ĐẦU Đề tài được nghiên cứu và thực hiện trên thực trạng ô nhiễm môi trường do khí thải từ các phương tiện giao thông gây ra, đặc biệt là phương tiện xe gắn máy. Bên cạnh đó là vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch do việc khai thác một cách bừa bãi. Nhận thấy được điều đó, chúng em đã nghiên cứu và đưa ra giải pháp vừa giảm thiểu được vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải từ phương tiện xe gắn máy, đồng thời tận dụng được nguồn năng lượng sạch, giảm lượng tiêu thụ năng lượng hóa thạch trong tương lai đó là nghiên cứu và cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện. Nghiên cứu và cải tạo được thực hiện trên mẫu xe Honda LEAD 110 Fi nhờ những ưu điểm của dòng xe này là tính phổ biến, khoang chứa đồ rộng rãi và phù hợp với vóc dáng của người dân Việt Nam. Từ mẫu xe nguyên bản ban đầu, lựa chọn bố trí lắp đặt một động cơ điện, động cơ điện được cấp nguồn từ 4 bình ắc quy mắc trực tiếp với điện áp làm việc là 48V. Động cơ nhiệt chuyển đổi từ sử dụng nhiên liệu xăng sang LPG và vẫn có thể sử dụng xăng khi cần thiết. Một mạch sạc lại cho ắc quy 48V được bố trí ở phần hông xe để tận dụng nguồn năng lượng của động cơ điện khi phanh, khi đổ dốc và khi chạy hoàn toàn bằng LPG. Cấu trúc của đề tài như sau: - Tổng quan về đề tài nghiên cứu - Khảo sát tổng quát xe gắn máy cải tạo - Lựa chọn phương án bố trí tối ưu và tính toán bền khung xe - Tính toán, lựa chọn phương án cấp LPG - Tính toán động học, động lực học các nguồn động lực - Thực nghiệm cải tạo, lắp đặt và vận hành thực nghiệm sản phẩm - So sánh, đánh giá kết quả thực nghiệm Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nguyên Hướng dẫn: Trần Thanh Hải Tùng 1 Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện (Thiết kế truyền động cơ khí) Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1. Mục đích, ý nghĩa khoa học của đề tài Hiện nay lượng xe gắn máy ở nước ta chẳng những không có xu hướng giảm bớt mà ngày càng gia tăng. Trong tương lai sắp tới, đây vẫn là phương tiện di chuyển chủ yếu của người dân Việt Nam vì tính cơ động và thuận tiện, giá cả lại phù hợp với túi tiền của người dân lao động nước ta. Vấn đề đau đầu nhất đối với các cơ quan quản lý nhà nước là vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng và ô nhiễm môi trường. Đã có rất nhiều nghiên cứu và giải pháp được đưa ra nhằm hạn chế các vấn đề này đó là sử dụng tiến bộ của khoa học, công nghệ. Các giải pháp được đánh giá tốt nhất hiện nay là sử dụng pin nhiên liệu (Fuel Cell Vehicle) và ô tô hybrid (lai) nhiệt – điện. Ô tô, xe máy sử dụng pin nhiên liệu có ưu điểm lớn đó là hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường nhưng hiện nay vấn đề lưu trữ đang còn là trở ngại. Ô tô, xe máy hybrid kết hợp được ưu điểm của động cơ điện và động cơ nhiệt đồng thời hạn chế được những nhược điểm của chúng nên tạo ra được hiệu suất cao và giảm phát thải ô nhiễm. Do đó, công nghệ xe lai đang được các nhà sản xuất ô tô, xe máy tập trung nghiên cứu và phát triển. Hiểu được vấn đề này, chúng em đã tập trung nghiên cứu và phát triển xe gắn máy sử dụng động cơ hybrid LPG – Điện với mong muốn rằng sự kết hợp này sẽ làm giảm phát thải ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu bền vững, lâu dài. 1.2. Vấn đề năng lượng và môi trường hiện nay 1.2.1. Vấn đề về năng lượng 1.2.1.1. Năng lượng truyền thống Hiện nay, tất cả các nước trên thế giới từ các nước tiên tiến đến các nước đang phát triển và chậm phát triển rất đau đầu về vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống. Tình hình nguồn nhiên liệu dầu mỏ hiện nay không ổn định, giá dầu thường thay đổi lớn theo những biến động chính trị, khó dự báo. Tính từ năm 1973 đến nay thế giới đã trải qua 5 lần khủng hoảng giá dầu: - Lệnh cấm vận dầu Ả Rập năm 1974. - Lệnh cấm vận dầu Iran năm 1979. - Chiến tranh Vùng Vịnh 1990. - Năm 1999 giá dầu từ 8 – 10 USA/thùng tăng vọt lên trên 30 USD/thùng. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nguyên Hướng dẫn: Trần Thanh Hải Tùng 2 Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện (Thiết kế truyền động cơ khí) - Đặc biệt năm 2004 một sự khủng hoảng dầu mỏ lớn nhất từ trước đến nay, giá dầu tăng đến mức kỷ lục 60 USD/thùng, đến năm 2005 giá dầu lên đến hơn 70 USD/thùng. Khi mà nguồn nhiên liệu truyền thống ngày càng dần cạn kiệt thì việc đòi hỏi sử dụng một nguồn năng lượng thay thế lâu dài là vấn đề cần sớm được giải quyết Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng của thế giới 1970 – 2025 (Đơn vị nghìn triệu triệu BTU). 1.2.1.2. Năng lượng thay thế Ở một thế giới mà sự bất ổn của cả xã hội và thiên nhiên càng ngày càng gia tăng như hiện nay thì vấn đề năng lượng là một vấn đề nóng hổi rất được quan tâm. Nguồn năng lượng hóa thạch xưa nay vẫn đc coi là chủ chốt đang dần tở nên khan hiếm và cũng là nguyên nhân gây ra nhiều bất động, tranh chấp giữa các quốc gia trên thế giới. Trong khi đó theo như các nhà khoa học dự đoán, với tốc độ khai thác và sử dụng nguồn tài nguyên hóa thạch như hiện nay thì trong vòng vài thế kỷ nữa con cháu chúng ta sẽ phải gánh chịu những hậu quả nghiêm trọng về cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch. Từ đó, nhu cầu về các nguồn năng lượng thay thế càng trở nên cấp thiết hơn, càng ngày càng có nhiều dự án nghiên cứu năng lượng thay thế được khởi động và phát triển ở khắp nơi trên thế giới. Tuy nhiên không phải tất cả chúng đều thích hợp để phát triển trong tương lai. Một số nguồn năng lượng thay thế được cho là khả thi nhất trong thời điểm hiện nay có thể kể đến là: a. Năng lượng hạt nhân Năng lượng hạt nhân là một loại công nghệ hạt nhân được thiết kế để tách năng lượng có ích từ hạt nhân nguyên tử thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát. Phương pháp duy nhất được sử dụng hiện nay là phân hạch hạt nhân, mặc dù các phương pháp khác có thể bao gồm tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xạ. Trong năm 2007, có Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nguyên Hướng dẫn: Trần Thanh Hải Tùng 3 Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện (Thiết kế truyền động cơ khí) tới 14% sản lượng điện trên thế giới đến từ năng lượng hạt nhân, trong số đó đối với Hoa Kì, Pháp và Nhật Bản là 56,5% sản lượng điện. Trên thế giới hiện nay có khoảng gần 450 lò phản ứng điện hạt nhân hoạt động rải rác trên 31 quốc gia. Trong toàn Liên minh châu Âu, năng lượng hạt nhân cung cấp 30% nhu cầu điện. Những người ủng hộ năng lượng hạt nhân cho rằng điện hạt nhân là một nguồn năng lượng bền vững , làm giảm lượng khí thải carbon và tăng cường an ninh năng lượng bằng cách giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ. Họ cũng nhấn mạnh rằng rủi ro có thể giảm hơn nữa nếu sử dụng các công nghệ mới nhất. Tuy nhiên một số nhà phê bình cho rằng điện hạt nhân là nguồn năng lượng nguy hiểm. Mặc dù vậy, đối với các nước phương Tây thì nó được nhìn nhận như là một cách khả thi để đạt được sự độc lập năng lượng. Hình 1.2 Nhà máy điện hạt nhân. b. Khí nén tự nhiên Khí đốt nén tự nhiên (CNG) là hỗn hợp chất khí cháy được, bao gồm phần lớn là các hydrocarbon (hợp chất hóa học chứa cacbon và hyđrô). Cùng với than đá, dầu mỏ và các khí khác, khí thiên nhiên là nhiên liệu hóa thạch. Khí thiên nhiên có thể chứa đến 85% mêtan (CH4) và khoảng 10% êtan (C2H6), và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), và các ankan khác. Khí thiên nhiên, thường tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung năng lượng thế giới. Khí thiên nhiên chứa lượng nhỏ các tạp chất, bao gồm điôxit cacbon (CO2), hyđrô sulfit (H2S), và nitơ (N2). Do các tạp chất này có thể làm giảm nhiệt trị và đặc tính của khí thiên nhiên, chúng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nguyên Hướng dẫn: Trần Thanh Hải Tùng 4 Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện (Thiết kế truyền động cơ khí) thường được tách ra khỏi khí thiên nhiên trong quá trình tinh lọc khí và được sử dụng làm sản phẩm phụ. Đây được cho là một giải pháp thay thế phần nào nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu diesel. Một ưu điểm rất lớn nữa là quá trình đốt cháy khí nén sẽ không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính, đó là một lợi ích lớn đối với môi trường. Ngày nay khí tự nhiên được sử dụng song song với nhiên liệu xăng trên một số dòng xe ô tô. Do giá xăng dầu ngày càng tăng nên loại xe này cũng ngày càng được ưa chuộng. Ý là nước có số lượng xe sử dụng khí nén thiên nhiên nhiều nhất trên thế giới, thứ hai là Canada. Ngoài ra New Zealand cũng là vùng đất của CNG sau những cuộc khủng hoảng giá dầu mỏ. Hình 1.3 Ô tô Aspire của Ford sử dụng khí nén tự nhiên (CNG). c. Năng lượng sinh khối Sinh khối là dạng nhiên liệu sinh học từ sinh vật sống, đa số là các cây trồng hay nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật. Được xem là nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sinh khối có thể dùng trực tiếp, gián tiếp một lần hay chuyển thành dạng năng lượng khác như năng lượng sinh học. Sinh khối có thể chuyển thành năng lượng theo ba cách: chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi hóa học, và chuyển đổi sinh hóa. Về mặt lịch sử, con người đã khai thác các sản phẩm có nguồn gốc từ năng lượng sinh khối khi họ bắt đầu dùng củi và cỏ khô để nhóm lửa sưởi ấm. Ngày nay, thuật ngữ này có thể hiểu theo hai nghĩa. Nghĩa thứ nhất, sinh khối là vật liệu cây trồng dùng để tạo ra điện năng (dùng turbin hơi hoặc nén khí), hoặc tạo ra nhiệt (thông qua việc đốt trực tiếp). Sinh khối cũng có thể bao gồm các chất thải phân hủy sinh học có thể được đốt cháy thành nhiên liệu. Nguồn sinh khối công nghiệp được được phát triển từ nhiều loại thực vật bao gồm Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nguyên Hướng dẫn: Trần Thanh Hải Tùng 5 Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện (Thiết kế truyền động cơ khí) Miscanthus, cỏ, cây gai dầu, ngô, cây dương, cây liễu, cây lúa miến, mía và một số loài cây khác. Sản xuất sinh khối là một ngành công nghiệp khá phát triển và đang ngày càng được quan tâm hơn. Hiện nay tại Hoa Kì, năng lượng sinh khối hàng năm sản xuất khoảng 0,5% sản lượng điện. Nhà máy điện New Hope là nhà máy điện sinh khối lớn nhất Bắc Mỹ. Việc phát triển năng lượng sinh khối sẽ giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ trong tương lai. Hình 1.4 Sản xuất và ứng dụng của năng lượng sinh khối. d. Năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất. Nó có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ các hoạt động phân hủy phóng xạ, năng lượng mặt trời được bề mặt trái đất hấp thụ. Để trích xuất nguồn năng lượng này là một điều không khó, từ thời La Mã cổ đại người ta đã tận dụng nó để nung đồ, tắm … Ở thời nay, nó chủ yếu để tạo ra điện. Đây được coi là nguồn năng lượng hiệu quả, đáng tin cậy và thân thiện với môi trường. Vấn đề duy nhất của nó là sự phụ thuộc vào khu vực địa lý đối với các khu vực gần ranh giới các mảng kiến tạo. Các tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đây đã từng bước mở rộng phạm vi và quy mô của nguồn tài nguyên tiềm năng này, đặc biệt là các ứng dụng trực tiếp như sưởi ấm nhà. Các giếng địa nhiệt có khuynh hướng giải phóng khí thải gây hiệu ứng nhà kính bị giữ sâu trong lòng đất nhưng sự phát thải này thấp hơn nhiều so với việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nguyên Hướng dẫn: Trần Thanh Hải Tùng 6 Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện (Thiết kế truyền động cơ khí) Nhà máy địa nhiệt lớn nhất trên thế giới được đặt tại California, Hoa Kì. Đến năm 2004, một số quốc gia như Kenya, Philippines, Iceland và Costa Rica đã tạo ra 15% sản lượng điện từ các nguồn năng lượng địa nhiệt. Năng lượng địa nhiệt không cần nhiên liệu nên cũng không mất chi phí cho nhiên liệu, tuy nhiên đầu tư ban đầu lại khá cao. Việc thăm dò tài nguyên ban đầu cũng đem lại rủ ro về mặt tài chính tương đối cao. Tuy nhiên nếu khai thác được thì một nhà máy có thể cung cấp năng lượng cho một thành phố lớn. Hiện nay, năng lượng địa nhiệt đã được tạo ra ở 24 nước trên thế giới và một số vùng tiềm năng đang được đánh giá để phát triển. Hình 1.5 Quy trình khai thác điện địa nhiệt. e. Năng lượng bức xạ Nguồn năng lượng từ bức xạ tự nhiên có thể cung cấp năng lượng tương đương điện năng với chỉ 1% chi phí bình thường. Nhà khoa học Nikola Tesla đã luôn tin tưởng rằng năng lượng tồn tại xung quanh chúng ta và có thể được khai thác. Loại năng lượng này có thể khai thác từ môi trường hoặc chiết xuất từ điện bình thường bằng phương pháp phân đoạn. f. Thủy điện Thủy điện là nguồn năng lượng có từ nước. Chúng có được phần lớn nhờ thế năng của nước được tích tại các đập làm quay một số tuabin nước và máy phát điện. Hệ thống thủy điện quy mô nhỏ có thể được đặt ở các sông nhỏ, suối và các nhà máy lớn thường ở vùng có các dòng nước lớn, sông chảy xiết. Các nhà máy thuỷ điện cũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện và một số nhà máy thuỷ điện đang hoạt động hiện nay Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nguyên Hướng dẫn: Trần Thanh Hải Tùng 7 Thiết kế cải tạo xe gắn máy chạy bằng xăng thành xe gắn máy hybrid LPG – Điện (Thiết kế truyền động cơ khí) đã được xây dựng từ 50 đến 100 năm trước. Chi phí nhân công cũng thấp bởi vì các nhà máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường. Hiện nay thủy điện sản xuất ra khoảng 19% sản lượng điện trên thế giới và là một trong những nguồn nhiên liệu mang tính chủ chốt. Đa số các dự án thủy điện cung cấp điện cho mạng lưới điện công cộng nhưng cũng có một số ít được tạo ra nhằm phục vụ các doanh nghiệp công nghiệp cụ thể. Mặt trái của thủy điện là dù không tiêu thụ nhiên liệu, không xả ra khí thải độc hại với môi trường, nhưng nó cũng tàn phá nặng nề môi trường sinh thái ở một số phương diện khác nhau. Hình 1.6 Nhà máy thủy điện. g. Năng lượng gió Năng lượng gió là sự chuyển hóa năng lượng gió qua các tuabin gió thành các nguồn năng lượng hữu ích cho con người. Các trang trại gió với quy mô lớn hiện nay thường được kết nối với các hệ thống truyền tải lưới điện địa phương. Ở một số khu vực bị cô lập, đây cũng là hình thức được đưa vào sử dụng để cung cấp nguồn điện năng chủ yếu. Các trang trại gió thường được xây dựng trên một diện tích rộng lớn kết hợp nông nghiệp hoặc chăn thả gia súc. Đây được coi là nguồn năng lượng thay thế có tác động ít nhất đối với môi trường. Dù cho tới bây giờ thì gió mới sản xuất khoảng 1,5% năng lượng điện trên toàn thế giới nhưng nó vẫn đang phát triển nhanh chóng đặc biệt trong khoảng thời gian gần đây. Tại Đan Mạch, điện từ năng lượng gió chiếm tới khoảng 19% sản lượng, ở Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha là 11% và ở Đức khoảng 7%. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nguyên Hướng dẫn: Trần Thanh Hải Tùng 8